第五章材料的光學(xué)性質(zhì).

1、2022-5-29第五章 材料的光學(xué)性能P143第四章2022-5-291. 光是一種電磁波2. 可見(jiàn)光的頻率范圍：4.2*10147.5*1014Hz3. 可見(jiàn)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。4. 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)。2022-5-295-1 基本概念一、電磁輻射1. 從經(jīng)典意義上講，電磁輻射是一種波，由電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量組成，兩個(gè)分量相互垂直，并都垂直于波的傳播方向。2. 光（可見(jiàn)光）、熱（輻射能）、雷達(dá)、無(wú)線電波、X射線等都是電磁波，他們之間的差別就是波長(zhǎng)（頻率）范圍不同

2、。3. 電磁波包括的波長(zhǎng)范圍很寬，從10-12m到105m，按波長(zhǎng)增加的次序，可分為：2022-5-29 4.可見(jiàn)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(zhǎng)。例如0.4um紫色，0.40.5um藍(lán)色，0.5um綠色，0.50.6um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)0和真空磁導(dǎo)率0之間的關(guān)系為： C與電磁波頻率和波長(zhǎng)之間的關(guān)系為：C=電磁波射線X射線 紫外線可見(jiàn)光紅外線微波射頻TV/m10-1010-1410-810-1210-610-90.40.7*10-6

3、10-2 0.4*10-61002*10-2105101001c2022-5-29 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S . J1063. 6h,hchE34）的能量。（與光線傳播方向垂直位面積表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單單位為光輻射能流率.m.W,2RAT02022-5-29 上述公式也可寫成如下形式：。，、反射率。分別為透射率、吸收率0R0A0T,12022-5-29透明材料：大，、?。话胪该鞑牧希和高^(guò)時(shí)發(fā)生漫散射；不透明材料:極小的材料。1. 金屬對(duì)整個(gè)可見(jiàn)光譜都是不透明的，即所有

4、可見(jiàn)光的入射不是被吸收，就是被反射；2. 所有的電絕緣材料都可能制成透明材料；3. 半導(dǎo)體材料中有些是透明的，有些是不透明的。2022-5-29 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(jiàn)光頻率范圍內(nèi)，電場(chǎng)分量與傳播過(guò)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(duì)位移。其結(jié)果：當(dāng)光線通過(guò)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。2022-5-29（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(guò)程。如這里必須明確的

5、幾個(gè)概念：1. 原子中的電子能級(jí)是分立的，能級(jí)間只有特定的E。因此只有能量為E的光子才能被該原子通過(guò)電子能態(tài)改變而吸收；2. 在每一次激發(fā)中，每個(gè)光子的能量將全部被吸收；3. 受激電子不可能無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間保持激發(fā)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)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。42hE2022-5-295-2 金屬的光學(xué)性質(zhì) 一、金屬對(duì)可見(jiàn)光的不透明性 P149 圖4.5 金屬對(duì)可見(jiàn)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(wú)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(duì)所有的低頻電磁波（從無(wú)線電波到中

6、紫外線）都是不透明的，只有對(duì)高頻電磁波，如射線，X射線才是透明的。2022-5-29 二、良好的反射性 大多數(shù)金屬的反射率=0.90.95。 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(zhǎng)決定，而是由反射光的波長(zhǎng)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(lái)的光也是由各種波長(zhǎng)的可見(jiàn)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(lái)的可見(jiàn)光中以某種波長(zhǎng)的可見(jiàn)光為主要成分。2022-5-295-3 非金屬材料的光學(xué)性質(zhì) 一、折射常數(shù)的貢獻(xiàn)。材料的電子極化對(duì)介電的折射率，便可

7、知可見(jiàn)，測(cè)定了透明材料，所以對(duì)于大多數(shù)非金屬因此介質(zhì)中光線的傳播速度折射率rrrr0000n111vcn1vvcn2022-5-29 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(duì)光速的影響很大，一般來(lái)說(shuō),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。2022-5-29 二、反射關(guān)。因此反射率也與波長(zhǎng)有有關(guān)，折射率與入射光的波長(zhǎng)同時(shí)，由于固體材料的。率越高，反射率也越大因此，固體材料的折射垂直入射到固體表面時(shí)當(dāng)光線從真空或空氣中。，反射率與入射角有關(guān)在非垂直入射的情況下射率為當(dāng)光線垂直入射時(shí)，反2

8、ss21n1nn1n2n1n22022-5-29三、吸收非金屬對(duì)光的吸收有下列三種機(jī)理：1. 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。2. 電子受激吸收光子而越過(guò)禁帶。3. 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?？梢?jiàn)光不透明有色無(wú)色透明非金屬材料2022-5-29 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(jiàn)光以上指的是可見(jiàn)光。8eV. 1m10*7s .m10*3*s .eV10*13. 4hcE1eV. 3m10*4s .m10*3*s .eV1

9、0*13. 4hcEEEhcEh71815maxgmin71815mingmaxggg對(duì)于可見(jiàn)光：禁帶寬度?；?022-5-29 每一種非金屬材料對(duì)特定波長(zhǎng)以上的電磁波不透明明（吸收），具體的波長(zhǎng)取決于Eg。例如，金剛石的Eg=5.6eV，因而對(duì)于波長(zhǎng)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。2022-5-29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(lái)，釋放的機(jī)理有：1.透過(guò)電子與空穴復(fù)合而釋放；2.通過(guò)禁帶中的雜質(zhì)能級(jí)而發(fā)生電

