第五章 材料的光学性质
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2012-10-25
• 介质净吸收的光波能量不仅与介质的特 性有关，而且与光程有关。透射光的辐 射能流率随光程x的增加而减小：
T e
, 0 , 0
x
0 R 吸收系数，
2012-10-25
mm
1
。
• 四、透射率和透明材料的 颜色 • P161 图4.16 和图4.17
2012-10-25
§5-4 光学现象
• 一、光纤（光导纤维） • 光纤是20世纪60年代激光发现之后，人们 期望使用的光通讯传输介质，由于中国科 学家高锟（Kao K C）的这个预见，他被誉 为光纤通讯的先驱。目前，光纤已广泛应 用于通讯、传感器、医学等领域。
2012-10-25
• 1、光纤的工作原理 • 从折射定律可知，当光线从折射率较高 的透明介质入射到折射率较低的透明介质 时，折射角大于入射角。因此当入射角大 于某一临界值时，折射角将大于/等于90度， 从而发生全反射。光纤做为传输光的介质 的道理就在于此。
2012-10-25
§5-2 金属的光学性质
• • • • 一、金属对可见光的不透明性 P149 图4.5 金属对可见光是不透明的。 只要厚度大于0.1um，就可吸 收全部光能，只有厚度小于 0.1um的金属箔才可能透光。 • 无禁带，而且费米能级以上有 许多空能级。 • 事实上，金属对所有的低频电 磁波（从无线电波到中紫外线） 都是不透明的，只有对高频电 磁波，如γ 射线，X射线才是透 明的。
2012-10-25
电磁 波 λ /m
γ 射 线
10-10~10-14
X射线 紫外 线
10-8~10-12 10-6~10-9
可见 光
0.4~0.7*10-6
红外 微波 线
10-2 ~0.4*10-6 100~2*10-2
射频 TV
105~101
• 4.可见光是人肉眼能感知的电磁波，只占整个电磁波的 很窄波段；光线的颜色取决于波长。例如0.4um紫色， 0.4~0.5um蓝色，0.5um绿色，0.5~0.6um黄色，0.6um 橙色，0.65um红色。白光是各种带色光的混合光。 • 5.电磁波在真空中的传播速度都是C=3*108m/s。 • C与真空介电常数ε 0和真空磁导率μ0之间的关系为：
ln( I I0 ) t
I 0 为开始发光时的强度；
式中： 为驰预时间，
2012-10-25
I 为激发去除后
t 秒内的光强度。
•发光现象的实际应用：
1.电视 2.荧光灯 3.X射线、γ 射线检测仪 4.发光二极管
2012-10-25
• 固体中出现的光学现象是电磁辐射与固体 材料中原子、离子和电子之间相互作用的 结果。最重要的两种作用是电子极化和电 子能态的改变。 （一）电子极化 在可见光频率范围内，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，即造成电子云和原子核的 电和中心发生相对位移。其结果：当光线 通过介质时，一部分能量被吸收，同时光 线速度减小，后者导致折射。
第五章 材料的光学性能
P143第四章
2012-10-25
1. 光是一种电磁波 2. 可见光的频率范围：4.2*1014~7.5*1014Hz 3. 可见光作用在固体上：宏观上出现反射、 折射、透射和吸收等现象；微观上则引起 组成材料的原子发生电子极化和（或）电 子能态的变化。 4. 从材料的电子能带结构出发，揭示材料的 光学性质的本质。
• 禁带较宽的介电材料也可以吸收光波，这是因为杂质 或其他带电缺陷在禁带中引进了能级（施主能级或受 主能级），使电子能够在吸收光子后实现从价带----禁 带或禁带----导带的转移。 2012-10-25
•
电子受激后，吸收的电磁波的能量必定会以某种方式 释放出来，释放的机理有： 1. 透过电子与空穴复合而释放； 2. 通过禁带中的杂质能级而发生电子的多级转移，从而 释放出两个光子； 3. 还可在电子的多级转移中发出一个声子和一个光子。
2012-10-25
