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1、第第5章章 材料的光学材料的光学5.1 光和固体相互作用光和固体相互作用 5.1.1 概论概论 5.1.2 光的吸收光的吸收 5.1.3 光的散射光的散射 5.1.4 光的反射和折射光的反射和折射 5.1.5 光的透射光的透射5.2 材料的发光材料的发光5.4 光的传输光的传输-光纤光纤 反射反射/镜子镜子 反射反射-散射散射/颜色颜色 散射散射/天空天空 绕过绕过/隐形衣隐形衣 全反射全反射/光纤光纤 发光发光/LED,激光激光 电光电光/LCD 红外线红外线/夜视仪夜视仪 LCD=liquid-crystal display LED=Light Emitting Diode引引 言言电磁波
2、谱电磁波谱SRT 12/W m透射系数：透射系数：吸收系数：吸收系数：反射系数：反射系数：散射系数：散射系数：5.1 光和固体的相互作用光和固体的相互作用5.1.1 概论概论1.宏观现象宏观现象SRAT 00/TT 0/A 0/RR 0/S 0RSTA ST R镜面反射镜面反射慢反射慢反射多重散射多重散射2.微观机制微观机制电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量E exp(iwt);-在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用引起电子极化；引起局域极化损耗，离域电阻损耗、极化滞后损耗等，造成吸收。-所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时光速减小，后者导致折射。电磁波
3、的分量之一是迅速变化的磁场分量H exp(iwt);磁性介质磁化损耗;正是因为介质的极化“拖住”了电磁波的步伐，使其传播 速度比真空中慢，导致折射产生。从量子力学看，电磁波的吸收和发射包含电子从一种量子能态转变到另一种量子能态的过程；吸光吸光：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E与电磁波频率有关：E=h。发光发光：受激电子不可能无限长时间保持。在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波。1）基本假设）基本假设 -组成介质的组成介质的原子、分子原子、分子内的带点粒子（电子、离子）被准弹内的带点粒子（电子、离子）被准弹性力
4、保持在平衡位置附近，可比拟为性力保持在平衡位置附近，可比拟为弹簧振子弹簧振子，具有一定的，具有一定的固有固有振动频率振动频率；-在在入射光入射光辐照下，这些带点粒子被光波的电场分量极化，从辐照下，这些带点粒子被光波的电场分量极化，从而而发生受迫振动发生受迫振动；-如果，如果，受迫振动的频率受迫振动的频率(光频光频)与与固有频率固有频率接近接近，发生光吸收，发生光吸收，当二者当二者相等相等时，发生谐振（最强）吸收。时，发生谐振（最强）吸收。1.微观机理模型微观机理模型5.1.2 光的吸收光的吸收-Lorentz模型模型电子极化电子极化离子极化离子极化2）模型建立）模型建立 原子原子/分子分子 电
5、偶极距：电偶极距：介质平均电偶极距介质平均电偶极距（极化强度）（极化强度）：erp NerP N-单位体积介质的原子数目单位体积介质的原子数目带电粒子的受迫振动方程带电粒子的受迫振动方程dtdrgkreEdtrdm 22强迫力强迫力 回复力回复力 阻尼阻尼)exp()(tizEE 光场的电场分量光场的电场分量Emerdtdrdtrd 2022NerP mg/mk/0 求解得求解得 )exp()(/220tizEimer EnerPe0 ie 22222022002 mNe 22222002 mNe电极化率电极化率储存储存损耗损耗复折射率复折射率inn 222220022 mNen 222220
