第4章材料的光性能1

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,5,章 材料的光学,5.1,光和固体相互作用,5.1.1,概论,5.1.2,光的吸收,5.1.3,光的散射,5.1.4,光的反射和折射,5.1.5,光的透射,5.2,材料的发光,5.4,光的传输,-,光纤,反射,/,镜子,反射,-,散射,/,颜色,散射,/,天空,绕过,/,隐形衣,全反射,/,光纤,发光,/,LED,激光,电光,/,LCD,红外线,/,夜视仪,LCD=liquid-crystal display,LED=Light Emitting Diode,引 言,400 760 nm,范围内的电磁波可被人眼感受到，该波段内电磁波叫,可见光,。在可见光范围内，不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉可见光对应的频率范围是：,=,（,7.6 4.0,）,10,14,H,Z,760 630 600 570 500 450 430 400(nm),红 橙 黄 绿 青 蓝 紫,电磁波谱,透射系数：,吸收系数：,反射系数：,散射系数：,5.1,光和固体的相互作用,5.1.1,概论,1.,宏观现象,镜面反射,慢反射,多重散射,2.,微观机制,（,1,）光吸收,+,光损耗,电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量,E exp(iwt);,-,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；引起,局域极化损耗,，,离域电阻损耗,、,极化滞后损耗,等，造成吸收。,-,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。,电磁波的分量之一是迅速变化的磁场分量,H exp(iwt);,磁性介质磁化损耗,;,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,）光发射,从量子力学看，,电磁波的吸收和发射,包含电子从一种量子能态转变到另一种量子能态的过程；,吸光,：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=h,。,发光,：受激电子不可能无限长时间保持。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。,1,）基本假设,-,组成介质的,原子、分子,内的带点粒子（电子、离子）被准弹性力保持在平衡位置附近，可比拟为,弹簧振子,，具有一定的,固有振动频率,；,-,在,入射光,辐照下，这些带点粒子被光波的电场分量极化，从而,发生受迫振动,；,-,如果，,受迫振动的频率,(,光频,),与,固有频率,接近,，发生光吸收，当二者,相等,时，发生谐振（最强）吸收。,1.,微观机理模型,5.1.2,光的吸收,-Lorentz,模型,电子极化,离子极化,2,）模型建立,原子,/,分子,电偶极距：,介质平均电偶极距,（极化强度）,：,-,单位体积介质的原子数目,带电粒子的受迫振动方程,强迫力,回复力,阻尼,光场的电场分量,求解得,电极化率,储存,损耗,复折射率,相应的光强,光的传播,指数衰减,1.0,3,）结果讨论,现象：光在材料中传播时，其强度呈指数衰减,。,空气的 ，玻璃的 ，而金属的,=,数量级以上，因此,金属对可见光是不透明的,。,2.,宏观唯象模型,朗伯特定律：,-,介质对光的,吸收系数,x,I,0,I,布格定律,3.,吸收与波长的关系,取决于,介质材料的性质,和,光的波长,，如,图,1,示。,（参书上图,4.9,）,P,152,-,-,-,-,0,2,4,6,8,10,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,4,2,2,-4,无线电波,红外,光频,紫外,X,射线,射线,电介质,（绝缘体,）,金 属,半导体,可见光谱,图,1,材料吸收率（系数）随波长的变化,吸收率,1,）可见光区,金属和半导体的吸收系数都很大，电介质材料的很小。