第四章 材料的光學(xué)性能ppt課件

1、第四章第四章 材料的光學(xué)性能材料的光學(xué)性能4.1 光和固體的相互作用光和固體的相互作用4.2 材料的發(fā)光材料的發(fā)光4.3 相關(guān)的其它性能相關(guān)的其它性能4.1 光和固體的相互作用1.光的波粒二象性光的波粒二象性 1光電效應(yīng)方程光電效應(yīng)方程 2光學(xué)涉及材料對電磁輻射作用的響應(yīng)。光學(xué)涉及材料對電磁輻射作用的響應(yīng)。 射線射線 原子核結(jié)構(gòu)改變；原子核結(jié)構(gòu)改變； 紅外輻射，微波，無線電波紅外輻射，微波，無線電波-原子振動或晶格結(jié)構(gòu)原子振動或晶格結(jié)構(gòu)的改變；的改變；X射線，紫外線，可見光譜射線，紫外線，可見光譜-原子結(jié)構(gòu)改變原子結(jié)構(gòu)改變4.1 光和固體的相互作用 3光的速度光的速度 真空中：真空中： 在介質(zhì)

2、中傳播：在介質(zhì)中傳播：0C ： 3 10-8m/s: 真空介電常數(shù)真空介電常數(shù)0: 真空磁真空磁 導(dǎo)率導(dǎo)率透射，反射，折射：透射，反射，折射： 光的粒子性光的粒子性介質(zhì)中傳播、衍射：介質(zhì)中傳播、衍射： 光的波動性光的波動性4.1 光和固體的相互作用2. 光通過固體的現(xiàn)象光通過固體的現(xiàn)象 1宏觀：光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)中，一宏觀：光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)中，一部分透過介質(zhì)，一部分被吸收，一部分在兩種介部分透過介質(zhì)，一部分被吸收，一部分在兩種介質(zhì)的界面上反射，一部分被散射。質(zhì)的界面上反射，一部分被散射。RAT00光入射到材料表面的光輻射能量流率，單位：光入射到材料表面的光輻射能量流率，單位：

3、W/m2 或或 J/m2s 表示單位時間內(nèi)通過單位面積的能量表示單位時間內(nèi)通過單位面積的能量0T0A0R0透射系數(shù)透射系數(shù) 吸收系數(shù)吸收系數(shù)反射系數(shù)反射系數(shù)散射系數(shù)散射系數(shù)4.1 光和固體的相互作用4.1 光和固體的相互作用 2微觀：光與固體中的原子、離子、電子之間的相互作用。 a) 電子極化：光中電場分量與傳播過程中的每一個原子都發(fā)生作用，引起電子極化。 折射的本質(zhì)：一部分能量被吸收，同時光波速度減小，導(dǎo)致折射。 b) 電子能態(tài)的改變：光子被吸收和發(fā)射，都可能涉及到固體材料中電子能態(tài)的轉(zhuǎn)變。4.1 光和固體的相互作用3.材料的折射率及其影響因素材料的折射率及其影響因素 概念概念 折射：光遇到

4、一種折射率不同的介質(zhì)，折射：光遇到一種折射率不同的介質(zhì)，傳播速度與波長發(fā)生變化，而且光的傳播速度與波長發(fā)生變化，而且光的傳播方向也發(fā)生變化。傳播方向也發(fā)生變化。折射率：光在真空和介質(zhì)中的速度之折射率：光在真空和介質(zhì)中的速度之比比相對折射率相對折射率:n1, 原因：光與原子作用導(dǎo)致電子極原因：光與原子作用導(dǎo)致電子極 化，使光速變慢?；?，使光速變慢。4.1 光和固體的相互作用 一些透明材料的折射率一些透明材料的折射率4.1 光和固體的相互作用2） 材料折射率的影響因素材料折射率的影響因素 a) 材料元素的離子半徑：材料元素的離子半徑：cvccvcn材料由于在無機材料這樣的電介質(zhì)中，由于在無機材料這

