兰州大学材料学考研第二十一章光学特性

兰州⼤学材料学考研第⼆⼗⼀章光学特性
第⼆⼗⼀章光学特性
为什么学习材料的光学特性？
对暴露在电磁辐射中的材料，如果能够预测材料对电磁辐射的响应，并进⽽对响应进⾏调制是重要的。

当我们熟悉了材料的光学特性，并且理解了光学⾏为的形成机制后，这⼀点是可以做到的。

例如，在21.14节中，在光学纤维的外表⾯引⼊渐变折射率层，可以提⾼光学纤维的性能。

这⼀点可以通过控制浓度的添加某种特定的杂质实现。

学习⽬的
认真学习本章后，能够解决下列问题：
1. 已知普朗克常数和光⼦的频率，可以计算光⼦的能量。

2. 简述电磁辐射和原⼦相互作⽤引起的电⼦极化，说明电⼦极化的两个后果。

3. 简单解释为什么⾦属材料对可见光不透明。

4. 定义折射率。

5. 描述(a)⾼纯绝缘体和半导体，(b)含有电⼦活性缺陷的绝缘体和半导体的光⼦吸收机制。

6. 对本征透明的电介质材料，说明能够导致半透明和不透明的三种内散射来源。

7. 简述红宝⽯和半导体激光器的构造和⼯作原理。

照⽚中四个带凹⼝的透明棒演⽰了光
弹性现象。

当发⽣弹性形变时，光弹性
试样的光学特性（例如，折射率）就会
变成各向异性了。

利⽤特殊的光学系统
和极化光就可以通过样品中形成的⼲
涉花样推导出样品内应⼒的分布。

照⽚
中所显⽰的四个光弹性样品中的花纹
说明了应⼒的集中和分布随着凹⼝⼏
何形状的变化。

21.1引⾔
光学特性指材料对所承受的电磁辐射尤其是可见光的响应。

本章⾸先讨论与电磁辐射本质相关的基本原理和概念，以及电磁辐射与固体材料的可能相互作⽤。

然后通过吸收、反射和透射特性探讨⾦属和⾮⾦属材料的光学⾏为。

最后⼏节概括了发光、光电导率和通过受激辐射实现的光放⼤（激光），这些现象的实际应⽤和通讯中使⽤的光纤维。

基本概念
21.2电磁辐射
经典理论认为，电磁辐射类似波动，由互相垂直的电场和磁场构成，其传播⽅向与电、磁场垂直（图21.1）。

光、热（或辐射能）、雷达波、⽆线电波、X －射线都属于电磁辐射。

属于那种电磁辐射主要由特定波长范围，以及根据产⽣这种电磁辐射的技术命名。

电磁辐射波谱有很宽的范围，从γ射线（由放射性材料发射），波长为10-12 m (10-3 nm)，经过X 射线、紫外线、可见光、红外光，最后到⽆线电波，波长可长达105 m 。

