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第五章材料的光學(xué)性能P143第四章2/3/2023光是一種電磁波可見光的頻率范圍:4.2*1014~7.5*1014Hz可見光作用在固體上:宏觀上出現(xiàn)反射、折射、透射和吸收等現(xiàn)象;微觀上則引起組成材料的原子發(fā)生電子極化和(或)電子能態(tài)的變化。從材料的電子能帶結(jié)構(gòu)出發(fā),揭示材料的光學(xué)性質(zhì)的本質(zhì)。2/3/2023§5-1基本概念一、電磁輻射從經(jīng)典意義上講,電磁輻射是一種波,由電場分量和磁場分量組成,兩個(gè)分量相互垂直,并都垂直于波的傳播方向。光(可見光)、熱(輻射能)、雷達(dá)、無線電波、X射線等都是電磁波,他們之間的差別就是波長(頻率)范圍不同。電磁波包括的波長范圍很寬,從10-12m到105m,按波長增加的次序,可分為:2/3/20234.可見光是人肉眼能感知的電磁波,只占整個(gè)電磁波的很窄波段;光線的顏色取決于波長。例如0.4um紫色,0.4~0.5um藍(lán)色,0.5um綠色,0.5~0.6um黃色,0.6um橙色,0.65um紅色。白光是各種帶色光的混合光。5.電磁波在真空中的傳播速度都是C=3*108m/s。C與真空介電常數(shù)ε0和真空磁導(dǎo)率μ0之間的關(guān)系為:C與電磁波頻率ν和波長λ之間的關(guān)系為:C=λν電磁波γ射線X射線紫外線可見光紅外線微波射頻TVλ/m10-10~10-1410-8~10-1210-6~10-90.4~0.7*10-610-2~0.4*10-6100~2*10-2105~1012/3/2023二、光的波粒二象性從量子力學(xué)理論可知:電磁波具有波粒二象性,電磁輻射可看成一系列能量量子----光子組成。光子的能量是量子化的,即三、光和固體的相互作用2/3/2023上述公式也可寫成如下形式:2/3/2023透明材料:τ大,α、ρ?。话胪该鞑牧希和高^時(shí)發(fā)生漫散射;不透明材料:τ極小的材料。金屬對整個(gè)可見光譜都是不透明的,即所有可見光的入射不是被吸收,就是被反射;所有的電絕緣材料都可能制成透明材料;半導(dǎo)體材料中有些是透明的,有些是不透明的。2/3/2023固體中出現(xiàn)的光學(xué)現(xiàn)象是電磁輻射與固體材料中原子、離子和電子之間相互作用的結(jié)果。最重要的兩種作用是電子極化和電子能態(tài)的改變。(一)電子極化在可見光頻率范圍內(nèi),電場分量與傳播過程中遇到的每一個(gè)原子都發(fā)生相互作用,引起電子極化,即造成電子云和原子核的電和中心發(fā)生相對位移。其結(jié)果:當(dāng)光線通過介質(zhì)時(shí),一部分能量被吸收,同時(shí)光線速度減小,后者導(dǎo)致折射。2/3/2023(二)電子能態(tài)轉(zhuǎn)變電磁波的吸收和發(fā)射包含電子從一種能態(tài)轉(zhuǎn)變到另一能態(tài)的過程。如這里必須明確的幾個(gè)概念:原子中的電子能級(jí)是分立的,能級(jí)間只有特定的ΔE。因此只有能量為ΔE的光子才能被該原子通過電子能態(tài)改變而吸收;在每一次激發(fā)中,每個(gè)光子的能量將全部被吸收;受激電子不可能無限長時(shí)間保持激發(fā)狀態(tài),經(jīng)過一個(gè)短時(shí)間后,它會(huì)衰變回基態(tài),同時(shí)發(fā)生出電磁波。衰變途徑不同,發(fā)出的電磁波的頻率不同。2/3/2023§5-2金屬的光學(xué)性質(zhì)一、金屬對可見光的不透明性P149圖4.5金屬對可見光是不透明的。只要厚度大于0.1um,就可吸收全部光能,只有厚度小于0.1um的金屬箔才可能透光。無禁帶,而且費(fèi)米能級(jí)以上有許多空能級(jí)。事實(shí)上,金屬對所有的低頻電磁波(從無線電波到中紫外線)都是不透明的,只有對高頻電磁波,如γ射線,X射線才是透明的。2/3/2023二、良好的反射性大多數(shù)金屬的反射率ρ=0.9~0.95。利用這一性質(zhì)可在其他材料的襯底上鍍制金屬膜做成反光鏡----reflector.P150圖4.6肉眼看到的金屬顏色不是由吸收的波長決定,而是由反射光的波長決定的。在白光照射下,表現(xiàn)為銀色的金屬(Ag、Al),表面反射出來的光也是由各種波長的可見光混合組成的;其他顏色的金屬(如Cu為桔紅色、金為黃色)表面反射出來的可見光中以某種波長的可見光為主要成分。2/3/2023§5-3非金屬材料的光學(xué)性質(zhì)一、折射2/3/2023由于光速減小是由電子極化引起,因而組成原子或離子的大小對光速的影響很大,一般來說,原子或離子尺寸越大,則電子極化程度愈高,光速越慢,折射率越高。