第五章 材料的光學(xué)性質(zhì)

第五章材料的光學(xué)性能P143第四章2/3/2023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(jié)構(gòu)出發(fā)，揭示材料的光學(xué)性質(zhì)的本質(zhì)。2/3/2023§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(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。光（可見光）、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。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：2/3/20234.可見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，0.4~0.5um藍(lán)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(dǎo)率μ0之間的關(guān)系為：C與電磁波頻率ν和波長(zhǎng)λ之間的關(guān)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*10-2105~1012/3/2023二、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2/3/2023上述公式也可寫成如下形式：2/3/2023透明材料：τ大，α、ρ?。话胪该鞑牧希和高^(guò)時(shí)發(fā)生漫散射；不透明材料:τ極小的材料。金屬對(duì)整個(gè)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(dǎo)體材料中有些是透明的，有些是不透明的。2/3/2023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。2/3/2023（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。如這里必須明確的幾個(gè)概念：原子中的電子能級(jí)是分立的，能級(jí)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(guò)電子能態(tài)改變而吸收；在每一次激發(fā)中，每個(gè)光子的能量將全部被吸收；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。2/3/2023§5-2金屬的光學(xué)性質(zhì)一、金屬對(duì)可見光的不透明性P149圖4.5金屬對(duì)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(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)線電波到中紫外線）都是不透明的，只有對(duì)高頻電磁波，如γ射線，X射線才是透明的。2/3/2023二、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(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)的可見光中以某種波長(zhǎng)的可見光為主要成分。2/3/2023§5-3非金屬材料的光學(xué)性質(zhì)一、折射2/3/2023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(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。2/3/2023二、反射2/3/2023三、吸收非金屬對(duì)光的吸收有下列三種機(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)處于同一數(shù)量級(jí)時(shí)，這一效應(yīng)才變得重要。電子受激吸收光子而越過(guò)禁帶。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。2/3/2023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。2/3/2023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。2/3/2023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：透過(guò)電子與空穴復(fù)合而釋放；通過(guò)禁帶中的雜質(zhì)能級(jí)而發(fā)生電子的多級(jí)轉(zhuǎn)移，從而釋放出兩個(gè)光子；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。2/3/2023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?。?/3/2023四、透射率和透明材料的顏色P161圖4.16和圖4.172/3/2023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。2/3/2023五、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：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(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)。2/3/2023§5-4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（KaoKC）的這個(gè)預(yù)見，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。2/3/20231、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。2/3/20232/3/20232、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(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。2/3/2023二、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。2/3/2023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），稱之為熒光。如果材料中含有雜質(zhì)，并在能隙中建立施主能級(jí)，當(dāng)激發(fā)的電子從導(dǎo)帶跳回價(jià)帶時(shí)，將首先跳到施主能級(jí)并被俘獲。然后，要首先從俘獲陷阱內(nèi)逸出，然后再跳回價(jià)帶，從而延緩了光子發(fā)射時(shí)間，當(dāng)陷阱中的電子逐漸逸出，跳回價(jià)帶并發(fā)射光子（>10-8S,稱之為磷光），其發(fā)光強(qiáng)度由下式?jīng)Q定：2/3/2023發(fā)光現(xiàn)象的實(shí)際應(yīng)用：電視熒光燈X射線、γ射線檢測(cè)儀發(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（afterglowtime）；（4）材料與基體的結(jié)合強(qiáng)度；（5）發(fā)光耐久性等。2/3/2023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(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)出可見光（白光）。2/3/20233、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)域，而且輻射立即被再吸收，沒有光產(chǎn)生；但是對(duì)于GaAs半導(dǎo)體材料制成的pn結(jié)二極管：已知GaAs的禁帶寬度為1.44eV，電子復(fù)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(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已得到廣泛應(yīng)用，直到1995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，從而開始了固態(tài)光源—半導(dǎo)體燈挑戰(zhàn)白熾燈和熒光燈的時(shí)代。2/3/2023LED與白熾燈和熒光燈相比的優(yōu)點(diǎn)：（1）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）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）2/3/20234、熱輻射材料開始加熱時(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，位于可見光范圍之外。溫度提高，熱激活增加，發(fā)生高能光子增加，則輻射譜變寬成為連續(xù)譜，其強(qiáng)度決定于溫度。由于輻射的光子包括