整个波谱⽤对数标度⽰于图21.2中。

可见光在很窄的波谱区域内存在，其波长范围在0.4 µm （4×10-7 m ）到0.7 µm 之间。

光的颜⾊由波长决定。

例如，波长为0.4 µm 的辐射是紫光，绿光和红光分别出现在⼤约0.5和0.65 µm 处。

各种颜⾊的光的波谱范围也⽰于图21.2中。

⽩光就是所有颜⾊的混合光。

下⾯的讨论主要集中在可见光相关内容，可见光定义为⾁眼能敏锐感知到的光。

在真空中，所有的电磁辐射以相同的速度传播，这⼀速度称为光速，⼤⼩为3×108 m/s 。

光速c 与真空介电常数ε0和真空磁导率µ0相关：
001
µε=c （21.1）
因此，电磁常数c 和电学常数、磁学常数相互关联。

此外，电磁辐射的频率ν和波长λ与速度通过下式联系在⼀起，
νc λ= (21.2)
频率的单位是赫兹(Hz)，1Hz =1个循环每秒。

波谱图（图21.2）中也包括了各种电磁辐射的频率范围。

图21.1电磁波⽰意图，E
表⽰电场分量，H 表⽰磁场
分量，λ表⽰波长。

图21.2电磁辐射波谱，包括可见光波谱范围内各种颜⾊的光的波长范围
有时候，从量⼦⼒学的⾓度理解电磁辐射更为简单。

从量⼦⼒学⾓度出发，辐射不是由波动组成，⽽是由⼀组能量量⼦组成。

这些能量量⼦称为光⼦，光⼦的能量是量⼦化的，或者只能具有特定值，
λνhc
h E == (21.3)
这⾥h 是⼀个普适常数，称为普朗克(Planck)常数，h=6.63×10-34 J-s 。

因此光⼦的能量与辐射的频率成正⽐，或者与波长成反⽐。

在电磁波谱（图21.2）中，也包含了光⼦的能
量。

当描述设及到辐射与物质相互作⽤的光学现象时，如果把光当作光⼦来处理，得到的解释更容易理解。

其它时候把光作为波动处理更合适。

在本书的讨论中我们将使⽤光⼦和光波两种处理⽅法。

21.3光与固体相互作⽤
当光由⼀种介质进⼊另⼀种介质时（例如，由空⽓进⼊固体），会发⽣⼏种现象。

⼀部分光穿透介质；⼀部分光被吸收；还有⼀部分光在两种介质的界⾯被反射。

⼊射到固体介质表⾯的⼊射光的强度I o ⼀定等于透射光I T 、吸收光I A 、反射光I R 的强度之和：
R A T o I I I I ++= (21.4)
辐射强度的单位为⽡特每平⽅⽶，表⽰单位时间穿过与光传播⽅向垂直的单位⾯积的光的能量。

公式21.4的另⼀种形式是：
1=++R A T (21.5)
其中T 、A 和R 分别表⽰透射率（I T /I O ）、吸收率（I A /I O ）和反射率（I R /I O ），或者，⼊射光被物质透射、吸收和反射的百分率。

这三者之和⼀定等于1，因为所有的⼊射光或者被透射，或者被吸收，或者被反射。

能够透射光，吸收和反射都很⼩的材料是透明的，⼈们可以看透材料。

光穿过半透明材料时发⽣漫散射，即光在材料内部被散射，以⾄于透过这种材料试样，⼈们不能清楚地分辨物体。

那些可见光
透射不过去的材料是不透明材料。

⼤块⾦属在整个可见光谱范围内是不透明的。

即全部⼊射光或者被吸收或者被反射。

另⼀⽅⾯，电绝缘材料可以做成透明的。

此外，⼀部分半导体材料是透明的，⽽另⼀些是不透明的。

21.4电⼦性和原⼦性相互作⽤
发⽣在固体材料内的光学现象涉及到了光和原⼦、离⼦和/或电⼦之间的相互作⽤。

其中最重要的两种作⽤是电⼦极化和电⼦能级跃迁。

电⼦极化
电磁波的⼀个分量是快速振荡的电场（图21.1）。

在可见光频率范围内，电场分量与传播路径上每个原⼦周围的电⼦云相互作⽤，引起电⼦极化，即造成电⼦云相对原⼦核电荷中⼼发⽣偏离。

偏离⽅向与电场分量的⽅向相同，如图18.6aW 所⽰。

极化导致两个结果：(1)⼀部分辐射能被吸收；(2)光波穿过介质时减速，导致折射，21.5节将讨论这⼀现象。

电⼦跃迁
电磁辐射的吸收和发射都可能涉及到电⼦从⼀个能量状态到另⼀个能量状态的跃迁。

为了讨论⽅便，考虑⼀个孤⽴的原⼦，其电⼦能级图如图21.3所⽰。

电⼦可以吸收⼀个光⼦能量，从能量为E 2的填充态激发到能量为E 4的更⾼空能级态，电⼦能量的变化?E 与辐射频率的关系式为：
ν=?h E (21.6)
同样，h 是普朗克常数。

