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1、第三章 光 学 性 能,第一节 光传播的基本理论 第二节 光的反射和折射 第三节 材料对光的吸收和色散 第四节 晶体的双折射和二向色性 第五节 介质的光散射 第六节 材料的光发射 第七节 材料的受激辐射和激光,第一节 光传播的基本理论,一、光的波粒二象性 二、光的波动性 三、光的干涉和衍射 四、光子的能量和动量 五、光通过固体的现象,一、光的波粒二象性,因斯坦理论中的光量子(光子)不同于牛顿微粒学说中的粒子。他将光子的能量、动量等表征粒子性质的物理量与频率、波长等表征波动性质的物理量联系起来，并建立了定量关系。因此光子是同时具有微粒和波动两种属性的特殊物质，是光的双重本性的统一。1924年，德
2、布罗意创立了物质波假说，后又很快被电子束衍射实验所证实。这一切都说明，波动性和粒子性的统一不仅是光的本性，而且也是一切微观粒子的共同属性。1927年，狄拉克提出了电磁场的量子化理论，进一步以严格的理论形式把波动理论和量子理论统一起来，大大提高了人们对光本性的认识。,二、光的波动性,图3-1 电磁波谱,二、光的波动性,图3-2 线偏振光波中的电振 动、磁振动及光传播方向,三、光的干涉和衍射,图3-3 激光的双缝干涉实验,三、光的干涉和衍射,图3-4 激光狭缝衍射实验,四、光子的能量和动量,光子的能量和动量虽小，却不能再分割。最微弱的光源至少发射一个光子。按照波动观点，一个点光源所发射的光波会均匀
3、照亮以其为中心的球面。如果在球面上安装了许多探测器，而点光源在某一时刻只发射一个光子，那么光子将射向哪个探测器呢?我们不能作确切的回答。但是，有一点很清楚，即光子是不可分的。只要有一个探测器接收到光子，其他探测器就一定没有接收到。不能把一个光子再分散到整个球面上。波动理论预言光强在球面上的均匀分布，在这里只能理解为球面上各个探测器接收到这个光子的概率相等。只有等这个光源发射了许许多多光子之后，球面上每个探测器积累接收到的光子数才会相等。至此，我们认识到，即使在一次只发射一个光子的情况下光仍然具有波动特性，它表现为空间各处找到光子的概率相同。,五、光通过固体的现象,1.电子极化 电磁辐射的电场分
4、量，在可见光频率范围内，电场分量与传播过程中的每个原子发生作用，引起电子极化，即造成电子云和原子核电荷重心发生相对位移。 2.电子能态转变 光子被吸收和发射，都可能涉及固体材料中电子能态的转变。,五、光通过固体的现象,图3-5 光子与固体介质的作用,1.电子极化 电磁辐射的电场分量，在可见光频率范围内，电场分量与传播过程中的每个原子发生作用，引起电子极化，即造成电子云和原子核电荷重心发生相对位移。,2.电子能态转变 光子被吸收和发射，都可能涉及固体材料中电子能态的转变。,第二节 光的反射和折射,一、反射定律和折射定律 二、 折射率与传播速度的关系 三、反射率和透射率 四、光的全反射和光导纤维
5、五、棱镜、透镜和反射镜,一、反射定律和折射定律,光波入射到两种媒质的分界面以后，如果不考虑吸收、散射等其他形式的能量损耗，则入射光的能量只在两种介质的界面上发生反射和折射，能量重新分配，而总能量保持不变。如果只关心光在传播过程中方向的变化，此时，则无需考虑光波的振幅和光波传播过程中的位相变化，只需注意光波的传播方向和光波等相面的形状，这样就抽象出了光线和波面(等相面)这两个几何学概念。借助这些概念建立的以实验规律和几何定律为基础的光学就是几何光学。几何光学中有关光的传播特性的基本规律为：光在均匀介质中的直线传播定律；光通过两种介质的分界面时的反射定律和折射定律；光的独立传播定律和光路可逆性原理
