第4-1講光學(xué)性質(zhì)

1、第四章材料科學(xué)與工程系材料的光學(xué)1內(nèi)容光的基本性質(zhì)介質(zhì)對光的反射與折射介質(zhì)對光的吸收介質(zhì)對光的散射與色散材料的光發(fā)射激光與激光材料21 光是電磁波2 光的折射與反射3 光的吸收與散射4 光的偏振應(yīng)用電磁場理論說明光的基本現(xiàn)象和規(guī)律光波與物質(zhì)在界面處的相互作用光波在介質(zhì)中與物質(zhì)原子的相互作用光矢量和光的各種偏振態(tài) 幾何光學(xué) (geometrical optics) 波動(dòng)光學(xué) (wave optics) 量子光學(xué) (quantum optics)3回顧與總結(jié)光的現(xiàn)象光的微粒說光的波動(dòng)說光的電磁說光的波粒二象性光的直線傳播光的傳播速度光的反射光的折射光的干涉光的衍射電磁波譜光譜?41. 光的基本性質(zhì)

2、 引言 ：（1）微粒學(xué)說 ( corpuscular theory )（2）波動(dòng)學(xué)說 ( undulatory theory )（3）光 具有波粒二象性的物質(zhì) 粒子性：光子(Photon ) ：E = h= h c / 5一 電磁波是矢量波電磁波 交變電磁狀態(tài)的傳播設(shè)一平面電磁波由麥克斯韋理論可得：真空中的電磁波1. 光的基本性質(zhì)1.1 電磁輻射 6同理：當(dāng)電場振動(dòng)沿軸正向傳播時(shí)，有反映該振動(dòng)的平面簡諧波用麥?zhǔn)想姶艌龇匠探M可推出1. 光的基本性質(zhì)1.1 電磁輻射 7 在真空中： 在介質(zhì)中：1. 光的基本性質(zhì)1.1 電磁輻射 8折射率 (refractive index)二 電磁波的性質(zhì)(1)

3、電磁波是橫波 振動(dòng)量與波速構(gòu)成相互垂直的右手螺旋關(guān)系。(2) 電磁波的偏振性分別在各自的平面上振動(dòng)。旋光現(xiàn)象。1. 光的基本性質(zhì)1.1 電磁輻射 9(3) 電場與磁場同相變化 振幅之間滿足電、磁場分量與電磁波傳播方向互相垂直1. 光的基本性質(zhì)1.1 電磁輻射 10(4) 電磁波的能量 1. 光的基本性質(zhì)1.1 電磁輻射 11 電磁波的能流密度 坡印廷矢量 電磁波的強(qiáng)度1. 光的基本性質(zhì)1.1 電磁輻射 12 電磁波具有各種頻率：無線電，微波，紅外線，可見光，紫外線，射線和射線等。 可見光 (visible light) 能夠引起人的視覺的電磁波。1. 光的基本性質(zhì)1.2 電磁波譜 13可見光七

4、彩顏色的波長和頻率范圍人眼最為敏感的光是黃綠光，即附近。1. 光的基本性質(zhì)1.2 電磁波譜 14電磁波光譜1. 光的基本性質(zhì)1.2 電磁波譜 15無線電波波長比可見光長得多，不能引起人的視覺，可以引起電子的振蕩。由于波長很長，一個(gè)金屬網(wǎng)籠，甚至橋梁上的鋼架就可以將其阻止。微波波長范圍分布從毫米到幾十厘米，他們在食物里很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加熱。紅外線（IR）分布在微波和可見光之間，且僅能夠在它聚集熱的地方探測到。蛇和其他一些生物對紅外線很敏感；紅外線不能透過玻璃，這一特性可以解釋溫室效應(yīng)：晴天時(shí)，經(jīng)過溫室玻璃的可見光被植物吸收，而紅外線被再次輻射，被玻璃捕獲的紅外線引起溫室內(nèi)部的溫

5、度升高，整個(gè)宇宙充滿了宇宙大爆炸時(shí)殘留的冷卻物質(zhì)發(fā)出的紅外輻射。1. 光的基本性質(zhì)1.2 電磁波譜 16紫外線（UV）：頻率高于可見光的，不能引起視覺，對生命有危害，來自太陽的紫外線幾乎被大氣中的臭氧完全吸收，臭氧保護(hù)著地球的生命，少量透過大氣的紫外線會(huì)曬黑皮膚或使進(jìn)行日光浴的人體產(chǎn)生曬斑。X射線：波長比紫外線還短的電磁波，它們很易穿過大多數(shù)物質(zhì)。致密的物質(zhì)、固體材料比稀疏物質(zhì)容易吸收更多的X射線，這就是為什么在X射線照片上顯現(xiàn)的是骨骼而不是骨骼周圍的組織。其波長可與原子尺寸相比擬。1. 光的基本性質(zhì)1.2 電磁波譜 17射線和宇宙射線：波長最短，波長尺寸約為原子核大小量級射線產(chǎn)生于核反應(yīng)及其