此处需要理解很重要的两个概念。

第⼀，因为原⼦的能级状态是分⽴的，在能级之间只存在特定的?E ，因此只有与?E 相应的频率的光⼦才能通过电⼦跃迁被原⼦吸收，⽽且每次激发将吸收⼀个光⼦的全部能量。

第⼆个重要的概念是激发电⼦不能在激发态⽆限停留，停留⼀段时间后，电⼦将回到或者衰变回基态或未激发能级，同时重新发射电磁辐射。

衰变有⼏种可能的⽅式，这⼏种⽅式将在以后讨论。

⽆论那种⽅式，电⼦跃迁时吸收和发射的能量必须守恒。

正如后⾯的讨论所显⽰的，固体材料的光学特性与电磁辐射的吸收和发射相关，可以⽤材料的电⼦能带结构（见18.5节）和电⼦跃迁原理进⾏解释。

这些将在后⾯的两个篇幅进⾏总结。

图21.3对⼀个孤⽴原⼦，电⼦从
⼀个能级激发到另⼀个能级吸收
的光⼦的⽰意图。

光⼦的能量h ν42
必须严格等于两个能级的能量差
（E 4－E 2）。

⾦属的光学特性
考虑图18.4a和18.4b所⽰的⾦属的电⼦能带图，在两种情况下，⾼能带都是仅仅被电⼦部分填充。

因此可见光频率范围内的⼊射光都可以将电⼦激发到费⽶能级以上的未填充能态，⾦属不透明，如图21.4a所⽰。

根据公式21.6，⼊射光被吸收。

在很薄的表⾯层内，⼊射光被完全吸收，吸收层的厚度通常⼩于0.1 µm。

因此，只有当⾦属薄膜的厚度⼩于0.1µm时，才可能透过可见光。

由于⾦属中空电⼦态始终存在，图21.4a所⽰的电⼦跃迁可以随时发⽣，因此⾦属吸收所有频率的可见光。

事实上，⾦属对波谱中低频端所有的电磁辐射都是不透明的，从⽆线电波经过远红外、可见光、⼀直到紫外辐射的⼀半。

⾦属对⾼频辐射（X－射线和γ射线）是透明的。

吸收的⼤部分辐射⼜以相同波长可见光的形式从表⾯发射出去，这就是反射光。

电⼦跃迁伴随地辐射⽰于图21.4b中。

⼤多数⾦属的反射率介于0.90到0.95之间，电⼦衰变过程中只有很⼩⽐例的能量被当作热量散掉。

图21.4 (a)⾦属材料光⼦吸收机制⽰意图，电⼦激发到⾼能未占据状态，电
⼦的能量变化?E等于吸收光⼦的能量。

(b)电⼦由⾼能态直接跃迁
到低能态，重新发射光⼦。

由于⾦属不透明，⽽且⾼度反射光，因此⾦属的颜⾊由未吸收光和反射光的波长分布决定。

在⽩光下是明亮的银⾊，说明⾦属对整个可见光都是⾼度反射的，换句话说，反射光的组成，在频率和数量上，与⼊射光⼤约相同。

铝和银表现出这种反射⾏为。

铜和⾦分别表现桔红和黄⾊，这是因为⼀部分与短波长光⼦相关的能量没有作为可见光重新发射。

⾮⾦属的光学特性
基于其电⼦能带结构，⾮⾦属材料可以透射可见光。

因此除了反射和吸收之外，还需要考虑折射和透射现象。

21.5折射
光进⼊透明材料内部后速度降低，因此在界⾯发⽣弯曲，这种现象称为折射。

材料折射率n定义为真空中光的速度c与介质中光的速度v的⽐值，即：
v
c n = (21.7) n 的⼤⼩（或弯曲程度）与光的波长有关，我们熟知的玻璃棱镜将⼀束⽩光分散或分裂成各种颜⾊的光就是这⼀效应的⽰意图，每种颜⾊的光在进⼊玻璃和从玻璃中射出时，发⽣偏转的程度不同，这导致颜⾊的分离。

