第三章-光学(讲).ppt

光通过介质时发生的物理现象：,反射2.折射3.光吸收4.散射5.透射,概述,我们的世界是明亮的，因为自然界中的物质具有反射、散射及发光性质，我们的世界又是五彩缤纷的，因为我们周围的物质对可见光具有的不同吸收特性；钻石之尊贵不仅仅是因为它具有很高的硬度等特性，更重要的其有着迷人的光学性能。在信息时代的今天，光纤得到普及，是因为这种玻璃制成的纤维对工作频率的吸收是普通玻璃的万分之几，可以实现远程光通信。对光学性能应用最为典型的就是军事上的隐形技术。本讲内容将把我们,光的波动性光的波粒二象性光子的能量和动量*折射率*、反射率和透射率光的反射和折射光的全反射本章内容材料对光的吸收*和色散光散射弹性散射*介质的光散射与光发射光发射材料的光学性能,3.1光的波粒二象性人们对光的认识始于19世纪。1860年，麦克斯韦创立的电磁波理论，解释了光的直线传播、反射、干涉和衍射现象；1900年，普朗克提出能量子概念，成功地解释了黑体辐射；1905年，爱因斯坦创立了光量子假说，将光子表征粒子性质的能量、动量与表征波动性质的频率、波长等联系起来，揭示了光的波粒二象性，圆满解释了光电效应，康普顿（Compton）效应等现象。,1924年，德布罗意创立了物质波假说，被电子束衍射实验证实。把光的波粒二象性（波动性和粒子性统一）推广到一切微观粒子的共同属性1927年，狄拉克提出电磁场的量子化理论，进一步把波动理论和量子理论严格地统一起来。电磁波频谱宽，光学研究部分很少；可见光波长：390770nm（0.40.7m），不同波长的光引起不同的颜色视觉。,电磁波谱,3.1.1光的波动性光是电磁波，是交变的电磁场在空间的传播。变化着电场的周围感生出变化的磁场，变化着的磁场周围又会感生出另一个变化的电场，两者交织在一起。光波是横波，电场强度E和磁场强度H的振动方向垂直。并同时垂直于传播方向S（即光的能量流动方向）。,线偏振光的电振动磁振动及传播方向,1.光的振动与传播表征光波振动特征：频率、周期T、波长：v光速光的振动用电场强度变化表示：振幅，初相角光的传播0=0时，在z=0点电场强度：振动传到空间z点，场强：,【注释】：磁场与介质作用远弱于电场，由电场可算出磁场强度。电场对人眼或感光、光电效应等方面起主导作用，研究材料光学性质时只关心电矢量，故电场强度矢量被直接作为“光矢量”。,电磁波在真空中的速度：（c3108ms）电磁波在介质中的速度：（介质折射率）、真空、介质的介电常数，、真空、介质的磁导率。光波传播伴随能量流密度：（单位时间垂直流过单位面积的能量）测试用能量流密度平均值光强：应用相对值表示光强与光波电场振幅的关系。,3.1.2光子的能量和动量爱因斯坦光量子公式：电磁场（光场）的能量是不连续的，可分成最小的单元，这个最小的能量单元称为“光子”。能量（解释光电效应）：动量：（反映光的波粒二象性能）,光既可以看做光波又可以看做光子流。光子是电磁场能量和动量量子化的粒子，而光波是光子的概率波。,对光的研究有两个角度：涉及光传播特性时（只要电磁波不很弱时），用经典电磁波理论，用光波概念。涉及光与物质相互作用并有能量、动量交换时，把光当做具有确定能量和动量的粒子流时，用光子概念。,3.2光的反射和折射,单位时间通过单位面积的光能为能流率。各部分能流率占总能流率的比分别称透射系数、吸收系数、反射系数、散射系数。,光从一种介质进入另一种介质时，能量流分成四部分：反射、吸收、散射、透射。,入射面：射线与入射点处界面的法线所构成的平面,介质1界面介质2,界面法线,入射线,反射线,折射线,I0,I1,I2,I0=I1+I2,不考虑吸收、散射等能量损耗，入射光能量只在两种介质的界面上会发生反射和折射，能量重新分配。,介质折射率总是n1空气n1.0003固体氧化物n=1.32.7硅酸盐玻璃n=1.51.9）,3.2.1光的折射率、反射率和透射率,1.介质折射率定义：光在真空和介质中的速度之比,折射率反映光在介质中传播速度的快慢。两种介质相比，折射率大的传播速度慢，叫光密介质。折射率小的传播速度快，叫光疏介质。折射率在本质上，反映了材料在光波电磁场中的极化特性（介电性），极化特性强，对光速影响大。,2.折射率与传播速度的关系,3.影响折射率的因素(1)构成材料元素的离子半径折射率n随介质的离子半径增大而增大（离子半径大介电常数大）。