南京理工大学化工学院RPPT课件.ppt

材料物理基础 宋晔 1 5材料的光学 光学现象是材料的一个重要特性 材料的光学性能被人们极为广泛地利用 材料对可见光的不同吸收和发射性能使世界缤纷多彩 玻璃 塑料 金属 晶体和陶瓷都可以成为光学材料 2 对人眼睛敏感的可见光 visiblelight 谱的波长 380 760nm 仅是电磁波谱 10 5 l0 15m 中的一小部分 其颜色决定于光的波长 5 1材料的透光性 光与固体材料的相互作用 3 可见光七彩颜色的波长和频率范围 人眼最为敏感的光是黄绿光 即555nm附近 4 光与固体相互作用的本质有两种方式 电子极化电子能态转变 5 电子极化电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量 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 即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移 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 6 电子能态转变电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能态的过程 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 受激电子不可能无限长时间地保持在激发状态 经过一个短时期后 它又会衰变回基态 同时发射出电磁波 即自发辐射 7 光的折射与反射 光子进入材料 其能量将受到损失 故光子的速度将发生改变 当光从真空进入较致密的材料时 其传播速度降低 光在真空中的速度v真空与材料的速度v材料之比 称为材料的折射率n 8 材料2相对于材料1的相对折射率 反射定律三线共面 反射角等于入射角折射定律三线共面 9 根据Maxwell电磁场理论 光在介质中的传播速度 因此 而一般材料 非铁磁性材料 则 10 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 在折射率大的介质中 光的传播速度慢 光疏介质 在折射率小的介质中 光的传播速度快 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 11 正是因为介质的极化 拖住 了电磁波的步伐 才使得其传播速度变得比真空中慢 12 构成材料元素的离子半径 大离子可提高n 小离子可构成低n的材料 如 PbSn 3 912 SiCl4n 1 412 材料的结构 晶型 根据光线通过材料的表现 把介质分为均质介质和非均质介质 非晶态 无定型体 和立方晶体结构 当光线通过时 光速不因入射方向而改变 故材料只有一个折射率 称为均质介质 除立方晶体外的其他晶型都属于非均质介质 其特点是光进入介质时产生双折射现象 折射率的影响因素 13 双折射现象使晶体有两个折射率 其一是服从折射定律的寻常光的折射率 不论入射方向怎样变化 始终为一常数 而另一折射光的折射率随入射方向而改变 称为非寻常光的折射率 14 材料存在的内应力有内应力的透明材料 垂直于存在的主应力方向的n值大 平行于主应力方向的n值小 同质异构体在同质异构材料中 高温时的晶型折射率较低 低温时存在的晶型折射率较高 例如 常温下的石英玻璃n 1 46 常温下的石英晶体n 1 55 高温时 鳞石英n 1 47 方石英n 1 49 可见 常温下的石英晶体n最大 15 光的反射与折射图 16 根据麦克斯韦方程组和电磁场的边界条件可以得到光波在反射前后和折射前后的能量变化规律 反射光的功率对入射光的功率之比称为反射系数 反射比 经过折射进入第二介质的光为透射光 透射光与入射光功率之比称为透射系数 反射系数和透射系数 17 设光的总能量流为 式中 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 反射系数m 接近垂直入射 18 根据能量守恒定律 