折射率不仅影响光的传播路径，⽽且正如下⾯将要解释的，还影响⼊射光在表⾯受到的反射的分数。

类似公式21.1定义了c 的⼤⼩⼀样，介质中的光速v 有等价的表达式：
εµ1
=v (21.8)
其中ε和µ分别是介质的介电常数和磁导率。

由公式21.7，我们得到：
r r o
o v c n µεµεεµ=== (21.9) 其中εr 和µr 分别是相对介电常数和相对磁导率。

由于绝⼤多数物质仅仅是弱磁性，µr ?1，因此：
r n ε? (21.10) 因此，对透明材料，折射率和介电常数有关。

正如前⾯提到的，可见光的折射现象与⾼频电⼦极化有关（参见21.4节），因此介电常数的电分量可以通过测量折射率，由公式21.10确定。

由于在介质中，电磁辐射的降速由电⼦极化引起，构成原⼦或离⼦的⼤⼩对极化效应有很⼤的影响，因此⼀般情况下，原⼦或离⼦尺⼨越⼤，电⼦极化也越⼤，速度越低，折射率越⼤。

钠－钙玻璃的折射率的典型值⼤约为1.5。

在玻璃中添加尺⼨⼤的钡和铅离⼦（BaO 和PbO ）可以极⼤地增加n 。

例如，含有90 wt% PbO 的⾼铅玻璃，折射率⼤约为2.1。

对于玻璃和具有⽴⽅晶体结构的晶体陶瓷，折射率与晶体学⽅向⽆关（即各向同性）。

但是⾮⽴⽅结构晶体，n 是各向异性的，即离⼦排列密度最⼤的⽅向，折射率最⼤。

表21.1给出了⼏种玻璃、透明陶瓷和聚合物的折射率。

对于各向异性的多晶陶瓷，表中给出的是n 的平均值。

21.6反射
当光线从⼀种介质进⼊折射率不同的另⼀种介质时，即使两种介质都是透明的，也将有⼀部分光在两种介质界⾯受到散射。

反射率R 表⽰⼊射光在界⾯上被反射的分数。

o
R I I R = (21.11) 这⾥，I o 和I R 分别是⼊射光和反射光的强度。

如果⼊射光与界⾯垂直，那么： 212
12???? ??+-=n n n n R (21.12)
其中，n 1和n 2分别是两种介质的折射率。

如果⼊射光与界⾯不垂直，R 与⼊射⾓有关。

当光线由真空或空⽓进⼊固体s 时，
2
11???? ??+-=s s n n R (21.13)
表21.1 ⼀些透明材料的折射率
材料折射率平均值
陶瓷
⽯英玻璃
1.458 硼硅玻璃
1.47 钠-钙玻璃
1.51 ⽯英（SiO 2)
1.55 重⽕⽯光学玻璃
1.65 尖晶⽯(MgAl 2O 4)
1.72 ⽅镁⽯(MgO)
1.74 刚⽟(Al 2O 3)
1.76 聚合物
聚四氟⼄烯
1.35 聚甲基丙烯酸甲酯
1.49 聚丙烯
1.49 聚⼄烯
1.51 聚苯⼄烯 1.60
这是因为空⽓的折射率⾮常接近1。