§5-1 基本概念
• 一、电磁辐射 1. 从经典意义上讲，电磁辐射是一种波，由 电场分量和磁场分量组成，两个分量相互 垂直，并都垂直于波的传播方向。 2. 光（可见光）、热（辐射能）、雷达、无 线电波、X射线等都是电磁波，他们之间 的差别就是波长（频率）范围不同。 3. 电磁波包括的波长范围很宽，从10-12m到 105m，按波长增加的次序，可分为：
2012-10-25
的折射率，便可知
• 由于光速减小是由电子极化引起，因而组成原子或离 子的大小对光速的影响很大，一般来说,原子或离子尺 寸越大，则电子极化程度愈高，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。
2012-10-25
• 二、反射
2012-10-25
• 二、良好的反射性 • 大多数金属的反射率ρ=0.9~0.95。 • 利用这一性质可在其他材料的衬底上镀制金属膜做成反光镜---reflector. • P150 图4.6
• 肉眼看到的金属颜色不是由吸收的波长决定，而是由反射光的 波长决定的。 • 在白光照射下，表现为银色的金属（Ag、Al），表面反射出来 的光也是由各种波长的可见光混合组成的； • 其他颜色的金属（如Cu为桔红色、金为黄色）表面反射出来的 可见光中以某种波长的可见光为主要成分。
2012-10-25
• 二、发光现象
热辐射发光 白炽灯 8 荧光（ 10 s ） 发光 冷光 荧光灯 8 磷光 ( 10 s )
• 能够发光的物质主要有硫化物、氧化物、钨酸盐 和一些有机物。纯物质一般不会发光，必须加入 适当的杂质后才能诱导出发光现象。
率越高，反射率也越大 折射率与入射光的波长 关。
。 有关，
因此反射率也与波长有
•
三、吸收
无色 透明 有色 不透明 可见光
非金属材料
• 非金属对光的吸收有下列三种机理： 1. 电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒 数处于同一数量级时，这一效应才变得重要。 2. 电子受激吸收光子而越过禁带。 3. 电子受激吸收光子进入位于禁带中的杂质或缺陷 能级上。
2012-10-25
• •
五、绝缘体的半透明和不透明性 有许多本来是透明的电介质可以被制成半透明 或不透明，其原理是设法使光线在材料内部发 生多次反射和折射（包括慢反射）致使光线变 得十分弥散，当散射作用非常强烈，以致几乎 没有光线透过时，材料看起来就不透明了。引 起内部散射的原因有： 1. 由折射率各向异性的微晶组成的多晶样品是半 透明或不透明的； 2. 当光线通过分散得很细的两相体系时，也因两 相的折射率不同而发生散射，两相的差别越大， 散射作用越强。
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§5-3 非金属材料的光学性质
• 一、折射
折射率 n c v 介质中光线的传播速度 1 因此 n c v 1 v 1
0 r r r
0 0
0
对于大多数非金属
r 1，所以 n
常数的贡献。
可见，测定了透明材料 材料的电子极化对介电
， 、反射率。
A
0
，
R
0
。
2012-10-25
• • • 1.
透明材料：τ 大，α 、ρ小； 半透明材料：透过时发生漫散射； 不透明材料:τ 极小的材料。 金属对整个可见光谱都是不透明的， 即所有可见光的入射不是被吸收，就 是被反射； 2. 所有的电绝缘材料都可能制成透明材 料； 3. 半导体材料中有些是透明的，有些是 不透明的。
2012-10-25
h E g或
hc
Eg
E g 禁带宽度。 对于可见光： hc E gmax 4 . 13 * 10 hc
min
15
4 . 13 * 10
15
eV .s * 3 * 10 m .s
7
8
1
3 . 1eV
4 * 10
8 1 7
m
E gmin
J .S
• 三、光和固体的相互作用
0 T A R 光辐射能流率
表示单位时间内通过单
2012-10-25
, 单位为 W .m 位面积
2
.
