04 第4章材料的光学性能1.16

为了理解光子与固体作用的四种现象，应首先了解折射率、色散！
4.材料折射率及其影响因素
入射角、折射角与材料的折射 率、有下述关系：
入射束 1
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。
2
折射束
4.材料折射率及其影响因素
n 1 2 R( ) n 1
若介质1是空气，则
若两种介质的折射率相差越大，则反射损 失越大，光的透过率越低。
6.材料的透射及其影响因素
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。
样，可见光在传播时，存在呈周期变化
的电场和磁场分量，且电场、磁场和传 播方向三者之间相互垂直。
可见光七彩颜色的波长和频率范围
光色 波长(nm) 红 橙 黄 绿 750~622 622~597 597~577 577~492 频率(Hz) 中心波长 (nm) 660 610 570 540
青
兰 紫
492~470
0 A R
A 透射系数：T ； 吸收系数： ； 0 0 R 反射系数： R ； 散射系数： 0 0
T R 1
3.光子与固体材料相互作用的微观机制
从微观上分析，光子与固体材料相互作用，实 际上是光子与固体材料中的原子、离子或电子 相互作用的结果。 光与固体相互作用的本质有两种方式：
介质对光的吸收,不仅与介质的电子能带结构 有关外，还与光程有关，即介质厚度和光的 波长有关。 设入射光的强度为I0,经过厚度 为x的介质后，光的强度为: 朗伯特定律 式中：α为物质对光的吸收系数，其单位为cm-1，α取 决于材料的性质和光的波长。α越大，材料越厚，光就 被吸收得越多，而透过后的光强度就越小。
注意：每一种无机非金属材料对特定波长以下的 电磁波不透明，其具体波长取决于禁带宽度Eg。
作业：已知金刚石的Eg=5.6ev, 1J=6.242×1018 ev,
h=6.6×10-34J· s, c=3×108m· s-1,问：金刚石对 λ =0.11μm的电磁波是否透明？（假定材料处处均匀， 反射及散射可忽略）。
能 量
0 0 0 0 0 0 0
E
空能态
能 量
0 0 0 0 0 0
E
费密能
费密能 反射的光子
吸收的光子
a)
被电子占 据的能态
b)
图4.5 金属吸收光子后电子能态的变化
6.1金属的光透过性质
金属的反射，是由吸收再反射综合造成的。 结论：金属对可见光是不透明的，只有对高频电 磁波X射线和γ射线是透明的。金属和可见光间的 作用主要是反射，从而产生金属的光泽。 应用：大多数金属的反射系数在0.9~0.95之间，利 用金属对光的高反射系数，可在其他材料底上镀上金 属薄层做反光镜用。
①电子极化 ②电子能态转变
① 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。 正是因为介质的极化“拖住”了电磁波的步伐， 使其传播速度比真空中慢，导致折射产生。
光学材料的应用，一般希望材料的透射系数（透过 率）高，除界面反射损失外，材料对入射光的吸收 及其散射，是影响材料光透过率的二个方面。
6.1金属的光透过性质
以铜为镜,可以正衣冠; 以史为镜,可以知兴亡; 以人为镜,可以明得失.” ----魏征(唐)
金属对可见光是不透明的，其原因是在金属的电子 能带结构中，费密能级以上存在许多空能级。
(a)电子受激越过禁带，在价带中留下一个空穴； (b) 电子返回价带时与空穴结合发射出一个光子。
所以，只有当入射光子的能量hc/λ大于禁带宽 度Eg时，才能以这种机制产生吸收。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。
讨论：
470~455 455~400
3.9 1014 ~ 4.8 1014 4.8 1014 ~ 5.0 1014 14 14 5.0 10 ~ 5.4 10 14 14 5.4 10 ~ 6.1 10 6.1 1014 ~ 6.4 1014 6.4 1014 ~ 6.6 1014 6.6 1014 ~ 7.5 1014
6.1金属的光透过性质
当金属受到光线照射时，电子容易吸收入射光子的能量而被激发到 费密能级以上的空能级上。由于金属的费密能级以上有许多空能级， 因而各种不同频率的可见光，即具有各种不同能量的光子都能被吸 收。事实上，金属对所有低频电磁波都是不透明的。
大部分被金属吸收的光又会从表面上以同样波长的光波发射出来， 表面为反射光(R接近1，还有一部分能量以热的形式损失掉了）。
• 红外线（IR）－分布在微波和可见光之间，且仅能够
在它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。
γ 射线和宇宙射线：
• 波长最短，波长尺寸约为原子核大小量级;
• γ 射线产生于核反应及其他特殊的激发过程; • 宇宙射线来自地球之外的空间。
2.光通过固体现象
光从一种介质进入另一种介质时：一部分透过 介质，一部分被吸收，一部分在两种介质的界 面上被反射，一部分被散射。
设： υ0为入射到材料表面的光辐射能流率，透过、吸收、反射 和散射的光辐射能流率分别为： φτ、 υA、 υ R、υσ，则：
光学玻璃或多或少都存在色散现象。因此，使用这种材 料制成的单片透镜，成像不够清晰，在自然光的透过下， 在像的周围环绕了一圈色带。克服的方法是：用不同牌号 的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜组成的复合镜头， 就可以消除色差——消色差镜头。
5.材料的反射系数和影响因素
反射系数
n21 1 2 R( ) n21 1
光的本性：
“光波是电磁波”
真空中
c
1
0 0
2.99792458 108 ms 1
介质中
v 1