因此固体的折射率越⾼，反射率越⼤。

对普通硅酸盐玻璃，反射率⼤约为0.05。

正如固体的折射率与⼊射光波长有关，反射率也随波长变化。

在反射表⾯涂敷很薄的⼀层电介质材料，如氟化镁（MgF 2），可以极⼤地减⼩透镜和其它光学仪器的反射损失。

21.7吸收
⾮⾦属材料对可见光可能透明，也可能不透明，如果是透明的，通常有颜⾊。

从原理上讲，这类材料通过两种基本机制吸收光辐射，这两种机制同样也影响这类⾮⾦属材料的透射特性。

⼀个机制是电⼦极化（21.4节），在⾼频下，只有当⼊射光的频率接近组成原⼦的松弛频率时，电⼦极化对光的吸收才是重要的。

另⼀个机制涉及到了价带-导带电⼦跃迁，这与材料的电⼦能带结构有关。

18.5节已经对半导体和绝缘体的能带结构进⾏了讨论。

如图21.5a 所⽰，当电⼦由近满的价带穿过带隙跃迁到导带的⼀个空态上时，吸收⼀个光⼦，同时在导带产⽣⼀个⾃由电⼦，在价带产⽣⼀个空位。

同样，激发能量?E 与吸收光⼦的频率通过21.6式相联系。

只有当光⼦能量⽐带隙E g ⼤时，才能发⽣激发和吸收。

即
g E h >ν (21.14)
或⽤波长表⽰：
g E hc >λ
(21.15) 可见光的最短波长λ(min)⼤约为0.4 µm ，光速c =3×108 m/s ，h =4.13×10-15 eV-s ，能够吸收可见光的最⼤带隙能E g (max)为：
eV 1.3m 104)m/s 103)(s eV 1013.4((max)7815(min)=??-?==
--λhc E g (21.16a)
或者，带隙能⼤于3.1 eV 的⾮⾦属材料不能吸收可见光，如果是⾼纯材料，材料将是透明和⽆⾊的。

另⼀⽅⾯，可见光的最⼤波长λ(max)⼤约为0.7 µm ，能够吸收可见光的最⼩带隙能E g (min)为：
eV 8.1m 107)m/s 103)(s eV 1013.4((min)7815(max)=??-?==
--λhc E g (21.16b)
这⼀结果说明，当半导体材料的带隙能⼩于1.8 eV 时，通过电⼦的价带-导带跃
迁，材料可以吸收任何可见光，因此这时材料是不透明的。

带隙能介于1.8和3.1 eV
之间的材料，只吸收部分可见光，因此这些材料是有颜⾊的。

每种⾮⾦属材料都会在某些波段上不透明，这个不透明波段与带隙能E g ⼤⼩有关。

例如，⾦刚⽯，带隙能为5.6 eV ，对波长⼩于0.22 µm 的电磁辐射不透明。

在具有很宽带隙的电介质固体中，固体与光波也发⽣相互作⽤，相互作⽤不包括价带-导带电⼦跃迁。

如果其中存在杂质或者其它活性电⼦缺陷，有可能在带隙内引⼊能级，例如施主和受主能级（见18.11节），除⾮它们与带隙中⼼很靠近。

能级，包括带隙内能级之间电⼦跃迁的结果是发射具有特定波长的光波。

例如图21.6a 所⽰，具有⼀个杂质能级的材料的价带－导带电⼦激发。

同样，电⼦激发吸收的电磁能量必须通过某⼏种可能的⽅式散发掉。

⼀种是，电⼦和空位直接重新结合，反应式为：
电⼦＋空位能量(?E ) (21.17) 这个过程的⽰意图如图21.5b 所⽰。

此外，还可能发⽣电⼦多步跃迁，带隙内存在的杂质能级将参与跃迁。

⼀种可能性如图21.6b 所⽰，辐射两个光⼦，⼀个光⼦是电⼦由导带跃迁到杂质能级时辐射出的光⼦，另⼀个光⼦是电⼦由杂质能级衰变到价带时辐射出的光⼦。

也有可能其中⼀个跃迁产⽣的是声⼦（图21.6c ），声⼦的能量以热能的形式被散掉。

总吸收强度与介质的特性以及光波在介质内穿过的路径长度有关。

透射光或未吸收辐射的强度I 'T 随着光穿过的路程x 连续降低，
x o T
e I I β-'=' (21.18) 其中，I 'o 是未经反射的⼊射光的强度；β是吸收系数（单位是mm -1），取决于材料的性质，⽽且随着⼊射光的波长变化；路程x 从⼊射⾯开始测量。

