课件：第三章光学性能.ppt

第三章 光 学 性 能,第一节 光传播的基本理论 第二节 光的反射和折射 第三节 材料对光的吸收和色散 第四节 晶体的双折射和二向色性 第五节 介质的光散射 第六节 材料的光发射 第七节 材料的受激辐射和激光,孔雀蓝色玻璃长颈瓶,神光I装置（21012）(19861994年),新型光学和光电子器件的各种应用,第一节 光传播的基本理论,一、光的波粒二象性 二、光的波动性 三、光的干涉和衍射 四、光子的能量和动量 五、光通过固体的现象,一、光的波粒二象性,因斯坦理论中的光量子(光子)不同于牛顿微粒学说中的粒子。他将光子的能量、动量等表征粒子性质的物理量与频率、波长等表征波动性质的物理量联系起来，并建立了定量关系。因此光子是同时具有微粒和波动两种属性的特殊物质，是光的双重本性的统一。,二、光的波动性,图3-1 电磁波谱,二、光的波动性,图3-2 线偏振光波中的电振 动、磁振动及光传播方向,三、光的干涉和衍射,图3-3 激光的双缝干涉实验,三、光的干涉和衍射,图3-4 激光狭缝衍射实验,四、光子的能量和动量,光子的能量和动量虽小，却不能再分割。最微弱的光源至少发射一个光子。按照波动观点，一个点光源所发射的光波会均匀照亮以其为中心的球面。如果在球面上安装了许多探测器，而点光源在某一时刻只发射一个光子，那么光子将射向哪个探测器呢?我们不能作确切的回答。但是，有一点很清楚，即光子是不可分的。只要有一个探测器接收到光子，其他探测器就一定没有接收到。,五、光通过固体的现象,1.电子极化 电磁辐射的电场分量，在可见光频率范围内，电场分量与传播过程中的每个原子发生作用，引起电子极化，即造成电子云和原子核电荷重心发生相对位移。 2.电子能态转变 光子被吸收和发射，都可能涉及固体材料中电子能态的转变。,五、光通过固体的现象,图3-5 光子与固体介质的作用,光速与真空中的电导率0和导磁率0的关系：,光子（Photon）的能量 ：,光速与波长和频率的关系：,人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。,可见光七彩颜色的波长和频率范围,光在均匀介质中的直线传播定律； 光通过两种介质的分界面时的反射定律和折射定律； 光的独立传播定律和光路可逆性原理。,反射定律指出，反射线的方向遵从： 反射线和入射线位于同一平面（即入射 面）内，并分别处在法线的两侧； 反射角等于入射角。,第二节 光的反射和折射,折射定律指出，折射线的方向满足： 折射线位于入射面内，并和入射线分别处在法线的两侧； 对单色光而言，入射角i的正弦和折射角r的正弦之比是一个常数，即 sini/sinr=n2/n1=n21 n21称为第二介质相对于第一介质的相对折射率。它与光波的波长及界面两侧介质的性质有关，而与入射角无关。,如果第一介质为真空，则上式可写为 sini/sinr=n2 式中n2为第一介质相对于真空的相对折射率，或第二介质的绝对折射率，简称折射率。,n=v真空/v材料=c/ v材料,介质的折射率永远是大于1的正数。 如空气 n=1.003， 固体氧化物 n=1.32.7， 硅酸盐玻璃 n=1.51.9。,折射率n的定义： 光在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率。,n1,n2,i1,入射束,i2,折射束,入射角、折射角、材料的折射率、光在材料中的传播速度有下述关系：,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。,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：折射率大的介质， 光的传播速度慢； 光疏介质：折射率小的介质， 光的传播速度快。,影响折射率的因素,构成材料元素的离子半径 一般大离子得到高折射率的材料，小离子得到低折射率的材 料，如：PbS的 n=3 . 912 SiCl4 n=1 . 412 材料的结构、晶型和非晶态 折射率和离子的排列密切相关 均质介质：对于非晶态（无定性体）和立方晶体各方向同性材料，光速不因传播方向改变而变化，材料只存在一个折射率。 非均质介质：除立方晶体外的晶体，光进入后分为两相垂直而传播速度不同的两个波，构成两条折射光线，此现象称为双折射。平行于入射面的光线折射率称为常光折射率no，始终为一常数，不随入射方向而改变；另一与之垂直的光线的折射率为非常光折射率ne，随入射方向改变。 如石英no=1.543，ne=1.552 方解石no=1.658，ne=1.486 刚玉no=1.760.，ne=1.768,材料所受的内应力 有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于主应力方向的n小。 同质异构体 在同质异构体材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存在的晶型折射率高。如： 常温下的石英玻璃 n=1.46，最小 常温下的石英晶体 n=1.55，最大 高温时磷石英 n=1.47 高温时方石英 n=1.49,反射率与透射率,当光线由介质1入射到介质2时，光在介质面上分成了反射光和折射光。这种反射和折射可以连续发生。由于反射，使得透过部分的强度减弱。