6、他特殊的激發(fā)過程宇宙射線來自地球之外的空間。1. 光的基本性質(zhì)1.2 電磁波譜 18光與固體相互作用的本質(zhì)有兩種方式：電子極化電子能態(tài)轉(zhuǎn)變1. 光的基本性質(zhì)1.3 光與固體的相互作用 19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。1. 光的基本性質(zhì)1.3 光與固體的相互作用 201. 光的基本性質(zhì)1.3 光與固體的相互作用 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)變到另一種能態(tài)的過程；材料的

7、原子吸收了光子的能量之后可將較低能級上的電子激發(fā)到較高能級上去，電子發(fā)生的能級變化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。212. 光的反射與折射2.1 反射定律與折射定律光的反射和折射反射定律三線共面；反射角等于入射角折射定律三線共面；22光速： ,真空:折射率:折射定律:三線共面； 反射率R:兩媒質(zhì)界面上光的折射和反射 2. 光的反射與折射2.1 反射定律與折射定律23一、惠更斯原理：為了說明光的傳播定律，惠更斯提出了一個(gè)普遍原理媒質(zhì)中波動(dòng)傳到的各點(diǎn)，都可以看作是發(fā)射子波的波源，而在其后的任意

8、時(shí)刻，這些子波的包絡(luò)面就是新的波面。也就是說，光波波前（最前沿的波面）上的每一點(diǎn)都可看作球面次波源，每一次波源發(fā)射的球面波以光波的速度v傳播，經(jīng)過時(shí)間t之后形成球面半徑為vt的球面次波。如此產(chǎn)生的無數(shù)個(gè)次波的包絡(luò)就是t時(shí)間后的新波前。該原理適用于機(jī)械波和電磁波2. 光的反射與折射2.2 折射率與傳播速度的關(guān)系242. 光的反射與折射2.2 折射率與傳播速度的關(guān)系二、折射定律：材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。光密介質(zhì)：在折射率大的介質(zhì)中，光的傳播速度慢；光疏介質(zhì)：在折射率小的介質(zhì)中，光的傳播速度快。材料的折射率從本質(zhì)上講，反映了材料的電磁結(jié)構(gòu)（對非鐵磁介質(zhì)主要是電結(jié)構(gòu)）在光波作用下

9、的極化性質(zhì)或介電特性。25二、折射定律：正是因?yàn)榻橘|(zhì)的極化，“拖住”了電磁波的步伐，才使得其傳播速度變得比真空中慢。鐵磁性材料非鐵磁性材料2. 光的反射與折射2.2 折射率與傳播速度的關(guān)系26光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)全反射：當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，且入射角大于臨界角時(shí)，光線被100%反射的現(xiàn)象。此時(shí)不再有折射光線，入射光的能量全部回到第一介質(zhì)中。臨界角：光纖導(dǎo)光原理：全反射2. 光的反射與折射2.3 光的全反射27光纖結(jié)構(gòu)示意圖：纖芯：575m摻雜了的SiO2，n一定或隨半徑增加而減小。包層: 總直徑為100 200m,折射率稍小于纖芯的摻雜了的SiO2。涂敷層：硅銅或丙烯酸鹽，隔離雜光。護(hù)套：

10、尼龍或有機(jī)材料，增加強(qiáng)度，保護(hù)光纖。纖芯包層涂敷層護(hù)套2. 光的反射與折射2.3 光的全反射28多普勒效應(yīng)：波源或觀察者相對于媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)而使觀察者接受到的波的頻率有所變化的現(xiàn)象。頻率計(jì)算：波源不動(dòng)，觀察者運(yùn)動(dòng)，即： ，觀察者認(rèn)為接受到的波數(shù)變了。觀察者不動(dòng)，波源運(yùn)動(dòng)，即： ，觀察者認(rèn)為接受到的波長變了。2. 光的反射與折射2.4 多普勒效應(yīng)29波源與觀察者同時(shí)運(yùn)動(dòng)，即： ，四種情況：波源和觀察者不在一直線上運(yùn)動(dòng) 光源與觀察者的相對速度為 接近： 遠(yuǎn)離2. 光的反射與折射2.4 多普勒效應(yīng)30 介質(zhì)對光的吸收在光束通過物質(zhì)時(shí)，它的傳播情況將要發(fā)生變化。首先光束越深入物質(zhì)，它的光強(qiáng)將越減弱，這是由于

11、一部分光的能量被物質(zhì)所吸收，而另一部分光向各個(gè)方向散射所造成的，這就是光的吸收和散射現(xiàn)象。其次，光在物質(zhì)中的速度將小于光在真空中的速度，并將隨頻率而改變，這就是光的色散現(xiàn)象，光的吸收、散射和色散這三種現(xiàn)象，都有是由于光與物質(zhì)的相互作用引起的，實(shí)質(zhì)上是由光與原子中的電子相互作用引起的。這些現(xiàn)象是不同物質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的主要表現(xiàn)，對它們的討論可以為我們提供關(guān)于原子、分子和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息。本章側(cè)重于對現(xiàn)象及其唯象規(guī)律的描述，并用經(jīng)典電子論對這些現(xiàn)象作進(jìn)一步的解釋。31定義由于光是一種能量流，在光通過材料傳播時(shí)，會(huì)引起材料的電子躍遷或使原子振動(dòng)，從而使光能的一部分變成熱能，導(dǎo)致光能的衰減，這種現(xiàn)象稱為介質(zhì)對