β值越⼤，材料对光波的吸收越强。

图21.5 (a)⾮⾦属材料光⼦吸收
机制，价带上⼀个电⼦受激跃过
带隙，在价带留下⼀个空位，吸
收的光⼦的能量为?E ，?E 必须
⼤于带隙能E g 。

(b)激发电⼦直
接跃过带隙，发射光⼦。

图21.6 (a)带隙内存在杂质能级的材料，电⼦由价带激发到导带吸收光⼦；(b)激发电⼦
⾸先衰减到杂质能级，然后回到基态，同时辐射两个光⼦；(c)激发电⼦⾸先衰减到杂
质能级，最后回到基态，同时辐射⼀个光⼦和⼀个声⼦。

21.8透射
吸收、反射和透射是光穿过透明固体时发⽣的三种现象，如图21.7所⽰。

如果试样前表⾯接受到的⼊射光的强度为I o ，试样厚度为l ，吸收系数为β，那么从试样后表⾯射出的透射光的强度为：
l o T e R I I β--=2)1( (21.19)
这⾥R 是反射率。

这个表达式中假设了试样的前后表⾯处于相同的介质中。

21.19式的推导作为家庭作业留给同学。

⼊射光穿过透明介质后，透射光强度的⼤⼩与吸收和反射造成的损失有关。

根据21.5式，反射率R 、吸收率A 和透射率T 三者之和等于1，⽽且R 、A 和T 随⼊射光波长变化。

图21.8是绿⾊玻璃在可见光范围内R 、A 和T 随⼊射光波长变化曲线。

例如，当⼊射光波长为0.4 µm 时，透射、吸收和反射的⽐率分别⼤约为0.90、0.05和0.05。

然⽽，当⼊射光波长为0.55 µm 时，上述三个值分别成为0.50、0.48和0.02。

图21.7 穿过透明介质的透射光，
介质的前、后表⾯对光有反射，介
质对光有吸收。

21.9颜⾊
透明材料表现出颜⾊是材料选择吸收特定波长范围的光的结果，观察到的颜⾊是透射光的综合结果。

如果材料对所有可见光均匀吸收，材料是⽆⾊的。

例如⾼纯⽆机玻璃和⾼纯单晶⾦刚⽯和蓝宝⽯。

通常，所有的选择吸收都来⾃电⼦激发。

其中⼀种情况是具有带隙的半导体材料，带隙的⼤⼩在可见光能量范围内（1.8到3.1 eV ），因此能量⼤于E g 的那部分可见光被价带－导带电⼦跃迁选择吸收。

当然，当电⼦由激发态回到原来的低能状态时，⼀部分吸收的辐射⼜被重新发射出来。

重新发射的电磁辐射频率与吸收的电磁辐射频率不⼀定相同。

因⽽，介质的颜⾊与透射光和重新发射光两者的频率分布有关。

例如，硫化镉(CdS)的带隙为2.4 eV ，因此它可以吸收所有能量⼤于2.4 eV 的光⼦，这对应于可见光谱的蓝光和紫光部分，其中部分吸收能量以其它波长的光被辐射出去。

透射的可见光由能量介于1.8和2.4 eV 之间的光⼦组成。

由于透射光的成分，硫化镉具有桔黄⾊。

对于绝缘陶瓷，特定杂质在禁带隙内同样引⼊杂质电⼦能级，因此如图21.6b 和21.6c 所⽰，含有杂质原⼦和离⼦的电⼦衰减过程的⼀个结果，发射出了能量低于带隙的光⼦。

同样，材料的颜⾊是透射光波长分布的函数。

例如，⾼纯单晶氧化铝或蓝宝⽯是⽆⾊的，⽽红宝⽯有亮红⾊，它只不过是在蓝宝⽯中加⼊了0.5～2％的氧化铬(Cr 2O 3)，Cr 3+离⼦替代了Al 2O 3晶体结构中的Al 3+离⼦，因⽽在蓝宝⽯的宽带隙内引⼊了杂质能级。

