第五章材料的光學性質(zhì)課件

第五章材料的光學性能P143第四章8/13/2023第五章材料的光學性能P143第四章8/1/20231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構出發(fā)，揭示材料的光學性質(zhì)的本質(zhì)。8/13/2023光是一種電磁波8/1/20232§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、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：8/13/2023§5-1基本概念一、電磁輻射8/1/202334.可見光是人肉眼能感知的電磁波，只占整個電磁波的很窄波段；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和真空磁導率μ0之間的關系為：C與電磁波頻率ν和波長λ之間的關系為：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*10-2105~1018/13/20234.可見光是人肉眼能感知的電磁波，只占整個電磁波的很窄波段；4二、光的波粒二象性從量子力學理論可知：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8/13/2023二、光的波粒二象性8/1/20235上述公式也可寫成如下形式：8/13/2023上述公式也可寫成如下形式：8/1/20236透明材料：τ大，α、ρ??；半透明材料：透過時發(fā)生漫散射；不透明材料:τ極小的材料。金屬對整個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；半導體材料中有些是透明的，有些是不透明的。8/13/2023透明材料：τ大，α、ρ??；8/1/20237固體中出現(xiàn)的光學現(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。其結果：當光線通過介質(zhì)時，一部分能量被吸收，同時光線速度減小，后者導致折射。8/13/2023固體中出現(xiàn)的光學現(xiàn)象是電磁輻射與固體材料中原子、離子和電子之8（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概念：原子中的電子能級是分立的，能級間只有特定的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，每個光子的能量將全部被吸收；受激電子不可能無限長時間保持激發(fā)狀態(tài)，經(jīng)過一個短時間后，它會衰變回基態(tài)，同時發(fā)生出電磁波。衰變途徑不同，發(fā)出的電磁波的頻率不同。8/13/2023（二）電子能態(tài)轉(zhuǎn)變8/1/20239§5-2金屬的光學性質(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，而且費米能級以上有許多空能級。事實上，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。8/13/2023§5-2金屬的光學性質(zhì)一、金屬對可見光的不透明性8/1/10二、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。8/13/2023二、良好的反射性8/1/202311§5-3非金屬材料的光學性質(zhì)一、折射8/13/2023§5-3非金屬材料的光學性質(zhì)一、折射8/1/202312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。8/13/2023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13二、反射8/13/2023二、反射8/1/202314三、吸收非金屬對光的吸收有下列三種機理：電子極化：只有當光的頻率與電子極化時間的倒數(shù)處于同一數(shù)量級時，這一效應才變得重要。電子受激吸收光子而越過禁帶。電子受激吸收光子進入位于禁帶中的雜質(zhì)或缺陷能級上。8/13/2023三、吸收8/1/202315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。8/13/2023禁帶大于3.1eV，則為透明材料8/1/202316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，這是因為雜質(zhì)或其他帶電缺陷在禁帶中引進了能級（施主能級或受主能級），使電子能夠在吸收光子后實現(xiàn)從價帶----禁帶或禁帶----導帶的轉(zhuǎn)移。8/13/2023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17電子受激后，吸收的電磁波的能量必定會以某種方式釋放出來，釋放的機理有：透過電子與空穴復合而釋放；通過禁帶中的雜質(zhì)能級而發(fā)生電子的多級轉(zhuǎn)移，從而釋放出兩個光子；還可在電子的多級轉(zhuǎn)移中發(fā)出一個聲子和一個光子。8/13/2023電子受激后，吸收的電磁波的能量必定會以某種方式釋放出來，釋放18介質(zhì)凈吸收的光波能量不僅與介質(zhì)的特性有關，而且與光程有關。透射光的輻射能流率隨光程x的增加而減?。?/13/2023介質(zhì)凈吸收的光波能量不僅與介質(zhì)的特性有關，而且與光程有關。