材料的光学性能PPT课件

吸收了光子的电子处于高能量的受激态——不稳 定——又会按不同途径衰变返回基态，同时发射 不同波长（能量）的电磁波
受激电子又直接衰变回原能级——发射与入射光
同样波长的光波——反射
11
10. 1. 3 金属材料对光的吸收和反 射 (Absorption and reflection of metallic materials to lights)
rr 其中和分别为介质的介电常数和磁导率，r和 r分别为材料的相对介电常数和相对磁导率。
考虑光的量子性，将光看成粒子，其能量量子即 为光子，光子的能量
E h hc
其中为频率，为波长，h为普朗克常数。 6
10. 1. 2 光与材料作用的一般规 律
(General rules of the interaction between lights and materials)Βιβλιοθήκη Baidu
均质介质（非晶态材料和立方晶系的晶体）：对
光是各向同性的，只有一个折射率。
非均质介质（非立方晶系的晶体）：光线入射到
该介质中会产生双折射现象，即出现两条振动方
向相互垂直、转播速度不等的折射线。
双折射导致双折射率：平行于入射面的光线的 折射率为常数，与入射角无关，称为常光折射
率光线n0不，严严格格遵服守从折折射射定定律律，；所另构一成条的与折之射垂率直的的 大小随入射光方向变化，称为非常光折射率ne。
7
(a)吸收；
(b)散射；
(b)透射；
(b), (c), (d)反射。
8
入射到材料表面的光的能流率为0W/m2，则有 0=T+A+R+S
其中T、A、R、S分别是透射、吸收、反射、
散射的能流率。
用0除等式两边，则有 T+A+R+S=1
T T 0
A A 0
R R 0
S S 0
分别称为透射率、吸收率、反射率和散射率。
折射、反射、散射、吸收各有其微观机制—— 光与固体中的原子、离子、电子等的相互作用
9
第一：引起材料中的电子极化——光波的电场分 量与传播路径上的原子作用，造成电子云的负电 荷中心与原子核的正电荷中心发生相对位移—— 光的部分能量被吸收，光速降低——折射。
第10章 材料的光学性能 (Optical properties of
materials)
1
10. 1 光与材料的作用 (Interaction between lights and
materials)
2
10. 1. 1 光的物理本质 (Physical essence of lights)
3
颜色随波 长改变。 白光是各 色光的混 合
12
金属对可见光一般不透明——能带结构决定 费米能级以上有许多 空能级——可吸收不 同波长的光子将电子 激发到空能级上
大部分被激发电子又 会衰变回基态，放出 与所吸收的光子同波 长的光子——反射光
13
大多数金属的反射率在0.9～0.95之间，其余能 量转换成其他形式的能量，如热量
金属对不同波长的光的反射能力不同——反射光
n c v
r r
其中r和r分别为材料的相对介电常数和相对磁 导率。大多数非金属材料的磁性很弱，r1，有
n r
由于r>1，材料的折射率总是大于1的。
大离子可以使原子的正负电荷中心产生较大的相
对位移，r增大——可用大离子构成高折射率的
材料，小离子构成低折射率的材料。
17
双折射现象
例 方如解对石石，英n0，和nn0e和分n别e为分1别.6为518.和5413.4和816.。552；对
一般沿晶体密堆方向ne较大。
18
2 非金属材料对光的反射
光线从一种透明介质进入另一种折射率不同的介 质时，总有一部分光线在界面处被反射。
光线垂直于或接近垂直于界面入射时，反射率
R


n2 n2
中入射光与界面法线所成的角即入射角为i1，在 材料2中折射光与界面法线所成的角即折射角为i2
n21

sin i1 sin i2

n2 n1

v1 v2
n21：称为材料2相对于材料1的相对折射率，n1、
n2分别为材料1、2的折射率，v1、v2分别为材料
1、2中的光速。
16
由材料中的光速与介电常数和磁导率的关系可得

n1 n1
2
n1、n2：两种介质的折射率。
如果是从真空或空气射入到某种材料，则有
R n 12 n 1
n：该材料的折射率——折射率高则反射率高19
3 非金属材料对光的吸收
光从介质1进 入介质2后可 发生连续多次 的反射和折射， 反射光强是各 次反射的总强 度，透射光强 是在介质2中 反复传播过程 中吸收和散射 损失以及反射 以外的光的总 强度。 20
吸收机理：电子极化，电子受激吸收光子跃迁— —到禁带以上的能级或禁带中的杂质或缺陷能级
光子能量E大于禁 带宽度Eg——将电
子从满价带激发到 空导带上，并在价 带留下一个空穴。
可见光：波
长处于人眼
能够感知范
围的那部分
电磁波，波
长范围很窄
4
光波也由电场分量与磁场分量组成，这两种分量 彼此垂直且都垂直于光的传播方向。
电磁波在真空中的传播速度c=3×108m/s，且
有 c
1
00
其 电中 常数0和和磁0分导别率为。真空中的介 5
光在非真空介质中传播时光速
v 1 c
的波长不同——颜色不同
14
10. 1. 4 非金属材料对光的反应 (Interfaction between non-metal
materials and lights)
15
1 非金属材料对光的折射
光从真空进入材料时速度降低，光在真空中的速
度c和材料中的速度v之比即为材料的折射率 n=c/v
当光从材料1中通过界面进入材料2时，在材料1
第二：引起材料中电 子能态的改变。
光子能量恰好为孤立
原子两能级差，将电
子激发到高能级。光
子消失——吸收
10
这种吸收的条件为
E=hij 其 这 差中两的个光i、能子j为级的原的频子能率中级，电差h子为，的普i两朗j为个克能能常量级数恰，。好为E=这E一i-E能j为级
——只有能量为电子能级差的光子才能被吸收 ——可被孤立原子吸收的光子是不多的。 固体中——能带准连续，不同能量（频率）的光 子都有可能被吸收。