材料的光学天津大学

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1、第六章第六章天津大学材料科学与工程学院概述概述材料的光学性能材料的光学性能是材料对外来光源所作出的是材料对外来光源所作出的选选择性和特异性反应，择性和特异性反应，包括材料包括材料对光传播的影响以对光传播的影响以及在光吸收或光激发后的光发射。及在光吸收或光激发后的光发射。材料对可见光的材料对可见光的反射、吸收反射、吸收五光十色的五光十色的色彩色彩（塑料、陶瓷、金属、晶体的各种颜色）（塑料、陶瓷、金属、晶体的各种颜色）光的光的折射、透射折射、透射各种光学透镜、光学仪器各种光学透镜、光学仪器光的折射、透射、色散光的折射、透射、色散颜色、光泽、透明、颜色、光泽、透明、半透明的陶瓷的釉彩、餐具、艺术品等

2、，无不是半透明的陶瓷的釉彩、餐具、艺术品等，无不是材料光学性能的体现或应用。材料光学性能的体现或应用。普通光源普通光源-自发辐射自发辐射激光光源激光光源-受激辐射受激辐射激激 光光(Laser)（镭射） “ “辐射的受激射的受激发射光放大射光放大”“激光”钱学森在1963年提出 发光材料发光材料彩色电视彩色电视光功能材料光功能材料n透过和导光材料透过和导光材料透镜、棱镜、反射镜透镜、棱镜、反射镜望远镜、显微镜、照相机、摄影机、光导纤维望远镜、显微镜、照相机、摄影机、光导纤维n发光材料发光材料荧光、磷光、电致发光荧光、磷光、电致发光n激光材料激光材料n非线性光学材料非线性光学材料n红外材料红外材

3、料辐射、吸收、透射、探测辐射、吸收、透射、探测n光信息材料光信息材料全息材料、光盘材料全息材料、光盘材料n光调制材料光调制材料电光材料、磁光材料、声光电光材料、磁光材料、声光光功能材料光功能材料在外场（电、光、磁、热、声、力等）作用下，在外场（电、光、磁、热、声、力等）作用下，利用材料本身光学性质（如折射率或感应电极化）利用材料本身光学性质（如折射率或感应电极化）发生变化的原理，去实现对入射光信号的探测、发生变化的原理，去实现对入射光信号的探测、调制以及能量或频率转换作用的光学材料的统称。调制以及能量或频率转换作用的光学材料的统称。按照具体作用机理或应用目的之不同分为按照具体作用机理或应用目的

4、之不同分为电光材料、磁光材料、弹光材料、声光材料、热光电光材料、磁光材料、弹光材料、声光材料、热光材料、非线性光学材料以及激光材料等多种。材料、非线性光学材料以及激光材料等多种。光电材料光电材料n光光电电材材料料是是能能把把光光能能转转变变为为电电能能的的一一类类能能量量转转换功能材料换功能材料.n光电子发射材料光电子发射材料（电视摄像管、光电倍增管）（电视摄像管、光电倍增管）n光电导材料光电导材料（如光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管）（如光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管）n光电动势材料光电动势材料（太阳能电池）（太阳能电池）隐身材料n微波隐身材料、可见光隐身材料、红外隐身材微波隐身材料、可见

5、光隐身材料、红外隐身材料、激光隐身材料、声隐身材料和多功能隐身料、激光隐身材料、声隐身材料和多功能隐身材料。材料。主要内容n1、光的本性n2、材料对光传播的影响材料对光传播的影响n3、材料颜色的形成的化学机理、材料颜色的形成的化学机理n4、材料的光发射和受激辐射、材料的光发射和受激辐射n5、光功能材料、光功能材料回顾与总结回顾与总结光光的的现现象象光光的的微微粒粒说说光光的的波波动动说说光光的的电电磁磁说光光的的波波粒粒二二象象性性光的直线传播光的直线传播光的传播速度光的传播速度光的反射光的反射光的折射光的折射光的干涉光的干涉光的衍射光的衍射电磁波谱电磁波谱光谱光谱?6.1光的本性光的本性6.

6、1.1光的基本特性光的基本特性1、波粒二相性、波粒二相性牛顿牛顿光是由光源飞出的粒子流光是由光源飞出的粒子流光的折射和反射。光的折射和反射。惠更斯惠更斯光的干涉和衍射光的干涉和衍射波动性波动性普朗克普朗克黑体辐射，爱因斯坦黑体辐射，爱因斯坦光电效应光电效应h ph / h为普朗克常数，其数值为为普朗克常数，其数值为6.6261034Js光量子光量子表征粒子性质的物理量表征粒子性质的物理量光子的能量和动量性质光子的能量和动量性质表征波动性质的物理量表征波动性质的物理量频率、波长频率、波长光子同时具有微粒性和波动性光子同时具有微粒性和波动性光的双重本质。光的双重本质。光的波粒二象性光的波粒二象性波

7、动性波动性波动性波动性粒子性粒子性粒子性粒子性 E E光的折射光的折射光的折射光的折射光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射光的偏振光的偏振光的偏振光的偏振光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉光电效应光电效应光电效应光电效应E E：光子的能量（光子的能量（光子的能量（光子的能量（J, J, 焦耳）焦耳）焦耳）焦耳） ：光子的频率（光子的频率（光子的频率（光子的频率（HzHz, , , , 赫兹）赫兹）赫兹）赫兹） ：光子的波长（光子的波长（光子的波长（光子的波长（cmcm）c c：光速光速光速光速（2.99792.9979 10101010cm.scm.s-1-1）h h：PlankPlank常数（常数

8、（常数（常数（6.62566.6256 1010-34-34J.sJ.s 焦焦焦焦耳耳耳耳. . . . 秒秒秒秒）2、光的电磁性、光的电磁性photicelectromagnetism麦克斯韦麦克斯韦光是一种光是一种电磁波电磁波electromagneticwave光是电磁场周期性振动的传播所形成的光是电磁场周期性振动的传播所形成的。在光波。在光波中电场和磁场是交织在一起的。中电场和磁场是交织在一起的。麦克斯韦的电磁场理论：麦克斯韦的电磁场理论：变化着的电场周围会感应出变化的磁场，而变变化着的电场周围会感应出变化的磁场，而变化着的磁场又会感应出另一个变化的电场，如此化着的磁场又会感应出另一个

9、变化的电场，如此循环，电磁场就会以波的形式向各个方向传播。循环，电磁场就会以波的形式向各个方向传播。 电磁波是矢量波电磁波是矢量波电磁波电磁波 交变电磁状态的传播交变电磁状态的传播设一平面电磁波设一平面电磁波由麦克斯韦理论可得：由麦克斯韦理论可得：真空中的电磁波真空中的电磁波 光的本性光的本性同理：同理：当电场振动沿当电场振动沿轴正向传播时，有反映该振动的平面简谐波轴正向传播时，有反映该振动的平面简谐波用麦氏电磁场方程组可推出用麦氏电磁场方程组可推出 光的本性光的本性电磁辐射电磁辐射电磁辐射电磁辐射 在真空中在真空中 在介质中在介质中光的本性光的本性 电磁波电磁波电磁波电磁波 3、光波是横波、

10、光波是横波transversewave光波是一种横波光波是一种横波，其中的电场强度，其中的电场强度E和磁场强度和磁场强度H的振的振动方向垂直。动方向垂直。电场强度电场强度E平行于平行于X 轴轴磁场强度磁场强度H平行于平行于Y 轴轴光波沿光波沿Z轴传播出去轴传播出去对人眼或对人眼或光学仪器光学仪器起作用起作用的是电场的是电场E，只考虑电场，只考虑电场作用，而忽略磁场。作用，而忽略磁场。电场强度矢量直接作为电场强度矢量直接作为“光矢量光矢量”。4、光的偏振性、光的偏振性polarization横波的特有性质横波的特有性质偏振性偏振性1）光波电矢量的振动限定在某一个确定方向）光波电矢量的振动限定在某

11、一个确定方向平平面偏振光（线偏振光）。面偏振光（线偏振光）。2）电矢量在垂直光的传播方向的平面内随时间变化）电矢量在垂直光的传播方向的平面内随时间变化的轨迹呈椭圆或圆的轨迹呈椭圆或圆椭圆偏振光或圆偏振光。椭圆偏振光或圆偏振光。光波电矢量由各种振动方向的波复合而成。光波电矢量由各种振动方向的波复合而成。垂直光的传播方向的平面内电矢量振动取向机会均垂直光的传播方向的平面内电矢量振动取向机会均等等自然光自然光偏振光偏振光n经典物理指出：由电偶极子振动所产生的光辐射是线偏振经典物理指出：由电偶极子振动所产生的光辐射是线偏振光或称平面偏振光，其中光的电场强度和符号随时间而改光或称平面偏振光，其中光的电场

12、强度和符号随时间而改变，但电场的方向却不变。变，但电场的方向却不变。n实际光源的电矢量永远垂直于光的传播方向，但取向随时实际光源的电矢量永远垂直于光的传播方向，但取向随时间是无规则变化的。自然光、太阳辐射、各种非相干辐射间是无规则变化的。自然光、太阳辐射、各种非相干辐射源所产生的光都是这样的。源所产生的光都是这样的。电磁波具有各种频率电磁波具有各种频率无线电，微波，红外线，可见光，紫外线，无线电，微波，红外线，可见光，紫外线，射线和射线和射线等。射线等。可见光可见光(visiblelight)能够引起人的视觉的电磁波。能够引起人的视觉的电磁波。光的基本性质光的基本性质二、电磁波谱二、电磁波谱二

13、、电磁波谱二、电磁波谱 electromagneticwaveelectromagneticwavespectrumspectrum6-1各种颜色的光波对应的波长范围各种颜色的光波对应的波长范围n波长范围波长范围光色 波长(nm)频率(Hz)中心波长(nm)红760622660橙622597610黄597577570绿577492540青492470480兰470455460紫455400430可见光七彩颜色的波长和频率范围可见光七彩颜色的波长和频率范围人眼最为敏感的光是黄绿光，即人眼最为敏感的光是黄绿光，即附近。附近。 光的基本性质光的基本性质可见光一般可见光一般由由n无线电波无线电波104

14、-108HZ，波长比可见光长得多，不能引起波长比可见光长得多，不能引起人的视觉，可以引起电子的振荡。由于波长很长，一个金属人的视觉，可以引起电子的振荡。由于波长很长，一个金属网笼，甚至桥梁上的钢架就可以将其阻止。网笼，甚至桥梁上的钢架就可以将其阻止。n微波微波109-1011HZ，波长范围分布从毫米到几十厘米，他波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食物里很容易被水分子吸收，食物迅速被加热们在食物里很容易被水分子吸收，食物迅速被加热。n红外线红外线（IR）1011-10HZ，分布在微波和可见光之间，分布在微波和可见光之间，且仅能够在它聚集热的地方探测到。蛇和其他一些生物对红且仅能够在它聚集热的地

15、方探测到。蛇和其他一些生物对红外线很敏感；红外线不能透过玻璃，这一特性可以解释温室外线很敏感；红外线不能透过玻璃，这一特性可以解释温室效应：晴天时，经过温室玻璃的可见光被植物吸收，而红外效应：晴天时，经过温室玻璃的可见光被植物吸收，而红外线被再次辐射，被玻璃捕获的红外线引起温室内部的温度升线被再次辐射，被玻璃捕获的红外线引起温室内部的温度升高，整个宇宙充满了宇宙大爆炸时残留的冷却物质发出的红高，整个宇宙充满了宇宙大爆炸时残留的冷却物质发出的红外辐射外辐射。电磁波谱电磁波谱电磁波谱电磁波谱 n紫外线（紫外线（UV）1015-106HZ：频率高于可见光的，不能引起视频率高于可见光的，不能引起视觉，

16、对生命有危害，来自太阳的紫外线几乎被大气中的臭氧完全吸觉，对生命有危害，来自太阳的紫外线几乎被大气中的臭氧完全吸收，臭氧保护着地球的生命，少量透过大气的紫外线会晒黑皮肤或收，臭氧保护着地球的生命，少量透过大气的紫外线会晒黑皮肤或使进行日光浴的人体产生晒斑。使进行日光浴的人体产生晒斑。nX射线：射线：1016-1021HZ，波长比紫外线还短的电磁波，它们很易波长比紫外线还短的电磁波，它们很易穿过大多数物质。致密的物质、固体材料比稀疏物质容易吸收更多穿过大多数物质。致密的物质、固体材料比稀疏物质容易吸收更多的的X射线，这就是为什么在射线，这就是为什么在X射线照片上显现的是骨骼而不是骨骼周射线照片上

17、显现的是骨骼而不是骨骼周围的组织。其波长可与原子尺寸相比拟。围的组织。其波长可与原子尺寸相比拟。电磁波谱电磁波谱电磁波谱电磁波谱 射线和宇宙射线：射线和宇宙射线：1016-1023HZn波长最短，波长尺寸约为原子核大小量级波长最短，波长尺寸约为原子核大小量级n射线产生于核反应及其他特殊的激发过程射线产生于核反应及其他特殊的激发过程n宇宙射线来自地球之外的空间。宇宙射线来自地球之外的空间。光的基本性质光的基本性质电磁波谱电磁波谱电磁波谱电磁波谱 电磁波谱电磁波谱6.1.2、光的振动与传播、光的振动与传播光波的振动用数学表达式描述。当线偏振光沿光波的振动用数学表达式描述。当线偏振光沿某一方向传播时

18、，初始电场强度可以表示为某一方向传播时，初始电场强度可以表示为 EE0cos（2t0）振动频率，振动频率，0-初位相，初位相，E0为振幅。为振幅。经过时间经过时间t后，传播到后，传播到z点，该点点，该点电场强度为电场强度为 EE0cos2v（tz / u ）0 波长是光波在一个振动周期波长是光波在一个振动周期（T）传播的距离，以）传播的距离，以表示。表示。u光波的传播速度。光波的传播速度。一、能量流动一、能量流动光传播的同时伴随能量流动。光传播的同时伴随能量流动。能流密度能流密度:单位时间内流过垂直于传播方向的单位截单位时间内流过垂直于传播方向的单位截面积的能量。面积的能量。能流密度可以近似用

19、光强能流密度可以近似用光强I表示表示，它与光波电场，它与光波电场振幅有如下关系振幅有如下关系: 光强相对值光强相对值IE02 n光强与光波电场振幅的平方关系。光强与光波电场振幅的平方关系。二、二、光的传播光的传播光在不同介质中传播速度不同，光在不同介质中传播速度不同，但但光振动频率不变光振动频率不变，因此光波在不，因此光波在不同介质中具有不同波长。同介质中具有不同波长。光在真空中的传播速度光在真空中的传播速度c3108m/s。光在介质中传播中的传播速度为光在介质中传播中的传播速度为令令光在真空中的速度与在介质中的速光在真空中的速度与在介质中的速度之比度之比介质的折射率介质的折射率单色光单色光具

20、有单一频率的光波称为单色光具有单一频率的光波称为单色光。任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应的强度是不同的。的强度是不同的。波长所对应的波长范围越窄，光的波长所对应的波长范围越窄，光的单色性越好单色性越好谱线宽度：通常用强度下降谱线宽度：通常用强度下降I0/2的两点之间的波长范围的两点之间的波长范围 谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量三、光的干涉和衍射三、光的干涉和衍射光的波动性主要表现在它有光的波动性主要表现在它有干涉、衍射干涉、衍射及偏振等特性。及偏振等特性

21、。1、光的干涉光的干涉指两束光相遇以后，在光的叠加区，光强重新指两束光相遇以后，在光的叠加区，光强重新分布，出现明暗相间、稳定的干涉条纹。分布，出现明暗相间、稳定的干涉条纹。一般的两个独立光源发出的光波叠加后，一般的两个独立光源发出的光波叠加后，只有强度相加，而不出现明暗的条纹，究其原只有强度相加，而不出现明暗的条纹，究其原因乃是这两个光源不是相干光源。因乃是这两个光源不是相干光源。两束光两束光“相干相干”而形成干涉条纹的条件是而形成干涉条纹的条件是光波之间频率相同、振动方向一致并且有固定光波之间频率相同、振动方向一致并且有固定的位相关系的位相关系。n干涉：在波的叠加区域内，强度按空间周期性变