6、22002221 mNenern 1)exp()(0znikEzE inn )exp().exp(0iknzzkE 相应的光强相应的光强光的传播光的传播)2exp()(02zkIzEI 指数衰减指数衰减n1.00 3）结果讨论）结果讨论 现象：光在材料中传播时，其强度呈指数衰减。0 xII e空气的空气的 ，玻璃的，玻璃的 ，而金属的，而金属的 =5110 cm2110 cm4110 cm数量级以上，因此数量级以上，因此金属对可见光是不透明的金属对可见光是不透明的。2.宏观唯象模型宏观唯象模型朗伯特定律：朗伯特定律：-介质对光的吸收系数吸收系数xI0I0s xII e布格定律布格定律3.吸收与
7、波长的关系吸收与波长的关系 取决于介质材料的性质介质材料的性质和光的波长光的波长，如图1示。（参书上图4.9）P152-0246810-422-4无线电波红外光频紫外X射线射线 电介质电介质（绝缘体（绝缘体）金金 属属半导体半导体可见光谱图图1 材料吸收率（系数）随波长的变化材料吸收率（系数）随波长的变化吸收率吸收率lg(/)m 1）可见光区可见光区 金属和半导体的吸收系数都很大，电介质材料的很小。因为：电金属和半导体的吸收系数都很大，电介质材料的很小。因为：电介质价电子所处的能带是填满的，不能吸收光子而自由运动，而光子介质价电子所处的能带是填满的，不能吸收光子而自由运动，而光子的能量又不足以
8、使价电子跃迁到导带，所以，在一定波长范围内，吸的能量又不足以使价电子跃迁到导带，所以，在一定波长范围内，吸收系数很小。而，金属和半导体在正相反。收系数很小。而，金属和半导体在正相反。0000EgE能 量 导 带 禁 带 价 带吸收的光子图图2 电子受激越过禁带在价带留下一个空穴电子受激越过禁带在价带留下一个空穴E=h Eg 价电子发生跃迁E=h Eg 电子吸收光子而跃迁到导带，产生紫外吸收峰电子吸收光子而跃迁到导带，产生紫外吸收峰。3）红外区的吸收峰）红外区的吸收峰 红外吸收与红外吸收与晶格及原子、分子晶格及原子、分子振动振动及及转动转动有关。离子的弹性振动有关。离子的弹性振动与光子辐射产生谐
9、振消耗能量。为了有较宽的透明频率范围，必须与光子辐射产生谐振消耗能量。为了有较宽的透明频率范围，必须使吸收峰远离可见光区，要使谐振点的波长尽可能的远离可见光区，使吸收峰远离可见光区，要使谐振点的波长尽可能的远离可见光区，即吸收峰处的频率尽可能小。即吸收峰处的频率尽可能小。光频电子极化光频电子极化-能级跃迁能级跃迁)exp(0tiEE OCO OH分子振动分子振动分子转动分子转动mk/0 固有频率固有频率-紫外吸收光谱紫外吸收光谱-红外吸收光谱红外吸收光谱 光遇到微粒、胶体或其它光遇到微粒、胶体或其它结构成分不均匀的微小区域结构成分不均匀的微小区域，偏偏离原来的传播方向而弥散反射的现象离原来的传
10、播方向而弥散反射的现象，称为光的散射。，称为光的散射。5.1.3 光的散射光的散射光散射示意图光散射示意图0a入射光入射光散射光散射光散射中心散射中心（分子、胶体、颗粒）（分子、胶体、颗粒）弹性散射弹性散射：散射前后光的波长（频率或能量）不发生变化，只改变方向的散射。非弹性散射非弹性散射:散射光散射光（1）当光波的电磁场作用于物质原子、分子等时将激起当光波的电磁场作用于物质原子、分子等时将激起粒子的粒子的受迫振动受迫振动。这些受迫振动的粒子向各个方向发射这些受迫振动的粒子向各个方向发射球面次波球面次波。空气空气中的分子就可以作为中的分子就可以作为次波源次波源，把阳光散射到我们眼里，使我们看把阳
11、光散射到我们眼里，使我们看见物质。月球上，因为没有大气层，天空即使在白天也是黑的见物质。月球上，因为没有大气层，天空即使在白天也是黑的。（2）由于固态和液态粒子结构的致密性，）由于固态和液态粒子结构的致密性，微粒中每个分子发出微粒中每个分子发出的次波位相相关联，合作发射形成一个大次波。的次波位相相关联，合作发射形成一个大次波。由于各个微粒之由于各个微粒之间空间位置排列毫无规则，这些大次波不会因位相关系而相互干间空间位置排列毫无规则，这些大次波不会因位相关系而相互干涉，因此，微粒散射的光波从各个方向都能看到。涉，因此，微粒散射的光波从各个方向都能看到。1、散射机理、散射机理2、散射分类、散射分类