12、光的吸收。吸收系數(shù) 介質(zhì)對光的吸收3.1 基本性質(zhì)32光通過物質(zhì)時(shí)，光波中的振動(dòng)著的電矢量，將使物質(zhì)中的帶電粒子作受迫振動(dòng)，光的部分能量將用來提供這種受迫振動(dòng)所需要的能量。這些帶電粒子如果與其它原子或分子發(fā)生碰撞，振動(dòng)能量就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠絼?dòng)動(dòng)能，從而使分子熱運(yùn)動(dòng)能量增加，物體發(fā)熱。光的部分能量被組成物質(zhì)的微觀粒子吸取后轉(zhuǎn)化為熱能，從而使光的強(qiáng)度隨著穿進(jìn)物質(zhì)的深度而減小的現(xiàn)象，稱為光的吸收（absorption）。 介質(zhì)對光的吸收3.2 吸收定律一 吸收定律 - 布格定律33如圖所示，光強(qiáng)為I0的單色平行光束沿x軸方向通過均勻物質(zhì)，在經(jīng)過一段距離x后光強(qiáng)已減弱到I，再通過一無限薄層dx后光強(qiáng)變?yōu)镮

13、+dI(dI0)。實(shí)驗(yàn)表明，在相當(dāng)寬的光強(qiáng)度范圍內(nèi)，-dI相當(dāng)精確地正比于I和dx，即 - dI = aIdxx+dxldxxII+dI光的吸收規(guī)律式中a是與光強(qiáng)無關(guān)的比例系數(shù)，稱為該物質(zhì)的吸收系數(shù)（absorption coefficient）。于是，上式是光強(qiáng)的線性微分方程，表征了光的吸收的線性規(guī)律。 介質(zhì)對光的吸收3.2 吸收定律34材料對光的吸收機(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)處在同一個(gè)數(shù)量級時(shí)，由此引起的吸收才變得比較重要；電子受激吸收光子而越過禁帶；電子受激進(jìn)入位于禁帶中的雜質(zhì)或缺陷能級上而吸收光；所以，只有當(dāng)入射光子的能量與材料的某兩個(gè)能態(tài)之間的能量差值相等時(shí)，

14、光量子才可能被吸收。同時(shí)，材料中的電子從較低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。光的吸收是材料中的微觀粒子與光相互作用的過程中表現(xiàn)出的能量交換過程。 介質(zhì)對光的吸收3.3 吸收的物理機(jī)制35禁帶較寬的介電固體材料也可以吸收光波，但吸收機(jī)理不是激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，而是因其雜質(zhì)在禁帶中引進(jìn)了附加能級，使電子能夠吸收光子后實(shí)現(xiàn)從價(jià)帶到受主能級或從施主能級到導(dǎo)帶的躍遷。 介質(zhì)對光的吸收3.3 吸收的物理機(jī)制36除了真空，沒有一種物質(zhì)對所有波長的電磁波都是絕對透明的。任何一種物質(zhì)，它對某些波長范圍內(nèi)的光可以是透明的，而對另一些波長范圍內(nèi)的光卻可以是不透明的。例如，在光學(xué)材料中，石英對所有可見光幾乎都透明的，在紫外波

15、段也有很好的透光性能，且吸收系數(shù)不變，這種現(xiàn)象為一般吸收；但是對于波長范圍為3.55.0m的紅外光卻是不透明的，且吸收系數(shù)隨波長劇烈變化，這種現(xiàn)象為選擇吸收。換言之，石英對可見光和紫外線的吸收甚微，而對上述紅外光有強(qiáng)烈的吸收。 介質(zhì)對光的吸收3.4 一般吸收和選擇吸收37 又例如，普通玻璃對可見光是透明的，但是對紅外線主紫外線都有強(qiáng)烈的吸收，是不透明的。 因此在紅外光譜儀中，棱鏡常用對紅外線透明的氯化鈉晶體和氟化鈣晶體制作；而紫外光譜儀中，棱鏡常用對紫外線透明的石英制作。 實(shí)際上，任何光學(xué)材料，在紫外和紅外端都有一定的透光極限。 任何物質(zhì)都有這兩種形式的吸收只是出現(xiàn)的波長范圍不同而已。 6-3

16、 介質(zhì)對光的吸收3.4 一般吸收和選擇吸收38用具有連續(xù)譜的光（例如白光）通過具有選擇吸收的物質(zhì)，然后利用攝譜儀或分光光度計(jì)，可以觀測到在連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)有一條條暗線或暗帶，這表明某些波長或波段的光被吸收了，因而形成了吸收光譜（absorption spectrum）。 介質(zhì)對光的吸收3.5 吸收光譜39物質(zhì)的發(fā)射譜（emission spectrum）有：線狀譜（line spectrum），帶狀譜（band spectrum）和連續(xù)譜等。大致說來，原子氣體的光譜是線狀譜，而分子氣體、液體和固體的光譜是帶狀譜，吸收光譜的情況也是如此。值得注意的是，同一物質(zhì)的發(fā)射光譜和吸收光譜之間有嚴(yán)格的