6、。,一、反射定律和折射定律,图3-6 光的反射和折射,一、反射定律和折射定律,表3-1 一些透明材料在不同单色光下的折射率,二、 折射率与传播速度的关系,材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。两种介质相比，折射率较大者，光的传播速度较慢，称为光密介质；折射率较小者，光的传播速度较快，称为光疏介质。 材料表现出一定的折射率，从本质上讲，反映了材料的电磁结构(对非铁磁介质主要是电结构)在光波电磁场作用下的极化性质或介电特性。正是因为介质的极化，“拖住”了电磁波的步伐，才使其传播速度变得比真空中慢。材料的极化性质又与构成材料的原子的原子量、电子分布情况、化学性质等微观因素有关。这些微观因素通
7、过宏观量介电系数影响光在材料中的传播速度。,三、反射率和透射率,光在两种介质的界面上发生反射和折射时不仅传播方向发生变化，能量亦将变化。根据麦克斯韦方程组和电磁场的边界条件可以得到有关的结果。 当光线由介质1入射到介质2时，光在界面上分成了反射光和折射光，如图3-6所示。这种反射和折射，可以连续发生。由于反射，使得透过部分的强度减弱。反射光的功率与入射光的功率之比称为反射率(也称反射比)。经过折射进入介质2的光为透射光，透射光功率与入射光功率之比称为透射率。,三、反射率和透射率,图3-7 反射率随入射角的变化,四、光的全反射和光导纤维,利用光的全反射原理，可以制作一种新型光学元件光导纤维，简称
8、光纤。光纤是由光学玻璃、光学石英或塑料制成的直径为几微米至几十微米的细丝(称为纤芯)，在纤芯外面覆盖直径100150m的包层和涂敷层。包层的折射率比纤芯低约1，两层之间形成良好的光学界面。当光线从一端射入纤维内部时，如果其方向与纤维表面的法向所成夹角大于42，则光线全部内反射，无折射能量损失。因此光线在内外两层之间产生多次全反射而传播到纤维另一端，如图3-9所示。,四、光的全反射和光导纤维,图3-9 光在光导纤维中的传播,四、光的全反射和光导纤维,图3-9 光在光导纤维中的传播,五、棱镜、透镜和反射镜,利用材料的折射性质可以制成有用的光学元件，应用最为广泛的是棱镜和透镜。棱镜是由几个平面包围而
9、成的透明光学材料，主要用于分光(将复色光束分解成不同的波长成分)和偏转光束的方向。透镜通常是由两个球面或曲面包围而成的透明光学材料，主要用于聚光和成像。它们在光学仪器和光谱仪器中应用很普遍。锗和硅对于红外光透明且有很高的折射率。锗对波长10m红外光的折射率为4.1，硅为3.4，可作为红外透镜、棱镜和红外输出窗口。,第三节 材料对光的吸收和色散,一、光的吸收 二、光的色散,一、光的吸收,(一)吸收系数与吸收率 (二)吸收与波长的关系,(一)吸收系数与吸收率,图3-10 光的吸收,(二)吸收与波长的关系,图3-11 金属、半导体和电介质的吸收率随波长的变化,二、光的色散,1)对于同一材料，波长越短
10、则折射率越大； 2) 波长越短则色散率越大； 3) 对于不同材料，在同一波长下，折射率越大者色散率越大； 4) 不同材料的色散曲线间没有简单的数量关系。,二、光的色散,图3-13 石英的吸收光谱,二、光的色散,图3-13 石英的吸收光谱,图3-14 几种材料的色散,第四节 晶体的双折射和二向色性,一、双折射 二、双折射现象的解释 三、折射率椭球 四、偏振元件 五、二向色性,一、双折射,图3-15 双折射现象,一、双折射,图3-16 方解石晶体的光轴,二、双折射现象的解释,图3-17 单轴晶体中o光a)和e光b)的传播特性,三、折射率椭球,图3-18 双轴晶体的折射率椭球,四、偏振元件,利用晶体
11、材料的双折射性质可以制成特殊的光学元件，在光学仪器和光学技术中有广泛应用。例如，利用晶体的双折射，将自然光分解成偏振方向互相垂直的两束线偏振光的洛匈棱镜和渥拉斯顿棱镜；利用双折射和全反射原理，将光束分解成两束线偏振光后再除去其中一束，而保留另一束的起偏和检偏元件尼科尔棱镜、格兰棱镜等；利用晶体o光和e光传播速度不同的特性，适当选择晶体的切割方向和厚度，可以制成各种晶体波片，使o光和e光之间产生预期的位相差，从而实现光束偏振状态的转换(四分之一波片，又称/4片，可实现线偏振光和圆偏振光之间的互相转换；二分之一波片，又称/2片，可根据需要随意改变线偏振光的偏振方向)；利用双折射元件装配的偏光干涉仪