5、樣的電介質(zhì)中，=1，ln 材料的折射率隨介電常數(shù)增大而增大材料的折射率隨介電常數(shù)增大而增大離子半徑增大時，其離子半徑增大時，其增大，因而增大，因而n也隨之增大也隨之增大 4.1 光和固體的相互作用2） 材料折射率的影響因素材料折射率的影響因素 b) 材料的結(jié)構(gòu)、晶型：材料的結(jié)構(gòu)、晶型： 非晶態(tài)和立方晶體結(jié)構(gòu)：一個折射率均質(zhì)介質(zhì)）非晶態(tài)和立方晶體結(jié)構(gòu)：一個折射率均質(zhì)介質(zhì)） 其它晶型其它晶型 ：兩個折射率：兩個折射率-尋常光折射率尋常光折射率n0和不尋常光折射率和不尋常光折射率ne （非均質(zhì)）（非均質(zhì)） 當光沿晶體光軸方向入射時，只有當光沿晶體光軸方向入射時，只有n0存在，與光軸方向存在，與光軸方

6、向垂直入射時，垂直入射時，ne達最大值，此值是為材料特性。石英的達最大值，此值是為材料特性。石英的n0=1.543，n e=1.552；方解石的；方解石的n0=1.658，ne=1.486；剛玉；剛玉的的n0=1.760，ne=1.768。沿著晶體密堆積程度較大的方向。沿著晶體密堆積程度較大的方向ne較大。較大。 C) 材料的內(nèi)應(yīng)力：有內(nèi)應(yīng)力的透明材料，垂直于受拉主應(yīng)材料的內(nèi)應(yīng)力：有內(nèi)應(yīng)力的透明材料，垂直于受拉主應(yīng)力方向的力方向的n大，平行大，平行 于受拉主應(yīng)力方向的于受拉主應(yīng)力方向的n小。因此產(chǎn)生雙折射。小。因此產(chǎn)生雙折射。 測定材料中內(nèi)應(yīng)力的大小，可采用測定雙折射的光程差測定材料中內(nèi)應(yīng)力的

7、大小，可采用測定雙折射的光程差的大小。的大小。 d) 同質(zhì)異構(gòu)體：高溫時同質(zhì)異構(gòu)體：高溫時n小，低溫時小，低溫時n大。大。 4.1 光和固體的相互作用例：一束在鈉鈣玻璃中傳播的光線到達了玻璃例：一束在鈉鈣玻璃中傳播的光線到達了玻璃-空氣界面：試推空氣界面：試推導(dǎo)用于表達折射角與入射角之間的函數(shù)關(guān)系的表達式；這個導(dǎo)用于表達折射角與入射角之間的函數(shù)關(guān)系的表達式；這個關(guān)系式是否用于所有的入射角？關(guān)系式是否用于所有的入射角？ 4.1 光和固體的相互作用3） 色散色散 a) 定義：材料的折射率隨入射光的頻率的減小定義：材料的折射率隨入射光的頻率的減小(或波長的或波長的增加增加)而減小的性質(zhì)，稱為折射率的

8、色散。而減小的性質(zhì)，稱為折射率的色散。 在給定入射光波長的情況下，材料的色散為在給定入射光波長的情況下，材料的色散為: 色散色散=dn/d b) 表示：色散系數(shù)表示：色散系數(shù)d，也叫阿貝數(shù)，這是最常用的數(shù)值，也叫阿貝數(shù)，這是最常用的數(shù)值 。 nD：是指用鈉光譜中的：是指用鈉光譜中的D線線D=589.3nm，黃色為光源測，黃色為光源測出的折射率。出的折射率。 nF：是指用氫光譜中的：是指用氫光譜中的F線線F=486.1nm，藍色為光源測，藍色為光源測出的折射率。出的折射率。 nC：是指用氫光譜中的：是指用氫光譜中的C線線C=656.3nm，紅色為光源測，紅色為光源測出的折射率。出的折射率。 4.

9、1 光和固體的相互作用3） 色散色散 c) 原理：原理： 頻率不同導(dǎo)致介質(zhì)極化強度不同；頻率不同導(dǎo)致介質(zhì)極化強度不同； 極化強度不同導(dǎo)致折射率不同。極化強度不同導(dǎo)致折射率不同。 d) 應(yīng)用：應(yīng)用： 用不同牌號的光學(xué)玻璃，分別磨成凸透鏡和凹透鏡組成用不同牌號的光學(xué)玻璃，分別磨成凸透鏡和凹透鏡組成復(fù)合鏡頭，可以消除色差，這叫做消色差鏡頭。復(fù)合鏡頭，可以消除色差，這叫做消色差鏡頭。 注：折射率的大小與入射光波長有關(guān)。材料的折射率注：折射率的大小與入射光波長有關(guān)。材料的折射率n 隨隨入射光波長的降低而減小，所以，談材料的折射率時必須指入射光波長的降低而減小，所以，談材料的折射率時必須指出所用的光的波長