17、對應(yīng)關(guān)系，即物質(zhì)自身發(fā)射哪些波長的光，它就強(qiáng)烈吸收這些波長的光。 介質(zhì)對光的吸收3.5 吸收光譜40按照經(jīng)典的電磁理論，原子可以看成是一系列彈性偶極振子的組合，其中每個(gè)振子有一定的固有頻率，于是原子就有了一系列的固有頻率。這種偶極振子一旦被外部能源激發(fā)，每個(gè)振子都會(huì)以其固有頻率作簡諧振動(dòng)，并向周圍空間發(fā)出同一頻率的單色電磁波，從而在發(fā)射光譜上形成一條條的光譜線，形成了原子氣體的線狀發(fā)射光譜。當(dāng)包含有各種頻率的白光照射在原子氣體上時(shí)，只有那些頻率與原子有固有頻率一致的電磁波，會(huì)引起共振而被原子氣體強(qiáng)烈地吸收，于是在原子氣體的吸收光譜中形成了一條條與原子核固有頻率對應(yīng)的暗譜線。 介質(zhì)對光的吸收3.

18、5 吸收光譜414 介質(zhì)對光的散射 4.1 光散射現(xiàn)象當(dāng)光束通過均勻的透明介質(zhì)時(shí)，從側(cè)面是難以看到光的。但當(dāng)光束通過不均勻的透明介質(zhì)時(shí)，則從各個(gè)方向都可以看到光，這是介質(zhì)中的不均勻性使光線朝四面八方散射的結(jié)果，這種現(xiàn)象稱為光的散射。例如，當(dāng)一束太陽光從窗外射進(jìn)室外內(nèi)時(shí)，我們從側(cè)面可以看到光線的徑跡，就是因?yàn)樘柟獗豢諝庵械幕覊m散射的緣故。424 介質(zhì)對光的散射 4.2 光散射分類根據(jù)散射前后光子能量（或光波波長）變化與否，分為彈性散射與非彈性散射 彈性散射：散射前后光的波長（或光子能量）不發(fā)生變化，只改變方向的散射。 非彈性散射：當(dāng)光通過介質(zhì)時(shí)，從側(cè)向接受到的散射光主要是波長（或頻率）不發(fā)生變

19、化的瑞利散射光，屬于彈性散射。當(dāng)使用高靈敏度和高分辨率的光譜儀，可以發(fā)現(xiàn)散射光中還有其它光譜成分，它們在頻率坐標(biāo)上對稱地分布在彈性散射光的低頻和高頻側(cè)，強(qiáng)度一般比彈性散射微弱地多。這些頻率發(fā)生改變的光散射是入射光子與介質(zhì)發(fā)生非彈性碰撞的結(jié)果，稱為非彈性散射。43一、彈性散射分類按照散射中心尺度a0與入射光波長是大小，分為三類：1. 廷德爾散射 Tyndall Scattering (J.Tyndall，1820-1893)當(dāng)a0時(shí)，0即散射中心的尺度遠(yuǎn)大于光波波長時(shí)，散射光強(qiáng)與入射光波長無關(guān)如粉筆灰、白云呈白色例如在膠體、乳濁液以及含有煙、霧 或灰塵的大氣中的散射。4 介質(zhì)對光的散射 4.2

20、光散射分類442. 米氏散射 Mile Scattering當(dāng)a0與相近時(shí)，=04即散射中心的尺度與光波波長可以比擬時(shí)， 在04之間,具體取值與散射中心有關(guān).米氏散射性質(zhì)比較復(fù)雜。4 介質(zhì)對光的散射 4.2 光散射分類453. 瑞利散射 Rayleigh scattering當(dāng)a0時(shí)，=4 即當(dāng)散射中心的線度遠(yuǎn)小于入射光的波長時(shí)，散射強(qiáng)度與波長的4次方成反比通常我們把線度小于光的波長的微粒對入射光的散射，稱為瑞利散射（Rayleigh scattering）。瑞利散射不改變原入射光的頻率。4 介質(zhì)對光的散射 4.2 光散射分類46在散射微粒的尺度比光的波長小的條件下，作用在散射微粒上的電場可視

21、為交變的均勻場，于是散射微粒在極化時(shí)只感生電偶極矩而沒有更高級的電矩。按照電磁理論，偶極振子的輻射功率正比于頻率的四次方。瑞利認(rèn)為，由于熱運(yùn)動(dòng)破壞了散射微粒之間的位置關(guān)聯(lián)，各偶極振子輻射的子波不再是相干的，計(jì)算散射光強(qiáng)時(shí)應(yīng)將子波的強(qiáng)度而不是振幅疊加起來。因此，散射光強(qiáng)正比于頻率的四次方,即反比于波長的四次方。實(shí)驗(yàn)和理論都證明,較大的顆粒對光的散射不遵從瑞利散射定律，這時(shí)散射光強(qiáng)與波長的依賴關(guān)系就不十分明顯了。4 介質(zhì)對光的散射 4.2 光散射分類473. 瑞利散射按照瑞利散射定律，我們不難理解晴天時(shí)晨陽與午陽的顏色不同。入射波長越長，散射光強(qiáng)越小，即長波散射要小于短波散射。因?yàn)榇髿饧皦m埃對光譜

