第5章 材料的光學(xué)性能

1、第5章 材料的光學(xué)性能5.1 光和固體的相互作用 5.1.1 光的波粒二象性 5.1.2 光通過固體現(xiàn)象5.2 材料的發(fā)光 5.2.1 發(fā)光和熱輻射 5.2.2 激光光學(xué)材料的發(fā)展進(jìn)程：光學(xué)玻璃的生產(chǎn)已有200多年的歷史。（光學(xué)透鏡：望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、照相機(jī)、眼鏡、攝影機(jī)等。）高純、高透明的光通信纖維玻璃。（對(duì)工作頻率僅為普通玻璃的萬分之一，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離光通信。）激光領(lǐng)域：釹玻璃應(yīng)用最廣泛的大功率激光發(fā)射介質(zhì)（Nd： 稀土金屬）。陶瓷、橡膠、塑料對(duì)可見光不透明；陶瓷、橡膠、鍺和硅對(duì)紅外線透明（折射率大，做紅外透鏡）；許多陶瓷和塑料制品在可見光下不透明，但對(duì)微波透明（微波爐中的食品容器）；金和鋁對(duì)

2、紅外線反射能力最強(qiáng)（用作紅外輻射腔內(nèi)的鍍層）光學(xué)塑料被普遍用在隱形眼鏡上。光學(xué)材料已被人們廣泛利用，受到青睞2.光子與固體材料相互作用的微觀機(jī)制實(shí)際上是光子與固體材料中的原子、離子、電子等的相互作用。本質(zhì)有兩種方式 （1）電子極化電磁波的分量之一是迅速變化的電場分量；在可見光范圍內(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，即造成電子云與原子核的電荷中心發(fā)生相對(duì)位移；所以，當(dāng)光通過介質(zhì)時(shí)，一部分能量被吸收，同時(shí)光速減小，后者導(dǎo)致折射。 正是因?yàn)榻橘|(zhì)的極化“拖住”了電磁波的步伐，使其傳播速度比真空中慢，導(dǎo)致折射產(chǎn)生。 （2）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)

3、變到另一種能態(tài)的過程；材料的原子吸收了光子的能量之后可將較低能級(jí)上的電子激發(fā)到較高能級(jí)上去，電子發(fā)生的能級(jí)變化E與電磁波頻率有關(guān)： E=h受激電子不可能無限長時(shí)間地保持.在激發(fā)狀態(tài)，經(jīng)過一個(gè)短時(shí)期后，它又會(huì)衰變回基態(tài)，同時(shí)發(fā)射出電磁波，即自發(fā)輻射。圖1 固體吸收和發(fā)光的三種機(jī)制受激吸收過程前過程后。b) 自發(fā)輻射。2c) 受激輻射過程前過程前過程后過程后-補(bǔ)充：固體吸收和發(fā)光的三種機(jī)制考慮最簡單的二能級(jí)系統(tǒng)，即與光相互作用的物質(zhì)原子只有兩個(gè)能級(jí)：高能級(jí)和低能級(jí)。如圖1所示，即E2 E1；處于E2能級(jí)上的粒子數(shù)目為N2，位于E1能級(jí)上的粒子數(shù)目為N1.實(shí)質(zhì)是電子能級(jí)的躍遷 材料的光吸收和光發(fā)射（

4、自發(fā)輻射）都是光和物質(zhì)相互做用的基本過程。1917年愛因斯坦研究“黑體輻射能量分布”時(shí)提出了光和物質(zhì)相互作用的第三個(gè)基本過程受激輻射。受激吸收：固體吸收一個(gè)光子的過程，光子能量固體中粒子（價(jià)電子）的能級(jí)由 遷移到 自發(fā)輻射：固體發(fā)射一個(gè)光子的過程，光子能量固體中粒子由能級(jí) 遷移到 。受激輻射：當(dāng)一個(gè)能量滿足的光子趨近高能級(jí) 的原子時(shí)，有可能誘導(dǎo)高能級(jí)原子發(fā)射一個(gè)和自己性質(zhì)完全相同的光子，此受激輻射的光子和入射光子具有相同的頻率、方向和偏振狀態(tài)。即受激輻射光是相干光。受激輻射光加上原來的外來光，使光在傳播方向上光強(qiáng)得到放大。（逆過程）3. 研究材料光吸收和光發(fā)射的意義：研究固體中的光吸收和光發(fā)射，可直接地獲得有關(guān)固體中的電子狀態(tài)，即電子的能帶結(jié)構(gòu)及其它各種激發(fā)態(tài)的信息。例如：對(duì)于半導(dǎo)體材料光吸收和光發(fā)射的研究，可以得出： 帶隙 功函數(shù) 雜質(zhì)能級(jí) 相干光：兩束滿足相干條件的光稱為相干光，相干條件：這兩束光在相遇區(qū)域：振動(dòng)方向相同；振動(dòng)頻率相同；相位相同或相位