固体物理第一章第五节 光学性质.ppt

第五节 光学性质 本节主要内容: 研究自由电子在交变场中的行为. 主要有光吸收、光学常数和光反射 固体物理很重要的一部分就是研究固体在电场和磁场等中的输运性质.前面讨论了自由电子在电场和磁场中的一些行为。这一节主要讨论自由电子在交变场中的行为. 以电动力学中导出的波动方程作为出发点，简单讨论固体的光吸收、光学常数以及光反射等问题 §1.5 光学性质 电动力学给出的波动方程 E为电磁波； ?0为真空磁导率 ?0为真空介电常数 ? 为电导率 将它代入波动方程可得波矢： 假设入射金属的电磁波是 一.光吸收的描述—复数介电常数 由电动力学已知，对于不导电介质，波矢为 两式比较 可令 ?称为金属自由电子气体的复数介电常数 所以，相对介电常数为 将电导率 代入 得 令 又 代入上式并整理得 (1.5.8) 或简写为 ?1和?2分别为复数相对介电常数的实部和虚部 电磁波在介质中传播，当需要考虑吸收的影响时，要用复数介电常数(因为吸收系数与虚部对应，后面有解释） 二.光学常数 1.反射系数和反射谱 当光照射到固体表面时，部分光被反射，若入射光强为J0,反射光强为JR时，则反射系数定义为： 反射系数对于频率的依赖关系R(?)称为反射谱 2.吸收系数和吸收谱 当光进入固体后，由于可能被吸收，光强随进入固体材料的深度x而衰减 ?称为吸收系数 吸收系数对于频率的依赖关系? (?)称为吸收谱 电磁波在真空中的传播速度为光速 在自由电子气体中变为 3.自由电子气体的复数折射率 按照折射率的定义 由 又 所以自由电子气体的复数折射率为 表明自由电子气体的复数折射率的平方等于复数相对介电常数 复数折射率也可以表示为实部和虚部之和 实部n1是通常的折射率；虚部n2叫消光系数(extinction coefficient) 波矢的折射率表示 亦即波矢k可用复折射率表示 假定电磁波沿着垂直于金属表面的z方向传播,则 可见,波幅 在传播中是衰减的 由于光强I比例于波幅的平方 为吸收系数 ?与虚部n2有关，这就是为什么需要考虑吸收的影响时，要用复数介电常数之故,同时，也是把虚部n2叫消光系数的原因 令 得 所以， 是因介质对电磁波能量的吸收,光强衰减到原来的e-1时电磁波在介质中传播的距离。 三、反射系数 由电动力学，当光从真空(或空气)垂直入射到金属表面时，反射波电场振幅Er与入射波电场振幅 Ei 的比为： k为入射波的波矢 k?为透射波的波矢 由波矢k与折射率的关系： 入射波矢 可令透射波矢 反射波电场振幅 Er 与入射波电场振幅Ei的比为 由于电磁波从真空或空气入射，所以 所以 由此可得电磁波从空气进入金属中传播时的反射系数(反射波电场振幅Er的平方与入射波电场振幅Ei的平方的比): 四、讨论 1.低频段 在低频段,???1,复数电导率 ???1, 所以 亦即在低频段,金属的电导率近似为直流电导率. 所以电流密度可近似为 亦即，在低频段，金属中电流与交变场同相位 此时，由于电阻的存在，电磁波的能量以焦尔热的形式被吸收 另外,由 可看出 由于吸收系数主要依赖于n2,所以在低频段电磁波 有明显的衰减( ) 这一频段从直流一直延伸到远红外区，并把这一区域称为吸收区 在远红外区，经典的自由电子气体模型可以相当好的描述金属的光学行为(see Fig.1.6的?1(?)曲线)(图中横坐标有错) 2.高频段 当频率很高时，???1 即相对介电常数成为实数 所以，折射率为虚数，其实部n1为零 反射系数 因而，在很高的频率段，金属显示出非常好的反射特性，称为金属反射区 可见光的上限频率 金属的 满足 所以，通常金属具有高反射率