22、上藍(lán)紫色光的散射比紅橙色光為甚，陽光透過大氣層越厚，其中藍(lán)紫色光成分損失越多，太陽顯得越紅。4 介質(zhì)對光的散射 4.2 光散射分類Global早晨中午太陽光48二、非彈性散射分類1. 拉曼散射 （Raman scattering）是分子或點(diǎn)陣振動(dòng)的光學(xué)聲子（即光學(xué)模）對光波的散射。在光譜圖上距離瑞利線較遠(yuǎn)，它們與瑞利線的頻差可因散射介質(zhì)能級結(jié)構(gòu)不同而在100104之間變化。2. 布里淵散射 （Brillouin scattering）是點(diǎn)陣振動(dòng)引起的密度起伏或超聲波對光波的非彈性散射，即點(diǎn)陣振動(dòng)的聲學(xué)聲子（即聲學(xué)模）與光波之間的能量交換結(jié)果。由于聲學(xué)聲子的能量低于光學(xué)聲子，所以布里淵散射的頻移

23、比拉曼散射小，在光譜圖上它們緊靠在瑞利線旁，只能用高分辨的雙單色儀等光譜儀才能分辨出來。4 介質(zhì)對光的散射 4.2 光散射分類49 測量不同波長光線通過棱鏡的最小偏向角，就可以算出棱鏡材料的折射率n與波長之間的關(guān)系曲線，即色散曲線。 實(shí)驗(yàn)表明，凡在可見光范圍內(nèi)無色透明的物質(zhì)，它們的色散曲線在形式上很相似，這些曲線的共同特點(diǎn)是，折射率n以及色散率dn/d的數(shù)值都隨著波長的增加而單調(diào)下降，在波長很長時(shí)折射率趨于定值，這種色散稱為正常色散（normal dispersion）。6-55 介質(zhì)對光的色散 5.2 正常色散一、定義50 實(shí)驗(yàn)表明，在發(fā)生強(qiáng)烈吸收的波段，色散曲線發(fā)生力量明顯的不連續(xù)，折射率

24、n隨著波長的增加而增大，即dn/d 0，這種在吸收帶附近不符合科希公式，與正常色散曲線大不相同的特征稱之為反常色散（anomalous dispersion） 盡管通常把這種色散稱為反常色散，但實(shí)際上它反映了物質(zhì)在吸收區(qū)域內(nèi)所普遍遵從的色散規(guī)律。 大多數(shù)材料在遇到吸收帶時(shí)，色散曲線都有這種不連續(xù)的性質(zhì)。在吸收區(qū)域以外，物質(zhì)的色散曲線仍屬于正常曲線。6-65 介質(zhì)對光的色散 5.3 反常色散51物理模型-阻尼受迫振子模型介質(zhì)原子的電結(jié)構(gòu)可以看作是由正負(fù)電荷之間用一根無形的彈簧束縛在一起的振子；光波引起介質(zhì)中舒服電荷的受迫振動(dòng)；同時(shí)做受迫振動(dòng)的振子（舒服電荷）也可以作為電磁波的波源，向外發(fā)射“電磁

25、次波”；因?yàn)楣馑偈堑认辔粻顟B(tài)的傳播速度，由于次波的疊加改變了波的相位，即改變了光速；次波的位相即振子受迫振動(dòng)的位相，它與兩個(gè)因素有關(guān)：入射光波的頻率：即波長振子的固有頻率：在經(jīng)典理論中指材料的固有振動(dòng)頻率5 介質(zhì)對光的色散 5.4 經(jīng)典色散理論526 材料的光發(fā)射 6.1 光發(fā)射的定義一、定義材料以某種方式吸收能量之后，將其轉(zhuǎn)化為光能即發(fā)射光子的過程，這就是光發(fā)射。自然界中很多物質(zhì)都可發(fā)光，但近代顯示技術(shù)所用的發(fā)光材料主要是無機(jī)化合物，在固體材料中主要是采用禁帶寬度較大的絕緣體，其次的半導(dǎo)體它們通常以多晶粉末、薄膜或單晶的形式被應(yīng)用。從應(yīng)用的角度，主要關(guān)注材料的光學(xué)性能包括：發(fā)光顏色、發(fā)光強(qiáng)度

26、及延續(xù)時(shí)間等。536 材料的光發(fā)射 6.1 光發(fā)射的定義二、平衡輻射和非平衡輻射1. 平衡輻射只與輻射體的溫度和發(fā)射本領(lǐng)有關(guān)，如白熾燈的發(fā)光。2. 非平衡輻射在外界激發(fā)下物體偏離了原來的熱平衡，繼而發(fā)出的輻射。546 材料的光發(fā)射 6.1 光發(fā)射的定義三、 光源能夠發(fā)光的物體稱為光源 = (E2-E1) / hE1E2 原子光波列 (wave train) 一般光源的發(fā)光特點(diǎn)： 1 間歇性； 2 隨機(jī)性。 55（1）熱輻射 （2）電致發(fā)光 （3）光致發(fā)光 （4）化學(xué)發(fā)光 自發(fā)輻射（5）同步輻射光源 （6）激光光源 受激輻射激發(fā)態(tài)原子或分子的自發(fā)輻射 = (E2-E1) / hE1E2激發(fā)態(tài)原子