普通玻璃n=1.5,含PbO90%的n=2.1。P146表4.1。2/3/2023二、反射2/3/2023三、吸收非金屬對光的吸收有下列三種機(jī)理:電子極化:只有當(dāng)光的頻率與電子極化時(shí)間的倒數(shù)處于同一數(shù)量級(jí)時(shí),這一效應(yīng)才變得重要。電子受激吸收光子而越過禁帶。電子受激吸收光子進(jìn)入位于禁帶中的雜質(zhì)或缺陷能級(jí)上。2/3/2023禁帶大于3.1eV,則為透明材料禁帶小于1.8eV,則為不透明材料禁帶大于1.8eV,小于3.1eV,則為半透明材料以上指的是可見光。2/3/2023每一種非金屬材料對特定波長以上的電磁波不透明明(吸收),具體的波長取決于Eg。例如,金剛石的Eg=5.6eV,因而對于波長大于0.22um的電磁波是不透明的。禁帶較寬的介電材料也可以吸收光波,這是因?yàn)殡s質(zhì)或其他帶電缺陷在禁帶中引進(jìn)了能級(jí)(施主能級(jí)或受主能級(jí)),使電子能夠在吸收光子后實(shí)現(xiàn)從價(jià)帶----禁帶或禁帶----導(dǎo)帶的轉(zhuǎn)移。2/3/2023電子受激后,吸收的電磁波的能量必定會(huì)以某種方式釋放出來,釋放的機(jī)理有:透過電子與空穴復(fù)合而釋放;通過禁帶中的雜質(zhì)能級(jí)而發(fā)生電子的多級(jí)轉(zhuǎn)移,從而釋放出兩個(gè)光子;還可在電子的多級(jí)轉(zhuǎn)移中發(fā)出一個(gè)聲子和一個(gè)光子。2/3/2023介質(zhì)凈吸收的光波能量不僅與介質(zhì)的特性有關(guān),而且與光程有關(guān)。透射光的輻射能流率隨光程x的增加而減?。?/3/2023四、透射率和透明材料的顏色P161圖4.16和圖4.172/3/2023任何選擇性吸收都是由于電子受激造成的,當(dāng)電子從激發(fā)態(tài)回到低能態(tài)時(shí),又會(huì)重新發(fā)射出光波,重新發(fā)射的光的波長不一定與吸收光的波長相同,因此透射光波的波長分布是非吸收光波和重新發(fā)射光波的混合波,透明材料的顏色就是由混合波的顏色決定的。無機(jī)玻璃上色的方法就是在玻璃處于熔融狀態(tài)時(shí),加入過渡族元素或稀土元素的離子(氧化物等),典型的離子顏色對有:

Cu2+—藍(lán)綠;Co2+--藍(lán)紫;Cr3+--紅色;Mn2+--黃色;Mn3+--紫色。2/3/2023五、絕緣體的半透明和不透明性有許多本來是透明的電介質(zhì)可以被制成半透明或不透明,其原理是設(shè)法使光線在材料內(nèi)部發(fā)生多次反射和折射(包括慢反射)致使光線變得十分彌散,當(dāng)散射作用非常強(qiáng)烈,以致幾乎沒有光線透過時(shí),材料看起來就不透明了。引起內(nèi)部散射的原因有:由折射率各向異性的微晶組成的多晶樣品是半透明或不透明的;當(dāng)光線通過分散得很細(xì)的兩相體系時(shí),也因兩相的折射率不同而發(fā)生散射,兩相的差別越大,散射作用越強(qiáng)。2/3/2023§5-4光學(xué)現(xiàn)象一、光纖(光導(dǎo)纖維)光纖是20世紀(jì)60年代激光發(fā)現(xiàn)之后,人們期望使用的光通訊傳輸介質(zhì),由于中國科學(xué)家高錕(KaoKC)的這個(gè)預(yù)見,他被譽(yù)為光纖通訊的先驅(qū)。目前,光纖已廣泛應(yīng)用于通訊、傳感器、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。2/3/20231、光纖的工作原理從折射定律可知,當(dāng)光線從折射率較高的透明介質(zhì)入射到折射率較低的透明介質(zhì)時(shí),折射角大于入射角。因此當(dāng)入射角大于某一臨界值時(shí),折射角將大于/等于90度,從而發(fā)生全反射。光纖做為傳輸光的介質(zhì)的道理就在于此。2/3/20232/3/20232、光纖的種類玻璃纖維聚合物纖維3、光纖的主要性能損耗<4dB/km(λ=1.55um,損耗=0.2dB/km)力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度、抗扭曲性)4、優(yōu)點(diǎn)可彎曲傳播、抗干擾性強(qiáng)、能量損耗小、信息容量大、保密性好。2/3/2023二、發(fā)光現(xiàn)象能夠發(fā)光的物質(zhì)主要有硫化物、氧化物、鎢酸鹽和一些有機(jī)物。純物質(zhì)一般不會(huì)發(fā)光,必須加入適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)后才能誘導(dǎo)出發(fā)光現(xiàn)象。