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材料的光学性能OpticalPropertiesofMaterials 杜宇雷材料科学与工程学院 关于光的疑惑 3 光的本性 1905年 爱因斯坦提出 光的粒子性 光同时具有波 粒二象性 波 粒二象性的联系 关于光的认识 光的本性 光波是电磁波 真空中 介质中 介质的折射率 电磁矢量均与光的传播方向垂直 光和物质的相互作用主要由电矢量决定 光矢量指电矢量 光波是横波 光的本性 光的本性 光子是玻色子 玻色子是不可分辨的 不受泡利不相容原理的约束 对玻色子系统 单粒子态Ei的平均占有数为玻色 爱因斯坦分布 玻色 爱因斯坦凝聚态 光与固体材料相互作用 反射 折射 散射 吸收 光束在介质中传播时 部分光线偏离原方向分散传播的现象称为光的散射 从分子理论来看 光波射入介质后 将激起介质中的电子作受迫振动 从而发散出相干次波 只要分子密度是均匀的 次波相干迭加的结果 只剩下遵从几何光学规律的沿原方向传播的光线 其余方向的振动完全抵消 若介质是不均匀的 它能够破坏次波的干涉相消 从而引起光的散射 光吸收的类型 一般吸收 generalabsorption 在给定的波段范围内 若介质对光的吸收很少 而且光吸收量与波长无关 在可见光范围内 一般吸收意味着光通过介质后不改变颜色而只改变强度 选择吸收 selectiveabsorption 在给定的波段范围内 媒质吸收某种波长的光能比较显著 在可见光范围内 选择吸收意味着光通过介质后既改变颜色也改变强度 如果不把光局限于可见光范围以内 可以说一切物质都具有一般吸收和选择吸收两种特性 选择吸收性是物体呈现颜色的主要原因 金属的光透过性质 金属吸收光子后电子能态的变化 金属的光透过性质 非金属的光透过性质 选择吸收 selectiveabsorption 非金属吸收光子后电子能态的变化 金属材料 颜色取决于其反射光的波长 无机非金属材料 颜色通常与光吸收特性有关 颜色 从微观上分析 光子与固体材料相互作用 实际上是光子与固体中的原子 离子 电子之间的相互作用 其结果导致 光子与固体材料相互作用 电子极化 孤立原子吸收光子后电子态转变示意图 2 电子能态转变 能量被吸收 光强降低光速降低 产生折射 发光的物理机制发射光谱 光源发射光波的物体 如太阳 蜡烛等 光源发出的光是其中大量的分子或原子的运动状态发生变化时所辐射出的电磁波 发光的物理机理 电子沿着一个个分立的轨道绕核旋转 当电子在确定的轨道上运动时 原子具有确定的能量 电子从一个轨道跃迁到另一个轨道 原子或分子就从一个能态跃变到另一能态 同时伴随着能量的变化 电子在不同轨道之间跃变 原子向外释放或吸收能量 E n 1 n 2 n 3 n 4 n 5 n 6 n 1 n 3 n 2 n 原子的不同能态用一个个分立的能级表示 原子从一个定态跃迁到另一定态 会发射或吸收一个光子 频率 辐射频率公式 波列长L c 每一个辐射光子称作一个波列 每个波列持续时间约10 8s 原子或分子的发光过程是彼此独立的 随机的 光源发出的连续光波实际上是大量原子或分子发光的总效果 相互独立的波列 非相干 同一原子先后发出的光 非相干 不同原子发出的光 注 发射光谱 原子发射光谱 铁和其他元素的原子发射光谱图 上为铁谱 下为其他元素光谱 原子的发射光谱是线状光谱 每种原子有其独特的发射光谱 识别不同原子的标志 分子发射光谱 若干光谱带组成的带状光谱 分子光谱 分子能级结构非常复杂 分子的能量 能级间隔满足 分子的转动能级间的跃迁发出远红外辐射 振动能级间的跃迁发出中红外辐射 而电子能级间的跃迁发出可见光和紫外辐射 荧光发射 电子由第一激发单重态的最低振动能级 基态 多为S1 S0跃迁 10 7 10 9s 磷光发射 