因为：电介质价电子所处的能带是填满的，不能吸收光子而自由运动，而光子的能量又不足以使价电子跃迁到导带，所以，在一定波长范围内，吸收系数很小。而，金属和半导体在正相反。,0,0,0,0,能 量,导 带 禁 带 价 带,吸收的光子,图,2,电子受激越过禁带在价带留下一个空穴,E=h,Eg,价电子发生跃迁,E=h,Eg,电子吸收光子而跃迁到导带，产生紫外吸收峰,。,3,）红外区的吸收峰,红外吸收与,晶格及原子、分子,振动,及,转动,有关。离子的弹性振动与光子辐射产生谐振消耗能量。为了有较宽的透明频率范围，必须使吸收峰远离可见光区，要使谐振点的波长尽可能的远离可见光区，即吸收峰处的频率尽可能小。,光频电子极化,-,能级跃迁,分子振动,分子转动,固有频率,-,紫外吸收光谱,-,红外吸收光谱,光遇到微粒、胶体或其它,结构成分不均匀的微小区域,，,偏离原来的传播方向而弥散反射的现象,，称为光的散射。,5.1.3,光的散射,光散射示意图,入射光,散射光,散射中心,（分子、胶体、颗粒）,弹性散射,：,散射前后光的波长,（频率或能量）,不发生变化，只改变方向的散射。,非弹性散射,:,散射光,（,1,）,当光波的电磁场作用于物质原子、分子等时将激起,粒子的受迫振动,。,这些受迫振动的粒子向各个方向发射,球面次波,。,空气中的分子就可以作为,次波源,，,把阳光散射到我们眼里，使我们看见物质。月球上，因为没有大气层，天空即使在白天也是黑的,。,（,2,）由于固态和液态粒子结构的致密性，,微粒中每个分子发出的次波位相相关联，合作发射形成一个大次波。,由于各个微粒之间空间位置排列毫无规则，这些大次波不会因位相关系而相互干涉，因此，微粒散射的光波从各个方向都能看到。,1,、散射机理,2,、散射分类,一、弹性散射,按照散射中心尺度,a,0,与入射光波长,是大小，分为三类,：,1.,丁达尔散射,Tyndall Scattering,(,溶胶散射,),当,a,0,稍小于,时；,例如胶体、乳浊液、灰尘散射，森林、暗屋里的光柱。,入射光的电磁波使颗粒中的电子做与入射光波,同频率的强迫振动,，致使颗粒本身象一个新光源一样，,向各方向发出与入射光同频率的光波,。,2.,米氏散射,Mile Scattering,（分子,胶体）,当,a,0,空气,水,-,空气,1),折射原因,介质被光（电磁波）的电场分量极化，导致损耗，减慢了电磁波（光）的传播速度,v=c/n,，导致传播方向改变，从而发生折射,(n1),。,2),折射率,(,光速）,色散,介质（,材料,）中的光速,c/n,（或介质折射率,n,），所广波波长变化而变化的现象，称为色散。,3,、折射率,其大小衡量材料,/,介质的光学品质。,介质的属性,光的颜色,介质的色散率：,几种材料的色散曲线如,1,）对于同一种材料，波长越短，折射率越大；,2,）波长越短则色散率越大；,3,）对于不同材料，在同一波长下，折射率越大者色散率越大,4,）不同材料的色散曲线间没有简单的数量关系。,由于色散现象，使用光学玻璃制成的单片透镜，成像不够清晰，在自然光的透过下，在像的周围环绕了一圈色带。,克服方法,：用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜组成的复合镜头，就可以消除色差,消色差镜头。,光学玻璃的,色散系数,：,4,、反射系数及其影响因素,反射系数：,（,1,）透明材料，,0,R,0,消光系数：,讨论：,陶瓷、玻璃等材料的折射率较空气大，反射损失较严重。,减小反射措施,：,1,）透过介质表面镀增透膜；,2,）将多次透过的玻璃用折射率与之相近的胶将它们粘起来，以减少空气界面造成的损失。,（,2,）金属材料,，,R,1,除去反射、吸收、散射，余下的那部分。,0,0,0,0,能 量,吸收的光子,0,0,0,费米能,空能态,被电子占据的能态,0,0,0,0,能 量,0,0,费米能,反射的光子,a),b),图,6,金属吸收光子后电子能态的变化,1.,金属材料的透过性,0,5.1.5,光的透射,在金属的电子能带结构中，费米能级以上存在许多空能级（晶体，,-,空带）。当金属受到光线照射时，电子容易吸收入射光子的能量而被激发到费米能级以上的空能级上（空带）。