第5章 材料的光学性能.ppt

第5章 材料的光学性能 5.1 光和固体的相互作用 5.1.1 光的波粒二象性 5.1.2 光通过固体现象 5.2 材料的发光 5.2.1 发光和热辐射 5.2.2 激光 光学材料的发展进程： 光学玻璃的生产已有200多年的历史。（光学透镜：望远镜、显微镜、照相机、眼镜、摄影机等。） 高纯、高透明的光通信纤维玻璃。（对工作频率仅为普通玻璃的万分之一，实现了远距离光通信。） 激光领域：钕玻璃应用最广泛的大功率激光发射介质（Nd： 稀土金属）。 陶瓷、橡胶、塑料对可见光不透明；陶瓷、橡胶、锗和硅对红外线透明（折射率大，做红外透镜）；许多陶瓷和塑料制品在可见光下不透明，但对微波透明（微波炉中的食品容器）；金和铝对红外线反射能力最强（用作红外辐射腔内的镀层） 光学塑料被普遍用在隐形眼镜上。 光学材料已被人们广泛利用，受到青睐 2.光子与固体材料相互作用的微观机制 实际上是光子与固体材料中的原子、离子、电子等的相互作用。 本质有两种方式—— （1）电子极化 电磁波的分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。 正是因为介质的极化“拖住”了电磁波的步伐，使其传播速度比真空中慢，导致折射产生。 （2）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=hν 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，同时发射出电磁波，即自发辐射。 。 。 图1 固体吸收和发光的三种机制 受激吸收 过程前 过程后 。 b) 自发辐射 。 。 。 2 c) 受激辐射 过程前 过程前 过程后 过程后 ----------------- ----------------- 补充：固体吸收和发光的三种机制 考虑最简单的二能级系统，即与光相互作用的物质原子只有两个能级：高能级和低能级。如图1所示，即E2 E1；处于E2能级上的粒子数目为N2，位于E1能级上的粒子数目为N1. ——实质是电子能级的跃迁 材料的光吸收和光发射（自发辐射）都是光和物质相互做用的基本过程。 1917年爱因斯坦研究“黑体辐射能量分布”时提出了光和物质相互作用的第三个基本过程——受激辐射。 受激吸收：固体吸收一个光子的过程，光子能量 固体中粒子（价电子）的能级由 迁移到 自发辐射：固体发射一个光子的过程，光子能量 固体中粒子由能级 迁移到 。 受激辐射：当一个能量满足 的光子趋近高能 级 的原子时，有可能诱导高能级原子发射一个和自 己性质完全相同的光子，此受激辐射的光子和入射光 子具有相同的频率、方向和偏振状态。即受激辐射光是相干光。受激辐射光加上原来的外来光，使光在传播方向上光强得到放大。 （逆过程） 3. 研究材料光吸收和光发射的意义： 研究固体中的光吸收和光发射，可直接地获得有关固体中的电子状态，即电子的能带结构及其它各种激发态的信息。 例如：对于半导体材料光吸收和光发射的研究，可以得出： 带隙 功函数 杂质能级 …… 　相干光：两束满足相干条件的光称为相干光， 　相干条件：这两束光在相遇区域： ①振动方向相同；　②振动频率相同；③相位相同或相位差保持恒定