22、干涉：在波的叠加区域内，强度按空间周期性变化的现象称为干涉。化的现象称为干涉。n干涉花样：各点的振动强度的一定的非均匀分布干涉花样：各点的振动强度的一定的非均匀分布的整体图像称为干涉花样的整体图像称为干涉花样。杨氏干涉花样杨氏干涉花样相干光光的干涉光的干涉（一）干涉条件（一）干涉条件：两列光波频率相同，振动情况相同：两列光波频率相同，振动情况相同（二）条纹特点二）条纹特点1、单色光：产生明暗相间的等间距的、单色光：产生明暗相间的等间距的条纹。条纹。 3 3、白光：中间为白色明条纹，两边为、白光：中间为白色明条纹，两边为 彩色条纹彩色条纹（体现光的波动性）（体现光的波动性）（相干光源）（相干光源

23、）2、红光的条纹间距最大，紫光的条纹、红光的条纹间距最大，紫光的条纹间距最小间距最小1 1、双缝干涉：、双缝干涉：产生明暗条纹的条件产生明暗条纹的条件明明条纹：路程差等于半波长条纹：路程差等于半波长的偶数倍。的偶数倍。暗条纹：路程差等于半波长暗条纹：路程差等于半波长的奇数倍。的奇数倍。2 2、薄膜干涉、薄膜干涉产生：在楔形膜前后表面反射的光相遇产生：在楔形膜前后表面反射的光相遇叠加产生叠加产生运用：干涉法检查物体表面的平滑度运用：干涉法检查物体表面的平滑度特例：肥皂薄膜、水面上的油膜、增透膜等特例：肥皂薄膜、水面上的油膜、增透膜等等厚干涉花样等厚干涉花样等倾干涉花样等倾干涉花样空气薄膜厚度不同

24、形成的环状干涉花样空气薄膜厚度不同形成的环状干涉花样牛顿环牛顿环光的干涉和衍射光的干涉和衍射2、光的衍射光的衍射光在自由空间是沿着直线传播的。当光波传播遇到光在自由空间是沿着直线传播的。当光波传播遇到障碍物时，在一定程度上能绕过障碍物而进入几何阴障碍物时，在一定程度上能绕过障碍物而进入几何阴影区，这种现象称为影区，这种现象称为衍射衍射，也称为绕射。，也称为绕射。一束激光通过一细长的狭缝以后，在距缝几米处的一束激光通过一细长的狭缝以后，在距缝几米处的屏幕上，出现的将不是狭缝的几何阴影，而是明暗相屏幕上，出现的将不是狭缝的几何阴影，而是明暗相间的衍射条纹。间的衍射条纹。理论分析表明，理论分析表明，

25、只有当光所遇到障碍物或狭缝的尺只有当光所遇到障碍物或狭缝的尺寸与其波长可以相比拟时，衍射现象才明显地表现出寸与其波长可以相比拟时，衍射现象才明显地表现出来来。日常所见到的一般物体与光的波长相比都可称是。日常所见到的一般物体与光的波长相比都可称是巨大的障碍物，所以光波通常表现直线传播性质。巨大的障碍物，所以光波通常表现直线传播性质。光的衍射光的衍射光的衍射现象光的衍射现象惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理*光的衍射现象光的衍射现象波在传播过程中遇到障碍物，能够绕过波在传播过程中遇到障碍物，能够绕过障碍物的边缘前进这种偏离直线传播的障碍物的边缘前进这种偏离直线传播的现象称为现象称为衍射现象衍射现象

26、。衍射条件：当孔或障碍物的尺寸可以跟光的波长相比拟，衍射条件：当孔或障碍物的尺寸可以跟光的波长相比拟，甚至比光的波长还要小时，可以观察到明显的光的衍射甚至比光的波长还要小时，可以观察到明显的光的衍射现象。现象。条纹特点：中央条纹最宽最亮，两边条纹较暗较窄，条条纹特点：中央条纹最宽最亮，两边条纹较暗较窄，条纹间距不等。纹间距不等。条纹在屏幕上的位置与波长成正比条纹在屏幕上的位置与波长成正比如果用白光做光源，中央为白色明条纹，其两侧各级如果用白光做光源，中央为白色明条纹，其两侧各级都为彩色条纹。该衍射图样称为衍射光谱。都为彩色条纹。该衍射图样称为衍射光谱。6.1.3光与固体的相互作用光与固体的相互

27、作用reciprocity 从微观上看，光与固体的相互作用，实际上是光从微观上看，光与固体的相互作用，实际上是光子与固体材料中的原子、离子、电子之间的相互子与固体材料中的原子、离子、电子之间的相互作用。作用。产生两个重要结果：产生两个重要结果：1、电子极化电子极化electronpolarization电磁波的电场分量在传播过程中与材料的每个原电磁波的电场分量在传播过程中与材料的每个原子都发生作用，引起电子云和原子核重心相对位子都发生作用，引起电子云和原子核重心相对位移，产生电子极化。移，产生电子极化。结果结果光线通过介质时，部分能量被吸收；光线通过介质时，部分能量被吸收；光波速度减小，导致折

28、射产生。光波速度减小，导致折射产生。2 2、电子能态转变、电子能态转变、电子能态转变、电子能态转变 energystatechange电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能态的过程；态的过程；材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化激发到较高能级上去，电子发生的能级变化E与与电磁波磁波频率有关：率有关：E=h受激电子不可能无限长时间地保持在激发状态，受激电子不可能无限长时间地保持在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发经过

29、一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波，即自发辐射。射出电磁波，即自发辐射。电子能态转变 energystatechange原子吸收了光子的能量原子吸收了光子的能量E E2 2-E-E4 4 与电磁波的频率有关与电磁波的频率有关1）只有能量为）只有能量为的的光子才能被吸收；光子才能被吸收；2）激发态停留很短时间，）激发态停留很短时间，衰变回到基态，发出电磁波。衰变回到基态，发出电磁波。3）衰变途径不同，发出电）衰变途径不同，发出电磁波的频率不同。磁波的频率不同。3、固体光吸收的本质 solidphotoabsorption 导带导带价带价带能隙（禁带）能隙（禁带）固体中电子的能带结构

30、，绝缘体和半固体中电子的能带结构，绝缘体和半导体的能带结构，其中价带相当于阴导体的能带结构，其中价带相当于阴离子的价电子层，完全被电子填满。离子的价电子层，完全被电子填满。导带和价带之间存在一定宽度的能隙导带和价带之间存在一定宽度的能隙（禁带），在能隙中不能存在电子的（禁带），在能隙中不能存在电子的能级。这样，在固体受到光辐射时，能级。这样，在固体受到光辐射时，如果辐射光子的能量不足以使电子由如果辐射光子的能量不足以使电子由价带跃迁至导带，那么晶体就不会激价带跃迁至导带，那么晶体就不会激发，也不会发生对光的吸收。发，也不会发生对光的吸收。4、离子晶体吸收、离子晶体吸收ionphotoabsor

31、ption1）离子晶体的能隙宽度一般为）离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏几个电子伏，相当于，相当于紫外光的能量。因此，纯净的理想离子晶体对可见光紫外光的能量。因此，纯净的理想离子晶体对可见光以至红外区的光辐射，都不会发生光吸收，都是透明以至红外区的光辐射，都不会发生光吸收，都是透明的。的。2）碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由）碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由25m到到250nm，相当于相当于0.055ev的能量。当有足够的能量。当有足够强的辐射（如紫光）照射离子晶体时，价带中的电子强的辐射（如紫光）照射离子晶体时，价带中的电子就有可能被激发跨过能隙，进入导带，这样就发生了就有

32、可能被激发跨过能隙，进入导带，这样就发生了光吸收，光吸收，晶体变得不透明。晶体变得不透明。 如如果果在在其其中中掺掺入入0.1%的的Cr3+时时，晶晶体体呈呈粉粉红红色色，掺掺入入1%的的Cr3+时时，晶晶体体呈呈深深红红色色，此此即即红红宝宝石石，可可以以吸吸收收可可见见光光，并并发发出出荧荧光光。这这是是由由于于掺掺入入的的Cr3+离离子子具具有有填填满满电电子子的的壳壳层层，在在Al2O3晶晶体体中中造造成成了了一一部部分分较较低低的的激激发发态态能能级级，可可以以吸吸收收可可见见光光。实际上，该材料就是典型的激光材料，实际上，该材料就是典型的激光材料， 杂质原子在无机绝缘体中光学性质的

33、研究范围杂质原子在无机绝缘体中光学性质的研究范围十分广泛，作为掺入作为光学活性中心的杂质离子十分广泛，作为掺入作为光学活性中心的杂质离子多数为过渡金属和稀土金属离子等。多数为过渡金属和稀土金属离子等。5、半导体的光吸收和光导电现象semiconductorphotoabsorption室室温温下下半半导导体体材材料料的的禁禁带带宽宽度度决决定定材材料料的的性性质质。本本征征半半导导体体的的光光吸吸收收和和发发光光，一一般般说说来来都都源源于于电电子子跨跨越越能能隙隙的的跃跃迁迁，即即直直接接跃跃迁迁。价价带带中中的的电电子子吸吸收收一一定定波波长长的的可可见见光光或或近近红红外外光光可可以以相

34、相互互脱脱离离而而自自行行漂漂移移，并并参参与与导导电电，即即产产生生所所谓谓光光导导电电现现象象。当当导导带带中中的的一一个个电电子子与与价价带带中中的的一一个个空空穴穴复复合合时时，就就会会发发射射出出可可见见光光的的光光子子，这这就就是是所所谓谓光光致发光现象致发光现象。 非本征半导体的光吸收非本征半导体的光吸收 掺入半导体的杂质有三类掺入半导体的杂质有三类施主杂质、施主杂质、受主杂质、等电子杂质受主杂质、等电子杂质这这些些杂杂质质的的能能级级定定域域在在能能隙隙中中，构构成成了了的的各各种种光光吸吸收收跃跃迁迁方方式式。n型型半半导导体体可可以以向向导导带带提提供供足足够够的的电电子子

35、，但但在在价价带带中中没没有有空空穴穴，因因此此不不会会发发光光。同同样样，p型型半半导导体体价价带带中中有有空空穴穴，但但其其导导带带中中却却没有电子，因此也不会发光。没有电子，因此也不会发光。将将n型半导体和型半导体和p型半导体结合在一起形成一个型半导体结合在一起形成一个p-n结，那么结，那么可以在可以在p-n结处促使激发态电子（来自结处促使激发态电子（来自n型半导体导带）和空穴型半导体导带）和空穴（来自（来自p型半导体价带）复合，从而型半导体价带）复合，从而产生光子辐射产生光子辐射。这种发光值。这种发光值发生在发生在p-n结上，结上，电致发光电致发光，是发光二极管工作的基本过程。，是发光

36、二极管工作的基本过程。6.2材料对材料对光传播的影响光传播的影响lightpromulgate,光通过介质的现象光通过介质的现象光波在一种介质光波在一种介质A中沿直线传播，当光波当达另一种介中沿直线传播，当光波当达另一种介质质B表面后分别后表面后分别后反射、散射、吸收、透过反射、散射、吸收、透过。初始的初始的光强度为光强度为I，反射，反射I r、散射、散射Io、吸收、吸收I a、透过It I =I r+ Io+ I a+ I t光入射到介质表面所引发的光现象是光子与介质中光入射到介质表面所引发的光现象是光子与介质中的原子、离子、电子在微观层次上的相互作用。的原子、离子、电子在微观层次上的相互作

37、用。电电磁辐射的电场对介质中原子作用引起的电子极化，导磁辐射的电场对介质中原子作用引起的电子极化，导致电子云和原子核电荷重心的相对位移，从而部分光致电子云和原子核电荷重心的相对位移，从而部分光被吸收，光速减小，出现折射现象。被吸收，光速减小，出现折射现象。6.2.1材料的光反射、折射和透射材料的光反射、折射和透射reflection、refraction、transmission 一、光的反射与折射一、光的反射与折射光从一种介质进入另一种介质时会发生反射和光从一种介质进入另一种介质时会发生反射和折射。折射。光的传播性基本规律：光的传播性基本规律：均匀介质中光的直线传播定律；均匀介质中光的直线传

38、播定律；在介质分界面的反射和折射定律；在介质分界面的反射和折射定律；光的独立传播定律；光的独立传播定律；光路可逆性原理光路可逆性原理反射定律与折射定律反射定律与折射定律入射光线到两介质界面时，入射光线到两介质界面时，会发生会发生折射和反射折射和反射。1、光的反射定律、光的反射定律（1）反射线和入射线位于同一平面内，分别处于）反射线和入射线位于同一平面内，分别处于法线两侧；法线两侧；（2）反射角等于入射角，即）反射角等于入射角，即11三线共面；三线共面；折射折射当当光光从从真真空空进进入入较较致致密密的的材材料料时时，其其速速度度降降低低。光光在真空和材料中的速度之比即为材料的在真空和材料中的速

39、度之比即为材料的折射率折射率。折射定律折射定律（1）折折射射线线位位于于入入射射线线平平面面内内，并并与与入入射射线线分分别别处处于于法法线线两两侧侧；（2）对对单单色色光光来来说说，入入射射角角1的的正正弦弦和和折折射角射角2的正弦之比为的正弦之比为一个常数，一个常数，式中：式中：和和分别表示光在材料分别表示光在材料1及及2中的传播速度，中的传播速度，为材料为材料2相对于材料相对于材料1的的相对折射率相对折射率。介质的介质的n总是总是大于大于1的正数的正数。例如例如；空气空气固体氧化物固体氧化物n=1.32.7，硅酸盐玻璃硅酸盐玻璃 2、光的折射定律、光的折射定律3. 3. 折射率与传播速度

40、的关系折射率与传播速度的关系折射定律：折射定律：折射定律：折射定律：材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。光密介质：光密介质：在折射率大的介质中，光的传播速度慢；在折射率大的介质中，光的传播速度慢；光疏介质：光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快。在折射率小的介质中，光的传播速度快。n材料的折射率从本质上讲，反映了材料的电材料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）在光磁结构（对非铁磁介质主要是电结构）在光波作用下的极化性质或介电特性。波作用下的极化性质或介电特性。正是因为介质的极化，正是因为介质的极化，“

41、拖住拖住”了电磁波的步了电磁波的步伐，才使得其传播速度变得比真空中慢。伐，才使得其传播速度变得比真空中慢。铁磁性材料铁磁性材料非铁磁性材料非铁磁性材料光的反射与折射光的反射与折射折射率与传播速度的关系折射率与传播速度的关系相对折射率与折射率的关系相对折射率与折射率的关系根据两种材料的折射率根据两种材料的折射率n1、n2可以算出两种材料之间的可以算出两种材料之间的相对折射率相对折射率n21与折射率与折射率的关系。的关系。折射定律改写成折射定律改写成n光速：光速：,真空真空:n折射率折射率:n折射定律折射定律:三线共面；三线共面；两媒质界面上光的折射和反射两媒质界面上光的折射和反射 光的反射与折射

42、光的反射与折射二、影响材料的折射率的因素二、影响材料的折射率的因素材料的折射率与多种因素有关材料的折射率与多种因素有关。1）构成材料元素的离子半径）构成材料元素的离子半径介质的折射率随介电常数增加而增加介质的折射率随介电常数增加而增加，介电，介电常数与介质的极化有关。当光的电磁辐射作用到常数与介质的极化有关。当光的电磁辐射作用到介质上，介质的原子受到外电场的作用引起电子介质上，介质的原子受到外电场的作用引起电子极化。正负电荷的中心相对位移。当离子半径增极化。正负电荷的中心相对位移。当离子半径增大时，材料的介电常数增加，大时，材料的介电常数增加，n值增大。值增大。离子半径大的材料折射率较高，而离

43、子半径小离子半径大的材料折射率较高，而离子半径小的材料折射率较低。的材料折射率较低。对于无机材料电介质对于无机材料电介质，故，故当当离离子子半半径径增增大大时时，其其增增大大，因因而而n也也增增大大。因因此此，可以用大离子得到高可以用大离子得到高n的材料，的材料，用小离子得到低用小离子得到低n的材料，如的材料，如影响材料的折射率的因素影响材料的折射率的因素2）材料的结构、晶形和非晶态）材料的结构、晶形和非晶态折射率还与离子排列密切相关。折射率还与离子排列密切相关。非晶态和立方晶体材料各向同性材料：非晶态和立方晶体材料各向同性材料：材料只有一个折射率，称为均质材料材料只有一个折射率，称为均质材料