透射系数为 19 设一块n 1 5的玻璃m 0 04 1 m 0 96 其折射光又从另一界面射入空气 即透过两个界面 则透过部分为 1 m 2 0 922 若连续透过x块平板玻璃 则透过部分为 1 m 2x 由于一般玻璃 陶瓷的折射率比空气大 故反射显著 若透镜系统由许多块玻璃组成 则反射损失更大 为减小这种界面反射损失 常采用折射率与玻璃相近的胶将它们粘起来 使得除了最外和最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外 内部各界面都是玻璃和胶的较小的相对折射率 从而大大减小界面的反射损失 20 由于光是一种能量流 在光通过材料传播时 会引起材料的价电子跃迁或使原子振动 从而使光能的一部分变成热能 导致光能的衰减 这种现象称为光的吸收 光的吸收 21 大量实验证明 入射光强减少的相对量dI I与吸收层的厚度dx成正比 两边积分 22 则有 朗伯特 Lambert 定律 表明光强度随厚度的增大而指数地衰减 材料对光的吸收系数 取决于材料的性质和光的波长 23 例如 金属实际上是不透明的 24 金属 半导体和电介质材料吸收系数与电磁波长的关系 25 上图所示是材料的光吸收系数与电磁波波长的关系 由图可见 在电磁波可见光区 金属和半导体介质对其吸收都是很大的 但电介质材料 包括玻璃 陶瓷 高聚物等材料在可见光波谱区吸收系数很小 具有良好的透过性 26 金属对光能吸收强烈 原因在于金属的价电子处于未满带 吸收光子后即呈激发态 在可见光区 金属和半导体的吸收系数都很大 由于绝缘性材料的价电子所处的能带是满的 光子的能量又不足以使价电子跃迁到导带 故在可见光波长范围内的吸收系数很小 在紫外光波长时 光子能量越来越大 直到光子能量达到禁带宽度时 绝缘性材料的电子就会吸收光子能量从满带跃迁到导带 导致吸收系数在紫外光区急剧增大 27 图中所示的红外区的吸收峰产生的原因与可见光及紫外端吸收产生的原因不同 红外吸收与晶格振动有关 具体说是离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致 即声子吸收 研究表明此吸收与材料的热振频率有关 28 对于光学元件 如光窗 棱镜 透镜等 需要的材料能透过波长范围愈广愈好 最好是能找到透过紫外线 可见光和红外光的材料 但是这种材料是很难找到 因为短波侧受材料的禁带宽度Eg限制 其紫外吸收端相应的波长可根据材料的禁带宽度Eg求得 29 另一端受晶格热振动的限制 它决定最长波长的透过 因为晶体共振频率为 决定透过的最长波长 原子的质量及键强是十分重要的 质量愈大 键强愈弱 透过的波长愈长 30 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 31 例如 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 但是对于波长范围为3 5 5 0 m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 而对红外光有强烈的吸收 32 又如 普通玻璃对可见光是透明的 但是对红外线和紫外线都有强烈的吸收 是不透明的 因此在红外光谱仪中 棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶体和氟化钙晶体制作 而紫外光谱仪中 棱镜常用对紫外线透明的石英制作 实际上 任何光学材料 在紫外和红外端都有一定的透光极限 任何物质都有这两种形式的吸收只是出现的波长范围不同而已 33 若材料在可见光范围对各种波长的吸收程度相同 则称为均匀吸收 它随吸收程度的增加使颜色从灰变到黑 若材料对某一波长吸收系数很大而对另一波长吸收系数很小 则称为选择吸收 透明材料的选择吸收使其呈不同的颜色 均匀吸收和选择吸收 34 光的色散和散射 在真空中 光以恒定的速度传播 与光的频率无关 然而 在通过任何材料时 光的传播速度要发生变化 而且不同频率的光在同物质中的传播速度也不同 这一事实在折射现象中最明显地反映了出来 