1
0 r 0 r

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
c
r r
c为真空中光的速度， εr为介质的相对 介电常数，μ r为介质的相对磁导率。
可见光是电磁辐射波谱的波长在400nm到
750nm范围的一个波段。与电磁辐射波一
480
460 430
人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。
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。
光学塑料被普遍用在隐形眼镜上。
§4.2 光和固体的相互作用
关于光的疑惑
1.光的波粒二象性
关于光的认识
光的本性：（1905年，爱因斯坦提出：光的粒子性） 光同时具有波、粒二象性，波、粒二象性的联系：
E mc h
2
p mc
h

m
E c2
波动性：表现在传播过程中 （干涉、衍射）
粒子性：表现在与物质相互作用中 （光电效应、康普顿效应）
2）材料的结构、晶型
均匀介质：光速不因入射方向而改变，故材料只有一个折射率。 如：非晶态和立方晶体结构。 非均匀介质：除了立方晶体外的其他晶型。光进入介质时产生 双折射现象。
4.材料折射率及其影响因素
3）材料存在的内应力
有内应力的透明材料，垂直于主应力方向的n值大，平行 于主应力方向的n值小。
4）同质异构体
• 紫外线（UV）：频率高于可见光的，不能引起视觉， 对生命有危害，来自太阳的紫外线几乎被大气中的 臭氧完全吸收，臭氧保护着地球的生命，少量透过 大气的紫外线会晒黑皮肤或使进行日光浴的人体产 生晒斑。 • X射线：波长比紫外线还短的电磁波，它们很易穿 过大多数物质。致密的物质、固体材料比稀疏物质 容易吸收更多的X射线，这就是为什么在X射线照片 上显现的是骨骼而不是骨骼周围的组织。其波长可 与原子尺寸相比拟。
可见光中波长最短的是紫 光，波长最长的是红光。
min 0.4 m, max 0.7 m,
E
g max

hC
min
hC
3.1eV 1.8eV
Eg
min
max
Eg<1.8eV的半导体材料，是不透明的。 因为所有可见光都可以通过激发价带电子向导带转移而被 吸收。 Eg=1.8eV3.1eV的非金属材料，是带色透明的。 因为只有部分可见光通过激发价带电子向导带转移而被材料 吸收。 Eg＞3.1eV的非金属材料，是无色透明的（若材料纯度很高，不 考虑反射和散射）。 因为可见光不能越过禁带，材料不能吸收可见光。
高温时的晶型折射率较低，低温时的晶型折射率较高。比 如，常温下，石英晶体 n=1.55；高温时，方石英n=1.49。
5）色散
——大多数情况下折射率总是随着波长的 增加而减小，这种性质称为色散。