2/3/2023當(dāng)原子核外電子被激發(fā)后,原子處于高能狀態(tài),將自發(fā)回到低能狀態(tài),即被激發(fā)的電子自動(dòng)跳回價(jià)帶,同時(shí)發(fā)射光子。一般這個(gè)時(shí)間很短(<10-8S),稱之為熒光。如果材料中含有雜質(zhì),并在能隙中建立施主能級(jí),當(dāng)激發(fā)的電子從導(dǎo)帶跳回價(jià)帶時(shí),將首先跳到施主能級(jí)并被俘獲。然后,要首先從俘獲陷阱內(nèi)逸出,然后再跳回價(jià)帶,從而延緩了光子發(fā)射時(shí)間,當(dāng)陷阱中的電子逐漸逸出,跳回價(jià)帶并發(fā)射光子(>10-8S,稱之為磷光),其發(fā)光強(qiáng)度由下式?jīng)Q定:2/3/2023發(fā)光現(xiàn)象的實(shí)際應(yīng)用:電視熒光燈X射線、γ射線檢測儀發(fā)光二極管1、電視機(jī):

電視機(jī)熒光屏內(nèi)表面涂有磷光材料,但其馳預(yù)時(shí)間不能太長,否則會(huì)產(chǎn)生重影。

工程上應(yīng)用的磷光材料要求具有下列性能:(1)高的發(fā)光效率;(2)希望的發(fā)光顏色;(3)適當(dāng)?shù)挠鄷煏r(shí)間(afterglowtime);(4)材料與基體的結(jié)合強(qiáng)度;(5)發(fā)光耐久性等。2/3/2023目前可供選用的磷光體有很多:P165表4.4(1)紫外激發(fā)的有:Y2O3:Eu等30余種;(2)電子射線激發(fā)的有:ZnS:Ag、Cu、Al等30余種;(3)X射線激發(fā)的有:CaWO3等5種。2、熒光燈其中普通日光燈:Ca2(PO4)3(FCl):Sb,Mn。熒光燈的工作原理:在汞蒸氣和惰性氣體組成的混合氣體中實(shí)現(xiàn)放電(氣體電離);高速運(yùn)動(dòng)的電子與Hg氣體原子作用,使其外層電子產(chǎn)生躍遷(一次激發(fā)),然后跳回價(jià)帶,放出汞譜線的單色輻射(紫外線),電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?;紫外線域燈管內(nèi)壁的熒光物質(zhì)作用,使其原子的外層電子產(chǎn)生躍遷(二次激發(fā)),躍遷電子返回價(jià)帶,發(fā)出可見光(白光)。2/3/20233、發(fā)光二極管(LED)當(dāng)pn結(jié)二極管加上一正向電壓時(shí),其正向電流是所加電壓的函數(shù)。該正向電流造成結(jié)面載流子過剩。雖然擴(kuò)散使其離開結(jié)面,但它們可能跨過帶隙產(chǎn)生復(fù)合,那么有:對于硅二極管,其輻射頻率位于電磁波譜的紅外區(qū)域,而且輻射立即被再吸收,沒有光產(chǎn)生;但是對于GaAs半導(dǎo)體材料制成的pn結(jié)二極管:已知GaAs的禁帶寬度為1.44eV,電子復(fù)合產(chǎn)生的輻射光子的頻率接近0.86μm,由于發(fā)射的光在可見光范圍,而且光子流高,因而形成發(fā)光二極管。自20世紀(jì)60年代發(fā)明發(fā)光二極管以來,發(fā)紅光和綠光的二極管都已得到廣泛應(yīng)用,直到1995年日本科學(xué)家中村秀二發(fā)明了可發(fā)藍(lán)紫光的二極管,從而開始了固態(tài)光源—半導(dǎo)體燈挑戰(zhàn)白熾燈和熒光燈的時(shí)代。2/3/2023LED與白熾燈和熒光燈相比的優(yōu)點(diǎn):(1)能源利用率高:半導(dǎo)體等幾乎完全用于發(fā)光,白熾燈只有5%用于發(fā)光,95%消耗于發(fā)熱,熒光燈的能源利用率20~30%;(2)節(jié)省能源:同樣發(fā)光效果的二極管所消耗的能量只有白熾燈的1/10;(3)長壽命:同樣功率的發(fā)光二極管的壽命是白熾燈的100倍。能發(fā)藍(lán)光的半導(dǎo)體:ZnSe、SiC、GaN(禁帶寬度3.4eV)2/3/20234、熱輻射材料開始加熱時(shí),電子容易被激發(fā)到較高能級(jí),特別是外層電子更易被激發(fā),當(dāng)它們跳回到正常能級(jí)時(shí),就發(fā)射出光子。低溫時(shí),激發(fā)產(chǎn)生的大都為低能長波光子,位于可見光范圍之外。溫度提高,熱激活增加,發(fā)生高能光子增加,則輻射譜變寬成為連續(xù)譜,其強(qiáng)度決定于溫度。由于輻射的光子包括

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