即物质的折射率与光的频率有关 折射率n取决于真空中光速c和物质中光速v之比 材料的折射率n随入射光的频率减小 或波长增大 而减小的现象 称为光的折射率的色散 35 在给定入射光波长的情况下 材料的折射率随波长的变化率称为色散率 36 一些无机固体的折射率与波长的关系 37 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 不同材料 对同一波长 折射率大者色散率也大 不同材料的色散曲线间没有简单的数量关系 分析这些曲线可得如下规律 38 色散 率 对于光学玻璃是重要参量 因为色散严重造成单片透镜成像不够清晰 在自然光的透过下 像的周围环绕了一圈色带 克服的方法是用不同牌号的光学玻璃 分别磨成凸透镜和凹透镜组成复合镜头 以消除色差 这被称之为消色差镜头 39 式中 nD nF nC分别为以钠的D谱线 589 3nm 氢的F谱线 486 1nm 和C谱线 656 3nm 为光源测定的折射率 判断光学玻璃色散的方法并不一定要测定色散曲线 最常用的是倒数相对色散 即色散系数 Abb 数 40 当光束通过均匀的透明介质时 从侧面是难以看到光的 但当光束通过不均匀的透明介质时 则从各个方向都可以看到光 这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果 这种现象称为光的散射 例如 当一束太阳光从窗外射进室外内时 我们从侧面可以看到光线的径迹 就是因为太阳光被空气中的灰尘散射的缘故 光的散射 41 光的散射 散射的一般规律在材料中如果有光学性能不均匀的微小结构区域 例如含有小粒子的透明介质 光性能不同的晶界相 气孔或其它夹杂物 都会引起一部分光束被散射 由于散射 光在前进方向上的强度减弱了 对于相分布均匀的材料 其减弱的规律与吸收规律具有相同的形式 散射系数 42 S不但与入射光波长有关 也与散射颗粒的大小 分布 数量以及散射相与基体的相对折射率大小有关 当散射点尺寸约等于光的波长时 出现散射峰值 散射点与基体的相对折射率愈大 则散射系数愈大 将产生严重的散射 43 一般测量得到的 吸收系数 实际包含两部分 一部分是真正的吸收系数 一部分是散射系数S 在很多情况下其中一个往往比另一个小得多 小的一个可以忽略不计 当然也有两种作用是同等重要的 两式结合称为Bouguer定律 44 光散射分类 根据散射前后光子能量 或光波波长 变化与否 分为弹性散射与非弹性散射弹性散射 散射前后光的波长 或光子能量 不发生变化 只改变方向的散射 非弹性散射 当光通过介质时 从侧向接受到的散射光主要是波长 或频率 不发生变化的瑞利散射光 属于弹性散射 当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪 可发现散射光中还有其它光谱成分 它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧 强度一般比弹性散射微弱得多 这些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果 称为非弹性散射 45 瑞利散射Rayleighscattering通常我们把线度小于光的波长的微粒对入射光的散射 称为瑞利散射 Rayleighscattering 瑞利散射不改变原入射光的频率 46 为了解释天空为什么呈蔚蓝色 瑞利 L Rayleigh 1842 1919 研究了线度比光的波长小的微粒的散射问题 在1871年提出了散射光强与波长的四次方成反比的关系 即这就是瑞利散射定律 47 按照瑞利散射定律 我们不难理解晴天时晨阳与午阳的颜色不同 入射波长越长 散射光强越小 即长波散射要小于短波散射 因为大气及尘埃对光谱上蓝紫色光的散射比红橙色光为甚 阳光透过大气层越厚 其中蓝紫色光成分损失越多 太阳显得越红 Global 早晨 中午 太阳光 48 透光率是指光能通过材料后剩余光能所占的百分比 材料的透光性和颜色 从左侧传入右侧空间中的光强为 透光率 49 影响材料透光性的主要因素有 吸收系数 