44、有些晶体会有双折射现象有些晶体会有双折射现象非均质材料。非均质材料。3）材料的内应力对折射率的影响）材料的内应力对折射率的影响垂直于拉应力方向的折射率大垂直于拉应力方向的折射率大平行于拉应力方向的折射率小。平行于拉应力方向的折射率小。影响材料的折射率的因素影响材料的折射率的因素4）同质异构体）同质异构体同质异构体材料同质异构体材料高温时晶型的折射率较低；高温时晶型的折射率较低；低温时晶型的折射率较高。低温时晶型的折射率较高。石英玻璃石英玻璃常温常温n=1.46高温高温n=1.47石英石英晶体晶体常温常温n=1.55高温高温n=1.495）折射率与传播速度的关系）折射率与传播速度的关系由光的折射

45、定律由光的折射定律材料的折射率反映光在该材料中传播速度的快慢。材料的折射率反映光在该材料中传播速度的快慢。折射率大折射率大光的传播速度慢（光密介质）光的传播速度慢（光密介质）折射率小折射率小光的传播速度快（光疏介质）光的传播速度快（光疏介质）各种玻璃和晶体的折射率各种玻璃和晶体的折射率 三、三、光路可逆性原理光路可逆性原理1）当光线从介质当光线从介质2沿原折射线从反方向入射到界沿原折射线从反方向入射到界面，在介质面，在介质1中折射，必定沿逆原入射线方向射出。中折射，必定沿逆原入射线方向射出。2）若光线沿原反射线方向射入，经界面反射）若光线沿原反射线方向射入，经界面反射后必定沿原入射线以相反方向

46、射出。后必定沿原入射线以相反方向射出。四、透射率、反射率四、透射率、反射率transmittance 、reflectivity 经折射进入介质经折射进入介质2的光为透射光，透射光功率与的光为透射光，透射光功率与入射光功率之比为入射光功率之比为透射率透射率。光的透射率与光的偏振方向有关，随入射角而变光的透射率与光的偏振方向有关，随入射角而变化。化。设光的总能量流设光的总能量流W=W+WW、W,W-分别为单位时间通过单位面积分别为单位时间通过单位面积入射光、反射光、折射光的能量流入射光、反射光、折射光的能量流。反射率反射率reflectivity光波在界面的反射和折射前后会发生能量的变光波在界面

47、的反射和折射前后会发生能量的变化。化。反射光功率与入射光功率之比称为反射光功率与入射光功率之比称为反射率反射率。n光的反射率和折射率与光的偏振方向有关，随入光的反射率和折射率与光的偏振方向有关，随入射角而变化。射角而变化。反射率为反射率为Rssin2（）/sin2（）n和和为入射角和折射角。为入射角和折射角。n同一材料在不同介质中有不同反射率。不同同一材料在不同介质中有不同反射率。不同材料对同一波长的光波的反射率也有很大差异材料对同一波长的光波的反射率也有很大差异如：对波长为如：对波长为0.36m的光的光n铝薄膜的反射率可以达到铝薄膜的反射率可以达到92.5%，铜薄膜仅有，铜薄膜仅有36.3%

48、。反射率反射率reflectivity 在垂直入射的情况下，光在界面上的反射多少取决于相对折在垂直入射的情况下，光在界面上的反射多少取决于相对折射率射率n21.在忽略吸收的情况下，当光从介质在忽略吸收的情况下，当光从介质1进入介质进入介质2时时1）介质为空气，）介质为空气，n1=1,n21=n2R（n1）/（n1）22)当两种介质折射率相差很大时，界面反射损失也很大当两种介质折射率相差很大时，界面反射损失也很大;R大大3)如果如果n1=n2，R=0垂直入射的情况下，几乎没有反射损失。垂直入射的情况下，几乎没有反射损失。透透射率（系数）射率（系数）根据能量守恒定律根据能量守恒定律W=W+WW/W

49、=1-W/W=1-R1-R-透射系数透射系数五、全反射五、全反射reflectiontotal 反射和透射光线的强度随入射角的变化会发生显著变化。反射和透射光线的强度随入射角的变化会发生显著变化。随着随着入射角的增大，反射光线会逐渐增强，透射（折射）入射角的增大，反射光线会逐渐增强，透射（折射）光线会越来越弱。光线会越来越弱。当光从一种介质进入另一种介质时，若当光从一种介质进入另一种介质时，若n1n2（光密光密光光疏疏），则），则折射角大于入射角折射角大于入射角。此时，存在一入射角。此时，存在一入射角c，使，使折射角为折射角为90。全反射全反射全反射全反射当入射角大于当入射角大于c时，入射光全

50、部在介质时，入射光全部在介质1中反射，中反射，不会发生折射，光线能量全部在介质不会发生折射，光线能量全部在介质1中。这种现中。这种现象称为象称为全反射全反射。c称为全反射的临界角。称为全反射的临界角。根据折射定律根据折射定律Sincn2/n1n不同介质材料的临界角不同。玻璃不同介质材料的临界角不同。玻璃空气空气42n钻石钻石n=2.417,临界角很小，容易发生全反射临界角很小，容易发生全反射n临界角：临界角：n光纤导光原理：全反射光纤导光原理：全反射光的全反射光的全反射光纤结构示意图：n n纤芯纤芯纤芯纤芯：5 5 75m75m掺杂了的掺杂了的SiOSiO2 2，n n一定或随半径增加而减小。

51、一定或随半径增加而减小。n n包层包层包层包层: : : : 总直径为总直径为100 100 200m, 200m,折折射率稍小于纤芯的掺杂了的射率稍小于纤芯的掺杂了的SiOSiO2 2。n n涂敷层：涂敷层：涂敷层：涂敷层：硅铜或丙烯酸盐，隔离硅铜或丙烯酸盐，隔离杂光。杂光。n n护套：护套：护套：护套：尼龙或有机材料，增加强尼龙或有机材料，增加强度，保护光纤。度，保护光纤。光的全反射光的全反射有效降低光在传播过程中的能量损耗有效降低光在传播过程中的能量损耗 发光发光二极管产二极管产生多种颜生多种颜色的光线，色的光线，通过光导通过光导纤维传导纤维传导到东方明到东方明珠球体的珠球体的表面。在表

52、面。在计算机控计算机控制下，可制下，可产生动态产生动态图案。图案。上海东方明珠上海东方明珠n非晶态和立方晶体这些非晶态和立方晶体这些各向同性材料各向同性材料，当，当光通过时，光速不因传播方向改变而变化，光通过时，光速不因传播方向改变而变化，材材料只有一个折射率料只有一个折射率，称为，称为均质介质均质介质。但是除立。但是除立方晶体以外的其他晶型，都方晶体以外的其他晶型，都是非均质介质是非均质介质。n光进入非均质介质时，一般都要分为振动方光进入非均质介质时，一般都要分为振动方向向相互垂直、传播速度不等相互垂直、传播速度不等的两个波，它们分的两个波，它们分别构成别构成两条折射光线两条折射光线，这个现

53、象称为，这个现象称为双折射双折射。双折射是非均质晶体的特性，这类晶体的所有双折射是非均质晶体的特性，这类晶体的所有光学性能都和双折射有关。光学性能都和双折射有关。6.2.2晶体的双折射与二向色性晶体的双折射与二向色性birefringence1、双折射、双折射birefringence当光束通过各向异性界面时，会分成两束折射光，沿不当光束通过各向异性界面时，会分成两束折射光，沿不同方向传播，这种现象称为同方向传播，这种现象称为双折射双折射。双折射分成的两束光线：双折射分成的两束光线：寻常光（或寻常光（或o光）光）非常光（或非常光（或e光）光）o光和光和e光都是线偏振光光都是线偏振光o光的振动方

54、向垂直于主截面光的振动方向垂直于主截面e光的振动方向平行于主截面光的振动方向平行于主截面晶体的双折射现象晶体的双折射现象方解石方解石 ( (CaCO3) ) 双折射双折射(birefringence(birefringence) ) 寻常光寻常光o o和非常光和非常光e e 寻常光寻常光非常光非常光（Extraordinary light）O O 光光e光光遵从折射定律遵从折射定律（Ordinary light）不遵从折射定律不遵从折射定律两两束束折射光折射光的的三个特点：三个特点：（1 1） 均为线偏振光，偏振态相互垂直。均为线偏振光，偏振态相互垂直。O O 光光e光光（2 2） 当垂直入射

55、时，一般当垂直入射时，一般（3 3） 对寻常光对寻常光平行于入射面的光线的折射率平行于入射面的光线的折射率常光折射率常光折射率n0不论入射光的入射角如何变化，不论入射光的入射角如何变化，n0始终为一常始终为一常数，因而数，因而寻常光折射率严格服从折射定律寻常光折射率严格服从折射定律。对非寻常光对非寻常光垂直的光线所构成的折射率，则随入射线方向的垂直的光线所构成的折射率，则随入射线方向的改变而变化，称为非常光折射率改变而变化，称为非常光折射率n e，它，它不遵守折射不遵守折射定律，随入射光的方向而变化定律，随入射光的方向而变化。当光沿晶体光轴方。当光沿晶体光轴方向入射时，只有向入射时，只有n0存

56、在，与光轴方向垂直入射时，存在，与光轴方向垂直入射时，n e达最大值，此值是材料的特性。达最大值，此值是材料的特性。2、晶体的光轴 opticalaxis 在大量实验中发现，各种晶体都存在着一个特殊的方在大量实验中发现，各种晶体都存在着一个特殊的方向，当光沿该特殊方向传播时，不发生双折射，该方向称向，当光沿该特殊方向传播时，不发生双折射，该方向称为晶体的光轴。为晶体的光轴。若不断改变入射光线的方向，在晶体中沿若不断改变入射光线的方向，在晶体中沿某些方向传播的光某些方向传播的光不发生双折射不发生双折射.光轴所标志的是一个方向而不是某一具体直线。光轴所标志的是一个方向而不是某一具体直线。只有一个光

57、轴的晶体称为只有一个光轴的晶体称为单轴晶体单轴晶体。（方解石、石英）（方解石、石英）具有两个光轴的晶体称为具有两个光轴的晶体称为双轴晶体双轴晶体。（云母、硫磺）（云母、硫磺）方解石（方解石（CaCO3）单轴晶体属于六方晶系。单轴晶体属于六方晶系。六个表面（解理面）均为平六个表面（解理面）均为平行四边形，四边形的一对锐行四边形，四边形的一对锐角为角为78 ，另一对钝角为，另一对钝角为102 。八个顶点中有两个顶点是由八个顶点中有两个顶点是由三个钝角所形成的三个钝角所形成的。两个顶。两个顶点间的连线方向点间的连线方向方解石方解石晶体的光轴。晶体的光轴。将这两个顶点磨成两个光将这两个顶点磨成两个光学

58、平面，使两个光学平面都学平面，使两个光学平面都垂直于光轴，垂直于光轴，不发生双折射不发生双折射现象。现象。n方解石（方解石（CaCO3）双折射的折射现象的解释晶体结构的晶体结构的各向异性各向异性决定了晶体中原子、分决定了晶体中原子、分子等微观粒子子等微观粒子固有振动的各向异性固有振动的各向异性。当入射波进。当入射波进入介质，受微观粒子受迫振动的影响，以合成波入介质，受微观粒子受迫振动的影响，以合成波在介质中传播。在介质中传播。在单轴晶体中，光的传播速度与光波电矢量在单轴晶体中，光的传播速度与光波电矢量方向相对于光轴方向的角度有关。折射率也和这方向相对于光轴方向的角度有关。折射率也和这个角度有关

59、。个角度有关。当光波电矢量与光轴垂直时，传播速度为当光波电矢量与光轴垂直时，传播速度为0，寻常光的主折射率寻常光的主折射率n0c/0当电矢量与光轴平行时，当电矢量与光轴平行时，非常光的主折射率非常光的主折射率nec/e非常光沿不同方向传播有不同的折射率。非常光沿不同方向传播有不同的折射率。偏振棱镜偏振棱镜（1）渥拉斯顿棱镜）渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜是由两渥拉斯顿棱镜是由两块光轴相互垂直的方块光轴相互垂直的方解石（解石（none）直角棱直角棱镜组成。镜组成。渥拉斯顿棱镜既具渥拉斯顿棱镜既具有起偏作用，又具有起偏作用，又具有分光作用。有分光作用。若沿光轴传播，折射率也是若沿光轴传播，折射率也是n

60、n0 0，在光轴方向观察不，在光轴方向观察不到双折射现象。到双折射现象。利用晶体材料的双折射现象制成的特殊光学元件利用晶体材料的双折射现象制成的特殊光学元件偏振元件：分解自然光偏振元件：分解自然光偏光干涉仪、滤光器偏光干涉仪、滤光器。光轴光轴把方解石（把方解石（ne=1.468，no=1.658)按长度为宽度的按长度为宽度的2.8倍的比例磨制，后沿晶体上某个面将晶体剖成倍的比例磨制，后沿晶体上某个面将晶体剖成两半，再以两半，再以n=1.550的加拿大树胶粘合成原来形状，的加拿大树胶粘合成原来形状，就成了尼科尔棱镜。就成了尼科尔棱镜。加拿大胶加拿大胶对于对于o光，光，non产生全反射产生全反射对

61、于对于e光，光，nen获得偏振光获得偏振光（2）尼科尔棱镜）尼科尔棱镜尼克尔棱镜比较贵。多用于高级光学实验。尼克尔棱镜比较贵。多用于高级光学实验。3、折射率椭球n晶体结构的各向异性决定了晶体中原子、分子晶体结构的各向异性决定了晶体中原子、分子等微观粒子等微观粒子固有振动的各向异性固有振动的各向异性。n当入射波进入介质，受微观粒子受迫振动的影当入射波进入介质，受微观粒子受迫振动的影响，以合成波在介质中传播。响，以合成波在介质中传播。合成波的频率与合成波的频率与入射波相同，入射波相同，相位受微观粒子固有振动频率的相位受微观粒子固有振动频率的影响而滞后。影响而滞后。n在晶体中，在三个独立的空间方向上

62、具有不同在晶体中，在三个独立的空间方向上具有不同的振动频率的振动频率1、2和和3。寻常光o光o光电矢量垂直于光轴，传播时相位只受光电矢量垂直于光轴，传播时相位只受2制制约，约，在任何方向传播速度均相同在任何方向传播速度均相同，用，用0表示。表示。no光的等相点轨迹是以光的等相点轨迹是以C为中心的圆。绕通过为中心的圆。绕通过C点的光轴（光轴方向以虚线表示）旋转点的光轴（光轴方向以虚线表示）旋转180，得到寻常光的波面，为一球面。得到寻常光的波面，为一球面。非寻常光e光e光电矢量方向在主截面内，因传播方向不同而光电矢量方向在主截面内，因传播方向不同而与光轴成不同角度。与光轴成不同角度。n可将其分解

63、为平行和垂直于光轴的两个分量。可将其分解为平行和垂直于光轴的两个分量。n传播速度介于传播速度介于0和和e之间。之间。非常光在不同方向有非常光在不同方向有不同传播速度，因此等相位点的轨迹形成一个椭不同传播速度，因此等相位点的轨迹形成一个椭圆圆。n将其绕过将其绕过C点的光轴旋转点的光轴旋转180得到得到e光的波面是一光的波面是一个椭球。个椭球。非常光沿不同方向传播有不同的折射率，但若沿非常光沿不同方向传播有不同的折射率，但若沿光轴传播，折射率也是光轴传播，折射率也是n0，光轴方向观察不到双，光轴方向观察不到双折射现象。折射现象。折射率椭球可以描述晶体的双折射性质。折射率椭球可以描述晶体的双折射性质

64、。折射率椭球方程折射率椭球方程x2/nx2y2/ny2z2/nz21nx、ny、nz是是x、y、z三个方向上的主折射率。三个方向上的主折射率。双轴晶体的折射率椭球双轴晶体的折射率椭球双轴晶体的三个主折射率双轴晶体的三个主折射率各不相等。在这两个方向各不相等。在这两个方向上不发生双折射，这就是上不发生双折射，这就是双轴晶体的光轴。双轴晶体的光轴。n单轴晶体：有两个相等的单轴晶体：有两个相等的主折射率，椭球方程可改主折射率，椭球方程可改写为写为（x2y2）/no2z2/ne21n若三个主值均相等，则折若三个主值均相等，则折射率椭球变为圆球射率椭球变为圆球各各向同性材料的特性。向同性材料的特性。4、