（与光线传播方向垂直
）的能量。
• 上述公式也可写成如下形式：
1 , , 分别为透射率、吸收率 T 0
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• •
（二）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 一能态的过程。 • 如 E h 42 • 这里必须明确的几个概念： 1. 原子中的电子能级是分立的，能级间只有特定的 Δ E。因此只有能量为Δ E的光子才能被该原子通过 电子能态改变而吸收； 2. 在每一次激发中，每个光子的能量将全部被吸收； 3. 受激电子不可能无限长时间保持激发状态，经过一 个短时间后，它会衰变回基态，同时发生出电磁波。 衰变途径不同，发出的电磁波的频率不同。
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在纤维内侧产生全反射 n g sin (
的临界条件是：
o
2
i ) n C sin90
, C
nC
在入射端面，则有 n g sini
, C
n a sin i C 1 - cos
2 2
即 n a sin i C n g
2
i
, C
ng
1 (
nC ng
)
2
i C arcsin
eV .s * 3 * 10 m .s m
max
1 . 8eV
7 * 10
• • • •
禁带大于3.1eV，则为透明材料 禁带小于1.8eV，则为不透明材料 禁带大于1.8eV，小于3.1eV，则为半透明材料 以上指的是可见光。
2012-10-25
• 每一种非金属材料对特定波长以上的电磁波不透明明 （吸收），具体的波长取决于Eg。例如，金刚石的 Eg=5.6eV，因而对于波长大于0.22um的电磁波是不透 明的。
当光线垂wk.baidu.com入射时，反 n2 n1 n2 n1
2
射率为
在非垂直入射的情况下 当光线从真空或空气中 ns 1 n 1 s
2
，反射率与入射角有关 垂直入射到固体表面时
。
因此，固体材料的折射 同时，由于固体材料的
2012-10-25
ng nC na
2
只要入射角小于临界值 可以在光导纤维内部通
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i C，光线便 过多次反射传输到另一 端。
• • • • • • • • •
2、光纤的种类 玻璃纤维 聚合物纤维 3、光纤的主要性能 损耗<4dB/km （λ =1.55um，损耗=0.2dB/km） 力学性能（抗拉强度、抗扭曲性） 4、优点 可弯曲传播、抗干扰性强、能量损耗小、信息容 量大、保密性好。
2012-10-25
• 当原子核外电子被激发后，原子处于高能状态，将 自发回到低能状态，即被激发的电子自动跳回价带， 同时发射光子。一般这个时间很短（<10-8S），称 之为荧光。 • 如果材料中含有杂质，并在能隙中建立施主能级， 当激发的电子从导带跳回价带时，将首先跳到施主 能级并被俘获。然后，要首先从俘获陷阱内逸出， 然后再跳回价带，从而延缓了光子发射时间，当陷 阱中的电子逐渐逸出，跳回价带并发射光子（>108S,称之为磷光），其发光强度由下式决定：
2012-10-25
• 任何选择性吸收都是由于电子受激造成的，当电 子从激发态回到低能态时，又会重新发射出光波， 重新发射的光的波长不一定与吸收光的波长相同， 因此透射光波的波长分布是非吸收光波和重新发 射光波的混合波，透明材料的颜色就是由混合波 的颜色决定的。 • 无机玻璃上色的方法就是在玻璃处于熔融状态时， 加入过渡族元素或稀土元素的离子（氧化物等）， 典型的离子颜色对有： Cu2+—蓝绿；Co2+--蓝紫；Cr3+--红色；Mn2+--黄 色；Mn3+--紫色。
c 1
0
0
• C与电磁波频率ν 和波长λ 之间的关系为：C=λ ν
2012-10-25
• 二、光的波粒二象性 • 从量子力学理论可知：电磁波具有波粒二象性， 电磁辐射可看成一系列能量量子----光子组成。 光子的能量是量子化的，即
E h hc
,
h 6 . 63 10
34
• 介质净吸收的光波能量不仅与介质的特 性有关，而且与光程有关。透射光的辐 射能流率随光程x的增加而减小：
T e
, 0 , 0
x
0 R 吸收系数，
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mm