反射系数m 散射系数S以及材料的厚度 透光率随着这四个因素的增大而减小 50 有许多材料本来是透明的 也可被制成半透明或不透明的 其基本原理是设法使光线在材料内部发生多次反射 包括漫反射 和折射 致使透射光线变得十分弥散 当散射作用非常强烈 以致几乎没有光线透过时 材料看起来就不透明了 本应是透明的 但由于各种原因或人为造成的不透明往往称为乳浊 51 引起内部散射的原因是多方面的 一般地说 由折射率各向异性的微晶组成的多晶样品是半透明或不透明的 在这类材料中微晶无序取向 因而光线在相邻微晶界面上必然发生反射和折射 光线经过无数的反射和折射变得十分弥散 同理 当光线通过分散得很细的两相体系时 也因两相的折射率不同而发生散射 两相的折射率相差愈大 散射作用愈强 52 在纯高聚物中 非晶均相高聚物应是透明的 而结晶高聚物一般是半透明或不透明的 因结晶高聚物是晶区和非晶区混合的两相体系 晶区和非晶区折射率不同 且结晶高聚物多是晶粒取向无序的多晶体系 因此光线通过结晶高聚物时易发生散射 结晶高聚物的结晶度愈高 散射愈强 因此除非是厚度很薄 或薄膜中结晶的尺寸与可见光波同一数量级或更小 结晶高聚物是半透明或不透明的 如聚乙烯 全同立构聚丙烯 聚四氟乙烯 尼龙 聚甲醛等 另外 高聚物中的嵌段共聚物 接枝共聚物和共混高聚物多属两相体系 因此除非特意使两相折射率很接近 一般多是半透明或不透明的 如ABS 橡胶增韧聚苯乙烯等 53 陶瓷材料如果是单晶体 一般是透明的 但大多数陶瓷材料是多晶体的多相体系 由晶相 玻璃相和气相 气孔 组成 因此 陶瓷材料多是半透明或不透明的 应当特别强调的是乳白玻璃 釉 搪瓷 瓷器等 其外观和用途很大程度上取决于它们对光的反射和透射性 54 铜 红色 和硫化镉 黄色 一类材料 由于其特征吸收谱 使其本身就具有一定的颜色 材料的颜色和着色原理 透明材料的颜色 蓝宝石和红宝石 55 陶瓷 玻璃 搪瓷 水泥等材料 常采用分子着色剂和胶态着色剂两大类颜料 其显色原理在于着色剂对光的选择性吸收而引起选择性反射或透射 从而显现丰富色彩 56 分子着色剂中起作用的是离子 或复合离子 当简单离子其外层电子层结构同于惰性气体型 因比较稳定 只有能量较高的光子才能激发电子跃迁 这样 选择性吸收发生在紫外区 对可见光没有影响 故往往是无色的 只有过渡族元素 其外层电子壳层有不满d层结构 镧元素 稀土族元素 的第三层外壳层含末成对的f电子 它们较不稳定 需要较少的能量即可激发 故能选择性吸收可见光 例如过渡族元素Co2 吸收橙 黄和部分绿光 呈带紫的蓝色 Cu2 吸收红 橙 黄及紫光 让蓝 绿光通过 Cr2 着黄色 Cr3 吸收橙 黄着成鲜艳的紫色 57 胶态粒子着色胶态着色剂最常见的有胶体金 红 银 黄 铜 红 以及硫硒化镉等几种 金属与非金属胶体粒子有完全不同的表现 金属胶体粒子的着色是由于胶体粒子对光的散射而引起选择性吸收引起的 决定于粒子的大小 非金属胶体粒子的着色主要决定于它的化学组成 粒子尺寸的影响很小 58 5 2激光与激光材料 发光及其材料 光是原子或分子发射出的具有一定波长和频率的能量 当材料的原子或分子从外部接受能量成为激发态 然后从激发态回到正常态时 会以电磁辐射的形式放出所接受的能量 这种辐射现象称为发光 59 若材料接受能量后立刻引起发光 中断能量供给后 几乎立刻停止发光 10 7 10 8s 这种发光称为荧光 其发光是被激发的电子从导带跳回价带时 同时发射光子 若材料不仅接受能量能发光 而且中断能量供给后一段时间仍能发光 这种发光称为磷光 60 发磷光的材料往往含有杂质并在能隙附近建立了施主能级 当激发的电子从导带跳回价带时 首先跳到施主能级并被捕获 在它跳回价带时 电子必须先从捕获陷阱内逸出 因此延迟了光子发射时间 当陷阱中的电子逐渐逸出 跳回价带并发射光子 发光强度由下式决定 弛豫时间 61 荧光 a 和磷光 b 发射 62 能发出荧光的材料主要是具有共轭键 电子 的苯环为基的芳香族和杂环化合物 能发出磷光的材料主要是具有缺陷的某些复杂无机晶体 大多是第二族金属的硫化物 硒化物和氧化物作为基质 