65、二向色性、二向色性晶体结构的各向异性晶体结构的各向异性1）产生折射率的各向异性）产生折射率的各向异性（双折射）（双折射）2）产生吸收率的各向异性）产生吸收率的各向异性二向色性二向色性二向色性是指由于晶体结构的各向异性产生吸二向色性是指由于晶体结构的各向异性产生吸收率的各向异性收率的各向异性。某些具有二向色性的晶体完全吸收寻常光，而让非某些具有二向色性的晶体完全吸收寻常光，而让非常光通过常光通过某些晶体对非常光的选择吸收。某些晶体对非常光的选择吸收。1mm电气石白光透电气石白光透过后呈黄绿色。过后呈黄绿色。具有二向色性的材料可以制造偏振元件具有二向色性的材料可以制造偏振元件二向色性的偏振片二向色

66、性的偏振片。 晶体的二向色性、晶体偏振片晶体的二向色性、晶体偏振片利用晶体的二向色性利用晶体的二向色性(dichroism)可可产生产生线偏振光线偏振光光轴光轴 偏振棱镜偏振棱镜 尼科耳棱镜尼科耳棱镜(Nicolprism)尼科耳棱镜尼科耳棱镜能将两束偏能将两束偏振光完全分振光完全分开，质量好，开，质量好，价格较贵。价格较贵。尼科耳棱镜尼科耳棱镜可以用作起偏器或检偏器可以用作起偏器或检偏器n1、光的本性光的基本特性光的基本特性:波粒二相性、电磁波、横波、偏振性波粒二相性、电磁波、横波、偏振性光与固体的相互作用两个重要结果：光与固体的相互作用两个重要结果：1、电子极化，、电子极化，2、电子能态转

67、变电子能态转变n2、材料对光传播的影响材料对光传播的影响n1）反射、折射和透射）反射、折射和透射2）双折射与二向色性）双折射与二向色性晶体结构的各向异性产生晶体结构的各向异性产生-折射率的各向异性折射率的各向异性双折射双折射吸收率的各向异性吸收率的各向异性二向色性二向色性6.2.介质对光的吸收和色散介质对光的吸收和色散absorptionanddispersion 在光束通过物质时，它的传播情况将要发生变化。在光束通过物质时，它的传播情况将要发生变化。1）光束越深入物质，它的光强将越减弱。这是由于一部分光）光束越深入物质，它的光强将越减弱。这是由于一部分光的能量被物质所吸收，而另一部分光向各个

68、方向散射所造成的，的能量被物质所吸收，而另一部分光向各个方向散射所造成的，这就是这就是光的吸收和散射现象光的吸收和散射现象。2）光在物质中的速度将小于光在真空中的速度，并将随波长）光在物质中的速度将小于光在真空中的速度，并将随波长而改变，这就是而改变，这就是光的色散现象光的色散现象。光的吸收、散射和色散光的吸收、散射和色散三种现象，都有是由于光与物质的相三种现象，都有是由于光与物质的相互作用引起的，实质上是由互作用引起的，实质上是由光与原子中的电子相互作用光与原子中的电子相互作用引起的。引起的。这些现象是不同物质光学性质的主要表现，对它们的讨论可这些现象是不同物质光学性质的主要表现，对它们的讨

69、论可以为我们提供关于原子、分子和物质结构的信息。以为我们提供关于原子、分子和物质结构的信息。光通过物质时，光波中的振动着的电矢量，将使物质中的光通过物质时，光波中的振动着的电矢量，将使物质中的带电粒子作受迫振动，光的部分能量将用来提供这种受迫带电粒子作受迫振动，光的部分能量将用来提供这种受迫振动所需要的能量。振动所需要的能量。这些带电粒子如果与其它原子或分子发生碰撞，振动能量这些带电粒子如果与其它原子或分子发生碰撞，振动能量就会转变为平动动能，从而使分子热运动能量增加，物体就会转变为平动动能，从而使分子热运动能量增加，物体发热。发热。光的部分能量被组成物质的微观粒子吸取后转化为热能，光的部分能

70、量被组成物质的微观粒子吸取后转化为热能，从而使从而使光的强度随着穿进物质的深度而减小的现象，称为光的强度随着穿进物质的深度而减小的现象，称为光的吸收（光的吸收（absorption）。）。一、介质对光的吸收一、介质对光的吸收(absorption)1 1、定义、定义光强为光强为I0的的单色平行光束单色平行光束沿沿x轴方向通过均匀物质，经过一段距轴方向通过均匀物质，经过一段距离离x后光强已减弱到后光强已减弱到I，再通过一，再通过一无限薄层无限薄层dx后光强变为后光强变为I+dI。实验表明，在相当宽的光强度范围内，实验表明，在相当宽的光强度范围内，dI相当精确地正比于相当精确地正比于I和和dx，即

71、，即dI/I=-dxx+dxldxxII+dI光的吸收规律光的吸收规律式中式中是与光强无关的比例系数，是与光强无关的比例系数，该物质的该物质的吸收系数。吸收系数。表示光通过单位距离后的能量损失表示光通过单位距离后的能量损失比例，由于光强随比例，由于光强随x增加而减弱，增加而减弱，所以用负号表示。所以用负号表示。表征了光的吸收的线性规律表征了光的吸收的线性规律介质对光的吸收介质对光的吸收2 2、 吸收定律吸收定律1）朗伯（）朗伯（Lambert）定律）定律 当波长一定时，吸收系数是与介质性质有关的常数当波长一定时，吸收系数是与介质性质有关的常数上式积分上式积分 II0e l朗伯（朗伯（Lambe

72、rt）定律。）定律。朗伯定律表明朗伯定律表明:光强度随厚度的变化符合指数衰减规律光强度随厚度的变化符合指数衰减规律.材料越厚，光被吸收得越多，透过后光强度越小。材料越厚，光被吸收得越多，透过后光强度越小。为物质对光的吸收系数，单位为为物质对光的吸收系数，单位为cm-1。取决于材取决于材料的性质和光的波长。料的性质和光的波长。lnIlnI0 l2)比尔（比尔（Beer）定律）定律若光通过的介质为若光通过的介质为稀薄溶液稀薄溶液，吸收系数与溶液中吸收中心，吸收系数与溶液中吸收中心分子的浓度分子的浓度C成正比，即成正比，即 C，为与浓度无关的常数，朗伯定律可改写为为与浓度无关的常数，朗伯定律可改写为

73、II0e C l比尔（比尔（Beer）定律。）定律。利用比尔定律通过测量利用比尔定律通过测量I可得溶液的浓度可得溶液的浓度C。当当ll1 1，则上式可近似为，则上式可近似为 l l（I I0 0I I）/ /I I0 0 表示经过厚度为表示经过厚度为l l的材料后光强被吸收的比率。的材料后光强被吸收的比率。设设llA A，A A 称为吸收率称为吸收率。7.1.2物质对光的吸收物质对光的吸收物质的颜色与光的关系物质的颜色与光的关系物质的颜色与光的关系物质的颜色与光的关系完全吸收完全吸收完全吸收完全吸收完全透过完全透过完全透过完全透过吸收黄色光吸收黄色光吸收黄色光吸收黄色光光谱示意光谱示意光谱示意

74、光谱示意表观现象示意表观现象示意表观现象示意表观现象示意复合光复合光复合光复合光3、吸收光谱任何物质都存在这两种形式的吸收，但出现的波任何物质都存在这两种形式的吸收，但出现的波长范围不同，材料的长范围不同，材料的吸收系数与波长吸收系数与波长相关。相关。一般吸收：一般吸收：在特定的波长范围内，材料的在特定的波长范围内，材料的吸收系数几乎不变吸收系数几乎不变，这种现象称为一般吸收。这种现象称为一般吸收。选择吸收：选择吸收：在其他波长范围内，同一材料的在其他波长范围内，同一材料的吸收率随波长变吸收率随波长变化快速提高，化快速提高，称为称为“选择吸收选择吸收”。解释物质在某一波长透明，在另一波长范围内

75、不透解释物质在某一波长透明，在另一波长范围内不透明的现象。明的现象。吸收光谱吸收光谱AbsorptionSpectrum纯纯纯纯 电子能态电子能态电子能态电子能态 间跃迁间跃迁间跃迁间跃迁S2S1S0S3h E2E0E1E3S2S1S0h A h h h 分子内电子跃迁分子内电子跃迁带状光谱带状光谱锐线光谱锐线光谱锐线光谱锐线光谱 A物质对光的选择吸收物质对光的选择吸收Selectedabsorption物质的电子结构不同，所能吸收光的波长也不同，这就构物质的电子结构不同，所能吸收光的波长也不同，这就构成了物质对光的选择吸收基础。成了物质对光的选择吸收基础。例：例： A物质物质B物质物质同理，

76、得：同理，得：1ev=1.6 10-19J.除了真空没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对除了真空没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。透明的。任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。的，而对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。例例:在光学材料中，石英对所有在光学材料中，石英对所有可见光可见光几乎都透明的，几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象为这种现象为一般吸收一般吸收一般吸收一般吸收；但是对于波长范围为；但是

77、对于波长范围为3.55.0m的的红外光红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为烈变化，这种现象为选择吸收选择吸收选择吸收选择吸收。 一般吸收和选择吸收一般吸收和选择吸收 例如，普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外例如，普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线主紫外线都有强烈的吸收，是不透明的。线主紫外线都有强烈的吸收，是不透明的。 因此在红外光谱仪中，棱镜常用对红外线透明的因此在红外光谱仪中，棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶体和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，氯化钠晶体和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，棱镜常用对紫外线透明的石英制作。棱镜常用对紫外线

78、透明的石英制作。 实际上，任何光学材料，在紫外和红外端都有一实际上，任何光学材料，在紫外和红外端都有一定的透光极限。定的透光极限。 任何物质都有这两种形式的吸收任何物质都有这两种形式的吸收,只是出现的波长只是出现的波长范围不同而已。范围不同而已。 6-3一般吸收和选择吸收一般吸收和选择吸收具有连续谱的光具有连续谱的光(白光白光)通过有选择吸收的物质后，通过有选择吸收的物质后，再经光谱仪分析，可显示出某些波段的光或某些波再经光谱仪分析，可显示出某些波段的光或某些波长的光被吸收的情况，这就是长的光被吸收的情况，这就是吸收光谱吸收光谱。太阳光经过大气层时的吸收光谱太阳光经过大气层时的吸收光谱原子吸收

79、光谱具有很高的灵敏度，所以近几原子吸收光谱具有很高的灵敏度，所以近几十年来，在定量分析中原子吸收光谱得到了十年来，在定量分析中原子吸收光谱得到了越来越广泛的应用。不少新元素都是用这种越来越广泛的应用。不少新元素都是用这种方法发现的。方法发现的。 金刚石和石英这两种电介质材料的吸收区都出现在紫外金刚石和石英这两种电介质材料的吸收区都出现在紫外和红外波长范围。它们在整个可见光区，甚至扩展到和红外波长范围。它们在整个可见光区，甚至扩展到近红外和近紫外都是透明的，是优良的可见光区透光近红外和近紫外都是透明的，是优良的可见光区透光材料。材料。金刚石的吸收光谱金刚石的吸收光谱石英的吸收光谱石英的吸收光谱用

80、发射连续光谱的白光源发光，经分光仪器分解出单色光束用发射连续光谱的白光源发光，经分光仪器分解出单色光束，使光束通过待测材料，可以，使光束通过待测材料，可以测量波长与吸收系数的关系，测量波长与吸收系数的关系，得到波长吸收系数的谱图，称为得到波长吸收系数的谱图，称为吸收光谱。吸收光谱。电子极化：电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒数处在同一只有当光的频率与电子极化时间的倒数处在同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；电子受激吸收光子而越过禁带；电子受激吸收光子而越过禁带；电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光；电子受激进入位于禁带中的

81、杂质或缺陷能级上而吸收光；所以，只有当所以，只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时，光量子才可能被吸收。量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中的电子同时，材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。从较低能态跃迁到高能态。光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出的能量交换过程。的能量交换过程。4 4. . 吸收的物理机制吸收的物理机制吸收光谱吸收光谱光光光光作用于物质时，物质吸收了可见光，而作用于物质时，物质吸收了可见光，而作用于物质时，物质吸收了可见光，而作用于物质时，

82、物质吸收了可见光，而显示出特征的颜色，这一过程与物质的显示出特征的颜色，这一过程与物质的显示出特征的颜色，这一过程与物质的显示出特征的颜色，这一过程与物质的 性性性性质及光的性质有关。质及光的性质有关。质及光的性质有关。质及光的性质有关。分子基态的电子组态分子基态的电子组态物质对光的吸收物质对光的吸收物质对光的吸收物质对光的吸收物质对光的吸收满足物质对光的吸收满足物质对光的吸收满足物质对光的吸收满足PlankPlank条件条件条件条件h S2S1S0S3E2E0E1E3h h h 在电磁波谱的在电磁波谱的可见光区可见光区，金属和半导体的吸收系，金属和半导体的吸收系数都是很大的。数都是很大的。但

83、是电介质材料，包括玻璃、陶瓷等无机材料的但是电介质材料，包括玻璃、陶瓷等无机材料的大部分在这个波谱区内都有良好的透过性，即吸收系大部分在这个波谱区内都有良好的透过性，即吸收系数很小。这是因为电介质材料的价电子所处的能带是数很小。这是因为电介质材料的价电子所处的能带是填满了的填满了的,它不能吸收光子而自由运动，而光子的能它不能吸收光子而自由运动，而光子的能量又不足以使电子跃迁到导带，所以在一定的波长范量又不足以使电子跃迁到导带，所以在一定的波长范围内，吸收系数很小。围内，吸收系数很小。光吸收与光波长的关系光吸收与光波长的关系产生连续光谱的光源在通过介质后会产生吸收，所产生连续光谱的光源在通过介质

84、后会产生吸收，所形成的光谱为吸收光谱，吸收系数大的位置出现谱形成的光谱为吸收光谱，吸收系数大的位置出现谱线消失。线消失。物质的定量分析；气象、天文研究。物质的定量分析；气象、天文研究。二、不同材料对光能的吸收二、不同材料对光能的吸收1、金属对光能的吸收、金属对光能的吸收金属对可见光是不透明金属对可见光是不透明金属的电子能带的特殊性金属的电子能带的特殊性金属的价电子处于未满带，费米能金属的价电子处于未满带，费米能级上存在许多空能级。级上存在许多空能级。光线照射时，电子吸收入射光光线照射时，电子吸收入射光的能量，由基态跃迁到激发态空能的能量，由基态跃迁到激发态空能级上，因此，各种能量的光子都被级上

85、，因此，各种能量的光子都被吸收了，吸收了，不能透过。不能透过。金属对光的反射金属对低频电磁波（无线、紫外）是不透明金属对低频电磁波（无线、紫外）是不透明金属对高频电磁波金属对高频电磁波(x,r射线）透明射线）透明大部分金属吸收了光后大部分金属吸收了光后同样的波长反射出来同样的波长反射出来。金属的反射系数金属的反射系数0.90.95之间。之间。金属的颜色金属的颜色是由反射光的波长决定的。是由反射光的波长决定的。2、非金属材料非金属材料对可见光透明或不透明非金属材料对可见光透明或不透明。非金属材料对可见光吸收机理非金属材料对可见光吸收机理电子受激吸收光电子受激吸收光子子越过禁带越过禁带光子能量达到

86、禁带时，绝缘材料的电子会吸收光子光子能量达到禁带时，绝缘材料的电子会吸收光子能量从满带跃迁到导带，根据材料的禁带宽度能量从满带跃迁到导带，根据材料的禁带宽度EgEghhc/hc/EgHEg吸收光子吸收光子可见光的最大波长可见光的最大波长0.7微米微米，吸收光子后电子越过，吸收光子后电子越过Eghc/=1.8ev非金属对光的吸收非金属材料的禁带宽度非金属材料的禁带宽度3.1ev。不可能吸收可见光不可能吸收可见光非金属材料对可见光透明的。非金属材料对可见光透明的。Eg1.83.1ev部分吸收可见光部分吸收可见光半透明半透明半导体禁带宽度半导体禁带宽度3.1ev透明透明金刚石金刚石Eg1.83.1e

87、v半透明、带色透明半透明、带色透明 0d n/ d 0，这种，这种在吸收带附近不符合科希公式，与正常色散曲线大不相同的在吸收带附近不符合科希公式，与正常色散曲线大不相同的特征称之为特征称之为反常色散反常色散反常色散反常色散（anomalous dispersionanomalous dispersion）大多数材料在遇到吸收带时，色散曲线都有这种不连续的性大多数材料在遇到吸收带时，色散曲线都有这种不连续的性质。在吸收区域以外，物质的色散曲线仍属于正常曲线。质。在吸收区域以外，物质的色散曲线仍属于正常曲线。6-6反常色散反常色散anomalousdispersion反常色散反常色散在某些波段会出