1
。
• 四、透射率和透明材料的 颜色 • P161 图4.16 和图4.17
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§5-4 光学现象
• 一、光纤（光导纤维） • 光纤是20世纪60年代激光发现之后，人们 期望使用的光通讯传输介质，由于中国科 学家高锟（Kao K C）的这个预见，他被誉 为光纤通讯的先驱。目前，光纤已广泛应 用于通讯、传感器、医学等领域。
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• 1、光纤的工作原理 • 从折射定律可知，当光线从折射率较高 的透明介质入射到折射率较低的透明介质 时，折射角大于入射角。因此当入射角大 于某一临界值时，折射角将大于/等于90度， 从而发生全反射。光纤做为传输光的介质 的道理就在于此。
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§5-2 金属的光学性质
• • • • 一、金属对可见光的不透明性 P149 图4.5 金属对可见光是不透明的。 只要厚度大于0.1um，就可吸 收全部光能，只有厚度小于 0.1um的金属箔才可能透光。 • 无禁带，而且费米能级以上有 许多空能级。 • 事实上，金属对所有的低频电 磁波（从无线电波到中紫外线） 都是不透明的，只有对高频电 磁波，如γ 射线，X射线才是透 明的。
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电磁 波 λ /m
γ 射 线
10-10~10-14
X射线 紫外 线
10-8~10-12 10-6~10-9
可见 光
0.4~0.7*10-6
红外 微波 线
10-2 ~0.4*10-6 100~2*10-2
射频 TV
105~101
• 4.可见光是人肉眼能感知的电磁波，只占整个电磁波的 很窄波段；光线的颜色取决于波长。例如0.4um紫色， 0.4~0.5um蓝色，0.5um绿色，0.5~0.6um黄色，0.6um 橙色，0.65um红色。白光是各种带色光的混合光。 • 5.电磁波在真空中的传播速度都是C=3*108m/s。 • C与真空介电常数ε 0和真空磁导率μ0之间的关系为：
ln( I I0 ) t
I 0 为开始发光时的强度；
式中： 为驰预时间，
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I 为激发去除后
t 秒内的光强度。
•发光现象的实际应用：
1.电视 2.荧光灯 3.X射线、γ 射线检测仪 4.发光二极管
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• 固体中出现的光学现象是电磁辐射与固体 材料中原子、离子和电子之间相互作用的 结果。最重要的两种作用是电子极化和电 子能态的改变。 （一）电子极化 在可见光频率范围内，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，即造成电子云和原子核的 电和中心发生相对位移。其结果：当光线 通过介质时，一部分能量被吸收，同时光 线速度减小，后者导致折射。
第五章 材料的光学性能
P143第四章
2012-10-25
1. 光是一种电磁波 2. 可见光的频率范围：4.2*1014~7.5*1014Hz 3. 可见光作用在固体上：宏观上出现反射、 折射、透射和吸收等现象；微观上则引起 组成材料的原子发生电子极化和（或）电 子能态的变化。 4. 从材料的电子能带结构出发，揭示材料的 光学性质的本质。
• 禁带较宽的介电材料也可以吸收光波，这是因为杂质 或其他带电缺陷在禁带中引进了能级（施主能级或受 主能级），使电子能够在吸收光子后实现从价带----禁 带或禁带----导带的转移。 2012-10-25
•
电子受激后，吸收的电磁波的能量必定会以某种方式 释放出来，释放的机理有： 1. 透过电子与空穴复合而释放； 2. 通过禁带中的杂质能级而发生电子的多级转移，从而 释放出两个光子； 3. 还可在电子的多级转移中发出一个声子和一个光子。
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§5-1 基本概念