价带－导带电⼦跃迁吸收的光辐射，其中⼀部分作为电⼦从或到杂质能级跃迁的结果，以特定波长被重新发射出来。

蓝宝⽯和红宝⽯的透射率随波长的变化曲线⽰于图21.9中。

在可见光谱范围内，蓝宝⽯的透射率随波长变化相对稳定，因此蓝宝⽯⽆⾊。

但是红宝⽯表现出很强的吸收峰（或
者极⼩值），⼀个吸收峰在蓝－紫光区域（波长⼤约为0.4 µm 处），另⼀个吸收峰在黄－绿光区域（波长⼤约为0.6 µm 处），因此透射光与重新发射光共同赋予红宝⽯深红⾊。

图21.8光穿过绿⾊玻璃，透射、
吸收和反射的⽐率随⼊射光波长
的变化。

图21.9蓝宝⽯（单晶氧化铝）和红宝⽯
（含有⼀定氧化铬的氧化铝）的透射率随
波长的变化。

蓝宝⽯⽆⾊，⽽红宝⽯由于
对特定波长范围内的选择吸收表现出红
⾊。

在处于融化状态的玻璃中加⼊过渡或稀⼟离⼦可以使⽆机玻璃具有颜⾊。

离⼦与其代表颜⾊包括：Cu 2+，蓝－绿⾊；Co 2+，蓝－紫⾊；Cr 3+，绿⾊；Mn 2+，黄⾊；Mn 3+，紫红⾊。

这些有⾊玻璃可以⽤作釉料或瓷器上的装饰涂层。

21.10绝缘体的不透明和半透明
内禀透明的介电材料，其半透明和不透明度在很⼤程度上依赖于这种材料的透射和内部反射特性。

许多内禀透明的介电材料因为内部反射和折射，可以制成半透明甚⾄不透明。

透射光偏离原⼊射⽅向，⽽且多次散射的结果形成漫散射。

当散射很强，以⾄于后表⾯没有任何未偏转透射光时，材料不透明。

内散射有⼏个不同的来源。

折射率各向异性的多晶试样通常表现出半透明，发⽣在晶界的反射和折射造成⼊射光分散，这是由于晶体学取向不同的相邻晶粒折射率略有差别。

在两相材料中，如果⼀个相均匀地分散在另⼀个相中，也发⽣光的散射。

同样，当两个相的折射率不同时，在两相界⾯处，光线发⽣分散。

两相的折射率相差越⼤，散射效率越⾼。

经过⽣产和加⼯后，许多陶瓷⼯件含有⼀定量分散很细密的残余孔洞，这些孔洞也会对光线进⾏有效的散射。

图21.10⽰意了单晶、致密多晶和多孔（～5％孔洞率）氧化铝试样的透光特性的差别。

单晶完全透明，多晶和多孔材料分别是半透明和不透明。

对本征聚合物（没有添加剂和杂质），半透明程度主要受到结晶度的影响。

⼀部分可见光的散射发⽣在晶体区和⾮晶体区的界⾯，同样是折射率不同造成的结果。

对⾼度晶化试样，散射程度很强，因此材料半透明，⽽且在某些情形下，甚⾄不透明。

⾼度⾮晶聚合物是完全透明的。

光学现象的应⽤
21.11发光
某些材料吸收能量后能够重新发射可见光，这种现象称为发光。

发射的光⼦是固体中电⼦跃迁产⽣的。

⼀个电⼦向激发态跃迁时吸收能量；当电⼦跳回到低能态时，如果1.8 eV< h <3.1 eV ，发射可见光。

吸收的能量可以由⾼能电磁辐射提供（造成价带－导带跃迁，如图21.6a 所⽰），例如紫外光或者其它来源，如⾼能电⼦，或者热能、机械能和化学能。

⽽且，根据吸收和再发射两个事件之间迟豫图21.10照⽚显⽰了三种氧化铝试样的
透光度。

从左到右分别为：透明单晶材
料（蓝宝⽯）；半透明的致密多晶（⾮
孔）材料；不透明的含有⼤约5％孔洞