,光的连续反射和折射,光的总能量流W为：WWW“,波动理论有,W、W、W”分别为单位时间通过单位面积的入射光，反射光和折射光的能量流。,光的全反射,全反射：当光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于临界角时，光线被100%反射的现象。此时不再有折射光线，入射光的能量全部回到第一介质中。,临界角：,若将一束白光斜射到两种均匀介质的分界面上，就可以看到折射光束分散成按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序排列而成的彩色光带，这是在介质中不同波长的光有不同的速度的直接结果。所以，介质中光速或折射率随波长改变的现象称为色散现象。研究色散最方便的实验可以通过棱镜来进行。测量不同波长的光线经棱镜折射的偏转角，就可以得到折射率随波长变化的曲线。,第三节 材料对光的吸收和色散,几种玻璃的色散曲线,材料的折射率随入射光的频率的减小而减小的性质，称为折射率的色散,几种晶体和玻璃的色散曲线,2019/4/19,31,可编辑,在给定入射光波长的情况下：,色散值可以直接由色散图确定，然而最实用的方法是用固定波长下的折射率来表达，而不是去确定完整的色散曲线。,式中nD、nF、nC分别以钠的D谱线、氢的F谱线和C谱线（5893A,4861A和 6563A）为光源测得的折射率。,倒数相对色散 ，即色散系数：,描述光学玻璃的色散还用平均色散（=nF-nC）, 对于同一材料而言，波长愈短则折射率愈大 波长愈短色散率愈大（一般不考虑负号） 不同材料，对同一波长，折射率大者色散率 dnd也大 不同材料的色散曲线没有简单的数量关系,第四节 材料的透光性,一、介质对光的吸收,光在介质中传播时会有能量的损失，使 透过介质的光强度减弱的现象，这就是 光的吸收。,1、定义,2、光吸收的一般规律朗伯特定律,光通过材料时的衰减规律,第五节 介质对光的散射,光通过介质时光能被发散而使通过光的强度减弱的现象叫光的散射,1、定义,2、散射与吸收的区别,吸收是由能量转化为内能而使透射强度减弱；散射是由某些幅射的方向改变成与原来光束不同的方向而引起。,三、无机材料的透光性,透光性是个综合指标，即光通过无机材料后，剩余光能所占的百分比。,（1） 气孔率和材料缺陷 （2） 晶粒排列方法的影响,影响透光性的因素,提高无机材料透光性的措施 1提高原材料纯度 2掺加外加剂,3工艺措施,第六节 材料的光发射,一、激励方式 二、材料发光的基本性质 三、发光的物理机制,一、激励方式,发光前可以有多种方式向材料注入能量。通过光的辐照将材料中的电子激发到高能态从而导致发光，称为“光致发光”。光激励可以采用光频波段，也可以采用X射线和射线波段。日常照明用的荧光灯是通过紫外线激发涂布于灯管内壁的荧光粉而发光的。利用高能量的电子来轰击材料，通过电子在材料内部的多次散射碰撞，使材料中多种发光中心被激发或电离而发光的过程称为“阴极射线发光”。彩色电视机的颜色是采用电子束扫描、激发显像管内表面上不同成分的荧光粉，使它们发射红、绿、蓝三种基色光波而实现的。通过对绝缘发光体施加强电场导致发光，或者从外电路将电子(空穴)注入到半导体的导带(价带)，导致载流子复合而发光，称为“电致发光”。作为仪器指示灯的发光二极管就是半导体复合发光的例子。,二、材料发光的基本性质,(一)发射光谱 (二)激发光谱 (三)发光寿命 (四)发光效率,(一)发射光谱,图3-22 ST的线状发射光谱,(二)激发光谱,图3-23部分激发光谱,(三)发光寿命,发光体在激发停止之后持续发光的时间称为发光寿命(荧光寿命或余辉时间)。最简单的情况是发光中心的电子被激发到高能态之后，各自独立地相继向基态跃迁而发光。,(四)发光效率,发光效率通常有三种表示法，即量子效率、功率效率和光度效率。,三、发光的物理机制,(一)分立中心发光 (二)复合发光,(一)分立中心发光,这类材料的发光中心通常是掺杂在透明基质材料中的离子，有时也可以是基质材料自身结构的某一个基团。选择不同的发光中心和不同的基质组合，可以改变发光体的发光波长，调节其光色。,(二)复合发光,图3-24 p-n结势垒的形成和 在外电场作用下的减弱,(二)复合发光,表3-2 半导体材料的禁带宽度和复合发光波长,第七节 材料的受激辐射和激光,一、受激辐射 二、激活介质 三、光学谐振腔和模式 四、激光振荡条件 五、激光器件简介,一、受激辐射,图3-25 固体吸收和发光的三种机制 a)受激吸收 b)自发辐射 c)受激辐射,二、激活介质,图3-27 NYAG的能级图,二、激活介质,图3-27 NYAG的能级图,三、光学谐振腔和模式,1.提供光的正反馈 为了使光强不断放大，让一定波长的自发辐射光在两个反射镜之间来回反射并反复通过激活介质，以诱发受激辐射。 2.限制或选择光束的方向 因为只有那些基本上沿着镜面法线方向运行的光束，才会被镜面反射回来而经激活介质反复放大形成强光束，而其他方向的光波都会很快逸出腔外，不可能积累到很高的强度，所以说，谐振腔限制了激光束的方向。 3.选择光的模式和振荡频率 被谐振腔来回反射的光束彼此叠加起来，将形成光强在空间的稳定分布。 4.输出光束 谐振腔可将腔内激光束的一部分耦合到腔外作为输出光束，供人们使用。,四、激光振荡条件,图3-28 激光振荡条件,五、激光器件简介,必须指出，自从