27、或分子的受激輻射 6 材料的光發(fā)射 6.2 激勵(lì)方式材料發(fā)光前可以有多種方式向其注入能量566 材料的光發(fā)射 6.2 激勵(lì)方式一、光激勵(lì)（光致發(fā)光） 通過光的輻照將材料中的電子激發(fā)到高能態(tài)從而導(dǎo)致發(fā)光。 激勵(lì)光源可以采用光頻波段、x-射線波段、-射線波段。 如熒光燈：通過紫外線激發(fā)涂布于燈管內(nèi)壁的熒光粉而發(fā)光。576 材料的光發(fā)射 6.2 激勵(lì)方式二、陰極射線發(fā)光 利用高能量的電子來轟擊材料，通過電子在材料內(nèi)部的多次散射碰撞，使材料中多種發(fā)光中心被激發(fā)或電離而發(fā)光的過程。 如彩電的顏色：采用電子束掃描，激發(fā)顯象管內(nèi)表面上不同成分的熒光粉，使它們發(fā)射紅、綠、藍(lán)三種基本光波而實(shí)現(xiàn)發(fā)光。586 材料

28、的光發(fā)射 6.2 激勵(lì)方式三、電激勵(lì)（電致發(fā)光） 通過對絕緣發(fā)光體施加強(qiáng)電場而導(dǎo)致發(fā)光，或者從外電路將電子（或空穴）注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶（或價(jià)帶），導(dǎo)致載流子復(fù)合而發(fā)光。 如儀器指示燈的發(fā)光二極管：半導(dǎo)體復(fù)合發(fā)光。59一、發(fā)射光譜：發(fā)射光強(qiáng) 發(fā)射光波長指在一定的激發(fā)條件下發(fā)射光強(qiáng)按波長的分布。其形狀與材料的能量結(jié)構(gòu)有關(guān)。反映材料中從高能級始發(fā)的向下躍遷過程。6 材料的光發(fā)射 6.3 材料發(fā)光的基本性質(zhì)60二、激發(fā)光譜：發(fā)光強(qiáng)度 激發(fā)光波長指材料發(fā)射某一特定譜線（或譜帶）的發(fā)光強(qiáng)度隨激發(fā)光的波長而變化的曲線能夠引起材料發(fā)光的激發(fā)波長也一定是材料可以吸收的波長，但激發(fā)光譜吸收光譜（因?yàn)橛械牟牧衔展?/p>

29、后不一定會(huì)發(fā)射光困難把吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉對發(fā)光沒有貢獻(xiàn)的吸收是不會(huì)在激發(fā)光譜上反映的）。反映材料中從基態(tài)始發(fā)的向上躍遷過程。6 材料的光發(fā)射 6.3 材料發(fā)光的基本性質(zhì)61三、發(fā)光壽命：發(fā)光壽命指發(fā)光體在激發(fā)停止之后持續(xù)發(fā)光時(shí)間的長短。發(fā)光強(qiáng)度也以指數(shù)規(guī)律衰減：余輝時(shí)間：從激發(fā)停止時(shí)的發(fā)光強(qiáng)度I0衰減到I0 /10的時(shí)間，按余輝時(shí)間長短分為：超長余輝（1s）、長余輝（0.11s）、中余輝（1100ms） 、中短余輝（10-21ms） 、短余輝（1 10s）、超短余輝（1s）6 材料的光發(fā)射 6.3 材料發(fā)光的基本性質(zhì)n - 初始激發(fā)態(tài)的電子數(shù)- 電子在單位時(shí)間內(nèi)躍遷到基態(tài)的概率=1/

30、 發(fā)光壽命62四、發(fā)光效率量子效率q：指發(fā)射光子數(shù)nout與吸收光子數(shù)（或輸入的電子數(shù)） nin之比。功率效率p：表示發(fā)光功率Pout與吸收光功率（或輸入的電功率）Pin之比。光度效率l：表示發(fā)射的光通量L與輸入的光功率（或電功率）Pin之比。功率效率與光度效率的關(guān)系： （）-人眼的視見函數(shù) I （）-發(fā)光功率的光譜分布函數(shù) D 光功當(dāng)量6 材料的光發(fā)射 6.3 材料發(fā)光的基本性質(zhì)63按照發(fā)光中心與發(fā)光效率分：2. 復(fù)合發(fā)光 源于固體本征態(tài)的輻射躍遷 固體能帶模型描述（限于最高能隙Eg內(nèi)）如II-VI、III-V族半導(dǎo)體發(fā)光1. 分立中心發(fā)光3. 特殊的復(fù)合發(fā)光BaF2型 固體中局域中心內(nèi)部電