10、。一般常用出所用的光的波長。一般常用nD來比較不同材料的折射率。來比較不同材料的折射率。 4.1 光和固體的相互作用4. 材料的反射系數(shù)及其影響因素材料的反射系數(shù)及其影響因素 當光從二種不同介質(zhì)通過時，要發(fā)生當光從二種不同介質(zhì)通過時，要發(fā)生反射和折射。其中反射是電子吸收反射和折射。其中反射是電子吸收光子能量，由高能級又返回低能級光子能量，由高能級又返回低能級時發(fā)射出的的電磁波。時發(fā)射出的的電磁波。當一束自材料當一束自材料1垂直入射到材料垂直入射到材料2上的上的光線，產(chǎn)生反射光線的比例光線，產(chǎn)生反射光線的比例R為反為反射率：射率：如果兩種材料折射率相差很大，則損失很大。如果兩種材料折射率相差很大

11、，則損失很大。為了減小反射損失：為了減小反射損失：a)通過介質(zhì)表面鍍增透膜；通過介質(zhì)表面鍍增透膜；b)將多次透過的玻璃用折射率與之相將多次透過的玻璃用折射率與之相近的膠粘起來。近的膠粘起來。4.1 光和固體的相互作用例：望遠鏡的透鏡由多塊玻璃組成，若光線沿垂直入射方向通例：望遠鏡的透鏡由多塊玻璃組成，若光線沿垂直入射方向通過氧化硅玻璃過氧化硅玻璃(n=1.5), 進入高鉛鈉氧化硅玻璃進入高鉛鈉氧化硅玻璃n=2.5),計算計算被反射的光線。被反射的光線。 4.1 光和固體的相互作用5.材料的透射系數(shù)及其影響因素材料的透射系數(shù)及其影響因素 材料對入射光的吸收材料對入射光的吸收及其散射，是影響材料光

12、及其散射，是影響材料光透射比的的主要因素。透射比的的主要因素。4.1 光和固體的相互作用1金屬的光透過性質(zhì)金屬的光透過性質(zhì) u金屬對所有的低頻電磁波從無線電到紫外光都是不透明的，只有對高頻電磁波金屬對所有的低頻電磁波從無線電到紫外光都是不透明的，只有對高頻電磁波X射線和射線和 射線才是透明的。（高頻時，電子來不及做出響應(yīng)）射線才是透明的。（高頻時，電子來不及做出響應(yīng)）u導(dǎo)體的價帶特征是部分填滿，電子易吸收入射光子的能量后激發(fā)到空能級上。導(dǎo)體的價帶特征是部分填滿，電子易吸收入射光子的能量后激發(fā)到空能級上。u金屬材料吸收的光又從表面上以同樣波長的光波反射出來。還有一小部分以熱的形金屬材料吸收的光又

13、從表面上以同樣波長的光波反射出來。還有一小部分以熱的形式損失了。式損失了。4.1 光和固體的相互作用2非金屬材料的透過性非金屬材料的透過性 介質(zhì)吸收光的一般規(guī)律：介質(zhì)吸收光的一般規(guī)律： 電子極化：只有光的頻率與電子極化時間的倒數(shù)處于同一數(shù)量級電子極化：只有光的頻率與電子極化時間的倒數(shù)處于同一數(shù)量級 電子受激吸收光子而越過禁帶電子受激吸收光子而越過禁帶 電子吸收光子受激進入位于禁帶中的雜質(zhì)或缺陷能級電子吸收光子受激進入位于禁帶中的雜質(zhì)或缺陷能級對于第二種機制對于第二種機制: 吸收光子的能量把電子從填滿的價帶激發(fā)到導(dǎo)帶的空能級上，導(dǎo)帶中吸收光子的能量把電子從填滿的價帶激發(fā)到導(dǎo)帶的空能級上，導(dǎo)帶中出

14、一個電子，而在價帶留下一個空穴。只有光子的能量滿足下列條件才會被吸收：出一個電子，而在價帶留下一個空穴。只有光子的能量滿足下列條件才會被吸收：或或u 可見光最短波長可見光最短波長0.4um，電子受激后躍遷的非金屬材料的禁帶寬度最大為，電子受激后躍遷的非金屬材料的禁帶寬度最大為3.1eV；若禁；若禁帶寬度大于帶寬度大于3.1eV，則這種材料不可能吸收可見光，純度很高的絕緣體材料是無色透，則這種材料不可能吸收可見光，純度很高的絕緣體材料是無色透明的。明的。 u 可見光的最大波長約可見光的最大波長約0.7um, 吸收光子后電子能越過的最小的禁帶寬度吸收光子后電子能越過的最小的禁帶寬度Egmin=1.