透19四、透射率和透明材料的顏色P161圖4.16和圖4.178/13/2023四、透射率和透明材料的顏色8/1/202320任何選擇性吸收都是由于電子受激造成的，當電子從激發(fā)態(tài)回到低能態(tài)時，又會重新發(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。無機玻璃上色的方法就是在玻璃處于熔融狀態(tài)時，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+—藍綠；Co2+--藍紫；Cr3+--紅色；Mn2+--黃色；Mn3+--紫色。8/13/2023任何選擇性吸收都是由于電子受激造成的，當電子從激發(fā)態(tài)回到低能21五、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，當散射作用非常強烈，以致幾乎沒有光線透過時，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；當光線通過分散得很細的兩相體系時，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。8/13/2023五、絕緣體的半透明和不透明性8/1/202322§5-4光學現(xiàn)象一、光纖（光導纖維）光纖是20世紀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)，由于中國科學家高錕（KaoKC）的這個預見，他被譽為光纖通訊的先驅(qū)。目前，光纖已廣泛應用于通訊、傳感器、醫(yī)學等領域。8/13/2023§5-4光學現(xiàn)象一、光纖（光導纖維）8/1/2023231、光纖的工作原理從折射定律可知，當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，折射角大于入射角。因此當入射角大于某一臨界值時，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。8/13/20231、光纖的工作原理8/1/2023248/13/20238/1/2023252、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）力學性能（抗拉強度、抗扭曲性）4、優(yōu)點可彎曲傳播、抗干擾性強、能量損耗小、信息容量大、保密性好。8/13/20232、光纖的種類8/1/202326二、發(fā)光現(xiàn)象能夠發(fā)光的物質(zhì)主要有硫化物、氧化物、鎢酸鹽和一些有機物。純物質(zhì)一般不會發(fā)光，必須加入適當?shù)碾s質(zhì)后才能誘導出發(fā)光現(xiàn)象。8/13/2023二、發(fā)光現(xiàn)象8/1/202327當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)的電子自動跳回價帶，同時發(fā)射光子。一般這個時間很短（<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，當激發(fā)的電子從導帶跳回價帶時，將首先跳到施主能級并被俘獲。然后，要首先從俘獲陷阱內(nèi)逸出，然后再跳回價帶，從而延緩了光子發(fā)射時間，當陷阱中的電子逐漸逸出，跳回價帶并發(fā)射光子（>10-8S,稱之為磷光），其發(fā)光強度由下式?jīng)Q定：8/13/2023當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)28發(fā)光現(xiàn)象的實際應用：電視熒光燈X射線、γ射線檢測儀發(fā)光二極管1、電視機：電視機熒光屏內(nèi)表面涂有磷光材料，但其馳預時間不能太長，否則會產(chǎn)生重影。工程上應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?shù)挠鄷煏r間（afterglowtime）；（4）材料與基體的結合強度；（5）發(fā)光耐久性等。8/13/2023發(fā)光現(xiàn)象的實際應用：8/1/202329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現(xiàn)放電（氣體電離）；高速運動的電子與Hg氣體原子作用，使其外層電子產(chǎn)生躍遷（一次激發(fā)），然后跳回價帶，放出汞譜線的單色輻射（紫外線），電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽埽蛔贤饩€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)），躍遷電子返回價帶，發(fā)出可見光（白光）。8/13/2023目前可供選用的磷光體有很多：P165表4.48/1/202303、發(fā)光二極管（LED）當pn結二極管加上一正向電壓時，其正向電流是所加電壓的函數(shù)。該正向電流造成結面載流子過剩。雖然擴散使其離開結面，但它們可能跨過帶隙產(chǎn)生復合，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半導體材料制成的pn結二極管：已知GaAs的禁帶寬度為1.44eV，電子復合產(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用，直到1995年日本科學家中村秀二發(fā)明了可發(fā)藍紫光的二極管，從而開始了固態(tài)光源—半導體燈挑戰(zhàn)白熾燈和熒光燈的時代。8/13/20233、發(fā)光二極管（LED）8/1/202331LED與白熾燈和熒光燈相比的優(yōu)點：（1）能源利用率高：半導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）