88、现，波长变大时折射率值增大的现象，这在某些波段会出现，波长变大时折射率值增大的现象，这称为称为反常色散反常色散。反常色散与选择吸收密切相关，即在发生物质的选择吸收波反常色散与选择吸收密切相关，即在发生物质的选择吸收波段附近出现段附近出现反常色散反常色散。描述反常色散下描述反常色散下n与与 关系关系经验公式经验公式塞耳迈耳方程塞耳迈耳方程：反常色散 石英透明材料石英透明材料 随波长增加，开始时色散曲线符合科希公式，但从接随波长增加，开始时色散曲线符合科希公式，但从接近吸收带的一点开始，折射率急剧下降，直至进入吸收区，近吸收带的一点开始，折射率急剧下降，直至进入吸收区，离开吸收区后，折射率从高点迅

89、速下降，缓慢降低，离开离开吸收区后，折射率从高点迅速下降，缓慢降低，离开吸收区一段后，又符合科希公式。吸收区一段后，又符合科希公式。6.2.46.2.4光散射光散射 light scatteringlight scattering 1 1、 光散射现象光散射现象当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以看到光，这是从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀介质中的不均匀性使光线朝四面八方传播，这种现象称为性使光线朝四面八方传播，这种现象称为光的散光的散射

90、射。光在介质中的传播速度或折射率随波长改变的现光在介质中的传播速度或折射率随波长改变的现象称为象称为色散现象色散现象。光波遇到不均匀结构产生的次级波，与主波方向不光波遇到不均匀结构产生的次级波，与主波方向不一致，与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来一致，与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向，从而引起散射。的方向，从而引起散射。介质的光散射介质的光散射光散射光散射使光强能量在原来传播方向上减弱。使光强能量在原来传播方向上减弱。微粒、烟尘、悬浮液滴，材料中性能不同的晶界相、气微粒、烟尘、悬浮液滴，材料中性能不同的晶界相、气孔或其夹杂物都会引起部分光束被散射，使光强能量在原孔或其夹杂物都会引起

91、部分光束被散射，使光强能量在原传播方向上的减弱。传播方向上的减弱。光强随传播距离减弱符合指数衰减规律光强随传播距离减弱符合指数衰减规律I0初始光强度，初始光强度，I为通过厚度为为通过厚度为l的试件后的光强度的试件后的光强度;为消光系数为消光系数，单位为，单位为cm1，aa和和s分别为吸收系数和散射系数。分别为吸收系数和散射系数。散射系数散射系数散射系数与大小、数量、光波长以及散射质点与散射系数与大小、数量、光波长以及散射质点与基体的相对折射率有关。基体的相对折射率有关。当光的波长等于散射质点的直径时，出现散射的峰值当光的波长等于散射质点的直径时，出现散射的峰值dmax=4.1 /2（n-1)光

92、的波长光的波长不同时，散射系数达到最大时的质点的直径也有变化不同时，散射系数达到最大时的质点的直径也有变化d时，随，随d增加，散射系数增加，散射系数s减小。减小。D=，散射系数散射系数s最大最大值。空气空气次波源，次波源，使阳光产生散射使阳光产生散射-蔚蓝天空。蔚蓝天空。2、散射的分类、散射的分类根据散射前后光子（光波波长）是否变化，可以将光散射分为弹性散射和非弹性散射两类。 非弹性散射比弹性散射弱几个量级，因此常常被忽略。 弹性散射是指散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化的散射。弹性散射过程弹性散射过程光子与散射中心的弹性碰撞。光子与散射中心的弹性碰撞。特点：只改变光子的方向，而不改变光

93、子的能量。特点：只改变光子的方向，而不改变光子的能量。除波长（或频率）不变外，散射光强度与波长的关系因散射除波长（或频率）不变外，散射光强度与波长的关系因散射中心尺度的大小而不同。有关系中心尺度的大小而不同。有关系Is 1/Is为散射光强度，为散射光强度，为入射光波长，为入射光波长，与散射中心大小与散射中心大小0有关的参数。有关的参数。弹性散射分类弹性散射分类按照散射按照散射中心尺度中心尺度a0与与入射光波长入射光波长是大小，分是大小，分为三三类：1 1） 廷德尔散射廷德尔散射廷德尔散射廷德尔散射 TyndallScattering 当当当当a a0 0 时时， 0 0 0 0散射中心的尺度远

94、大于光波波长时，散射光强与入射光波散射中心的尺度远大于光波波长时，散射光强与入射光波散射中心的尺度远大于光波波长时，散射光强与入射光波散射中心的尺度远大于光波波长时，散射光强与入射光波长无关长无关长无关长无关如粉笔灰、白云呈白色如粉笔灰、白云呈白色如粉笔灰、白云呈白色如粉笔灰、白云呈白色例如在胶体、乳浊液以及含有烟、雾例如在胶体、乳浊液以及含有烟、雾例如在胶体、乳浊液以及含有烟、雾例如在胶体、乳浊液以及含有烟、雾或灰尘的大气中或灰尘的大气中或灰尘的大气中或灰尘的大气中的散射。的散射。的散射。的散射。2 2）米氏散射）米氏散射）米氏散射）米氏散射 MileScatteringMileScatte

95、ring当当a a0 0与与相近时，相近时，=0-4=0-4散射中心的尺度与光波波长可以比拟时，散射中心的尺度与光波波长可以比拟时， 在在0-40-4之间之间, ,具体取值与散射中心有关具体取值与散射中心有关. .存在散射光强度存在散射光强度随随a a0/0/值的变化而波动，值的变化而波动， 在空间分布不均匀等问题。在空间分布不均匀等问题。粒度分析仪：聚合物相结构、尺寸分布粒度分析仪：聚合物相结构、尺寸分布 光散射分类光散射分类3 3）瑞利散射）瑞利散射）瑞利散射）瑞利散射 RayleighscatteringRayleighscatteringn n当当当当a a0 0 时，时，时，时， =

96、4=4即当散射中心的线度远小于入射即当散射中心的线度远小于入射即当散射中心的线度远小于入射即当散射中心的线度远小于入射光的波长时，散射强度与波长的光的波长时，散射强度与波长的光的波长时，散射强度与波长的光的波长时，散射强度与波长的4 4次方成反比次方成反比次方成反比次方成反比n nIs=1/Is=1/ 4(4(瑞利定律）瑞利定律）n通常我们把通常我们把线度小于光的波长的微粒对入射光的线度小于光的波长的微粒对入射光的散射，称为瑞利散射散射，称为瑞利散射（Rayleighscattering）。）。n瑞利散射不改变原入射光的频率瑞利散射不改变原入射光的频率。 介质对光介质对光的散射的散射瑞利定律瑞

97、利定律微小粒子微小粒子a a0 0 对对对对长波的散射不如短波有长波的散射不如短波有长波的散射不如短波有长波的散射不如短波有效。效。效。效。可见光的短波侧可见光的短波侧 =400=400nmnm紫光的紫光的紫光的紫光的散射强度要比散射强度要比长波长波 =720=720nmnm处红光的处红光的处红光的处红光的散射强度大散射强度大1010倍。倍。 Is Is 的关系的关系的关系的关系 实验和理论都证明实验和理论都证明, ,较大的颗粒对光的散射不遵从瑞利散射定较大的颗粒对光的散射不遵从瑞利散射定律，这时散射光强与波长的依赖关系就不十分明显了。律，这时散射光强与波长的依赖关系就不十分明显了。介质对光介

98、质对光的散射的散射3 3）瑞利散射）瑞利散射）瑞利散射）瑞利散射按照瑞利散射定律，我们不难按照瑞利散射定律，我们不难按照瑞利散射定律，我们不难按照瑞利散射定律，我们不难理解晴天时晨阳与午阳的颜色理解晴天时晨阳与午阳的颜色理解晴天时晨阳与午阳的颜色理解晴天时晨阳与午阳的颜色不同。不同。不同。不同。入射波长越长，散射光强越小，入射波长越长，散射光强越小，入射波长越长，散射光强越小，入射波长越长，散射光强越小，即长波散射要小于短波散射。即长波散射要小于短波散射。即长波散射要小于短波散射。即长波散射要小于短波散射。因为大气及尘埃对光谱上蓝紫因为大气及尘埃对光谱上蓝紫因为大气及尘埃对光谱上蓝紫因为大气及

99、尘埃对光谱上蓝紫色光的散射比红橙色光为甚，色光的散射比红橙色光为甚，色光的散射比红橙色光为甚，色光的散射比红橙色光为甚，阳光透过大气层越厚，其中蓝阳光透过大气层越厚，其中蓝阳光透过大气层越厚，其中蓝阳光透过大气层越厚，其中蓝紫色光成分损失越多，太阳显紫色光成分损失越多，太阳显紫色光成分损失越多，太阳显紫色光成分损失越多，太阳显得越红。得越红。得越红。得越红。介质对光介质对光的散射的散射Global早晨中午太阳光瑞利散射研究与应用n在高分子材料的研究中在高分子材料的研究中1）利用瑞利散射来研究高分子的）利用瑞利散射来研究高分子的结晶行为和结晶结结晶行为和结晶结构构；2）瑞利散射的图样进行傅立叶变

100、换来研究聚合物共）瑞利散射的图样进行傅立叶变换来研究聚合物共混体系的混体系的相结构及相尺寸相结构及相尺寸。3）对各种介质弹性光散射性质的测量和分析，可以）对各种介质弹性光散射性质的测量和分析，可以获取获取胶体溶液、浑浊介质、晶体和玻璃胶体溶液、浑浊介质、晶体和玻璃等光学材等光学材料的物理化学性质，确定流体中散射微粒的大小料的物理化学性质，确定流体中散射微粒的大小和运动速率和运动速率c。4）利用激光在大气中的散射可以测量大气中悬浮微）利用激光在大气中的散射可以测量大气中悬浮微粒的密度和监测大气污染的程度等。粒的密度和监测大气污染的程度等。入射光子与介质发生非弹性碰撞使散射光频率入射光子与介质发生

101、非弹性碰撞使散射光频率发生改变，称为非弹性散射。发生改变，称为非弹性散射。散射：仅改变方向，波长不变。弹性碰撞无能量交换瑞利散射不变非弹性碰撞，有能量交换，波长有变化拉曼散射变2、非弹性散射用高灵敏度和高分辨率的光谱仪器，在弹性散射光的频率用高灵敏度和高分辨率的光谱仪器，在弹性散射光的频率高端和低端侧，可以发现非弹性散射的光谱成分。高端和低端侧，可以发现非弹性散射的光谱成分。强度低于弹性散射强度低于弹性散射。喇曼光谱喇曼光谱当当频频率率为为V0的的单单色色光光入入射射时时，其其大大部部分分散散射射光光的的频频率率没没有有变变，其强度约为入射光的其强度约为入射光的10-3，这种散射称为，这种散射

102、称为瑞利散射瑞利散射.有极少散射光频率变为有极少散射光频率变为这种散射称为这种散射称为拉曼散射拉曼散射。光谱上低频光谱上低频（v0-v）的散射线的散射线斯托克斯线斯托克斯线光谱上高频（光谱上高频（v0+v）的散射线的散射线反斯托克斯线反斯托克斯线光的波粒二相性解释光的非弹性散射散射光频率降低散射光频率降低红移红移散射光频率增高散射光频率增高蓝移蓝移1）拉曼散射拉曼散射由相互束缚的正负离子组成。正负离由相互束缚的正负离子组成。正负离子的周期振动，子的周期振动，导致偶极矩的周期变化，振动偶极矩导致偶极矩的周期变化，振动偶极矩与与光波电磁场相互作用引起能量交换，对光波产生非弹性散光波电磁场相互作用引

103、起能量交换，对光波产生非弹性散射。光子与光波之间的能量交换。射。光子与光波之间的能量交换。2）布里渊散射布里渊散射点阵振动的声学声子（声学模）与点阵振动的声学声子（声学模）与光波之间的能量交换。光波之间的能量交换。布里渊散射的频移比拉曼散射小，它们靠近瑞利线旁，只能布里渊散射的频移比拉曼散射小，它们靠近瑞利线旁，只能用高分辨的双单色仪分辨。用高分辨的双单色仪分辨。光子散射能量变化的量子解释光子散射能量变化的量子解释n光是由能量光是由能量E=hV0的光子组成的光子流。的光子组成的光子流。n光子与物质相撞，为弹性碰撞时，是光子与物质相撞，为弹性碰撞时，是瑞利散射瑞利散射；n光子与物质非弹性碰撞时，

104、碰撞后光子能量发生变化，亦光子与物质非弹性碰撞时，碰撞后光子能量发生变化，亦即频率不等于入射光即频率不等于入射光V0的频率，即喇曼散射。的频率，即喇曼散射。E2E1反斯托克斯线反斯托克斯线瑞利线瑞利线斯托克斯线斯托克斯线量子观点解释量子观点解释1）介质分子受到频率为）介质分子受到频率为0的入射光子作用从能级的入射光子作用从能级E1跃迁至某跃迁至某一虚能级，然后跃迁回原能级一虚能级，然后跃迁回原能级E1时，放出与原入射光子频时，放出与原入射光子频率相同的光子率相同的光子瑞利散射瑞利散射2）跃迁回一个比）跃迁回一个比E1高的高的E2能级时，放出的光子频率就会比能级时，放出的光子频率就会比入射光子的

105、频率低入射光子的频率低红移红移拉曼散射的斯托克斯过拉曼散射的斯托克斯过程程h=（E2E1）3）若介质原来处于较高能级）若介质原来处于较高能级E2，吸收光子跃迁后，向下跃，吸收光子跃迁后，向下跃迁回能级迁回能级E1，则放出，则放出蓝移的散射光子。蓝移的散射光子。依旧符合依旧符合h=（E2E1）能量守恒能量守恒拉曼散射的反斯托克斯过程拉曼散射的反斯托克斯过程非弹性散射的非弹性散射的研究研究n非弹性散射强度非常微弱，在激光器等强光光非弹性散射强度非常微弱，在激光器等强光光源出现后才得到较大发展。源出现后才得到较大发展。n拉曼散射、布里渊散射的散射频率与散射物质的拉曼散射、布里渊散射的散射频率与散射物

106、质的结构有关，研究结构有关，研究非弹性散射可获得非弹性散射可获得n固体结构固体结构n点阵振动点阵振动n声学动力学声学动力学n分子能级特征分子能级特征CCl4的拉曼光谱 Stocks linesanti-Stockes linesRayleighscattering/cm-16.3 材料颜色形成的化学机理一、颜色的形成一、颜色的形成在可见光区，不同波长的光波显现出不同的颜在可见光区，不同波长的光波显现出不同的颜色。色。材料的颜色是由物质对光的材料的颜色是由物质对光的吸收吸收、材料发射、材料发射不同波长的电磁波和光在传播时的不同波长的电磁波和光在传播时的反射、透射、反射、透射、散射散射等物理过程对

107、人视觉感应出的综合体现。等物理过程对人视觉感应出的综合体现。影响材料颜色的主要因素影响材料颜色的主要因素：原子激发、分子振动、原子激发、分子振动、过渡金属的能级在配位场中的变化、共轭效应、过渡金属的能级在配位场中的变化、共轭效应、混合价态化合物电荷转移效应、混合价态化合物电荷转移效应、电子在固体能带间的跃迁等电子在固体能带间的跃迁等颜色的起因化学因素化学因素化学结构会导致选择吸收和颜色的起因发光。化学结构会导致选择吸收和颜色的起因发光。物理因素物理因素物理过程会使光在传播中出现颜色。物理过程会使光在传播中出现颜色。n颜色的起因分成颜色的起因分成15种类型种类型原子激发和分子振动原子激发和分子振

108、动1.固体高温加热白炽化（火焰、灯光、碳弧）固体高温加热白炽化（火焰、灯光、碳弧）2.气态原子或分子激发（气体激光、闪电、极光）气态原子或分子激发（气体激光、闪电、极光）3.分子的振动和转动（水和冰显淡蓝色）分子的振动和转动（水和冰显淡蓝色）配位场效应下的电子跃迁配位场效应下的电子跃迁4.过渡金属元素化合物（激光、荧光、磷光体）过渡金属元素化合物（激光、荧光、磷光体）5.过渡金属元素掺杂到晶体中（红宝石（过渡金属元素掺杂到晶体中（红宝石（Al2O3:Cr3+）电子在分子轨道间跃迁）电子在分子轨道间跃迁）电子在分子轨道间跃迁电子在分子轨道间跃迁6.有机化合物（有机染料、某些生物体显色）有机化合物