12、，可用于测量微小的相位差；偏光显微镜可用于检测材料中的应力分布；利用不同厚度的晶体组合构成的双折射滤光器已在激光技术中获得应用，它可以用于光谱滤波，实现从连续谱光源或宽带光源中选出窄带辐射。,五、二向色性,晶体结构的各向异性不仅能产生折射率的各向异性(双折射)，而且能产生吸收率的各向异性(称为“二向色性”)。电气石是在可见光区域有明显二向色性的晶体。一块厚度为1mm的这种晶体，几乎可以完全吸收寻常光，而让非常光通过。它对非常光有一些选择吸收，使得白光透射后呈黄绿色。具有明显二向色性的材料可以用来制造偏振元件，即二向色性偏振片。,第五节 介质的光散射,一、散射与其他光学现象的关系 二、弹性散射
13、三、非弹性散射,一、散射与其他光学现象的关系,光在通过气体、液体、固体等介质时，遇到烟尘、微粒、悬浮液滴或者结构成分不均匀的微小区域，都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来，这种现象称为光的散射。光的散射导致原来传播方向上光强的减弱。我们在第三节中讨论光在均匀纯净介质中的吸收时，给出了朗伯特定律。,二、弹性散射,(一)廷德尔(Tyndall)散射 (二)米氏(Mie)散射 (三)瑞利(Rayleidl)散射,(一)廷德尔(Tyndall)散射,当散射中心的尺度a远大于光波的波长时，0，散射光强与入射光波长无关。例如，粉笔灰颗粒的尺寸对所有可见光波长均满足这一条件，所以，粉笔灰对
14、白光中所有单色成分都有相同的散射能力，看起来是白色的。天上的白云，是由水蒸气凝成比较大的水滴所组成的，线度也在此范围，所以散射光也呈白色。,(二)米氏(Mie)散射,当散射中心尺度a与入射光波长相当时，在04之间，具体数值与散射中心尺寸有关。这个尺度范围的粒子散射光性质比较复杂，例如存在散射光强度随a/值的变化而波动和在空间分布不均匀等问题。,(三)瑞利(Rayleidl)散射,图3-19 瑞利散射强度与波长的关系,三、非弹性散射,图3-20 散射光谱示意图,三、非弹性散射,图3-21 分子散射的量子图像,第六节 材料的光发射,一、激励方式 二、材料发光的基本性质 三、发光的物理机制,一、激励
15、方式,发光前可以有多种方式向材料注入能量。通过光的辐照将材料中的电子激发到高能态从而导致发光，称为“光致发光”。光激励可以采用光频波段，也可以采用X射线和射线波段。日常照明用的荧光灯是通过紫外线激发涂布于灯管内壁的荧光粉而发光的。利用高能量的电子来轰击材料，通过电子在材料内部的多次散射碰撞，使材料中多种发光中心被激发或电离而发光的过程称为“阴极射线发光”。彩色电视机的颜色是采用电子束扫描、激发显像管内表面上不同成分的荧光粉，使它们发射红、绿、蓝三种基色光波而实现的。通过对绝缘发光体施加强电场导致发光，或者从外电路将电子(空穴)注入到半导体的导带(价带)，导致载流子复合而发光，称为“电致发光”。
16、作为仪器指示灯的发光二极管就是半导体复合发光的例子。,二、材料发光的基本性质,(一)发射光谱 (二)激发光谱 (三)发光寿命 (四)发光效率,(一)发射光谱,图3-22 ST的线状发射光谱,(二)激发光谱,图3-23部分激发光谱,(三)发光寿命,发光体在激发停止之后持续发光的时间称为发光寿命(荧光寿命或余辉时间)。最简单的情况是发光中心的电子被激发到高能态之后，各自独立地相继向基态跃迁而发光。,(四)发光效率,发光效率通常有三种表示法，即量子效率、功率效率和光度效率。,三、发光的物理机制,(一)分立中心发光 (二)复合发光,(一)分立中心发光,这类材料的发光中心通常是掺杂在透明基质材料中的离子，有时也可以是基质材料自身结构的某一个基团。选择不同的发光中心和不同的基质组合，可以改变发光体的发光波长，调节其光色。不同的组合当然也会影响到发光效率和余辉长短。发光中心分布在晶体点阵中，或多或少会受到点阵上离子的影响，使其能量状态发生变化，进而影响材料的发光性能。发光中心与晶体点阵之间相互作用的强弱又可以分成两种情况：一种发光中心基本是孤立