因而，各种不同频率的可见光，即具有各种不同能量的光子都能被吸收。,0.1um,。事实上，金属对所有低频电磁波都是不透明的。,2,）金属材料（晶体）对光的反射,大部分被金属吸收的光又会从表面上以同样波长的光波发射出来，,R,1,。根据此性质，常利用金属薄层来做,反光镜,。且金属膜的反射率与波长成反比关系。,1,）金属（原子）对光的吸收,2.,非金属材料的透过性,电子极化，,只有当光的频率与电子极化频率处在同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；,电子受激,吸收光子而越过禁带，或进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光；,只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。,可见光中波长最短的是紫光，波长最长的是红光：,Eg1.8eV,，,非金属材料不,吸收光子，透明,。,除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。,任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。,例如，在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象为,一般吸收,；但是对于波长范围为,3.5,5.0m,的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为,选择吸收,。换言之，石英对可见光和紫外线的吸收甚微，而对上述红外光有强烈的吸收。,一般吸收和选择吸收,产生散射的原因是光传播的介质不均匀。均匀介质对光是不散射的。对于相分布均匀的材料，散射遵循指数衰减定律。,P,154,影响陶瓷材料透射比的因素：,吸收系数（对陶瓷、高分子电介质，可见光吸收系数低，非主要因素。）,反射系数（取决相对折射率、表面光洁度，金属反射主要因素。）,散射系数 （陶瓷散射系数高，是主要因素）,1,）,材料宏观和微观缺陷,：不均匀界面存在相对折射率，散射系数增大。,2,）,晶粒排列方向,：非各向同性的立方晶体或玻璃态，则必然存在双折射，对于多晶体材料，结晶取向不完全一致，晶粒之间产生折射率差别，从而引起晶界处的反射和折射损失,。,3,）,气孔反射损失,：晶粒之内以及晶界玻璃相内的气孔、孔洞构成了第二相，与基体晶粒存在相对折射率，由此引起反射和散射损失,。,介质对光的散射,5.2,材料的发光,5.2.0,引言,5.2.1,冷发光,5.2.2,热辐射,5.2.3,发光二极管,5.2.4,激光,5.2.0,引言,发光,（光发射,/,光辐射）,：原子处于激发态的电子向基态跃迁，与空穴复合，并释放光子的过程；,1.,光的吸收和辐射,E,2,E,1,(a),自发辐射,(b),受激吸收,(c),受激辐射,热平衡状态,:(a)-(b),受激辐射不起作用；,受激辐射产生的光子频率、相位、偏振等几乎与入射光子相同，从而能够与入射光形成强相干，当超过受激吸收时，就可能形成光放大；,要形成受激辐射放大，必须额外提供能量，使体系处于非平衡状态,;,自发辐射,受激辐射,（,2,）,热辐射,（,3,）电致发光,（,4,）光致发光,（,5,）化学发光,（,6,）同步辐射光源,（,7,）激光光源,（,1,）冷发光,辐射分类,方向性、相干性差、功率弱,方向性、相干性差、功率弱,=,E,c,-E,v,=E,g,=,E,c,-E,v,+-E,声,=E,g,K,2,-k,1,=k,光,0,K,2,-k,1,=k,声,+k,光,=k,光,（,1,）带间辐射复合,直接跃迁,和,间接跃迁,两种。,2.,辐射复合方式,1,、效率高,2,、占多数，,InSb,，,GaAs,1,、效率低,2,、占少数，,GaP,，,AlAs;,（,2,）浅能级和主带之间的复合（掺杂）,E,d,E,c,E,a,E,v,P,型，浅受主,N,型，浅施主,特点：,hv,甚至更长。磷光的特点可用,余辉时间,表征。,5.2.1,（冷）发光,广义地，除热激发以外，自发辐射导致的发光都叫冷