109、（有机染料、某些生物体显色）7.电荷转移（普鲁士蓝、磁铁矿）电荷转移（普鲁士蓝、磁铁矿）电子在固体能带间跃迁电子在固体能带间跃迁8.金属（铜、银、金、黄铜）金属（铜、银、金、黄铜）9.纯半导体（硅）纯半导体（硅）10.掺杂或激活的半导体（发光二极管、激光或磷光体）掺杂或激活的半导体（发光二极管、激光或磷光体）11.色心（紫晶、某些荧光与激光）色心（紫晶、某些荧光与激光）几何或物理光学因素12.色散的折射，偏振等（虹、晕）色散的折射，偏振等（虹、晕）13.散射（蓝天、晚霞）散射（蓝天、晚霞）14.干涉（水面上彩色油膜、肥皂泡）干涉（水面上彩色油膜、肥皂泡）15.衍射（衍射光栅、液晶、光轮）衍射（

110、衍射光栅、液晶、光轮）二、变色材料二、变色材料当材料受到外界当材料受到外界光、热、电光、热、电等激发源作用后改变等激发源作用后改变颜色，称为颜色，称为变色材料变色材料。按激发源不同可分为：按激发源不同可分为：光致变色材料光致变色材料热致变色材料热致变色材料电致变色材料电致变色材料压致变色材料压致变色材料1、光致变色材料、光致变色材料（1）光致变色成像原理）光致变色成像原理材料在受到材料在受到一定波长的光照射一定波长的光照射时，能够发生颜时，能够发生颜色的变化，而在另一波长的光或热的作用下，它色的变化，而在另一波长的光或热的作用下，它们又会恢复到原来的颜色的现象们又会恢复到原来的颜色的现象光致变

111、色现象光致变色现象。这类材料称为光致变色化合物。这类材料称为光致变色化合物。光致变色通式光致变色通式正性光致变色正性光致变色在在光照下材料由无色或浅色转变成深色；光照下材料由无色或浅色转变成深色；逆光致变色逆光致变色在光照下材料的颜色从深色转化成无色或浅色在光照下材料的颜色从深色转化成无色或浅色（2）光致变色材料的种类）光致变色材料的种类光致变色材料光致变色材料:无机光致变色材料和有机光致变无机光致变色材料和有机光致变色材料色材料。n有机光致变色材料有机光致变色材料有：螺环烃类、染料类、邻有：螺环烃类、染料类、邻-硝硝基苄基衍生物等。基苄基衍生物等。n无机光致变色材料有无机光致变色材料有：金属

112、卤化物、金属羰化物：金属卤化物、金属羰化物n（卤化银晶体分散在玻璃中制成的变色眼镜）（卤化银晶体分散在玻璃中制成的变色眼镜）n无机材料的变色过程大多为物理过程，有机材料无机材料的变色过程大多为物理过程，有机材料变色过程除物理过程外，还包括互变异构、化学变色过程除物理过程外，还包括互变异构、化学键裂解等与光有关的化学过程。键裂解等与光有关的化学过程。光致变色材料的应用新型功能的光致变色化合物具有广泛的应用：新型功能的光致变色化合物具有广泛的应用：（1）信息存储和记录；）信息存储和记录；n（2）光能转换）光能转换n（3）视觉转换）视觉转换n（4）照射密度的调控与测量；）照射密度的调控与测量；n（5

113、）计算机元件的制造）计算机元件的制造n(6)光致变色染料光致变色染料n（7）变色太阳镜）变色太阳镜2、热致变色材料、热致变色材料物质在不同温度下发生颜色改变的现象称为物质在不同温度下发生颜色改变的现象称为热致变色热致变色热致变色的原因热致变色的原因：1）在不同温度下，配位体几何构型或配位数发生变化）在不同温度下，配位体几何构型或配位数发生变化2）分子结构变化，晶型转变、结构改变等。）分子结构变化，晶型转变、结构改变等。3）温度改变时，晶体中离子的热运动引起的结构变化）温度改变时，晶体中离子的热运动引起的结构变化以及金以及金属粒子位置变化等均会使材料的颜色改变。属粒子位置变化等均会使材料的颜色改

114、变。4）材料受光照和受热的作用导致的）材料受光照和受热的作用导致的化学键断裂化学键断裂等也会等也会使材料的颜色变化。使材料的颜色变化。例例1：Ge-Te元素化合物元素化合物当将其从室温加热到当将其从室温加热到200时时,其晶型由其晶型由玻璃态玻璃态向金属结构转变向金属结构转变，导电率迅速上升，自身的颜色跟，导电率迅速上升，自身的颜色跟着发生变化。着发生变化。例例2：VO2在在68以上时，以上时，V4+的位置发生改变的位置发生改变由半导体向金属转移，颜色变暗，可以利用这种特由半导体向金属转移，颜色变暗，可以利用这种特性来制造内含性来制造内含VO2的调光玻璃。的调光玻璃。热致变色材料的分类热致变色

115、材料的分类1）按组成分为）按组成分为2）按变色方式分为）按变色方式分为热致变色无机材料热致变色无机材料可逆热致变色材料可逆热致变色材料热致变色有机材料热致变色有机材料不可逆热致变色材料不可逆热致变色材料n可逆热致变色材料的颜色随温度变化关系可逆热致变色材料的颜色随温度变化关系颜色颜色A颜色颜色B少数几种物质如液晶及多种氧化物组成的多晶体少数几种物质如液晶及多种氧化物组成的多晶体等，随温度改变可产生多种颜色的可逆变化：等，随温度改变可产生多种颜色的可逆变化： 颜色颜色A A 颜色颜色B B 颜色颜色C C 热致变色材料的应用1）热致变色材料还可以用于制作示温涂料、热变）热致变色材料还可以用于制作

116、示温涂料、热变色墨水、变色服装，目前已有变色色墨水、变色服装，目前已有变色T恤面市，在太恤面市，在太阳光照射下，它可以随温度的不同而变换颜色。阳光照射下，它可以随温度的不同而变换颜色。2）无机低温热变色材料具有随温度变化颜色改变的无机低温热变色材料具有随温度变化颜色改变的特性，因此可将其涂在特性，因此可将其涂在商标、封签、票据商标、封签、票据等上面，等上面，做上特殊的标记，根据其受热后颜色的变化便可达做上特殊的标记，根据其受热后颜色的变化便可达到识别真伪的目的。到识别真伪的目的。3）热致变色材料涂于两块玻璃之间，随温度变化可）热致变色材料涂于两块玻璃之间，随温度变化可调节透光率，有可能作为廉价

117、、无毒的太阳能建筑调节透光率，有可能作为廉价、无毒的太阳能建筑新材料。新材料。3、电致变色材料、电致变色材料电致变色是指在外加电压时，物质的光吸收或电致变色是指在外加电压时，物质的光吸收或光散射特性发生可逆变化的现象（材料表现出色光散射特性发生可逆变化的现象（材料表现出色彩的变化），简称电色现象。彩的变化），简称电色现象。显色和消色显色和消色过程伴随过程伴随电子转移电子转移和材料中电中性和材料中电中性的的离子传导离子传导。n电致变色材料一般均为电致变色材料一般均为过渡金属氧化物过渡金属氧化物，在一定，在一定电场下发生氧化还原，出现电场下发生氧化还原，出现混合价态离子而显色混合价态离子而显色。n

118、这类材料有：氧化还原型聚合物、有机金属配位这类材料有：氧化还原型聚合物、有机金属配位化合物、导电聚合物等。化合物、导电聚合物等。电致变色本质电致变色本质 材料的化学结构在电场作用下发生改变（如材料的化学结构在电场作用下发生改变（如氧化氧化-还原反应）而引起材料吸收或散射光谱的还原反应）而引起材料吸收或散射光谱的变化。变化。无机电致变色材料和小分子电致变色材料稳定无机电致变色材料和小分子电致变色材料稳定性较差、力学性能存在缺陷；性较差、力学性能存在缺陷；有机高分子电致变色材料具有良好的使用和加有机高分子电致变色材料具有良好的使用和加工性能。工性能。无机电致变色材料的变色原理无机电致变色材料的变色

119、原理分为阴极着色和阳极着色分为阴极着色和阳极着色n阴极着色反应式阴极着色反应式MOy +x A+x e Ax MOy (0x 1)MOy是金属氧化物是金属氧化物(无色无色),M具有较高的氧化态具有较高的氧化态,A+是插入的是插入的正离子正离子(如如H+、Li+等等),产物产物AxMOy(着色着色)中中M的的氧化态降低氧化态降低了。这类材料一般是了。这类材料一般是W、Mo、V、Nb等氧化物等氧化物.n阳极着色反应式阳极着色反应式MOy+xA-xeAxMOy(0x1)金属氧化物中金属氧化物中M的氧化态较低的氧化态较低,A-是插入的是插入的负离子负离子(如如OH-、F-、CN-等等),产物产物AxM

120、Oy(着色着色)中中M的的氧化态升氧化态升高高了。这类材料一般是了。这类材料一般是Ir、Ni、Rh、Co等氧化物。等氧化物。有机变色材料有机变色材料高分子材料高分子材料变色机理与无机材料不同变色机理与无机材料不同,它主要是由它主要是由掺杂掺杂引起的引起的M+m XP+m p e MXmM为聚合物为聚合物;X为掺杂的正离子为掺杂的正离子;p、m:1、为、为1、2、3,等正整数。等正整数。该化学反应为可逆过程该化学反应为可逆过程,随着电压的变化随着电压的变化,共扼高分共扼高分子由绝缘态变为导电态子由绝缘态变为导电态,颜色也随之发生变化。颜色也随之发生变化。聚苯胺颜色变化依次为聚苯胺颜色变化依次为淡

121、黄淡黄绿绿蓝蓝深蓝（黑）深蓝（黑）常用的稳定变色是在蓝（氧化态）常用的稳定变色是在蓝（氧化态）绿（还原态）之间。绿（还原态）之间。聚苯胺是目前唯一已经批量化生产的结构型导电高分子聚苯胺是目前唯一已经批量化生产的结构型导电高分子材料，具有颜色转换快、循环可逆性好和光学质量优异材料，具有颜色转换快、循环可逆性好和光学质量优异的特点，被认为是一种很有发展前途的电致变色材料，的特点，被认为是一种很有发展前途的电致变色材料，有可能应用于电致变色装置和智能窗。有可能应用于电致变色装置和智能窗。电致变色高分子电致变色高分子电致变色材料的应用电致变色材料的应用信息显示器：大屏幕数字显示器信息显示器：大屏幕数字

122、显示器ECD（广告牌，（广告牌，车站公共场所使用），与液晶显示器相比，具有车站公共场所使用），与液晶显示器相比，具有无视角盲点、对比度高、驱动电压低、色彩丰富无视角盲点、对比度高、驱动电压低、色彩丰富等特点等特点智能调光窗：军事上的伪装隐身器材，节能防辐智能调光窗：军事上的伪装隐身器材，节能防辐射涂层射涂层电色信息存储器电色信息存储器无眩反光镜：调节反射光线，避免强光刺激，增无眩反光镜：调节反射光线，避免强光刺激，增加交通安全性。加交通安全性。根据改变电致变色层的吸收来调节反射器的反射特性根据改变电致变色层的吸收来调节反射器的反射特性,达达到强光照射下无眩光的效果到强光照射下无眩光的效果,如今

123、电致变色汽车后视镜已成为如今电致变色汽车后视镜已成为多数美国汽车制造商提供的标准配置多数美国汽车制造商提供的标准配置,Gentex公司最近几年为公司最近几年为近百种汽车品牌制造了一千多万个电致变色后视镜近百种汽车品牌制造了一千多万个电致变色后视镜。电致变色后视镜电致变色后视镜4、压致变色材料、压致变色材料压致变色材料随压致变色材料随压力的变化而显现不同的颜色压力的变化而显现不同的颜色。在一些材料中在一些材料中压力的增加缩短了原子间的距离压力的增加缩短了原子间的距离，增强配，增强配位场的强度，使混合价态化合物电荷转移或电子在能位场的强度，使混合价态化合物电荷转移或电子在能带间跃迁等，从而使材料颜

124、色发生变化。带间跃迁等，从而使材料颜色发生变化。例：例：SmS，常压下呈黑色，当压力增加到，常压下呈黑色，当压力增加到6.5108Pa，体，体积突然收缩积突然收缩12，Sm2+的电子组态从的电子组态从4f6变为变为4f5的的Sm3+，有一个电子进入导带，有一个电子进入导带，颜色由黑色变成金色颜色由黑色变成金色。压色性材料应用：压色性材料应用：压控调光玻璃、压敏涂料、压致变色防伪技术等压控调光玻璃、压敏涂料、压致变色防伪技术等6.4材料的光发射和受激辐射材料的光发射和受激辐射光和物质相互作用使材料产生光吸收和光发射的基光和物质相互作用使材料产生光吸收和光发射的基本过程。本过程。当材料吸收能量后，

125、以一定方式发射光子的过程当材料吸收能量后，以一定方式发射光子的过程就是材料的光发射。就是材料的光发射。固体材料的发光固体材料的发光两个微观过程两个微观过程。1）采用各种的方法将能量输入材料中，使固体材料）采用各种的方法将能量输入材料中，使固体材料中的电子能量从基态跃迁到激发态；中的电子能量从基态跃迁到激发态；2）处于激发态的电子处于非平衡状态，因此激发态）处于激发态的电子处于非平衡状态，因此激发态电子会向低能态跃迁，并放出光子。电子会向低能态跃迁，并放出光子。通常材料中存在多个低能态，会产生不同的跃通常材料中存在多个低能态，会产生不同的跃迁途径，因此材料有可能会发射多种频率的光子。迁途径，因此

126、材料有可能会发射多种频率的光子。一、能量注入的方式一、能量注入的方式激励方式激励方式1、光激励（、光激励（光致发光光致发光）通过通过光的辐照将材料中的电子激发到高能光的辐照将材料中的电子激发到高能态从而导致发光。态从而导致发光。激励光源可以采用光频波段、激励光源可以采用光频波段、x-射线波段、射线波段、-射线波段。射线波段。如荧光灯：通过紫外线激发涂布于灯管内如荧光灯：通过紫外线激发涂布于灯管内壁的荧光粉而发光壁的荧光粉而发光。材料的材料的光发射光发射激励方式激励方式2、电激励（电致发光）、电激励（电致发光）通过对绝缘发光体施加强电场而导致发光，通过对绝缘发光体施加强电场而导致发光，或者从外电

127、路将电子（或空穴）注入到半导或者从外电路将电子（或空穴）注入到半导体的导带（或价带），导致载流子复合而发体的导带（或价带），导致载流子复合而发光。光。如仪器指示灯的发光二极管：半导体复合如仪器指示灯的发光二极管：半导体复合发光。发光。 材料的材料的光发射光发射激励方式激励方式3、阴极射线发光、阴极射线发光利用利用高能量的电子来轰击材料高能量的电子来轰击材料，通过电子，通过电子在材料内部的多次散射碰撞，使材料中多种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。发光中心被激发或电离而发光的过程。彩电的颜色：采用电子束扫描，激发显象彩电的颜色：采用电子束扫描，激发显象管内表

128、面上不同成分的荧光粉，使它们发射管内表面上不同成分的荧光粉，使它们发射红、绿、蓝三种基本光波而实现发光。红、绿、蓝三种基本光波而实现发光。（1）热辐射）热辐射（2）电致发光）电致发光（3）光致发光）光致发光（4）化学发光）化学发光自发自发辐射辐射（5）同步辐射光源）同步辐射光源（6）激光光源）激光光源受激受激辐射辐射激发态原子或分子的自发辐射激发态原子或分子的自发辐射 = (E2-E1)/ hE1E2激发态原子或分子的受激辐射激发态原子或分子的受激辐射材料的材料的光发射光发射 激励方式激励方式材料发光前可以有多种方式向其材料发光前可以有多种方式向其注入能量注入能量1、材料的发光、材料的发光n发