12、一、弹性散射一、弹性散射 按照散射中心尺度按照散射中心尺度a0与入射光波长与入射光波长是大小，分为三类是大小，分为三类：Tyndall Scattering(溶胶散射)Mile Scattering（分子胶体）当a0空气空气水水-空气空气 1)1)折射原因折射原因 介质被光（电磁波）的电场分量极化，导致损耗，减慢了电磁波（光）的传播速度v=c/n，导致传播方向改变，从而发生折射(n1)。2)2)折射率折射率(光速）光速）色散色散 介质（材料）中的光速c/n（或介质折射率n），所广波波长变化而变化的现象，称为色散。3、折射率、折射率rn ddn 其大小衡量材料其大小衡量材料/介质的光学品质。介质
13、的光学品质。介质的属性光的颜色介质的色散率：l 几种材料的色散曲线如几种材料的色散曲线如 1ddFCnnn1）对于同一种材料，波长越短，折射率越大；）对于同一种材料，波长越短，折射率越大；2）波长越短则色散率越大；）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）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。）不同材料的色散曲线间没有简单的数量关系。由于色散现象，使用光学玻璃制成的单片透镜，成像不够清晰，在由于色散现象，使用光学玻璃制成的单片透镜，成像不够清晰，在自然光的透过下，在像的周围环绕了一圈色带。自然光的透过
14、下，在像的周围环绕了一圈色带。克服方法克服方法：用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜组成：用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜组成的复合镜头，就可以消除色差的复合镜头，就可以消除色差消色差镜头。消色差镜头。光学玻璃的光学玻璃的色散系数色散系数：4、反射系数及其影响因素、反射系数及其影响因素反射系数：反射系数：（1）透明材料，透明材料，0,R 0 消光系数：消光系数：4n讨论：讨论：陶瓷、玻璃等材料的折射率较空气大，反射损失较严重。减小反射措施减小反射措施：1）透过介质表面镀增透膜；）透过介质表面镀增透膜；2）将多次透过的玻璃）将多次透过的玻璃用折射率与之相近的胶将它们粘起来，以
15、减少空气界面造成的损失。用折射率与之相近的胶将它们粘起来，以减少空气界面造成的损失。（2）金属材料金属材料，R 1 1 2221222111 nnR 除去反射、吸收、散射，余下的那部分。除去反射、吸收、散射，余下的那部分。0000E能 量吸收的光子000费米能空能态被电子占据的能态0000E能 量00费米能反射的光子a)b)图图6 金属吸收光子后电子能态的变化金属吸收光子后电子能态的变化1.金属材料的透过性金属材料的透过性05.1.5 光的透射光的透射 在金属的电子能带结构中，费米能级以上存在许多空能级（晶在金属的电子能带结构中，费米能级以上存在许多空能级（晶体，体，-空带）。当金属受到光线照
16、射时，电子容易吸收入射光子空带）。当金属受到光线照射时，电子容易吸收入射光子的能量而被激发到费米能级以上的空能级上（空带）。因而，各种的能量而被激发到费米能级以上的空能级上（空带）。因而，各种不同频率的可见光，即具有各种不同能量的光子都能被吸收。不同频率的可见光，即具有各种不同能量的光子都能被吸收。0.1um。事实上，金属对所有低频电磁波都是不透明的。事实上，金属对所有低频电磁波都是不透明的。2）金属材料（晶体）对光的反射）金属材料（晶体）对光的反射 大部分被金属吸收的光又会从表面上以同样波长的光波发射出来，大部分被金属吸收的光又会从表面上以同样波长的光波发射出来，R1。根据此性质，常利用金属薄层来做。根据此性质，常利用金属薄层来做反光镜反光镜。且金属膜的反。且金属膜的反射率与波长成反比关系。射率与波长成反比关系。1）金属（原子）对光的吸收金属（原子）对光的吸收2.非金属材料的透过性非金属材料的透过性电子极化，电子极化，只有当光的频率与电子极化频率处在同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；电子受激电子受激吸收光子而越过禁带，或进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光；只有当入射