率的多晶材料。

时间的长短，可以对发光进⾏分类。

如果重新发射的迟豫时间远远短于1秒，这种现象称为荧光；如果迟豫时间⽐较长，称为磷光。

有⼀系列的材料可以发射荧光或磷光，这些材料包括⼀些硫化物、氧化物、钨酸盐类和少数有机材料。

通常，纯净的材料不表现这种现象，要产⽣这种现象，必须控制浓度的加⼊杂质。

发光有⼀系列的商业⽤途。

荧光灯有⼀个玻璃管，玻璃管内部⽤特制的钨酸盐或硅酸盐涂敷，在管内⽔银辉光放电产⽣紫外光，紫外线照射到涂层上，导致涂层产⽣荧光现象，发射⽩光。

在电视屏幕上看到的图像就是发光的结果，电视屏幕的内部涂有⼀层荧光材料，当显像管内的电⼦束很快的扫过屏幕时，荧光材料发出荧光。

利⽤发光也可以探测x-射线和 -射线，某些磷光粉受到不可见电磁辐射束的照射时发射可见光或者辉光。

某些p-n整流结，如18.15节所述，也可以⽤来在所谓的电⼦发光过程中产⽣可见光。

当在器件两端加正向偏压时，电⼦和空位在复合区内根据公式21.17相互湮灭。

在某些情形下，产⽣的能量以可见光形式释放。

这种发出可见光的⼆极管就是熟知的发光⼆极管（LEDs），可⽤于数字显⽰器。

发光⼆极管LED的颜⾊特征依赖于所使⽤的具体半导体材料。

21.12光电导率
根据公式18.13，半导体材料的电导率与导带上⾃由电⼦的数⽬和价带上空位数⽬有关。

与晶格振动相关的热振动能能够促进电⼦激发，从⽽产⽣更多的⾃由电⼦和/或空位，如18.6所述。

当光照射时，吸收光⼦能量，光⼦引起电⼦跃迁的结果是产⽣附加的载流⼦，伴随的电导率的增加称为光电导率。

因此，⽤光照射光电导材料试样时，电导率增加。

这⼀现象可以⽤于摄影测光表中。

测量光感应电流，光感应电流的⼤⼩是⼊射光强度或者撞击材料的光⼦的速度的直接函数。

当然，可见光必须能够引起材料中电⼦产⽣跃迁，硫化镉是测光表中常⽤的材料。

太阳能电池也使⽤半导体，它可以直接将太阳能转换成电能。

这种器件的功能，从某种意义上说，与发光⼆极管相反。

p-n结将光⽣电⼦和空位从结区处被反向拉开，成为外部电流的⼀部分。

21.13激光
迄今为⽌所讨论的所有由电⼦跃迁产⽣的辐射都是⾃发的；即，⼀个电⼦由⾼能状态跳回到低能状态，不需要任何外部刺激，跃迁随机发⽣，跃迁之间相互独⽴，产⽣不相⼲辐射；即光波相互之间位相不同。

⽽激光是相⼲光，通过外部刺激，触发电⼦发⽣跃迁。

事实上，“激光（Laser）”仅仅是通过受激辐射发射进⾏光放⼤(Light Amplification by Stimulated Emission Radiation)的⾸字母缩略词。

尽管，存在各种不同种类的激光器，但是激光器的⼯作原理可以⽤固态红宝⽯激光器进⾏解释。

红宝⽯是添加了0.05％的Cr3+离⼦的Al2O3单晶。

正如前⾯所说（21.9节），加⼊的Cr3+离⼦赋予红宝⽯红光特征。

⽽且更为重要的是，这些离⼦提供了激光⼯作必须的电⼦态。

红宝⽯激光器是棒状，棒的两端很平整，互相平⾏，经过⾼度抛光，然后表⾯镀银，因此⼀端对光完全反射，另⼀端对光半透射。