129、光是辐射能量以可见光的形式出现。发光是辐射能量以可见光的形式出现。n辐射能量辐射能量激发电子激发电子进入导带；进入导带；n返回价带返回价带发射光子发射光子荧光荧光激发后激发后10-8S,返回价带同时发射光子返回价带同时发射光子荧光灯管荧光灯管冷光冷光磷光磷光导带返回价带导带返回价带杂质能级杂质能级发射光子发射光子荧光屏荧光屏电视荧光屏电视荧光屏实际是磷光体的发光。电视荧光屏实际是磷光体的发光。磷光体材料：高的发光效率；希望的发光色彩；磷光体材料：高的发光效率；希望的发光色彩；适当的余晖时间；材料与基体的结合力强。适当的余晖时间；材料与基体的结合力强。n磷光体一般由磷光体一般由基体和激活剂基体和

130、激活剂两部分组成。两部分组成。基体基体-通常是金属硫化物，如：通常是金属硫化物，如：CaS,SrS,BaS,ZnS,CdS激活剂激活剂-主要是金属，由基质决定。主要是金属，由基质决定。ZnS,CdS最好的激活剂是最好的激活剂是Ag、Cu、Mnn在彩色电视应用中，对应每一种原色的频率范围的发射，在彩色电视应用中，对应每一种原色的频率范围的发射，采用不同的荧光剂。采用不同的荧光剂。n如：荧光剂如：荧光剂Zn2SiO4,激活剂激活剂Mn-发射波长为发射波长为530nm的黄的黄绿色光。绿色光。彩色显像管用发光材料彩色显像管用发光材料颜色颜色组组成成色色度度主峰波长（主峰波长（nm）能量效率（能量效率（

131、%）10%余辉余辉xy红红Zn3(PO4)2:Mn0.6650.3356636.727ms（Zn,Cd）S:Ag0.6650.33667016.0YVO4：Eu0.6640.3306207.11-3msY2O3:Eu0.6400.3526108.71-3msY2O3S:Eu0.6480.34462613.00.5-2ms绿绿Zn2SiO4:Mn0.2180.7125257.425ms（Zn,Cd）S:Ag0.3000.60053519.80.05-2ms（Zn,Cd）S:Al0.3570.59653518.415-30sZnS:Cu,Al0.2430.63353021.815-30sZnS:C

132、u,Au,Al0.3320.60253515-30s蓝蓝ZnS:,Ag0.1460.057450 20.4 5-15s2、热辐射、热辐射加热加热电子激发到高能级电子激发到高能级电子跳回到正常能电子跳回到正常能级级发射低能长波光子。发射低能长波光子。波长位于可见区波长位于可见区白枳灯白枳灯波长位于可见光之外波长位于可见光之外紫外、红外等紫外、红外等特点：特点：1）颜色、亮度随温度变化颜色、亮度随温度变化2）形成辐射连续谱形成辐射连续谱二、二、 材料的材料的发光发光材料以某种方式吸收能量之后，将其转化为光能即材料以某种方式吸收能量之后，将其转化为光能即发射光子的过程发射光子的过程，这就是，这就是光

133、发射光发射。自然界中很多物质都可发光，但近代显示技术所用自然界中很多物质都可发光，但近代显示技术所用的的发光材料主要是无机化合物发光材料主要是无机化合物。固体材料中主要是采用固体材料中主要是采用禁带宽度较大的绝缘体，其禁带宽度较大的绝缘体，其次的半导体它们通常以多晶粉末、薄膜或单晶的次的半导体它们通常以多晶粉末、薄膜或单晶的形式被应用。形式被应用。评价材料发光特性：评价材料发光特性：发射光谱、激发光谱发射光谱、激发光谱发光寿命、发光效率发光寿命、发光效率1、发射光谱、发射光谱：发射光强发射光强 发射光波长发射光波长发射光谱是在一段连续波长范围内，一定的激发条件发射光谱是在一段连续波长范围内，一

134、定的激发条件下发光光强的分布。下发光光强的分布。由于材料本身的能量结构不同，由于材料本身的能量结构不同，发射光谱呈现不同的谱带形状，常见的有线状谱带、发射光谱呈现不同的谱带形状，常见的有线状谱带、宽谱带以及宽谱带交叠形成的连续谱带宽谱带以及宽谱带交叠形成的连续谱带。其形状其形状与材料的能量结构有关。与材料的能量结构有关。反映材料中从高能级始发的向下跃迁过程。反映材料中从高能级始发的向下跃迁过程。三三、 材料的发光特性材料的发光特性 2、激发光谱、激发光谱：发光强度发光强度 激发光波长激发光波长指材料发射某一特定谱线（或谱带）指材料发射某一特定谱线（或谱带）的发光强度随激发光的波长而变化的曲线。

135、的发光强度随激发光的波长而变化的曲线。能够引起材料发光的激发波长也一定是材料可以吸收的波长，能够引起材料发光的激发波长也一定是材料可以吸收的波长，但但激发光谱激发光谱吸收光谱吸收光谱（因为有的材料吸收光后不一定会发（因为有的材料吸收光后不一定会发射光射光,可以把吸收的光能转化为热能而耗散掉，对发光没有贡可以把吸收的光能转化为热能而耗散掉，对发光没有贡献的吸收是不会在激发光谱上反映的）。献的吸收是不会在激发光谱上反映的）。反映材料中从基态始发的向上跃迁过程。反映材料中从基态始发的向上跃迁过程。材料发光的基本性质材料发光的基本性质3、发光寿命、发光寿命（荧光寿命或余晖时间荧光寿命或余晖时间）发光寿

136、命指发光体在激发停止之后持续发光时间的长短。发光寿命指发光体在激发停止之后持续发光时间的长短。产生原因：由于发光中心的电子被激发到高能态后相继向基产生原因：由于发光中心的电子被激发到高能态后相继向基态跃迁发光。态跃迁发光。发光强度以指数规律衰减发光强度以指数规律衰减余辉时间余辉时间：从激发停止时的发光强度：从激发停止时的发光强度I0衰减到衰减到I0/10的时间。的时间。按余辉时间长短分为：按余辉时间长短分为：超长余辉（超长余辉（超长余辉（超长余辉（1 1s s）、长余辉）、长余辉）、长余辉）、长余辉（0.10.1 1s1s）、中余辉（）、中余辉（）、中余辉（）、中余辉（1 1 100ms100

137、ms） 、中短余辉（、中短余辉（、中短余辉（、中短余辉（1010- -2 2 1ms1ms） 、短余辉（、短余辉（、短余辉（、短余辉（1 1 1010 s s）、超短余辉（）、超短余辉（）、超短余辉（）、超短余辉（1 1 s s）n-初始激发态的电子数初始激发态的电子数-电子在子在单位位时间内内跃迁到迁到基基态的概率的概率=1/发光寿命光寿命设在某时刻有设在某时刻有n个电子处于高能态，则在个电子处于高能态，则在t 时间内跃时间内跃迁到基态的电子数迁到基态的电子数dn与与ndt成正比，即成正比，即dn n dt 为电子在单位时间内跃迁到基态的概率为电子在单位时间内跃迁到基态的概率电子衰减的规律为

138、电子衰减的规律为 nn0e - t n0为初始激发态的电子数为初始激发态的电子数同样，发光强度也随指数规律衰减同样，发光强度也随指数规律衰减 II0e t设发光寿命为光强衰减到初始值设发光寿命为光强衰减到初始值I0 的的1/e时所经历时所经历的时间，则有的时间，则有 1/4、发光效率、发光效率量子效率量子效率q：指发射光子数指发射光子数nout与吸收光子数（或与吸收光子数（或输入的电子数）输入的电子数）nin之比。之比。功率效率功率效率p：表示发光功率表示发光功率Pout与吸收光功率（或与吸收光功率（或输入的电功率）输入的电功率）Pin之比。之比。光度效率光度效率l：表示发射的光通量表示发射的

139、光通量L与输入的光功率与输入的光功率（或电功率）（或电功率）Pin之比。之比。功率效率与光度效率的关系：功率效率与光度效率的关系：（）-人眼的视见函数人眼的视见函数I（）-发光功率的光谱分布函数发光功率的光谱分布函数D光功当量光功当量按照发光中心与发光效率分：按照发光中心与发光效率分：按照发光中心与发光效率分：按照发光中心与发光效率分：复合发光复合发光源于固体本征态的辐射跃迁源于固体本征态的辐射跃迁固体能带模型描述（限于最高能隙固体能带模型描述（限于最高能隙Eg内）内）如如II-VI、III-V族半导体发光族半导体发光分立中心发光分立中心发光特殊的复合发光特殊的复合发光BaF2型型固体中局域中

140、心内部电子态间的辐射跃迁固体中局域中心内部电子态间的辐射跃迁位形坐标描述位形坐标描述如稀土离子发光（宽禁带绝缘体材料）如稀土离子发光（宽禁带绝缘体材料）发发光光分分类类 五、五、 发光的物理发光的物理过程（过程（机制机制）1 1、分立中心发光、分立中心发光RE3+发光，杂质、缺陷发光发光，杂质、缺陷发光其发光通常是掺杂在透明基质材料中的离子，或基质其发光通常是掺杂在透明基质材料中的离子，或基质材料自身结构的某一个基团。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。光体的发光波长，调节其光色。

141、发光中心分布在晶体点阵中，受晶体点阵作用，使其发光中心分布在晶体点阵中，受晶体点阵作用，使其能量状态发生变化进而影响材料发光性能。能量状态发生变化进而影响材料发光性能。发光的物理机制发光的物理机制杂质发光：杂质发光：稀土离子发光：稀土离子发光：“4f4f”电子组态间的跃迁电子组态间的跃迁如如Tb3+Eu3+Gd3+,Pr3+线谱线谱“4f5d”电子组态间的跃迁电子组态间的跃迁如如Ce3+带谱，允许跃迁带谱，允许跃迁特点：及其丰富的能级，具有光谱的可调性。特点：及其丰富的能级，具有光谱的可调性。发光的物理机制发光的物理机制缺陷发光缺陷发光F心，心，PWO的绿光、红光中心，的绿光、红光中心，ZnO

142、的绿光，的绿光，ZrO2的发光的发光氧化物、氟化物、碱卤化物，氧化物、氟化物、碱卤化物，负离子缺位（电子陷阱）负离子缺位（电子陷阱）+eF心心发光的物理机制发光的物理机制电子被激发到导带时，在价带留下空穴，当导带电子回到价电子被激发到导带时，在价带留下空穴，当导带电子回到价带与空穴复合时，便以光的形式放出能量带与空穴复合时，便以光的形式放出能量复合发光复合发光复合发光复合发光1）固体）固体“导带电子导带电子价带空穴价带空穴”间的复合间的复合2）复合）复合发光发射的光子能量等于禁带宽度发光发射的光子能量等于禁带宽度发光发射的光子能量等于禁带宽度发光发射的光子能量等于禁带宽度 E g= h vE

143、g= h vE g= h vE g= h v3）复合）复合发光发光发光发光半导体材料，以掺杂方式提高发光效率。半导体材料，以掺杂方式提高发光效率。半导体材料，以掺杂方式提高发光效率。半导体材料，以掺杂方式提高发光效率。2 2 2 2、 复合发光复合发光复合发光复合发光电子的跃迁涉及固体的能带电子的跃迁涉及固体的能带发光的物理机制发光的物理机制固体中可能的跃迁固体中可能的跃迁（1）带间吸收；（21）带间发射或自由激子发射（因有一定结合能，略Eg,图上未显示）；（22）有一定声子参与的光发射；（3）（5）与杂质、缺陷有关的辐射复合；（6）分立中心内部的发射；（7）无辐射（多声子）弛豫；（8）俄歇A

144、uger过程发光的物理机制发光的物理机制3、复合发光效率、复合发光效率带间跃迁带间跃迁直接直接高高 （仅有光子参与的电子（仅有光子参与的电子跃迁跃迁）间接间接低低 （有光子和声子同时参与的电子（有光子和声子同时参与的电子跃迁跃迁）带间跃迁中要保持能量守衡和动量守衡带间跃迁中要保持能量守衡和动量守衡发光的物理机制发光的物理机制激光激光（LaserLaser）是受激辐射光放大的简称。）是受激辐射光放大的简称。LightAmplifiedbyStimulatedEmissionofRadiation激光激光受激辐射受激辐射相干光波。相干光波。频率相同、位相相同、频率相同、位相相同、传输方向相同、偏振

145、态相同传输方向相同、偏振态相同特点：特点：1）辐射能量在空间和时间高度集中；）辐射能量在空间和时间高度集中；2）发射的光子具有）发射的光子具有频率相同、位相相同、频率相同、位相相同、传传输输方方向相同、偏振态相同相干光波。向相同、偏振态相同相干光波。爱因斯坦受激辐射的原理出现了一种新的光源爱因斯坦受激辐射的原理出现了一种新的光源激光。激光。比太阳强比太阳强1010的亮度。的亮度。7-1一、激光一、激光材料材料（LaserLaser）6.6.5 5 光学光学材料材料1、自发辐射、自发辐射物质中有两个能量不同物质中有两个能量不同的能级的能级E1和和E2当原子处于当原子处于高能级高能级E2时，它能够

146、自发时，它能够自发的、独立的向低能级的、独立的向低能级E1跃跃迁并发射一个光子。迁并发射一个光子。1）各个原子发射的光子的能）各个原子发射的光子的能量为量为h E2E12）发射方向和偏振态是随机）发射方向和偏振态是随机和无规则的。和无规则的。2、受激辐射受激辐射当一个能量满足当一个能量满足h E2E1 的光子趋近高能的光子趋近高能级级E2的原子时，入射的光子不但没有被吸收，反的原子时，入射的光子不但没有被吸收，反而诱导出高能级原子发射一个和自己性质完全相而诱导出高能级原子发射一个和自己性质完全相同的光子来。同的光子来。一个入射光子被放大为两个光子。一个入射光子被放大为两个光子。受激辐射的光子和

147、入射光子具有相同的频率、方向受激辐射的光子和入射光子具有相同的频率、方向和偏振状态。和偏振状态。3、激光工作原理1）激光器基质材料）激光器基质材料红宝石红宝石在蓝宝石（在蓝宝石（Al2O3单晶）中单晶）中0.05%Cr3+呈红色；是提供产生激光所需要的电子能态呈红色；是提供产生激光所需要的电子能态2）激活能量：氙气闪光（波长）激活能量：氙气闪光（波长560nm）3）光学谐振腔）光学谐振腔使受激辐射在频率、方向和偏振状态集中。使受激辐射在频率、方向和偏振状态集中。激光产生的原理激光产生的原理氙气闪光照射氙气闪光照射Cr3+基态基态高能态高能态两个途径返回两个途径返回1、直接从高能态、直接从高能态

148、返回基态，发出光子（不是激光）返回基态，发出光子（不是激光）2、激光、激光1）受激高能电子先衰变到亚稳态，）受激高能电子先衰变到亚稳态，在在3ns停留很停留很长时间，以聚集大量电子；长时间，以聚集大量电子；2）当有几个电子自发从亚稳态返回基态时，带动）当有几个电子自发从亚稳态返回基态时，带动更多电子以电子以“雪崩雪崩”形式返回基态，发射出大量光子形式返回基态，发射出大量光子。4、激光器、激光器1）气体激光器：以原子、分子、离子的气体为工作物质。）气体激光器：以原子、分子、离子的气体为工作物质。He-Ne原子激光器原子激光器,Ar离子激光器离子激光器,CO2分子激光器分子激光器0.1-50mw0

149、.1-10w1w-50kw特点：单色性好、工作波段覆盖广、易获得、输出功率低特点：单色性好、工作波段覆盖广、易获得、输出功率低0.1-50mw应用：彩色激光电视、大气监测、激光手术、精密测量应用：彩色激光电视、大气监测、激光手术、精密测量。2）液体激光器：有机染料、无机稀土离子溶液为工作物质。）液体激光器：有机染料、无机稀土离子溶液为工作物质。香豆素、花箐族染料香豆素、花箐族染料特点：激光波长谐振范围宽、线宽小（特点：激光波长谐振范围宽、线宽小（1kHZ连续激光）连续激光）应用：高分辨的光谱研究、瞬态变化测量应用：高分辨的光谱研究、瞬态变化测量激光器3）固体激光器：在晶体或玻璃体中掺杂发光中心

