材料物理与力学性能光学(I)

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1、第四章材料的光学性能4.1光和固体的相互作用4.2无机材料的红外光学性能4.3材料的发光4.4耦合光学效应4.1光和固体的相互作用光的波粒二象性爱因斯坦光电方程光子源决定光的频率、波长和辐射能原子核结构变化γ射线原子结构改变x射线、紫外、可见光原子振动晶格振动长波辐射可见光七彩颜色的波长和频率范围人眼最为敏感的光是紫青绿黄橙红中心波长(nm)频率(Hz)波长(nm)光色兰黄绿光，即555nm附近430455~400460470~455480492~470540577~492570597~577610622~597660760~622黄绿光，即555nm附近。

2、电磁波在真空中的传播速度：c=3×108m/s根据麦克斯韦电磁理论的真空光速为：当光在介质中传播时，速度为：粒子性波动性反射、透射、折射传播衍射光的本质是波长很短的电磁波，可分解为与传播方向垂直的电场和磁场两个分量光通过固体的现象设入射固体表面的光辐射能流率为φ0，透过、吸收和反射光的光辐射能流率为φτ，φA，φR，则有光辐射能流率：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。在固体材料中出现的光学现象是电磁辐射与固体材料中的原子、离子或电子相互作用的结果。从宏观上讲，当光从一种介质进入另一种介质时，会发生光的透过、吸收和反射。电子极化电磁波的分

3、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。光与固体相互作用的本质有两种方式：电子极化、电子能态转变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种能态的过程；材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化∆E与电磁波频率有关：∆E=hν42受激电子不可能无限长时间地保持.在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电

4、磁波，即自发辐射。E1E2E3E4E5能量ν光子的能量吸收是量子化的受激电子衰变途径不同，自发辐射频率不同材料折射率及其影响因素折射率：光在真空和在材料中的传播速度之比光在界面处的折射与反射（1）三线共面（2）界面入射反射折射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。材料的折射率从本质上讲，反映了材料的电磁结构（对非铁磁介质主要是电结构）在光波作用下的极化性质或介电特性。光波频率高，只有质量很小的电子位移极化才能与之共振，对极化有贡献较重的离子只能在比较缓慢的红外

5、波段频率范围内位移极化综合考虑维持电子在平衡位置的弹性力、振动衰减阻力和光波电场力，可得复折射率折射率的影响因素：非晶、立方晶体双折射现象，非等轴晶系、双原子晶体、层状结构中，各方向极化能力不同，折射率不同，产生双折射，一般紧密排列方向上折射率大，而入射光也可分解为不同速度和方向的偏振光内应力：垂直于主应力方向，n值大构成材料元素的离子半径越大，越易极化，光速更慢，折射率增大（PbSn=3.912；SiCl4n=1.412）材料的结构与晶型，结构宽敞的高温态比紧密的低温态折射率小（SiO2玻璃1.46，晶体1.55）入射光的波长色散：光在介质中的传播速度（或

6、介质的折射率）随其频率（或波长）而变化的现象。考虑局部电场：折射率是频率的函数，色散即折射率随波长变化率正常色散：光频远离共振频率，折射率随波长减小而增大异常色散：共振发生时，折射率随波长减小而减小主要是由于不同波长引起的极化机制不同常用不同固定波长的折射率之差表示材料的色散能力色散系数（Abbé数）nd：氦的d谱线（587.56nm）；nF：氢的F谱线（486.1nm）;nC：氢的C谱线（656.3nm）中部色散材料的反射系数和影响因素界面入射反射折射反射系数（吸收比很小）：若介质1为空气，则：减小反射损失的措施：介质表面镀增透膜：光学厚度nh为1/4光学

7、波长(可使反射为0)用折射率相近的胶粘结，减小空气界面造成的损失材料的透射及其影响因素金属对可见光不透明原因：费米能级以上存在许多空能级临界厚度：大于0.1μm费米能EfΔE入射光子hυE费米能EfΔE反射光子hυE应用：大多数金属的反射系数在0.9~0.95之间。可用其他材料的衬底，镀上一薄金属层作为反光镜。金属的颜色由其反光决定，白色全反射，有颜色则由于该频率光被吸收而以声子形式放热非金属材料的透过性介质吸光的一般规律非金属介质吸收可见光三种机制：1）电子极化2）电子吸收光子越过禁带入射光子hυΔEE价带禁带导带ΔEE价带禁带导带反射光子hυ可见光：1.

8、8eV~3.1eV3）电子吸收光子进入禁带中的杂质或