15、8eV. 對于禁帶寬度小于對于禁帶寬度小于1.8eV的半導(dǎo)體材料，可見光被吸收，是不透明的。的半導(dǎo)體材料，可見光被吸收，是不透明的。u 對于禁帶寬度處于對于禁帶寬度處于1.8-3.1eV的非金屬材料，只有部分可見光補吸收，因而是帶色透明的非金屬材料，只有部分可見光補吸收，因而是帶色透明的。的。 每一種非金屬材料對特定波長以下的的電磁波是不透明，其具體波長取決于禁帶每一種非金屬材料對特定波長以下的的電磁波是不透明，其具體波長取決于禁帶Eg對于第三種機制對于第三種機制: 對于禁帶較寬的介電材料可能吸收光子，借助于禁帶中引入的雜質(zhì)或?qū)τ诮麕л^寬的介電材料可能吸收光子，借助于禁帶中引入的雜質(zhì)或缺陷能級

16、，使吸收光子的電子進入其中。缺陷能級，使吸收光子的電子進入其中。4.1 光和固體的相互作用小結(jié)：材料的吸收系數(shù)與電磁波長密切相關(guān)。小結(jié)：材料的吸收系數(shù)與電磁波長密切相關(guān)。 對于電介質(zhì)材料，由于禁帶要在高頻下光子才能提供足夠的能量。但在紅外區(qū)，對于電介質(zhì)材料，由于禁帶要在高頻下光子才能提供足夠的能量。但在紅外區(qū)，也顯示吸收峰，由于入射電磁波與正負離子的振動發(fā)生共振，光子能量被吸收轉(zhuǎn)化為也顯示吸收峰，由于入射電磁波與正負離子的振動發(fā)生共振，光子能量被吸收轉(zhuǎn)化為晶格的彈性振動，即聲子吸收。晶格的彈性振動，即聲子吸收。 吸收系數(shù)：介質(zhì)吸收的光譜能量不僅與介質(zhì)的電子能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與光吸收系數(shù)：介質(zhì)吸收

17、的光譜能量不僅與介質(zhì)的電子能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與光程有關(guān)。程有關(guān)。 I=I0e - x為吸收系數(shù)，取決于材料性質(zhì)與波長。為吸收系數(shù)，取決于材料性質(zhì)與波長。4.1 光和固體的相互作用2非金屬材料的透過性非金屬材料的透過性 b) 介質(zhì)對光的散射：介質(zhì)對光的散射： 散射：由于光傳播的介質(zhì)不同，介質(zhì)中含散射：由于光傳播的介質(zhì)不同，介質(zhì)中含有小粒子，晶界面相，氣孔或雜質(zhì)，由這有小粒子，晶界面相，氣孔或雜質(zhì)，由這些產(chǎn)生的次級波與主波方向不一致，并合些產(chǎn)生的次級波與主波方向不一致，并合成產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，引起散射。（一部分能成產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，引起散射。（一部分能量偏離原來的方向向四面八方彌散開來）量偏離原來的方向向四

18、面八方彌散開來）I=I0-Sx S:散射系數(shù)，或稱為內(nèi)反射現(xiàn)象。散射系數(shù)，或稱為內(nèi)反射現(xiàn)象。 散射：與波長有關(guān)，也與散射顆粒的大小，分布，數(shù)量以及散射相與基體的相對散射：與波長有關(guān)，也與散射顆粒的大小，分布，數(shù)量以及散射相與基體的相對折射率大小有關(guān)。折射率大小有關(guān)。 4.4 材料的發(fā)光1. 發(fā)光和熱輻射發(fā)光和熱輻射 1熒光和磷光：熒光和磷光： 發(fā)光：由于受溫度之外的其它因素導(dǎo)致的固體向外發(fā)光：由于受溫度之外的其它因素導(dǎo)致的固體向外發(fā)射可見光的現(xiàn)象。發(fā)射可見光的現(xiàn)象。 如果外來能量使激發(fā)電子從價帶進入導(dǎo)帶，如果外來能量使激發(fā)電子從價帶進入導(dǎo)帶，當電子返回時便發(fā)射光子，如果這種光子的波長處當電子返

