第四章材料的光學(xué)性能(共34張)課件

1、第四章材料的光學(xué)性能第四章材料的光學(xué)性能4.1 光和固體的相互作用1.光的波粒二象性 1）光電效應(yīng)方程 2）光學(xué)涉及材料對(duì)電磁輻射作用的響應(yīng)。 射線 原子核結(jié)構(gòu)改變； 紅外輻射，微波，無(wú)線電波-原子振動(dòng)或晶格結(jié)構(gòu)的改變；X射線，紫外線，可見(jiàn)光譜-原子結(jié)構(gòu)改變4.1 光和固體的相互作用1.光的波粒二象性第四章材料的光學(xué)性能(共34張)課件4.1 光和固體的相互作用 3）光的速度 真空中： 在介質(zhì)中傳播：C ： 3 10-8m/s: 真空介電常數(shù): 真空磁 導(dǎo)率透射，反射，折射： 光的粒子性介質(zhì)中傳播、衍射： 光的波動(dòng)性4.1 光和固體的相互作用 3）光的速度C ： 4.1 光和固體的相互作用2.

2、 光通過(guò)固體的現(xiàn)象 1）宏觀：光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)中，一部分透過(guò)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。光入射到材料表面的光輻射能量流率，單位：W/m2 或 J/m2s 表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的能量透射系數(shù)吸收系數(shù)反射系數(shù)散射系數(shù)4.1 光和固體的相互作用2. 光通過(guò)固體的現(xiàn)象光入射到材料4.1 光和固體的相互作用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(chǎng)分量與傳播過(guò)程中的每一個(gè)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(shí)光波速度減小，導(dǎo)致折射。

3、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 2）微觀：光與固體中的原4.1 光和固體的相互作用3.材料的折射率及其影響因素 概念 折射：光遇到一種折射率不同的介質(zhì)，傳播速度與波長(zhǎng)發(fā)生變化，而且光的傳播方向也發(fā)生變化。折射率：光在真空和介質(zhì)中的速度之比相對(duì)折射率:n1, 原因：光與原子作用導(dǎo)致電子極 化，使光速變慢。4.1 光和固體的相互作用3.材料的折射率及其影響因素概念 4.1 光和固體的相互作用 一些透明材料的折射率4.1 光和固體的相互作用 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 a) 材料元

4、素的離子半徑：由于在無(wú)機(jī)材料這樣的電介質(zhì)中，=1，l 材料的折射率隨介電常數(shù)增大而增大離子半徑增大時(shí)，其增大，因而n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 由于在4.1 光和固體的相互作用2） 材料折射率的影響因素 b) 材料的結(jié)構(gòu)、晶型： 非晶態(tài)和立方晶體結(jié)構(gòu)：一個(gè)折射率（均質(zhì)介質(zhì)） 其它晶型 ：兩個(gè)折射率-尋常光折射率n0和不尋常光折射率ne （非均質(zhì)） 當(dāng)光沿晶體光軸方向入射時(shí)，只有n0存在，與光軸方向垂直入射時(shí)，ne達(dá)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n0=1.658，ne=1.486；剛玉的n0=1.760，ne=

5、1.768。沿著晶體密堆積程度較大的方向ne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)力方向的n大，平行 于受拉主應(yīng)力方向的n小。因此產(chǎn)生雙折射。 測(cè)定材料中內(nèi)應(yīng)力的大小，可采用測(cè)定雙折射的光程差的大小。 d) 同質(zhì)異構(gòu)體：高溫時(shí)n小，低溫時(shí)n大。 4.1 光和固體的相互作用2） 材料折射率的影響因素 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(dá)了玻璃-空氣界面：試推導(dǎo)用于表達(dá)折射角與入射角之間的函數(shù)關(guān)系的表達(dá)式；這個(gè)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例：一束在鈉鈣玻璃中傳播的光線到達(dá)4.1 光和固體的相互作用3） 色散 a) 定義：材

6、料的折射率隨入射光的頻率的減小(或波長(zhǎng)的增加)而減小的性質(zhì)，稱(chēng)為折射率的色散。 在給定入射光波長(zhǎng)的情況下，材料的色散為: 色散=dn/d b) 表示：色散系數(shù)d，也叫阿貝數(shù)，這是最常用的數(shù)值 。 nD：是指用鈉光譜中的D線（D=589.3nm，黃色）為光源測(cè)出的折射率。 nF：是指用氫光譜中的F線（F=486.1nm，藍(lán)色）為光源測(cè)出的折射率。 nC：是指用氫光譜中的C線（C=656.3nm，紅色）為光源測(cè)出的折射率。 4.1 光和固體的相互作用3） 色散 4.1 光和固體的相互作用3） 色散 c) 原理： 頻率不同導(dǎo)致介質(zhì)極化強(qiáng)度不同； 極化強(qiáng)度不同導(dǎo)致折射率不同。 d) 應(yīng)用： 用不同牌號(hào)