• 一、电磁辐射 1. 从经典意义上讲，电磁辐射是一种波，由 电场分量和磁场分量组成，两个分量相互 垂直，并都垂直于波的传播方向。 2. 光（可见光）、热（辐射能）、雷达、无 线电波、X射线等都是电磁波，他们之间 的差别就是波长（频率）范围不同。 3. 电磁波包括的波长范围很宽，从10-12m到 105m，按波长增加的次序，可分为：
2012-10-25
的折射率，便可知
• 由于光速减小是由电子极化引起，因而组成原子或离 子的大小对光速的影响很大，一般来说,原子或离子尺 寸越大，则电子极化程度愈高，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。
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• 二、反射
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• 二、良好的反射性 • 大多数金属的反射率ρ=0.9~0.95。 • 利用这一性质可在其他材料的衬底上镀制金属膜做成反光镜---reflector. • P150 图4.6
• 肉眼看到的金属颜色不是由吸收的波长决定，而是由反射光的 波长决定的。 • 在白光照射下，表现为银色的金属（Ag、Al），表面反射出来 的光也是由各种波长的可见光混合组成的； • 其他颜色的金属（如Cu为桔红色、金为黄色）表面反射出来的 可见光中以某种波长的可见光为主要成分。
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• 二、发光现象
热辐射发光 白炽灯 8 荧光（ 10 s ） 发光 冷光 荧光灯 8 磷光 ( 10 s )
• 能够发光的物质主要有硫化物、氧化物、钨酸盐 和一些有机物。纯物质一般不会发光，必须加入 适当的杂质后才能诱导出发光现象。
率越高，反射率也越大 折射率与入射光的波长 关。
。 有关，
因此反射率也与波长有
•
三、吸收
无色 透明 有色 不透明 可见光
非金属材料
• 非金属对光的吸收有下列三种机理： 1. 电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒 数处于同一数量级时，这一效应才变得重要。 2. 电子受激吸收光子而越过禁带。 3. 电子受激吸收光子进入位于禁带中的杂质或缺陷 能级上。
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• •
五、绝缘体的半透明和不透明性 有许多本来是透明的电介质可以被制成半透明 或不透明，其原理是设法使光线在材料内部发 生多次反射和折射（包括慢反射）致使光线变 得十分弥散，当散射作用非常强烈，以致几乎 没有光线透过时，材料看起来就不透明了。引 起内部散射的原因有： 1. 由折射率各向异性的微晶组成的多晶样品是半 透明或不透明的； 2. 当光线通过分散得很细的两相体系时，也因两 相的折射率不同而发生散射，两相的差别越大， 散射作用越强。
2012-10-25
§5-3 非金属材料的光学性质
• 一、折射
折射率 n c v 介质中光线的传播速度 1 因此 n c v 1 v 1
0 r r r
0 0
0
对于大多数非金属
r 1，所以 n
常数的贡献。
可见，测定了透明材料 材料的电子极化对介电
， 、反射率。
A
0
，
R
0
。
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• • • 1.
透明材料：τ 大，α 、ρ小； 半透明材料：透过时发生漫散射； 不透明材料:τ 极小的材料。 金属对整个可见光谱都是不透明的， 即所有可见光的入射不是被吸收，就 是被反射； 2. 所有的电绝缘材料都可能制成透明材 料； 3. 半导体材料中有些是透明的，有些是 不透明的。
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h E g或
hc
Eg
E g 禁带宽度。 对于可见光： hc E gmax 4 . 13 * 10 hc
min
15
4 . 13 * 10
15
eV .s * 3 * 10 m .s
7
8
1
3 . 1eV
4 * 10
8 1 7
m
E gmin
J .S
• 三、光和固体的相互作用
0 T A R 光辐射能流率
表示单位时间内通过单
2012-10-25
, 单位为 W .m 位面积
2
.
