《材料物理性能》考前笔记 第四章 材料的光学性质

第四章材料的光学性质

1.光吸收的本质

光作为一种能量流，在穿过介质时，引起介质的价电子跃迁，或使原子振动而消耗能量。此外，介质中的价电子吸收光子能量而激发，当尚未退激时，在运动中与其他分子碰撞，电子的能量转变成分子的动能亦即热能，从而构成光能的衰减。即是在对光不发生散射的透明介质，如玻璃、水溶液中，光也会有能量的损失，这就是产生光吸收的原因。

2.图4.19金属、半导体和电介质的吸收率随波长的变化。

3.光的色散材料的折射率随入射光的频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为折射率的色散。

4.光的散射

光通过气体、液体、固体等介质时，遇到烟尘、微粒、悬浮液滴或者结构成分不均匀的微小区域，都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来，这种现象称为光的散射。光的散射导致原来传播方向上光强的减弱。

5.弹性散射散射前后，光的波长（或光子能量）不发生变化的散射称为弹性散射。

σλ1

∝s I （I s 表示散射光强度，参量σ与散射中心尺度大小a 0有关）

a.Tyndall 散射当a 0>>λ时，0→σ，即当散射中心的尺度远大于光波的波长，散射光强与入射光波长无关。

B.Mie 散射当a 0λ≈时，即散射中心尺度与入射光波长可以比拟时，σ在0~4之间，具体数值与散射中心尺度有关。

C.Rayleidl 散射当a 0<<λ时，4=σ。换言之，当散射中心线度远小于入射光的波长时，散射强度与波长的4次方成反比（4

/1λ=s I ）。这一关系称为瑞利散射定律。

6.非弹性散射当光束通过介质时，从侧向接收到的散射光主要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散射。除此之外，使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪器，可以发现散射光中还有其他光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱得多，这些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果，称为“非弹性散射”。从波动观点来看，光的非弹性散射机制乃是光波电磁场与介质内微观粒子固有振动之间的耦合，可激

发介质微观结构的振动或导致振动的淬灭，以至散射光波频率相应出现“红移”（频率降低）或“蓝移”（频率升高）。通常能产生拉曼散射的介质多由相互束缚的正负离子所组成。正负离子的周期性振动导致偶极矩与光波电磁场的相互作用引起能量交换，发生光波的非弹性散射。布里渊散射是点阵振动引起的密度起伏或超声波对光波的非弹性散射，也可以说是点阵振动的声学声子（声学摸）与光波之间能量交换的结果。

ωs R AS

从量子观点看，拉曼散射过程可以用简单的能级跃迁图来说明。

（a ）瑞利散射过程（b ）拉曼散射的斯托克斯过程（c ）拉曼散射的反斯托克斯过程图中画出了介质的两个能级E 1和E 2。当介质分子处于低能级E 1（或高能级E 2）并受到频率为V 0的入射光子作用时，介质分子可以吸收这个光子，跃迁到某个虚能级（？解释“虚能级”），随后这个虚能级上的分子便向下跃迁回到原来的能级，伴随着发射出一个与入射光频率相同的光子（方向可能改变），这是瑞利散射过程。图b 表示拉曼散射的斯托克斯过程。他与瑞利散射的唯一区别，分子从虚能级向下跃迁时回到了较高的能级E 2，并伴随着一个光子发射。这个光子的频率v s 与入射光子相比红移了△v ，其数值相当于两个能级的能量差，即12E E v h −=∆。图c 是拉曼散射的反斯托克斯过程。其特点是，如果介绍原来处于较高的能级E 2，那么在吸收频率为v 0的光子跃迁到一个较高的虚能级后，分子向下跃迁回到了低能级E 1，同时发射一个频率蓝移了的散射光子，频移量△v 仍旧符合“12E E v h −=∆”的能量守恒关系。

“虚能级”——电磁场和介质的共同的状态，也就是相互作用过程中形成的复合态。但是量子力学图像里只画介质状态，所以把共同状态称为虚态或虚能级。

7.材料的光发射

物体发光可分为平衡辐射和非平衡辐射两大类。平衡辐射的性质只与辐射体的温度和发射本领有关，如白炽灯就属于平衡或准平衡辐射；非平衡辐射是在外界激发下物体偏离了原来的热平衡态，继而发出的辐射。固体发光的微观过程可以分为两个步骤：第一步,对材料进行激励,即以各种方式输入能量，将固体中的电子的能量提高到一个非平衡态，称为“激发态”；第二步，处于激发态的电子自发地向低能态跃迁，同时发射光子。8.激发光谱——是指材料发射某一特定谱线（或谱带）的发光强度随激发光的波长而变化的曲线。

9.发光的物理机制

固体材料发光可以有两种微观的物理过程：一种是分立中心发光，另一种是复合发光。

A.分立中心发光

这类材料的发光中心通常是掺杂在透明基质材料中的离子，有时也可以是基质材料自身结构的某一基团。选择不同的发光中心和不同的基质组合，可以改变发光体的发光波长，调节其光色。不同的组合当然也会影响到发光效率和余辉长短。发光中心分布在晶体点阵中或多或少会受到点阵上离子的影响，使其能量状态发生变化，进而影响材料的发光性能。

B.复合发光

复合发光与分立中心发光最根本的差别在于，复合发光时电子的跃迁涉及固体的能带。由于电子被激发到导带时在价带上留下一个空穴，因此当导带的电子回到价带与空穴复合时，便以光的形式放出能量。（这种发光过程就叫复合发光。

）复合发光所发射的光子能量等于禁带的宽度。

v △v

(v 0-△v ）0V 0

10.受激辐射——除材料的光吸收和光发射之外，光与物质相互作用的第三个基本过程。（三个过程同时存在）