31、子態(tài)間的輻射躍遷 位形坐標(biāo)描述如稀土離子發(fā)光（寬禁帶絕緣體材料）發(fā)光分類6 材料的光發(fā)射 6.4 發(fā)光的物理機(jī)制64一、分立中心發(fā)光 RE3+發(fā)光，雜質(zhì)、缺陷發(fā)光 其發(fā)光通常是摻雜在透明基質(zhì)材料中的離子，或基質(zhì)材料自身結(jié)構(gòu)的某一個(gè)基團(tuán)。 選擇不同的發(fā)光中心和不同的基質(zhì)組合，可以改變發(fā)光體的發(fā)光波長，調(diào)節(jié)其光色。 發(fā)光中心分布在晶體點(diǎn)陣中，受晶體點(diǎn)陣作用，使其能量狀態(tài)發(fā)生變化進(jìn)而影響材料餓發(fā)光性能。6 材料的光發(fā)射 6.4 發(fā)光的物理機(jī)制65根據(jù)發(fā)光中心與晶體點(diǎn)陣之間相互作用的強(qiáng)弱可分為兩種情況：發(fā)光中心基本上是孤立的它的發(fā)光光譜與自由離子相似；發(fā)光中心受基質(zhì)點(diǎn)陣電場（或晶體場）影響較大，其發(fā)光

32、特性與自由離子不同必須把中心和基質(zhì)作為一個(gè)整體來分析。6 材料的光發(fā)射 6.4 發(fā)光的物理機(jī)制66稀土離子發(fā)光： “4f4f”電子組態(tài)間的躍遷 如Tb3+, Eu3+, Gd3+ +, Pr3+ 線譜，禁戒部分解除）“4f5d”電子組態(tài)間的躍遷 如Ce3+帶譜，允許躍遷 特點(diǎn)：及其豐富的能級，具有光譜的可調(diào)性。6 材料的光發(fā)射 6.4 發(fā)光的物理機(jī)制67 缺陷發(fā)光 F心，PWO的綠光、紅光中心， ZnO的綠光，ZrO2的發(fā)光氧化物、氟化物、堿鹵化物，負(fù)離子缺位（電子陷阱）+ e F心6 材料的光發(fā)射 6.4 發(fā)光的物理機(jī)制681. 固體“導(dǎo)帶電子價(jià)帶空穴”間的復(fù)合2. “導(dǎo)帶電子受主A（空穴）

33、”或“價(jià)帶空穴施主D（電子）”或“DA”復(fù)合3. 激子（“eh”）或束縛激子的復(fù)合二、 復(fù)合發(fā)光6 材料的光發(fā)射 6.4 發(fā)光的物理機(jī)制69固體中可能的躍遷（1）帶間吸收；（21）帶間發(fā)射或自由激子發(fā)射（因有一定結(jié)合能，略Eg,圖上未顯示）；（22）有一定聲子參與的光發(fā)射；（3）（5）與雜質(zhì)、缺陷有關(guān)的輻射復(fù)合；（6）分立中心內(nèi)部的發(fā)射；（7）無輻射（多聲子）弛豫；（8）俄歇Auger過程6 材料的光發(fā)射 6.4 發(fā)光的物理機(jī)制70復(fù)合發(fā)光效率：帶間躍遷直接高 （僅有光子參與的電子躍遷） 間接低 （有光子和聲子同時(shí)參與的電子躍遷）帶間躍遷中要保持能量守衡和動(dòng)量守衡6 材料的光發(fā)射 6.4 發(fā)光

34、的物理機(jī)制71 發(fā)光體被激發(fā)后，電子、空穴如何運(yùn)動(dòng)，激發(fā)態(tài)如何去激發(fā)激發(fā) 能量傳遞 發(fā)光 研究方法：發(fā)光衰減（ ），激發(fā)光譜，時(shí)間分辨譜，發(fā)光的濃度依賴，溫度依賴，熱釋光。6 材料的光發(fā)射 6.5 發(fā)光動(dòng)力學(xué)72一、能量傳遞現(xiàn)象：激發(fā)于某處（某中心），發(fā)光在另一處（另一中心）如 Ca3(PO4)2:Mn，250nm激發(fā)時(shí)，Mn不發(fā)光， Ca3(PO4)2:Ce，250nm激發(fā)時(shí)，Ce發(fā)光， Ca3(PO4)2:Mn，250nm激發(fā)時(shí)，可見Mn，Ce發(fā)光， Ce Mn激發(fā)CdS 10-5cm發(fā)射6 材料的光發(fā)射 6.5 發(fā)光動(dòng)力學(xué)73二、能量傳遞方式： 載流子傳遞 再吸收光子傳遞 共振傳遞 激子

35、傳遞VBCB發(fā)光激發(fā)CuZnS:Cu6 材料的光發(fā)射 6.5 發(fā)光動(dòng)力學(xué)74 激光（Laser）是受激輻射光放大的簡稱，是一種單色性好,亮度高、相干性強(qiáng)、方向性好的相干光束。 激光技術(shù)是20世紀(jì)60年代后發(fā)展起來的一門技術(shù)，它帶動(dòng)了傅里葉光學(xué)、全息術(shù)、光學(xué)信息處理、光纖通信、非線性光學(xué)和激光光譜學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，形成了現(xiàn)代光學(xué)。 僅就全息照相和傅里葉光學(xué)中的一些最基礎(chǔ)的內(nèi)容作扼要的介紹。7-1激光（Laser）7 其它光學(xué)性質(zhì) 7.1 激光75全息照相全息術(shù)（holography）是利用光的干涉和衍射原理，將攜帶物質(zhì)信息的光波以干涉圖的形式記錄下來，并且在一定的條件下使其再現(xiàn)，形成原物體逼真的立

