光学性质
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吸收系数
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§３ 介质对光的吸收
3.2 吸收定律
一 吸收定律 - 布格定律
光通过物质时，光波中的振动着的电矢量，将使物质中的 带电粒子作受迫振动，光的部分能量将用来提供这种受迫 振动所需要的能量。 这些带电粒子如果与其它原子或分子发生碰撞，振动能量 就会转变为平动动能，从而使分子热运动能量增加，物体 发热。 光的部分能量被组成物质的微观粒子吸取后转化为热能， 从而使光的强度随着穿进物质的深度而减小的现象，称为 光的吸收（absorption）。
该原理适用于机械波和电磁波
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§2. 光的反射与折射
2.2 折射率与传播速度的关系
二、折射定律：
n21
v1 v2
n2 n1
材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。
光密介质：在折射率大的介质中，光的传播速度慢；
光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快。
材料的折射率从本质上讲，反映了材料的电磁结构 （对非铁磁介质主要是电结构）在光波作用下的极化 性质或介电特性。
媒质中波动传到的各点，都可以看作是发射子波的 波源，而在其后的任意时刻，这些子波的包络面就 是新的波面。
也就是说，光波波前（最前沿的波面）上的每一点 都可看作球面次波源，每一次波源发射的球面波以 光波的速度v传播，经过时间∆t之后形成球面半径 为v∆t的球面次波。如此产生的无数个次波的包络 就是∆t时间后的新波前。
聚集热的地方探测到。蛇和其他一些生物对红外线很敏感； 红外线不能透过玻璃，这一特性可以解释温室效应：晴天时， 经过温室玻璃的可见光被植物吸收，而红外线被再次辐射， 被玻璃捕获的红外线引起温室内部的温度升高，整个宇宙充 满了宇宙大爆炸时残留的冷却物质发出的红外辐射。
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§1. 光的基本性质
1.3 光与固体的相互作用
光与固体相互作用的本质有两种方式：
电子极化 电子能态转变
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§1. 光的基本性质
1.3 光与固体的相互作用
电子极化
电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量； 在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每 一个原子都发生相互作用引起电子极化，即造成电 子云与原子核的电荷中心发生相对位移； 所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时 光速减小，后者导致折射。
§1. 光的基本性质
1.2 电磁波谱
无线电波－波长比可见光长得多，不能引起人的视觉，可
以引起电子的振荡。由于波长很长，一个金属网笼，甚至桥 梁上的钢架就可以将其阻止。
微波－波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食物里很容
易被水分子吸收，可是食物迅速被加热。
红外线（IR）－分布在微波和可见光之间，且仅能够在它
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§３ 介质对光的吸收
在光束通过物质时，它的传播情况将要发生变化。首先光 束越深入物质，它的光强将越减弱，这是由于一部分光的能量 被物质所吸收，而另一部分光向各个方向散射所造成的，这就 是光的吸收和散射现象。
其次，光在物质中的速度将小于光在真空中的速度，并将随 频率而改变，这就是光的色散现象，光的吸收、散射和色散这 三种现象，都有是由于光与物质的相互作用引起的，实质上是 由光与原子中的电子相互作用引起的。
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§2. 光的反射与折射
2.1 反射定律与折射定律
光的反射和折射 反射定律
三线共面； 反射角等于入射角
折射定律
三线共面；
sin i
sin
u1 u2
n21
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§2. 光的反射与折射
2.2 折射率与传播速度的关系
一、惠更斯原理：为了说明光的传播定律，惠更斯ห้องสมุดไป่ตู้出了
一个普遍原理
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§３ 介质对光的吸收
3.4 一般吸收和选择吸收
除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明 的。
任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而 对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。
例如，在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在 紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象 为一般吸收；但是对于波长范围为3.5—5.0μm的红外光却是 不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸 收。换言之，石英对可见光和紫外线的吸收甚微，而对上述 红外光有强烈的吸收。
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§３ 介质对光的吸收
3.3 吸收的物理机制
材料对光的吸收机理：
电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒数处在同一 个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；
电子受激吸收光子而越过禁带；
电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光；
所以，只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能 量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中的电子 从较低能态跃迁到高能态。
光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出 的能量交换过程。
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§３ 介质对光的吸收
3.3 吸收的物理机制
禁带较宽的介电固体材料也可以吸收光波，但 吸收机理不是激发电子从价带跃迁到导带，而 是因其杂质在禁带中引进了附加能级，使电子 能够吸收光子后实现从价带到受主能级或从施 主能级到导带的跃迁。
这些现象是不同物质光学性质的主要表现，对它们的讨论可 以为我们提供关于原子、分子和物质结构的信息。本章侧重于 对现象及其唯象规律的描述，并用经典电子论对这些现象作进 一步的解释。
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§３ 介质对光的吸收
3.1 基本性质 定义
由于光是一种能量流，在光通过材料传播时，会引起材 料的电子跃迁或使原子振动，从而使光能的一部分变成 热能，导致光能的衰减，这种现象称为介质对光的吸收。
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§1. 光的基本性质
1.3 光与固体的相互作用
电子能态转变
电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能 态的过程；
材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子 激发到较高能级上去，电子发生的能级变化∆E与电磁波频 率有关： ∆E=hν
受激电子不可能无限长时间地保持.在激发状态，经过一个 短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波，即自 发辐射。
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§4 介质对光的散射
4.1 光散射现象
当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看 到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则 从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀 性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为 光的散射。 例如，当一束太阳光从窗外射进室外内时，我们 从侧面可以看到光线的径迹，就是因为太阳光被 空气中的灰尘散射的缘故。