19、回時便發(fā)射光子，如果這種光子的波長處于可見光范圍內(nèi)，有上述現(xiàn)象。于可見光范圍內(nèi)，有上述現(xiàn)象。 熒光：受激發(fā)在大約熒光：受激發(fā)在大約10-8s以內(nèi)發(fā)射的電磁波。以內(nèi)發(fā)射的電磁波。 其發(fā)光是被激發(fā)的電子跳回價帶時，發(fā)射其發(fā)光是被激發(fā)的電子跳回價帶時，發(fā)射的光子的光子4.4 材料的發(fā)光磷光：激發(fā)事件已經(jīng)結(jié)束之后的一段時間內(nèi)持續(xù)發(fā)生的電磁輻射。磷光：激發(fā)事件已經(jīng)結(jié)束之后的一段時間內(nèi)持續(xù)發(fā)生的電磁輻射。 材料往往含有雜質(zhì)，并在能隙附近材料往往含有雜質(zhì)，并在能隙附近建立了施主能級，激發(fā)的電子從導(dǎo)帶回建立了施主能級，激發(fā)的電子從導(dǎo)帶回價帶時，首先回到施主能級補被捕獲，價帶時，首先回到施主能級補被捕獲，回價帶

20、時，電子首先從陷阱內(nèi)逸出。因回價帶時，電子首先從陷阱內(nèi)逸出。因此延遲了光子發(fā)射的時間。此延遲了光子發(fā)射的時間。4.4 材料的發(fā)光磷光體：激發(fā)停止后的一段時間內(nèi)能發(fā)光的復(fù)雜晶體無機物質(zhì)磷光體：激發(fā)停止后的一段時間內(nèi)能發(fā)光的復(fù)雜晶體無機物質(zhì) 應(yīng)應(yīng) 用用: 電視機屏幕使用的材料；電視機屏幕使用的材料；LED發(fā)光二極管技術(shù)發(fā)光二極管技術(shù)4.4 材料的發(fā)光1. 發(fā)光和熱輻射發(fā)光和熱輻射 2熱輻射：熱輻射： 利用高溫將電子激發(fā)到較高能級上去的過利用高溫將電子激發(fā)到較高能級上去的過程，一些電子回落到空穴位置，此過程放出程，一些電子回落到空穴位置，此過程放出光子，隨溫度升高，獲得呈連續(xù)譜的發(fā)射光光子，隨溫度升

21、高，獲得呈連續(xù)譜的發(fā)射光線。輻射的最短波長和強度信賴于溫度。材線。輻射的最短波長和強度信賴于溫度。材料的顏色隨溫度而改變。料的顏色隨溫度而改變。 例：例：700度以下，材料呈淡紅色度以下，材料呈淡紅色 1500度以下，材料呈桔黃色度以下，材料呈桔黃色 非常高的溫度下，材料呈白熱狀態(tài)非常高的溫度下，材料呈白熱狀態(tài)應(yīng)用：陶瓷學(xué)家用一個光學(xué)溫度計獲得正加熱的陶瓷件的溫度。應(yīng)用：陶瓷學(xué)家用一個光學(xué)溫度計獲得正加熱的陶瓷件的溫度。 用高溫計測量輻射光的頻帶范圍，便可以估計材料的溫度用高溫計測量輻射光的頻帶范圍，便可以估計材料的溫度4.4 材料的發(fā)光2. 激光激光 激光：激光：LASER-Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation “受受激輻射的光放大激輻射的光放大 ” 特點：用來瞄準特定區(qū)域并產(chǎn)生很特點：用來瞄準特定區(qū)域并產(chǎn)生很高密度的熱能；實質(zhì)是熒光材料的一個高密度的熱能；實質(zhì)是熒光材料的一個例子，一個被激發(fā)的原子簇的熒光發(fā)射例子，一個被激發(fā)的原子簇的熒光發(fā)射光線激發(fā)其它的原子簇，使它們發(fā)射同光線激發(fā)其它的原子簇，使它們發(fā)射同相位的光線。相位的光線。定向發(fā)光定向發(fā)光 亮度極高亮度極高 顏色極純顏色極純 能量密度極大能量密度極大4.4 材料的發(fā)光例：紅寶石激光器例：紅寶石激光器 藍寶