电子由第一激发三重态的最低振动能级 基态 T1 S0跃迁 电子由S0进入T1的可能过程 S0 T1禁阻跃迁 S0 激发 振动弛豫 内转移 系间跨越 振动弛豫 T1发光速度很慢 10 4 100s 光照停止后 可持续一段时间 光致发光 荧光和磷光 光与物质相互作用的三种基本方式 爱因斯坦在光量子论的基础上 把光频电磁场与物质的相互作用划分为三种过程 自发辐射 受激辐射和受激吸收 1 模型 参予与光相互作用的 粒子只有间距为hv E2 E1 E2 E1 的二个能级 且它们符合辐射跃迁选择定则 2 在这种模型中的辐射跃迁 粒子从低能级向高能级跃迁 须吸收光子 hv E2 E1从高能级向低能级跃迁 会发射光子 hv E2 E1 1 自发辐射 在无外电磁场作用时 粒子自发地从E2跃迁到E1 发射光子hv 自发辐射是原子在不受外界辐射场控制的情况下自发过程 因此 大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的 因而是不相干的 此外 自发辐射场的传播方向和偏振方向也是无规则分布的 自发辐射平均地分配在腔内所有的模式上 a 特点 各粒子自发 独立地发射的光子 各光子的方向 偏振 初相等状态是无规的 独立的 粒子体系为非相干光源 普通光源 h 2 受激辐射 原处于高能级E2的粒子 受到能量恰为hv E2 E1的光子的激励 发射出与入射光子相同的一个光子而跃迁到低能级E1 a 特点 受激发射只能在频率满足hv E2 E1的光子的激励下发生 不同粒子发射的光子与入射光子的频率 位相 偏振等状态相同 这样 光场中相同光子数目增加 光强增大 即入射光被放大 光放大过程 受激发射的粒子系统是相干光源 相同 相干 受激发射是产生激光的最重要机理 外来光子 受激幅射光子 受激辐射是在外界辐射场的控制下的发光过程 因而各原子的受激发射的相位不再是无规则分布的 而应有和外界辐射场相同的相位 量子电动力学可证明 受激辐射光子与入射光子属于同一光子态 原子发光的经典电子论可以帮助我们得到一个定性的粗略理解 按经典电子论模型 原子的自发跃迁是原子中电子的自发阻尼振荡 没有任何外加光电场来同步各个原子的自发阻尼振荡 因而电子振荡发出的自发辐射是相位无关的 而受激辐射对应于电子在外加光电场作用下作强迫振荡时的辐射 电子强迫振荡的频率 相位 振动方向显然应与外加光电场一致 因而强迫振动电子发出的受激辐射应与辐射场具有相同的频率 相位 传播方向和偏振状态 受激辐射与自发辐射的重要区别 相干性 3 受激吸收 原处于低能级E1的粒子 受到能量恰为hv E2 E1的光子照射而吸收该光子的能量 跃迁到高能级E2 h 激光原理 爱因斯坦研究辐射时指出 在一定条件下 如果能使受激辐射继续去激发其他粒子 造成连锁反应 雪崩似地获得放大效果 最后就可得到单色性极强的辐射 即激光 一 粒子的能级与辐射跃迁 1 粒子的能级 组成物质的原子 分子等粒子总是处于一定的能态或能级 能量最低的能态称为基态 其它能量较高的状态称为激发态 基态是最稳定的状态 通常多数粒子处在基态上 当一粒子获得一定的能量跃迁到某一激发态时 它在激发态上停留的时间一般很短 其平均寿命大约在10 9 10 7秒 有些粒子的某些激发态寿命较长 平均寿命大约可达10 3 10 2秒 这样的激发态称为亚稳态 1 受激吸收 假设E1 E2为某个粒子的两个能级 如图所示 一个处在较低能级E1上的粒子 吸收一个能量hn E2 E1的光子 跃迁到较高的能级E2上 这一过程称为光的受激吸收 2 自发辐射 处在高能级上的粒子可以自发地辐射光子而跃迁到较低的能级 这种过程称为自发辐射 如图所示 自发辐射光子的能量hn E2 E1 3 受激辐射 处在高能级E2上的粒子 在一个外来的能量为hn E2 E1的光子的诱发下 跃迁到能量较低的能级E1 