（与光线传播方向垂直
）的能量。
• 上述公式也可写成如下形式：
1 , , 分别为透射率、吸收率 T 0
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• •
（二）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 一能态的过程。 • 如 E h 42 • 这里必须明确的几个概念： 1. 原子中的电子能级是分立的，能级间只有特定的 Δ E。因此只有能量为Δ E的光子才能被该原子通过 电子能态改变而吸收； 2. 在每一次激发中，每个光子的能量将全部被吸收； 3. 受激电子不可能无限长时间保持激发状态，经过一 个短时间后，它会衰变回基态，同时发生出电磁波。 衰变途径不同，发出的电磁波的频率不同。
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在纤维内侧产生全反射 n g sin (
的临界条件是：
o
2
i ) n C sin90
, C
nC
在入射端面，则有 n g sini
, C
n a sin i C 1 - cos
2 2
即 n a sin i C n g
2
i
, C
ng
1 (
nC ng
)
2
i C arcsin
eV .s * 3 * 10 m .s m
max
1 . 8eV
7 * 10
• • • •
禁带大于3.1eV，则为透明材料 禁带小于1.8eV，则为不透明材料 禁带大于1.8eV，小于3.1eV，则为半透明材料 以上指的是可见光。
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• 每一种非金属材料对特定波长以上的电磁波不透明明 （吸收），具体的波长取决于Eg。例如，金刚石的 Eg=5.6eV，因而对于波长大于0.22um的电磁波是不透 明的。
当光线垂wk.baidu.com入射时，反 n2 n1 n2 n1
2
射率为
在非垂直入射的情况下 当光线从真空或空气中 ns 1 n 1 s
2
，反射率与入射角有关 垂直入射到固体表面时
。
因此，固体材料的折射 同时，由于固体材料的
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ng nC na
2
只要入射角小于临界值 可以在光导纤维内部通
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i C，光线便 过多次反射传输到另一 端。
• • • • • • • • •
2、光纤的种类 玻璃纤维 聚合物纤维 3、光纤的主要性能 损耗<4dB/km （λ =1.55um，损耗=0.2dB/km） 力学性能（抗拉强度、抗扭曲性） 4、优点 可弯曲传播、抗干扰性强、能量损耗小、信息容 量大、保密性好。
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• 当原子核外电子被激发后，原子处于高能状态，将 自发回到低能状态，即被激发的电子自动跳回价带， 同时发射光子。一般这个时间很短（<10-8S），称 之为荧光。 • 如果材料中含有杂质，并在能隙中建立施主能级， 当激发的电子从导带跳回价带时，将首先跳到施主 能级并被俘获。然后，要首先从俘获陷阱内逸出， 然后再跳回价带，从而延缓了光子发射时间，当陷 阱中的电子逐渐逸出，跳回价带并发射光子（>108S,称之为磷光），其发光强度由下式决定：
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• 任何选择性吸收都是由于电子受激造成的，当电 子从激发态回到低能态时，又会重新发射出光波， 重新发射的光的波长不一定与吸收光的波长相同， 因此透射光波的波长分布是非吸收光波和重新发 射光波的混合波，透明材料的颜色就是由混合波 的颜色决定的。 • 无机玻璃上色的方法就是在玻璃处于熔融状态时， 加入过渡族元素或稀土元素的离子（氧化物等）， 典型的离子颜色对有： Cu2+—蓝绿；Co2+--蓝紫；Cr3+--红色；Mn2+--黄 色；Mn3+--紫色。
c 1
0
0
• C与电磁波频率ν 和波长λ 之间的关系为：C=λ ν
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• 二、光的波粒二象性 • 从量子力学理论可知：电磁波具有波粒二象性， 电磁辐射可看成一系列能量量子----光子组成。 光子的能量是量子化的，即
E h hc
,
h 6 . 63 10
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