150、的）固体激光器：在晶体或玻璃体中掺杂发光中心的离子为工作物质。离子为工作物质。红宝石、光学玻璃、钇铝石榴石红宝石、光学玻璃、钇铝石榴石1Mw-1Gw;1-10kw特点：高能脉冲、超短光脉冲、体积小特点：高能脉冲、超短光脉冲、体积小应用：发光二极管、医疗手术、工业加工应用：发光二极管、医疗手术、工业加工、光纤通、光纤通信、信、加工打孔、测距加工打孔、测距4）半导体激光器：能带跃迁的复合发光引发受激辐）半导体激光器：能带跃迁的复合发光引发受激辐射形成激光射形成激光Ga-As(Al)，Inp，PbS,PbTe特点：可调制、体积小特点：可调制、体积小应用：光纤通信、光盘读写、激光印刷、激光雷达应用：光

151、纤通信、光盘读写、激光印刷、激光雷达二、透过和导光材料1、光学材料是光学仪器的基础。、光学材料是光学仪器的基础。透镜、棱镜、反射镜透镜、棱镜、反射镜望远镜、显微镜、照相机、摄影机等使用的光学透望远镜、显微镜、照相机、摄影机等使用的光学透镜。镜。光学透镜：主要是由玻璃制成的光学透镜：主要是由玻璃制成的由光学塑料制由光学塑料制成成人们佩戴的隐形眼镜人们佩戴的隐形眼镜(更加柔软、吸水，舒适型更加柔软、吸水，舒适型)2、高纯、高透明的光通信纤维玻璃。这种玻璃制成、高纯、高透明的光通信纤维玻璃。这种玻璃制成的光导纤维对工作频率的吸收只有普通玻璃的万的光导纤维对工作频率的吸收只有普通玻璃的万分之几，使远距

152、离光通信成为可能。分之几，使远距离光通信成为可能。三、发光材料1929年人们成功地了研制出第一台黑白电视接年人们成功地了研制出第一台黑白电视接收机收机;1964年以年以稀土元素化合物为基质和以稀土离子掺稀土元素化合物为基质和以稀土离子掺杂的发光粉杂的发光粉问世，成功地提高了发红光材料的发问世，成功地提高了发红光材料的发光亮度，这一成就使得光亮度，这一成就使得“红色红色”能够与能够与“蓝色蓝色”和和“绿色绿色”的发光亮度相匹配，实现了如今这样的发光亮度相匹配，实现了如今这样颜色逼真的彩色电视。颜色逼真的彩色电视。21世纪的今天，液晶材料的成功应用不但使计世纪的今天，液晶材料的成功应用不但使计算机

153、显示技术取得突破，出现了包括液晶电视在算机显示技术取得突破，出现了包括液晶电视在内的投影、等离子、电致发光等各种新的接受显内的投影、等离子、电致发光等各种新的接受显示方式。示方式。新的显示技术也广泛应用在数码相机、数码摄新的显示技术也广泛应用在数码相机、数码摄像机等产品上。光盘与光记录不论对于计算机，像机等产品上。光盘与光记录不论对于计算机，还是激光唱盘或影碟都是一次非凡的突破。还是激光唱盘或影碟都是一次非凡的突破。四、光学功能材料光功能材料是在外场（力、声、热、电、磁光功能材料是在外场（力、声、热、电、磁和光和光)作用下、光学性质产生变化从而具有作用下、光学性质产生变化从而具有开关、调制、隔

154、离、偏振等功能的材料。开关、调制、隔离、偏振等功能的材料。按材料的应用效应，光功能材料可分为：按材料的应用效应，光功能材料可分为：激光频率转换材料、电光材料、光折变材料、激光频率转换材料、电光材料、光折变材料、声光材料、磁光材料和光感向双折射材料等。声光材料、磁光材料和光感向双折射材料等。1、声光功能材料、声光功能材料n声光功能材料是具有声光功能材料是具有声光效应的声光效应的光功能材料。光功能材料。n声光效应声光效应能由外加超声波能由外加超声波(机械波机械波)通过弹光效通过弹光效应在材料中产生声致非线性极化的现象，通过声应在材料中产生声致非线性极化的现象，通过声光效应可实现光效应可实现光波和声

155、波光波和声波的参量的参量相互作用。相互作用。n由由超声波超声波引起介质中形成的引起介质中形成的折射率折射率的疏密波，对的疏密波，对入射光产生衍射使光受到折射、反射和散射从入射光产生衍射使光受到折射、反射和散射从而使光波的方向、强度、频率和相位受越声波控而使光波的方向、强度、频率和相位受越声波控制。制。n折射率的疏密起着衍射晶格的作用、可以给出折射率的疏密起着衍射晶格的作用、可以给出光进行方向的变化。光进行方向的变化。声光材料的应用n声光材料可用于制做声光偏转器、声光强度声光材料可用于制做声光偏转器、声光强度(或频率或频率)调制器和声光滤波器。以及低功耗的调制器和声光滤波器。以及低功耗的声表面波

156、声光器件。声表面波声光器件。n如：在光调制方面，间歇地发生超声波场合，如：在光调制方面，间歇地发生超声波场合，光被偏振化，能以有衍射光或无衍射光的形式光被偏振化，能以有衍射光或无衍射光的形式进行数字进行数字。2、电光功能材料、电光功能材料n电光功能材料是具有电光效应的光功能材料。电光功能材料是具有电光效应的光功能材料。n电光效应电光效应是在外加电场作用下材料的折射率发生是在外加电场作用下材料的折射率发生变化的现象。变化的现象。n利用电光功能材料的电光效应，可实现对光波的调制。利用电光功能材料的电光效应，可实现对光波的调制。按其效应与调制电场的幂次关系，电光功能材料分为按其效应与调制电场的幂次关

157、系，电光功能材料分为线性电光功能材料和平方电光功能材料。线性电光功能材料和平方电光功能材料。n外加电场通过电光效应改变材料的折射率，引起折射外加电场通过电光效应改变材料的折射率，引起折射率椭球的主轴取向和长度的改变这对应于传输光束率椭球的主轴取向和长度的改变这对应于传输光束的特征模和特征值的改变，即产生透过光束的偏振态的特征模和特征值的改变，即产生透过光束的偏振态和相位的变化，由此可产生一系列光功能效应。和相位的变化，由此可产生一系列光功能效应。主要应用方面 n（1）电控光开关电控光开关将电光晶体置于互成正交的一对偏振器将电光晶体置于互成正交的一对偏振器之间，并使晶体的电感生特征模方向与倔振器

158、方位成之间，并使晶体的电感生特征模方向与倔振器方位成45。角，则一定幅度角，则一定幅度(相当于半波电压相当于半波电压V)的外加电压就能使晶的外加电压就能使晶体中两个偏振模程差改变半个波长，从而实现对透过光的体中两个偏振模程差改变半个波长，从而实现对透过光的开关控制。这种电光效应的响应可达开关控制。这种电光效应的响应可达10-11s、可制作、可制作超快超快速电光快门速电光快门。n(2)光强度的电调制光强度的电调制透过光强与外加电压的关系可构成一透过光强与外加电压的关系可构成一种平方律光强度调制器。种平方律光强度调制器。n(3)光偏转器光偏转器利用电光晶体可制成两类电控光束偏转器。利用电光晶体可制

159、成两类电控光束偏转器。使晶体中两束光波产个零和使晶体中两束光波产个零和两种相位差，亦即使透过光两种相位差，亦即使透过光相对于入射光产生相对于入射光产生0。或。或90。偏振方向改变，这样可用另。偏振方向改变，这样可用另一块双折射晶体实现两种一块双折射晶体实现两种“地址地址”的离散角偏转。的离散角偏转。3、光电转换材料、光电转换材料光电转换材料是能把光能直接转换为电能的材光电转换材料是能把光能直接转换为电能的材料人造卫星、航标灯的电源，小型计算器、手表，料人造卫星、航标灯的电源，小型计算器、手表，太阳能发电、日常生活和工作中。太阳能发电、日常生活和工作中。1）光生伏特效应）光生伏特效应在光的照射下

160、，半导体在光的照射下，半导体p-n结的两端产生电位的结的两端产生电位的现象称为光生伏特效应，这一效应的实际应用导致现象称为光生伏特效应，这一效应的实际应用导致太阳能转换为电能的器件太阳能转换为电能的器件。太阳能电池太阳能电池光生伏特效应的原理光生伏特效应的原理通过适当掺杂在半导体材料中引入通过适当掺杂在半导体材料中引入P-n结，在阳光辐射下能够产生结，在阳光辐射下能够产生光生伏特效应。光生伏特效应。太阳能电池工作原理太阳能电池工作原理在光的照射下，半导体在光的照射下，半导体p-n结的二端产生电位结的二端产生电位差，由电流汇流排和金属背电极输出电流。差，由电流汇流排和金属背电极输出电流。表面涂层

161、主要是起改善光的传输性能和保护半表面涂层主要是起改善光的传输性能和保护半导体材料表面的作用。导体材料表面的作用。衡量太阳能电池的一个重要指标是转换效率（以衡量太阳能电池的一个重要指标是转换效率（以表表示），其定义为：示），其定义为：太阳能电池的价格，寿命等是关系其应用价太阳能电池的价格，寿命等是关系其应用价值的重要指标。值的重要指标。太阳能电池材料无机半导体材料，有机太阳能电池材料，聚合物太阳能电池无机半导体材料，有机太阳能电池材料，聚合物太阳能电池材料，金属配合物太阳能电池材料、染料敏化太阳能电池材料，金属配合物太阳能电池材料、染料敏化太阳能电池材料。材料。n一、无机半导体材料一、无机半导体

162、材料1、单晶硅、单晶硅太阳能电池是开发得最早、使用最广泛的一种太阳能电池。太阳能电池是开发得最早、使用最广泛的一种太阳能电池。光转化率约为光转化率约为20左右单晶硅材料的制作成本昂贵。左右单晶硅材料的制作成本昂贵。半导体薄膜太阳能电池材料只需几微米厚就能实现光电转半导体薄膜太阳能电池材料只需几微米厚就能实现光电转换。是降低成本和提高光子循环的理想材料换。是降低成本和提高光子循环的理想材料2、非晶硅、非晶硅薄膜太阳能电池是用非晶硅半导体材料制备的一种薄膜电薄膜太阳能电池是用非晶硅半导体材料制备的一种薄膜电池。池。3、多晶硅薄膜太阳电池、多晶硅薄膜太阳电池将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上作为太

163、阳电池将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上作为太阳电池的激活层。的激活层。二、有机太阳能电池材料二、有机太阳能电池材料n与无机半导体太阳能电池相比，有机材料制备太与无机半导体太阳能电池相比，有机材料制备太阳能电池具有制造面积大、制作简单、廉价、并阳能电池具有制造面积大、制作简单、廉价、并且可以在可卷曲折叠的村底上制备具有柔性的太且可以在可卷曲折叠的村底上制备具有柔性的太阳能电池等优点。阳能电池等优点。n有机太阳能电池材料：有机太阳能电池材料：n一些具有大共轭结构的有机小分子茈类化合物、一些具有大共轭结构的有机小分子茈类化合物、有机染料分子、富勒烯及其衍生物等。有机染料分子、富勒烯及其衍生物等。

164、n有机太阳能电池是在两个电极之间夹着有机半导有机太阳能电池是在两个电极之间夹着有机半导体材料。体材料。三、聚合物太阳能电池材料三、聚合物太阳能电池材料将一些有机染料将一些有机染料(小分子小分子)通过化学反应引入到高通过化学反应引入到高分子主链或支链上形成聚合物。分子主链或支链上形成聚合物。根据构成有机太阳能电池的基本原理。根据构成有机太阳能电池的基本原理。聚合物材料分为聚合物材料分为电子给体材料和电子受体材料电子给体材料和电子受体材料。聚乙炔聚乙炔(PV)是迄今为止实测导电率最高的有机聚是迄今为止实测导电率最高的有机聚合物电子给体材料聚苯乙烯合物电子给体材料聚苯乙烯(PPV)一类比较好的一类比

165、较好的有机聚合物电子给体有机聚合物电子给体,具有共轭大分子结构，分子具有共轭大分子结构，分子链刚性很强，难溶，可以通过在苯环上引入长链链刚性很强，难溶，可以通过在苯环上引入长链烷烃获得可溶性的烷烃获得可溶性的PPV，这种聚合物禁带宽度适，这种聚合物禁带宽度适中中(为为2.1V)，用作太阳能电池材料。，用作太阳能电池材料。四、金属配合物太阳能电池材料四、金属配合物太阳能电池材料过渡金属配合物是一类新型的光电材料化合物，过渡金属配合物是一类新型的光电材料化合物，它可以兼有过渡金属离子的变价特性和有机分子它可以兼有过渡金属离子的变价特性和有机分子结构的多样性，这类化合物的特点是过渡金属离结构的多样性

166、，这类化合物的特点是过渡金属离子被有机配体所环绕，有机配体易于进行分子设子被有机配体所环绕，有机配体易于进行分子设计和分子裁剪，而过渡金属离子的计和分子裁剪，而过渡金属离子的d轨道或轨道上轨道或轨道上具有未成对电子，能形成特有的光电性质眉前用具有未成对电子，能形成特有的光电性质眉前用做太阳电池材料的金属配合物主要有菁类化合物做太阳电池材料的金属配合物主要有菁类化合物和具有共轭结构的联吡啶过渡金属配合物和具有共轭结构的联吡啶过渡金属配合物五、染料敏化太阳能电池材料五、染料敏化太阳能电池材料n以半导体以半导体TiO2膜为光阳极，并引入了染料敏化剂，膜为光阳极，并引入了染料敏化剂，使电池效率达到使电

167、池效率达到7.1%，称之为染料敏化太阳能电，称之为染料敏化太阳能电池池DyesensitizedSoarCells，DSSCs)n这种电池的出现为太阳能电池的发展带来了新方这种电池的出现为太阳能电池的发展带来了新方法，它将带有发色团的染料分子引入到半导体中，法，它将带有发色团的染料分子引入到半导体中，大大增强了半导体大大增强了半导体TiO2捕获太阳光的能力捕获太阳光的能力太阳能电池的应用太阳能电池的应用(1)家用电子用品：如计算器、手表、收音机、汽车、家用电子用品：如计算器、手表、收音机、汽车、游艇等的电源。游艇等的电源。(2)组合发电及并网：在有电网的地方使用太阳能电组合发电及并网：在有电网

168、的地方使用太阳能电池可完全摆脱蓄电池的设立，大幅度降低成本。池可完全摆脱蓄电池的设立，大幅度降低成本。太阳能电池可作为白昼用电高峰期的补充电源太阳能电池可作为白昼用电高峰期的补充电源.(3)发电：在草原、高原等地区用电量不大，用户分发电：在草原、高原等地区用电量不大，用户分散，铺设电网成本高，管理维护困难，使用太阳散，铺设电网成本高，管理维护困难，使用太阳能电池有显著的优势。能电池有显著的优势。4、光存储材料、光存储材料n光信息存储是利用激光的单色性和相干性，将要存储光信息存储是利用激光的单色性和相干性，将要存储的信息、模拟量或数字量，通过调制激光聚焦到记录的信息、模拟量或数字量，通过调制激光

169、聚焦到记录介质上、使介质的介质上、使介质的光照微区光照微区(线度一般在线度一般在1m以下以下)发发生生物理或化学的变化以实现记录物理或化学的变化以实现记录，“写入写入”。n取出信息时，用低功率密度的激光扫描信息轨道，其取出信息时，用低功率密度的激光扫描信息轨道，其反射光通过光电探测器检测、解调以取出所要的信息，反射光通过光电探测器检测、解调以取出所要的信息，“读出读出”。n光存储材料是由记录介质层、保护层以及反射层等构光存储材料是由记录介质层、保护层以及反射层等构成的、具有光学匹配的多层结构。多层膜通常用物理成的、具有光学匹配的多层结构。多层膜通常用物理或化学方法淀积在衬盘上。这种在衬盆上淀积了光存或化学方法淀积在衬盘上。这种在衬盆上淀积了光存储材科的盘片称为光盘。储材科的盘片称为光盘。1.1.简述光的特性。简述光的特性。从微观上解释光与固体的相互作从微观上解释光与固体的相互作用用。2.2.2.2.光的吸收和透射与固体能带之间的关系。光的吸收和透射与固体能带之间的关系。3.3.光散射在材料中有哪些应用？试述散射的分类及特光散射在材料中有哪些应用？试述散射的分类及特点点 。4.4.说明说明变色材料变色材料的种类、变色原理及其应用。的种类、变色原理及其应用。5 5、举例说明几种重要的光功能材料。、举例说明几种重要的光功能材料。6-7习习 题题