电子信息材料物理 2-光学常数与散射

第五讲固体介电和光学性质

I I.固体介电性质

II.固体光学性质

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与光有关的日常现象

•金属:光泽,镜子

•宝石----鲜艳颜色

植物色

•植物----绿色

•霓虹灯----五颜六色

•水:无色(一杯水），海水（蓝色），白色（浪花）牛奶白色

•牛奶----白色

•天空----蓝色

•……

-----与光和物质相互作用有关，本节重点。

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光的本质

几何光学

直线播定律反射定律折射定律

•直线传播定律；反射定律；折射定律

•总的归纳为费马最小时间原理：光沿传播时间为极值的路径传播。

•光的微粒说。

物理光学

•光的波动本质：光是电磁波的一种。

光的波本质光是电磁波的种

•麦克斯韦方程。

•光与固体相互作用等价光频电场与固体作用（磁场忽略）。

量子光学

•考虑光场能量量子化这一事实，光由粒子组成：光子。

•光子本质：光场的某种振动模式的激发单元；波粒二相性。

•现有最精确的光学理论。

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光与固体作用的三个过程

反射传播透射

Optical medium

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折射率

n(ν)= c/v

折律

折射定律

吸收

‾ 谐振

发光

‾ 自发辐射

弹性和非弹性散

射

光学介质

传播

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固体光学性质

光学常

•光学常数

•光的散射

•经典传播

带

•带间吸收和发光

•自由电子

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光学常数

•折射率和消光系数

•吸收率率

•反射率

•透射率

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0dz

J.-Q. XI, Nature Phtonics, 2007

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主要内容

•光学常数

•光的散射

•经典传播

•带间吸收和发光

•自由电子

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•一定向光束经介质传播而向四面八方散开的现象，称为光•的散射。

光的散射由材料内部（折射率分布的）不均匀性引起的，可能由于杂质、缺陷、晶格振动引起的不均匀性，。。。。。•散射的微观机制：材料内部原子可看做谐振子，光电磁场作用下发生同频的受迫振动，谐振子做为次波源，向四周发射次波次波源分布规则次波相干叠加侧向光强为零次波。次波源分布规则，次波相干叠加，侧向光强为零-----直线传播。次波源分布不均匀，次波非相干叠加，侧向光强不为零---不为零

光的散射。•散射可分为两类：

¾弹性散射：散射光频率与入射光相同。

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¾非弹性散射：散射光频率与入射光不同。

弹性散射---米氏散射

•较大颗粒（a~λ或a>λ)的散射强度不再服从瑞利散射λ4定律，而且几乎不依赖于光波长，------米氏散射。

而且几乎不依赖于光波长

•蓝天，青烟，夕阳（红）------瑞利散射

白云，白雾，白色浪花-----米氏散射

可根据散射光的色效应估算颗粒的大小。

可根据散射光的色效应估算颗粒的大小

•米氏散射无色效应的原因：

衍射效应：长波衍射效应强。

+

偶极子辐射模型（即瑞利散射）：短波散射效应强。

=互补，中和，无色效应

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¾斯托克斯谱线强于反斯托克斯谱线强度：)./exp(T k I B A Stokes anti ωh −=−I stokes 硅在不同温度下的拉曼光谱度

作业

海水的折射率为，深度为的海水大约吸收的1. 1.3310m99.8% 700nm红光。求在此波长下海水的复介电常数。

2.光纤通信常用1.31μm和1.55μm两波长的红外光。根据瑞利散射原理，上述那个波长光更利于光信号的长距离传输？为什么？

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