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§３ 介质对光的吸收
3.2 吸收定律
一 吸收定律 - 布格定律
光通过物质时，光波中的振动着的电矢量，将使物质中的 带电粒子作受迫振动，光的部分能量将用来提供这种受迫 振动所需要的能量。 这些带电粒子如果与其它原子或分子发生碰撞，振动能量 就会转变为平动动能，从而使分子热运动能量增加，物体 发热。 光的部分能量被组成物质的微观粒子吸取后转化为热能， 从而使光的强度随着穿进物质的深度而减小的现象，称为 光的吸收（absorption）。
该原理适用于机械波和电磁波
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§2. 光的反射与折射
2.2 折射率与传播速度的关系
二、折射定律：
n21
v1 v2
n2 n1
材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。
光密介质：在折射率大的介质中，光的传播速度慢；
光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快。
材料的折射率从本质上讲，反映了材料的电磁结构 （对非铁磁介质主要是电结构）在光波作用下的极化 性质或介电特性。
媒质中波动传到的各点，都可以看作是发射子波的 波源，而在其后的任意时刻，这些子波的包络面就 是新的波面。
也就是说，光波波前（最前沿的波面）上的每一点 都可看作球面次波源，每一次波源发射的球面波以 光波的速度v传播，经过时间∆t之后形成球面半径 为v∆t的球面次波。如此产生的无数个次波的包络 就是∆t时间后的新波前。
聚集热的地方探测到。蛇和其他一些生物对红外线很敏感； 红外线不能透过玻璃，这一特性可以解释温室效应：晴天时， 经过温室玻璃的可见光被植物吸收，而红外线被再次辐射， 被玻璃捕获的红外线引起温室内部的温度升高，整个宇宙充 满了宇宙大爆炸时残留的冷却物质发出的红外辐射。
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§1. 光的基本性质
1.3 光与固体的相互作用
光与固体相互作用的本质有两种方式：
电子极化 电子能态转变
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§1. 光的基本性质
1.3 光与固体的相互作用
电子极化
电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量； 在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每 一个原子都发生相互作用引起电子极化，即造成电 子云与原子核的电荷中心发生相对位移； 所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时 光速减小，后者导致折射。
§1. 光的基本性质
1.2 电磁波谱
无线电波－波长比可见光长得多，不能引起人的视觉，可
以引起电子的振荡。由于波长很长，一个金属网笼，甚至桥 梁上的钢架就可以将其阻止。
微波－波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食物里很容
易被水分子吸收，可是食物迅速被加热。
红外线（IR）－分布在微波和可见光之间，且仅能够在它
第7页/共34页
§３ 介质对光的吸收
在光束通过物质时，它的传播情况将要发生变化。首先光 束越深入物质，它的光强将越减弱，这是由于一部分光的能量 被物质所吸收，而另一部分光向各个方向散射所造成的，这就 是光的吸收和散射现象。
其次，光在物质中的速度将小于光在真空中的速度，并将随 频率而改变，这就是光的色散现象，光的吸收、散射和色散这 三种现象，都有是由于光与物质的相互作用引起的，实质上是 由光与原子中的电子相互作用引起的。
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§2. 光的反射与折射
2.1 反射定律与折射定律
光的反射和折射 反射定律
三线共面； 反射角等于入射角
折射定律
三线共面；
sin i
sin
u1 u2
n21
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§2. 光的反射与折射
2.2 折射率与传播速度的关系
一、惠更斯原理：为了说明光的传播定律，惠更斯ห้องสมุดไป่ตู้出了
一个普遍原理
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§３ 介质对光的吸收
3.4 一般吸收和选择吸收
除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明 的。
任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而 对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。
例如，在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在 紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象 为一般吸收；但是对于波长范围为3.5—5.0μm的红外光却是 不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸 收。换言之，石英对可见光和紫外线的吸收甚微，而对上述 红外光有强烈的吸收。
第10页/共34页
§３ 介质对光的吸收
3.3 吸收的物理机制
材料对光的吸收机理：
电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒数处在同一 个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；
电子受激吸收光子而越过禁带；
电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光；
所以，只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能 量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中的电子 从较低能态跃迁到高能态。
光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出 的能量交换过程。
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§３ 介质对光的吸收
3.3 吸收的物理机制
禁带较宽的介电固体材料也可以吸收光波，但 吸收机理不是激发电子从价带跃迁到导带，而 是因其杂质在禁带中引进了附加能级，使电子 能够吸收光子后实现从价带到受主能级或从施 主能级到导带的跃迁。
这些现象是不同物质光学性质的主要表现，对它们的讨论可 以为我们提供关于原子、分子和物质结构的信息。本章侧重于 对现象及其唯象规律的描述，并用经典电子论对这些现象作进 一步的解释。
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§３ 介质对光的吸收
3.1 基本性质 定义
由于光是一种能量流，在光通过材料传播时，会引起材 料的电子跃迁或使原子振动，从而使光能的一部分变成 热能，导致光能的衰减，这种现象称为介质对光的吸收。
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§1. 光的基本性质
1.3 光与固体的相互作用
电子能态转变
电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能 态的过程；
材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子 激发到较高能级上去，电子发生的能级变化∆E与电磁波频 率有关： ∆E=hν
受激电子不可能无限长时间地保持.在激发状态，经过一个 短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波，即自 发辐射。
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§4 介质对光的散射
4.1 光散射现象
当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看 到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则 从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀 性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为 光的散射。 例如，当一束太阳光从窗外射进室外内时，我们 从侧面可以看到光线的径迹，就是因为太阳光被 空气中的灰尘散射的缘故。