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材料物理性能学-03材料的光学性能 材料科学与工程学院：马永昌 第三章 材料的光学性能 3.1 光和固体的相互作用 3.2 材料的发光 3.3 激光原理 3.4 固体材料的红外光学性能 3.5 磁光效应 光在高科技中的地位正在不断提高。 电集成——光电子集成——光学集成。 * 对于光合作用的研究。 要想做更为深入的研究和功能的集成与光学器件的开发等工作，基本知识是必不可少的。 光的波粒二象性 真空中光速c=3×108 m/s. 光电效应很好地证明了光的粒子性，而很多干涉效应又说明了光的波动性。光到底什么时候波动性明显，何时粒子性又占主要地位，要看具体问题和具体环境。 在介质中时， 电磁波谱 光在真空中沿着直线传播。 但是当遇到另一种介质时，也就是当光从真空中入射到真空与介质的分界面上时 如何描述这样一个体系中光的传播规律？ 反射部分光线就是我们平时所说的镜面反射。 折射过来的光线到底怎样传播？（将越来越衰减，因为除了真空以外的任何介质都会吸收光） 反射定律和折射定律：由此两个定律可以描述两光的传播方向，速度，频率等。 但是我们这里已经不再是几何意义上的光学了。 光入射到某界面后到底多少光被反射？ 为了简单起见，我们考虑单色光（可见光）。 一般说来，只要光传播遇到界面就肯定有一部分光被反射，否则我们就看不到物体了。 垂直入射时： 固体的反射率是它的“finger print” 对于某种材料，如果R(ω) [ω 为全波段]已知，那么他的所有物理属性就都已知了。 对于折射光，n2sinθ2=n1sinθ1 前提需要知道折射率： 从微观上看，光与固体材料的相互作用实际上是光子与其中的原子、电子和离子之间的相互作用。 电子极化，电子能态的转变。 电场分量使得电子云偏离原子核导致电子位移极化，一部分光的能量被吸收，同时光波速度减小，导致折射产生。极化对于电场矢量是有影响的，因而对于光的传播就有了折射那样的影响。 固体介质对光的散射 原因：媒（介）质不均匀。光当然可以在表面被散射，也可以在介质内部被散射。 散射分为两种情形： a 散射光频率与入射光相同； b 散射光频率与入射光不同。 分别对应于瑞利散射和喇曼散射。 瑞利散射定律 瑞利散射定律中散射光的强度与波长的关系为：Is(λ) = cf(λ)/ λ4, f(λ)为入射光强谱。 注意瑞利散射仅在散射微粒的尺寸比光波长小的情况下才成立。散射颗粒较大时，瑞利散射定律失效。 喇曼散射现象 在非常纯净的液体和晶体的散射光光谱中，除了有频率未发生改变的光以外，还存在有频率为ω±ω1，ω±ω2 …的强度较弱的谱线。而这里的ω1 和ω2等频率对应散射物质分子的固有振动频率。这种散射现象就是喇曼散射。 介质吸收光的一般规律 光吸收的机制 a 带间跃迁光吸收；（直接和间接） b 晶格光吸收；（光频=晶格振动的频率） c 杂质和缺陷的光吸收；（半导体浅能级杂质和金属离子杂质） d 电子极化（电子云形变时耗能）； e 自由电子吸收光； f 激子光吸收。 光在材料中的色散 色散就是颜色散开。颜色对应光的频率。 如果某材料对于所有频率光的折射率都相同，则复色光所有各颜色的光都将同步行进，无色散。 材料对不同波长的光有不同的折射率。实质：介质中的光速是频率依赖的。 透镜成像要想比较清晰就应当用单色光，而并非是自然光。因为不同颜色光的折射率不同，则通过透镜成像后的焦点就不同。（三棱镜实验） 通常用介质的折射率n或色散率dn/dλ与波长λ的关系来描述色散规律。任何介质的色散均可分正常色散和反常色散两种。 在介质对光有强烈吸收的波段内(吸收带)，折射率随波长的增加而减小，色散率dn／dλ0，称正常色散。 3.2 材料的发光 研究发光的意义 固体光发射的机制 微观粒子在不同能态之间的跃迁—光发射 我们多数时候只考虑电子。 晶体受外界各种能量的激发，如照射各种射线（X射线、电子束、或各种频率的光线）或对晶体施加电场，使晶体中的电子由基态跃迁至激发态，晶体便处于非平衡态。 处于激发态的电子，能量较高，会以一定的概率落回到基态，相当于电子在激发态有一定的（有限的）寿命。 电子在由激发态落回基态的过程中会把多余的能量以各种形式释放出来。如果以光能的方式释放出来，就是光发射过程。所以要使晶体能发光，首要条件是部分电子处于激发态。 根据电子的激发方式，固体发光可分为： 射线激发发光； 电激发发光； 化学发光； 机械发光； 根据所释放光子能量的大小，可分为： 1. 冷光发光 2. 热辐射 3.2.1 冷光发光——荧光和磷光 发光就是物质以可见光的形式向外辐射能量。 当辐射或其他形式的能量将电子从基态激发到高能态（激发态