7、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。 注：折射率的大小與入射光波長(zhǎng)有關(guān)。材料的折射率n 隨入射光波長(zhǎng)的降低而減小，所以，談材料的折射率時(shí)必須指出所用的光的波長(zhǎng)。一般常用nD來(lái)比較不同材料的折射率。 4.1 光和固體的相互作用3） 色散 X射線，紫外線，可見(jiàn)光譜-原子結(jié)構(gòu)改變真空中：其它晶型 ：兩個(gè)折射率-尋常光折射率n0和不尋常光折射率ne （非均質(zhì)） 射線 原子核結(jié)構(gòu)改變；1）熒光和磷光：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí)，材料吸收光子的能量，使非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。1 光和固體的相互作用為了減小反射損失：a)

8、通過(guò)介質(zhì)表面鍍?cè)鐾改ぃ? 光和固體的相互作用對(duì)于第二種機(jī)制: 吸收光子的能量把電子從填滿(mǎn)的價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶的空能級(jí)上，導(dǎo)帶中出一個(gè)電子，而在價(jià)帶留下一個(gè)空穴。n1, 原因：光與原子作用導(dǎo)致電子極 化，使光速變慢。材料的透射系數(shù)及其影響因素介質(zhì)吸收光的一般規(guī)律：a) 定義：材料的折射率隨入射光的頻率的減小(或波長(zhǎng)的增加)而減小的性質(zhì)，稱(chēng)為折射率的色散。在給定入射光波長(zhǎng)的情況下，材料的色散為: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 當(dāng)光從二種不同介質(zhì)通過(guò)時(shí)，要發(fā)生反射和折射。其中反射是電子吸收光子能量，由高能級(jí)又返回低能級(jí)時(shí)發(fā)射出的的電磁波。當(dāng)一束自材料1垂直入射到材料2上的光線

9、，產(chǎn)生反射光線的比例R為反射率：如果兩種材料折射率相差很大，則損失很大。為了減小反射損失：a)通過(guò)介質(zhì)表面鍍?cè)鐾改?；b)將多次透過(guò)的玻璃用折射率與之相近的膠粘起來(lái)。X射線，紫外線，可見(jiàn)光譜-原子結(jié)構(gòu)改變4.1 光和固體的相互第四章材料的光學(xué)性能(共34張)課件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 材料對(duì)入射光的吸收及其散射，是影響材料光透射比的的主要因素。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 4.1 光和固體的相互作用1）金屬的光透過(guò)性質(zhì) 金屬對(duì)所有的低頻電磁波（從無(wú)線電到紫外光）都是不透明的，只有對(duì)高頻電磁波X射線和 射線才是透明的。（高頻時(shí)，電子來(lái)不

10、及做出響應(yīng)）導(dǎo)體的價(jià)帶特征是部分填滿(mǎn)，電子易吸收入射光子的能量后激發(fā)到空能級(jí)上。金屬材料吸收的光又從表面上以同樣波長(zhǎng)的光波反射出來(lái)。還有一小部分以熱的形式損失了。4.1 光和固體的相互作用1）金屬的光透過(guò)性質(zhì) 金屬對(duì)4.1 光和固體的相互作用2）非金屬材料的透過(guò)性 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(shí)間的倒數(shù)處于同一數(shù)量級(jí) 電子受激吸收光子而越過(guò)禁帶 電子吸收光子受激進(jìn)入位于禁帶中的雜質(zhì)或缺陷能級(jí)4.1 光和固體的相互作用2）非金屬材料的透過(guò)性 介質(zhì)吸收對(duì)于第二種機(jī)制: 吸收光子的能量把電子從填滿(mǎn)的價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶的空能級(jí)上，導(dǎo)帶中出一個(gè)電子，而在價(jià)帶留下一個(gè)空穴。只有光子

11、的能量滿(mǎn)足下列條件才會(huì)被吸收：或可見(jiàn)光最短波長(zhǎng)，電子受激后躍遷的非金屬材料的禁帶寬度最大為；若禁帶寬度大于，則這種材料不可能吸收可見(jiàn)光，純度很高的絕緣體材料是無(wú)色透明的。 可見(jiàn)光的最大波長(zhǎng)約0.7um, 吸收光子后電子能越過(guò)的最小的禁帶寬度Egmin=1.8eV. 對(duì)于禁帶寬度小于的半導(dǎo)體材料，可見(jiàn)光被吸收，是不透明的。對(duì)于禁帶寬度處于的非金屬材料，只有部分可見(jiàn)光補(bǔ)吸收，因而是帶色透明的。對(duì)于第二種機(jī)制: 吸收光子的能量把電子從填滿(mǎn)的價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶 每一種非金屬材料對(duì)特定波長(zhǎng)以下的的電磁波是不透明，其具體波長(zhǎng)取決于禁帶Eg對(duì)于第三種機(jī)制: 對(duì)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

