第13章 材料的光学性质

2. 光和固体的相互作用 光与固体的宏观相互作用
光辐射能流率表示单位时间内通过 单位面积（与光线传播方向垂直） 的能量。 入射到固体表面的光辐射能流率为φ0，透射、吸收和反射光的辐射 能流率分别为φT，φA和φR ，单位W/m2 透明材料:透射率较高而吸收率 和反射率较小的材料。 半透明材料:光线透过它时能发 生漫散射的材料。 不透明材料:透射率极小的材料。
射到折射率较低的透明介质时，折射角大于入射角。当入射角大
于某一临界值时，折射角将大于/等于90°，从而发生全反射。
光纤的种类很多，按材料的性质来分，主要有玻璃纤维和聚合物纤 维两类。
13.4 其它光学现象
1.发光现象 发光（冷光）是辐射能量以可见光形式出现。
根据材料从吸收能量到发光之间延迟时间的长短，冷光可分为荧光和磷光 两类。t<10-8s为荧光，t＞10-8s为磷光。 荧光和磷光材料: 硫化物、氧化 物、钨酸盐和一些有机物质。
2.光电性
曝光表是利用半导体 的光电性测定光照下 产生的电流。曝光表 最常用的材料是硫化 镉。
3.激光 激光是在外来光子的刺激下诱发电子能态的转变，从而发射 出的与外来光子的频率、相位、传输方向和偏振态等均相同的 相于光波。
红宝石激光柱中电子的受激和衰变途径示惫图
在固体材料中能产生激光的工作物质有半导体、激光晶体和激 光玻璃三大类。
Chapter outline
光与固体的宏观相互作用 固体光学现象的微观本质 材料具有特定颜色的原因
材料透明和不透明的原因
光学应用 -luminescence
-photoconductivity, solar cell -optical communications fibers
第十三章 材料的光学性质
+ +
电磁波的吸收和发射是电子能态 的转变。 只有特定能量光子才能通过电子 能态转变而被该原子吸收。 受激电子经过一定时间后，将衰 变回基态，同时发射出电磁波。
13.2 金属的光学性质 金属对可见光是不透明的。其原因在于金属的电子能带结 构的特殊性。(厚度≥0.1μm)
容易吸收不同频率入射光线的光子能量(不同能量△E)，将 价带中的电子激发到费密能级以上的空能级中去。
①电子极化。只有当光的频率与电子极化松弛时间(10~15s) 的倒数处于同一数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要。
②电子吸收光子能量而受激越过禁带。条件：
Eg＜1.8eV半导体材料(Si, Ge)，是不透明的。 Eg=1.8～3.1eV 的非金属材料(CdS, GaP)，为带色透明。
③含杂质非金属材料的吸收
电介质可以被制成半透明或不透明的。--- 散射作用
引起内部散射的原因
(1)存在折射率各向异性的微晶组成的多晶材料,将发生反射与折射,变得 十分弥散。它是半透明或不透明的。 (2 )存在折射率不同的两相而发生散射。折射率之差越大,散射作用越强。 包括折射率不同的晶区与非晶区两相；
高 聚 物
结晶型
半透明或不透明
SUMMARY
光与固体材料相互作用发生反射、吸收和透过
金属材料具有特定颜色的原因（由反射光决定） 非金属材料对于可见光透明和不透明的原因 （禁带宽度以及散射作用决定）
光程x是光线在介 质中经过的距离
Biblioteka Baiduτ为透射率（τ=φT / φ0）
透明材料的颜色
透明材料的颜色 取决于透射光中的光波分布。 玻璃上色： Cu2+-蓝绿；Co2+-蓝紫； Mn2+-黄色；Mn3+-紫色
5. 绝缘体的半透明和不透明性
光线在材料内部发生多次反射和折射，使透射光线弥散，因此透明的
光线在介质中的速度：
εr和μr分别为介质的相对介电系数和相对磁导率
测定了透明材料的折射率就可计算出电子极化对介电系数的贡献 。
材料折射率比较
晶体结构为立方晶型的陶瓷材料和无定形玻璃的折射率 是各向同性的； 晶体结构为非立方晶型的，折射率呈各向异性。在离子 密度最大的方向上，折射率最高。
2. 反射
金属--不透明。 电绝缘材料--可制成透明材料。 半导体材料--透明的/不透明。
2. 光和固体的相互作用
微观本质：电子极化和电子能态转变
固体材料的光学现象是电磁辐射与固体材料中原子、离子或 电子之间相互作用的结果。 电磁波分量之一是交变电场分量。 可见光频率范围内，电场分量与遇到的 每一个原子发生相互作用，引起电子极化 导致折射。
肉眼看到的金属颜色不是取决于吸收光的波长，而是反射光 的波长。银色的金属（如银和铝），铜为桔红色，金为黄色。
13.3 非金属的光学性质
1.折射
非金属对可见光可透明，也可不透明。 光线进入透明材料内部时，因电子极化 消耗部分能量而使光速减小，光线在界面 上拐弯，叫折射。 材料的折射率：
c和v分别是光线在真空 和材料中的传播速度
包含晶粒无序取向的多晶体系；
结晶度越高，散射越强。如聚乙烯、尼龙和聚甲醛等。 非晶态均相高聚物是透明的。
陶 瓷
单晶陶瓷一般是透明的。 大多数陶瓷材料是多晶体，而且包括晶相、玻璃相和气相的多相体系， 往往是半透明或不透明的。
6. 光导纤维(光纤)
光导纤维(简称光纤)
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
即使透明介质也有一部分光线被反射。 当光线垂直入射时，反射率与两种介质的折射率的关系为
n1和n2分别为两种介质的折射率
从真空(或空气)入射:
ns表示固体材料的折射率
折射率越高，反射率也越高。 反射率也与波长有关。 在非垂直入射的情况下，反射率与入射角有关。
3.吸收
非金属材料对光吸收有3种机理:
介电材料中的杂质或带电缺陷在禁带中引进了能级 （如施主能级或受主能级），使电子在吸收光子能量后 能实现从禁带向导带的转移。
通过杂质能级而发生电子的多级转移，从而发射出两个光子。 多级转移中也可发出一个声子和一个光子。
4.透射率和透明材料的颜色
透射率
均质固体
吸收系数为β，mm-1
ρ为反射率
辐射能流率为
13.1基本概念
13.2金属的光学性质
13.3非金属的光学性质 13.4其它光学现象
13.1 基本概念
1. 电磁辐射
光 —一种电磁波,
真空中传播速度 3×108 m/s
电磁辐射可看作一 系列能量量子（光子） 组成。
光子photon能量
h为普朗克常量 （6.63×10-34J•s）
光子不带荷电， 具有能量，动量和 质量。光子无法静 止，静止质量为零。