10、子的多級(jí)轉(zhuǎn)移，從而釋放出兩個(gè)光子；3.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。2022-5-29 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的增加而減小：。吸收系數(shù)，1R0,0 x,0Tmme2022-5-29 四、透射率和透明材料的顏色 P161 圖4.16 和圖4.172022-5-29 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(zhǎng)不一定與吸收光的波長(zhǎng)相同，因此透射光波的波長(zhǎng)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(wú)機(jī)玻璃上色的方法就是在玻璃

11、處于熔融狀態(tài)時(shí)，加入過(guò)渡族元素或稀土元素的離子（氧化物等），典型的離子顏色對(duì)有： Cu2+藍(lán)綠；Co2+-藍(lán)紫；Cr3+-紅色；Mn2+-黃色；Mn3+-紫色。2022-5-29五、絕緣體的半透明和不透明性有許多本來(lái)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(méi)有光線透過(guò)時(shí)，材料看起來(lái)就不透明了。引起內(nèi)部散射的原因有：1. 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；2. 當(dāng)光線通過(guò)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)。2022-

12、5-295-4 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(guó)科學(xué)家高錕（Kao K C）的這個(gè)預(yù)見(jiàn)，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。2022-5-29 1、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。2022-5-29端。過(guò)多次反射傳輸?shù)搅硪豢梢栽诠鈱?dǎo)纖維內(nèi)部通，光線便只要入射角小于臨界值即在入射端面，則有的臨界條件是：在纖

13、維內(nèi)側(cè)產(chǎn)生全反射C2a2C2gC2gCg,C2gCaCa,CgCoC,Cginnnarcsini)nn(1nicos-1nisin nisin nsininnsin90n)i2(sinn2022-5-29 2、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 （=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。2022-5-29 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。) s10(s1088磷

14、光）熒光（熒光燈冷光白熾燈熱輻射發(fā)光發(fā)光2022-5-29 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,稱之為磷光），其發(fā)光強(qiáng)度由下式?jīng)Q定：秒內(nèi)的光強(qiáng)度。為激發(fā)去除后為開(kāi)始發(fā)光時(shí)的強(qiáng)度；為馳預(yù)時(shí)間，式中：tII)ln(00tII2022-5-29發(fā)光現(xiàn)象的實(shí)際應(yīng)用：1.電視2.熒光燈3.X射線、射線檢測(cè)儀4.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(zhǎng)，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（a

15、fterglow time ）；（4）材料與基體的結(jié)合強(qiáng)度；（5）發(fā)光耐久性等。2022-5-29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

16、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(jiàn)光（白光）。次激發(fā)），躍遷電子返回價(jià)帶，發(fā)出可見(jiàn)光（白光）。2022-5-293、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(guò)剩。雖然擴(kuò)散使其離開(kāi)結(jié)面，但它們可能跨過(guò)帶隙產(chǎn)生復(fù)合，那么有：對(duì)于硅二極管，其輻射頻率位于電磁波譜的紅外區(qū)

17、域，而且輻射對(duì)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(méi)有光產(chǎn)生；立即被再吸收，沒(méi)有光產(chǎn)生；但是對(duì)于但是對(duì)于GaAs半導(dǎo)體材料制成的半導(dǎo)體材料制成的pn結(jié)二極管：已知結(jié)二極管：已知GaAs的禁帶的禁帶寬度為寬度為1.44eV，電子復(fù)合產(chǎn)生的輻射光子的頻率接近，電子復(fù)合產(chǎn)生的輻射光子的頻率接近0.86m，由于發(fā)射的光在可見(jiàn)光范圍，而且光子流高，因而形成發(fā)光二極由于發(fā)射的光在可見(jiàn)光范圍，而且光子流高，因而形成發(fā)光二極管。管。自自20世紀(jì)世紀(jì)60年代發(fā)明發(fā)光二極管以來(lái)，發(fā)紅光和綠光的二極管都年代發(fā)明發(fā)光二極管以來(lái)，發(fā)紅光和綠光的二極管都已得到廣泛應(yīng)用，直到已得到廣泛應(yīng)用，

18、直到1995年日本科學(xué)家中村秀二發(fā)明了可發(fā)藍(lán)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(kāi)始了固態(tài)光源紫光的二極管，從而開(kāi)始了固態(tài)光源半導(dǎo)體燈挑戰(zhàn)白熾燈和熒半導(dǎo)體燈挑戰(zhàn)白熾燈和熒光燈的時(shí)代。光燈的時(shí)代。為輻射頻率。為價(jià)帶能量；為導(dǎo)帶能量；這里：gveEEvegEEh2022-5-29LED與白熾燈和熒光燈相比的優(yōu)點(diǎn)：（1）能源利用率高：）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2030%；（2）節(jié)省能源：）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(zhǎng)壽命：）長(zhǎng)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）2022-5-294、熱輻射 材料開(kāi)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(zhǎng)波光子，位于可見(jiàn)光范圍之外。