重金属作为激活剂 63 磷光体一般由基体和激活剂两部分组成 基体常是金属硫化物 如CaS SrS BaS ZnS CdS等 激活剂主要是金属 由基质选定 例如ZnS和CdS 最好的激活物质是Ag Cu Mn 在黑白电视中使用发蓝光的 ZnS Ag 和黄色光的 Zn Cd S Cu Al的混合材料 使荧光屏呈白色 下表列出了一些磷光体的使用对象 主要性能等 64 65 66 当材料开始加热时 电子被热激发到较高能级 当电子跳回它们的正常能级时就发射出低能长波光子 波长位于可见光之外 温度继续增加 热激活增加 发射高能量的光子增加 则辐射谱变成连续谱 其强度分布决定于温度 由于发射的光子包括可见光波长的光子 所以热辐射的材料的颜色和亮度随温度改变 不同材料的热辐射能力是不同的 在高温下材料热辐射所有可见光的光子 所以辐射成为白光辐射 即看到材料白亮白亮的 例如白炽灯就是热辐射发光的应用 热辐射 67 激光及其材料 光与原子的相互作用 按照原子的量子理论 光和原子的相互作用可能引起 受激吸收 自发辐射和 受激辐射三种跃迁过程 68 各个原子发射的自发辐射光子 除了能量 频率 受上式制约之外 其发射方向和偏振态都是随机和无规则的 自发辐射 处于高能态的原子是不稳定的 在无外界作用下 激发态原子会自发地向低能态跃迁 并发射一个光子 光子的能量为 69 激发态的粒子受到一个具有能量等于两能级间差值 的光子作用 使粒子转变到正常态同时产生第二个光子 称其为受激辐射 受激辐射过程 当一个能量满足的光子趋近高能级E2的原子时 有可能入射的光子非但没有被吸收 反而诱导高能级原子发射一个和自己性质完全相同的光子来 即受激辐射的光子和入射光子具有相同的频率 方向和偏振状态 70 受激辐射中 一个入射光子作用的结果得到两个状态全同的光子 如果这两个光子再引起其他原子产生受激辐射 这样继续下去 就能得到大量的特征相同的光子 这就实现了光放大 可见 在连续诱发的受激辐射中 各原子发出的光是互相有联系的 其频率 相位 偏振态和传播方向都相同 因此这样的受激辐射的光是相干光 71 激光的产生 1 粒子数反转 统计物理理论指出 在通常的热平衡状态下 原子在各能级上的分布服从玻尔兹曼分布定律 即在温度T时 原子处于能级Ei的数目为 因此处于E1和E2的原子数之比为 72 室温T 300K 设E2 E1 leV 得N2 N1 10 40 说明在正常状态下 处于高能态的原子数远小于处于低能态的原子数 这种分布称为正常分布 在正常分布下 当光通过物质时 受激吸收过程较之受激辐射过程占优势 不可能实现光放大 要使受激辐射胜过受激吸收而占优势 必须使处在高能态的原子数大于低能态的原子数 这种分布与正常分布相反 称为粒子数反转 实现粒子数反转是产生激光的必要条件 73 三能级系统 74 2 谐振腔 在实现了粒子数反转分布的工作物质内 初始诱发工作物质原子发生受激辐射的光子来源于自发辐射 而原子的自发辐射是随机的 因而在这样的光子激励下发生的受激辐射也是随机的 所辐射的光的相位 偏振态 频率和传播方向都是互不相关 也是随机的 75 Laser LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 激光具有 相干性极好 单色性 空间相干性 方向性极好 亮度极高 脉冲瞬时功率大 76 红宝石激光器 TheRubyLaser Inventedin1960byTedMaimanatHughesResearchLabs itwasthefirstlaser 红宝石是在蓝宝石 Al2O3单晶 中加入0 05 Cr3 离子后得到的产物 Cr3 离子使红宝石呈红色 更重要的是提供了产生激光的所必要的电子能态 77 5 3光的传输与光纤材料 光的传输 光波是一种横波 其中的电场强度E和磁场强度H的振动方向相互垂直 它们和光波的传播方向之间构成一个直角坐标系 78 由于光波是振动频率很高的一种电磁波 满足Maxwell电磁场基本方程 光波动方程的微分形式 79 光线以不同角度从折射率高的介质n1射至折射率低的介质n2界面时 在一般情