同时释放出一个与诱发光子完全相同的光子的过程称为受激辐射 二 粒子数按能级分布 1 波尔兹曼分布 根据波尔兹曼分布 在热平衡条件下 处在高能级上的粒子的数目总是少于低能级上的粒子的数目 例如 根据波尔兹曼分布计算得知 氖原子3s激发态与基态在常温下 T 300K 两能级的粒子数之比为N2 N1 e 653 1这说明 在热平衡条件下 绝大多数的粒子都处在基态 能级能量越高 粒子数越少 1 受激辐射与吸收过程的矛盾设想有一个诱发光子 欲诱发受激辐射 由于在热平衡时 处在高能级上的粒子数目总是远远少于低能级上的粒子数目 这样 诱发光子遇到低能级上粒子的概率远远高于高能级上的粒子 因此 吸收过程远远胜过受激辐射过程 2 粒子数反转分布为了使受激辐射过程胜过吸收过程 必须破坏粒子数的热平衡分布 使得处在高能级上的粒子数目大于低能级上的粒子数目 这种分布已不是热平衡分布了 称为粒子数反转 2 粒子数反转 粒子数反转示意图 3 能实现粒子数反转的物质 工作物质 有适当的能级结构 亚稳态 Nd YAG Nd YVO4 Nd YLF Ruby 必须能在该物质中实现粒子数反转 可以是气体 液体 固体或半导体 现已有工作物质近千种 可以产生波长从紫外到远红外波段 粒子数反转必须具备的条件 能量的供应过程激励 光泵浦 工作物质内必须存在亚稳态能级 亚稳态不如基态稳定 但比激发态稳定 He Ne Ar Ru CO2等具有亚稳态 可实现粒子数反转 亚稳态E2 基态E1 激发态E3 三能级系统示意图 E1与E2之间产生以受激辐射为主的跃迁 激励 无辐射跃迁 激励源 泵浦 抽运 为使工作物质中出现粒子数反转 必须用一定的方法激励原子体系 使处于高能级的粒子数增加 用气体放电的办法激发物质原子 称为电激励 也可用脉冲光源去照射工作物质 称为光激励 还有热激励 化学激励等 为了不断地得到激光输出 就需不断地将处于低能级的原子抽运到高能级上去 激励源形象地称为泵 光学谐振腔 使某一方向 某一频率的辐射不断得到加强 其它方向 其它频率的辐射受到抑制的装置 全反射镜M1 部分反射镜M2 激光 工作物质 作用 选择激光的方向 选择激光的频率 激励能源 实现了粒子数反转 解决了受激辐射与吸收过程的矛盾 但还不能产生激光 要产生激光还需要一个光学谐振腔 所谓光学谐振腔 实际上是在激光器两端 面对面地装上两块反射率很高的平面镜 一块平面镜对光几乎全反射 另一块则让光大部分反射 少部分透射出去 以使激光可透过这块镜子而射出 光在放大介质中经历的路程越长 和越多的原子发生作用 才能获得越有效的光放大 但是把工作物质作得无限长是不现实的 反射镜的一个作用是使光沿工作物质轴线在反射镜间来回反射 每经过一次工作物质光就得到一次放大 被反射回到工作物质的光 继续诱发新的受激辐射 光在谐振腔内来回振荡 造成连锁反应 雪崩式地获得放大 受激辐射的起始光信号来源于自发辐射 而自发辐射的光包含较大的波长范围 这样较大范围的波长都有可能被放大 从而导致了非单一波长的光输出 在反射镜上镀一层对一定波长光具有反射率的薄膜 使只有该波长的光才能在谐振腔内来回反射 而其它波长的光在经过一次反射镜时就逸出腔外 激光器的结构 He Ne激光器的工作原理 反射镜 反射镜 阳极 阴极 布儒斯特窗 毛细管 工作物质 氦气 辅助物质 氖气 激励方式 直流气体放电 具有亚稳态能级结构的工作物质 激励系统和光学谐振腔 光束在谐振腔内来回震荡 在工作物质中的传播使光得以放大 并输出激光 He Ne激光器中Ne气粒子数反转态的实现 电子 He 21s 23s 亚稳态 Ne 3s 2s 3p 2p 1150nm 632 8nm 3390nm 电子经电场加速后 与He碰撞 处于激发态的He与Ne碰撞 把能量传递给Ne 使它在亚稳态 3s 2s 和激发态 3p 2p 之间形成反转分布 新型纳米激光器的设计 实现粒子数反转