36、體象。由于記錄了物體的全部信息，包括振幅和相位因此稱為全息術(shù)。7 其它光學(xué)性質(zhì) 7.2 全息照相76為了提高電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)，伽伯（D.Gabor，19001979）在1948年提出了全息術(shù)原理，并開始了全息照相（holography）的早期研究工作。那時(shí)的主要問題是再現(xiàn)的原始象與其共軛象不能分離，以及沒有好的相干光源。1960年出現(xiàn)了激光以后，1962年萊特（E.Leith）和烏帕特尼克斯（J.Upatnieks）在全息術(shù)中利用了激光，并提出了離軸全息術(shù)，使全息技術(shù)迅速發(fā)展成為科學(xué)技術(shù)的一個(gè)新領(lǐng)域。激光記錄和白光再現(xiàn)的全息術(shù)，例如反射全息、象全息、彩虹全息以及合成全息等，使全息術(shù)在顯示方

37、面展現(xiàn)出了它的優(yōu)越性，并逐步深入到了社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域中。而且，聲全息術(shù)和微波全息術(shù)等也已經(jīng)開始發(fā)展，但進(jìn)展遠(yuǎn)不如光學(xué)全息術(shù)。7 其它光學(xué)性質(zhì) 7.2 全息照相77全息照片的獲得光的干涉由激光器發(fā)出的激光束，通過分光鏡分成兩束。一束稱物光，它是經(jīng)過透鏡擴(kuò)束后射向物體，再由物體反射后投向全息干版；另一束光經(jīng)反射鏡反射和透鏡擴(kuò)束后直接照到全息干版上，稱為參考光。在干版上相遇后，發(fā)生干涉，形成干涉條紋。它是無數(shù)組干涉條紋的集合，最終形成一肉眼不能識別的全息圖。干涉條紋的間距： d = /2sin(/2)7 其它光學(xué)性質(zhì) 7.2 全息照相78全息照片的再現(xiàn)光的衍射感光以后的全息底片經(jīng)顯影、定影等處理得到的

38、全息照片上，記錄了無數(shù)干涉條紋，相當(dāng)于一個(gè)“衍射光柵”，一般是用相同于拍攝時(shí)的激光作為照明光，照明光經(jīng)全息照片（即“光柵”）便發(fā)生衍射，得到一列沿照射方向傳播的零級衍射光波和二列一級衍射波。透鏡物體透鏡全息干板全反鏡全反鏡分光鏡電快門He-Ne激光器 全息照片的拍攝7 其它光學(xué)性質(zhì) 7.2 全息照相79全息照片的主要特點(diǎn) 立體感強(qiáng)。 具有分割性。 同一張全息干版可重疊多個(gè)全息圖。 有視差效應(yīng)。 改變?nèi)⒄掌恢没蚋淖児獠úㄩL可使再現(xiàn)圖像放大或縮小。7-2共軛實(shí)像三維虛像全息照片激光 全息照片的再現(xiàn)7 其它光學(xué)性質(zhì) 7.2 全息照相80傅立葉光學(xué) 光學(xué)信息處理20世紀(jì)30年代以來，光學(xué)與電通訊和

39、電信息理論相互結(jié)合，逐漸形成了傅立葉光學(xué)。傅立葉光學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是傅立葉變換，它的物理基礎(chǔ)是光的衍射理論。阿貝成象原理：1873年，阿貝（E.Abbe，18401905）在顯微鏡成象原理的論述中，首次提出了空間頻率和空間頻譜以及兩次衍射成象的概念，并用傅立葉變換來闡明顯微鏡成象的物理機(jī)制。1906年，波特（A.B.Porter）以一系列實(shí)驗(yàn)證實(shí)了阿貝成象原理。7 其它光學(xué)性質(zhì) 7.3 傅立葉光學(xué)811、光電效應(yīng)的基本概念當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)，所逸出的電子叫光電子，由光電子形成的電流叫光電流，使電子逸出某種金屬表面所需的功稱為該種金屬的逸出功。8 光電效應(yīng)8.1 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律822、實(shí)驗(yàn)裝置單色光通過石英窗照射金屬板陰極上有光電子產(chǎn)生。UGKA如將K接正極、A接負(fù)極，則光電子離開K后，將受到電場的阻礙作用。當(dāng)K、A之間的反向電勢差等于U0時(shí)，從K逸出的動(dòng)能最大的電子剛好不能到達(dá)A，電路中沒有電流， U0叫遏止電壓。8 光電效應(yīng)8.1 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律838 光電效應(yīng)8.1 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律3、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(2)存在截止頻率：對某一種金屬來說，只有當(dāng)入射光的頻率大于某一頻率n0時(shí)，電子才能從金屬表面逸出，電路中才有光電流，這個(gè)頻率n0叫做截止頻率紅限.紅限頻率(1)飽和光電流：飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。U