12、雜質(zhì)或缺陷能級(jí)，使吸收光子的電子進(jìn)入其中。4.1 光和固體的相互作用 每一種非金屬材料對(duì)特定波長(zhǎng)以下的的電磁波是不透明，其具體第四章材料的光學(xué)性能(共34張)課件吸收系數(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)，還與光程有關(guān)。 I=I0e - x為吸收系數(shù)，取決于材料性質(zhì)與波長(zhǎng)。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4.1 光和固體的相互作用2）非金屬材料的透過(guò)性 b) 介質(zhì)對(duì)光的散射： 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)，由這些產(chǎn)生的次級(jí)波與主波方向不一致，并合成產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，引起散射。（一部分能量偏離原來(lái)的方向向四面八方彌散開(kāi)來(lái)

13、）I=I0-Sx S:散射系數(shù)，或稱(chēng)為內(nèi)反射現(xiàn)象。 散射：與波長(zhǎng)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(duì)折射率大小有關(guān)。 4.1 光和固體的相互作用2）非金屬材料的透過(guò)性 b) 極化強(qiáng)度不同導(dǎo)致折射率不同。對(duì)于第二種機(jī)制: 吸收光子的能量把電子從填滿(mǎn)的價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶的空能級(jí)上，導(dǎo)帶中出一個(gè)電子，而在價(jià)帶留下一個(gè)空穴。同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。介質(zhì)中傳播、衍射： 光的波動(dòng)性利用高溫將電子激發(fā)到較高能級(jí)上去的過(guò)程，一些電子回落到空穴位置，此過(guò)程放出光子，隨溫度升高，獲得呈連續(xù)譜的發(fā)射光線。為了減小反射損失：a)通過(guò)介質(zhì)表面鍍?cè)鐾改?；材料的折射率及其影響因素C ： 3 1

14、0-8m/s材料的折射率n 隨入射光波長(zhǎng)的降低而減小，所以，談材料的折射率時(shí)必須指出所用的光的波長(zhǎng)。4.4 材料的發(fā)光1. 發(fā)光和熱輻射 1）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)射可見(jiàn)光的現(xiàn)象。 如果外來(lái)能量使激發(fā)電子從價(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶，當(dāng)電子返回時(shí)便發(fā)射光子，如果這種光子的波長(zhǎng)處于可見(jiàn)光范圍內(nèi)，有上述現(xiàn)象。 熒光：受激發(fā)在大約10-8s以?xún)?nèi)發(fā)射的電磁波。 其發(fā)光是被激發(fā)的電子跳回價(jià)帶時(shí)，發(fā)射的光子極化強(qiáng)度不同導(dǎo)致折射率不同。4.4 材料的發(fā)光1. 發(fā)光和第四章材料的光學(xué)性能(共34張)課件4.4 材料的發(fā)光磷光體：激發(fā)停止后的一段時(shí)間內(nèi)能發(fā)光的復(fù)雜晶體無(wú)機(jī)物質(zhì) 應(yīng) 用:

15、電視機(jī)屏幕使用的材料；LED（發(fā)光二極管）技術(shù)4.4 材料的發(fā)光磷光體：激發(fā)停止后的一段時(shí)間內(nèi)能發(fā)光的復(fù)雜4.4 材料的發(fā)光1. 發(fā)光和熱輻射 2）熱輻射： 利用高溫將電子激發(fā)到較高能級(jí)上去的過(guò)程，一些電子回落到空穴位置，此過(guò)程放出光子，隨溫度升高，獲得呈連續(xù)譜的發(fā)射光線。輻射的最短波長(zhǎng)和強(qiáng)度信賴(lài)于溫度。材料的顏色隨溫度而改變。 例：700度以下，材料呈淡紅色 1500度以下，材料呈桔黃色 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(gè)光學(xué)溫度計(jì)獲得正加熱的陶瓷件的溫度。 用高溫計(jì)測(cè)量輻射光的頻帶范圍，便可以估計(jì)材料的溫度4.4 材料的發(fā)光1. 發(fā)光和熱輻射 例：700度以4.4 材料的發(fā)

16、光2. 激光 激光：LASER-Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation “受激輻射的光放大 ” 特點(diǎn)：用來(lái)瞄準(zhǔn)特定區(qū)域并產(chǎn)生很高密度的熱能；實(shí)質(zhì)是熒光材料的一個(gè)例子，一個(gè)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)射同相位的光線。定向發(fā)光 亮度極高 顏色極純 能量密度極大4.4 材料的發(fā)光2. 激光4.4 材料的發(fā)光例：紅寶石激光器 藍(lán)寶石（Al2O3單晶)+ 0.05%Cr4.4 材料的發(fā)光例：紅寶石激光器4.4 材料的發(fā)光例：紅寶石激光器 主要部分: 激光工作物質(zhì)（Al2O3單晶)和激活物質(zhì)Cr3+提供亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，從基態(tài)到激發(fā)態(tài)經(jīng)亞穩(wěn)能級(jí)構(gòu)成三能級(jí)激光器。E1E2E34.4 材料的發(fā)光例：紅寶石激光器 主要部分: 激光工作物質(zhì)4.5 其它的性能1. 光電導(dǎo)性： 光子照到半導(dǎo)體的表面，能產(chǎn)生光誘導(dǎo)的導(dǎo)電性，光電導(dǎo)性。 當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí)，材料吸收光子的能量，使非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導(dǎo)致材料電