,几种材料的折射率,大离子材料折射率高，小离子材料折射率低。光波作用介质时，原子受外电场作用极化，正、负电荷沿、逆电场方向移动，电荷中心相对位移。外电场越强，极化越强，光速越慢。,按光学性能，材料分均质介质和非均质介质。均质介质：指非晶态（无定型体）、立方晶体等各向同性的材料，只有1个折射率，光速不因传播方向改变而变化；非均质介质：指立方晶体以外的材料，光通过时，分振动方向相互垂直、传播速度不等的两个波构成两条折射光线，称双折射）双折射是非均质晶体的特性，非均质介质晶体的所有光学性能都和双折射有关。,(2)材料的结构、晶型和非晶态,1）平行于入射面光线的折射率，为常光折射率n0。与入射角无关，为常数，常光折射率严格服从折射定律,2）垂直入射光线的折射率，随入射线方向的改变而变化，为非常光折射率ne。不遵守折射定律,当光沿晶体光轴方向入射时，只有n0存在；与光轴方向垂直入射时，ne最大，此值视为材料特性。沿晶体密堆积程度较大的方向ne较大。,两条折射光线中,(3)材料所受的内应力透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方向的n小。(4)同质异构体同质异构材料中，高温时的晶型折射率低，低温时的晶型折射率较高。,如：常温下的石英玻璃n=l.46，数值最小；常温下石英晶体n1.55，数值最大；高温时方石英，n=1.49,3.2.2反射率和透射率基本概念反射率（反射比，反射系数）：反射光的功率对入射光的功率之比。透射率（透射比，透射系数）：透射光（经过折射进入第二介质）的功率对入射光的功率之比。入射光的功率=反射光的功率+透射光的功率：反射率：、反射波和入射波的振幅,2影响反射率的因素光的反射率与偏振方向、入射角、波长、相对折射率有关。(1)偏振方向垂直入射面方向振动波的分量（偏振光）反射率：平行入射面振动波的分量（偏振光）反射率：、入射角和折射角,当+=900时，RP=0，无平行入射面方向振动波矢量，该入射角B称布儒斯特角。利用布儒斯特角可以产生偏振光。,(2)入射角：入射角越大，反射率越大(3)波长：同一材料对不同波长的光反射率不同（金对绿光反射率50%，对红光96%(4)相对折射率：垂直入射时，光在界面上的反射损失随n12增加而增加。,当n1=n2时，m=0，无反射。,n1与n2差别大，反射损失严重。,反射率与入射角的关系,设：n1=1.5，光由空气进入介质，通过一个界面的反射损失m=0.04，透过系数1-m=0.96，从另一面进入空气，透过部分：(1-m)2=0.922。透过x层玻璃后，透过部分：(1-m)2x,为减少界面造成损失，用与玻璃折射率相近的胶粘合。,当光束从折射率大的光密介质进入折射率小的光疏介质（n1n2）时，折射角大于入射角。当入射角达某一角度C时，折射角可等于90o，此时有一条很弱的折射光线沿界面传播。当入射角大于C，无折射光线，入射光能量全部反射到第一介质中。这种现象称全反射，C为全反射的临界角。表达式：,3.光的全反射和光导纤维,折射率大，临界角C小。普通玻璃对空气C为42o，水对空气C为48o，钻石折射率大（n2.417），临界角C很小，容易全反射。,光的全反射,光导纤维（光纤）利用光全反射原理。光纤纤芯是由光学玻璃、光学石英或塑料制成,直径几十m，纤芯表面包层直径100150m，折射率比纤芯略低。光线从一端以入射角42o射入纤维内部时，将在内外两层间产生多次全反射传播到另一端。,光在光导纤维中的传播,光维传输图像时的损耗来自纤维接点。由此而造成图不清。,3.2.3棱镜、透镜和反射镜棱镜：由几个面围成的透明光学材料，用于分光透镜：由两个球面（或曲面）围成的透明光学材料，用于成像镜面反射：镜面表面光洁度高，反射光线方向明确反射镜：漫反射：由于材料表面粗糙，局部入射角不同，反射光方向各异，反射能量分散在各方向上。,表面越粗糙，漫反射比例越大，镜面反射能量比例越小。,3.3.1材料对光的吸收,3.3材料对光的吸收和色散,1.吸收系数与吸收率,朗伯特定特（Lambert）定律：,：吸收系数，cm-1,吸收率,i1,光吸收谱测试原理,吸收谱及其测试,2.光的吸收的物理本质,i,图3-10金属、半导体及电介质材料吸收率随波长的变化,原子等震动声子吸收,价电子激发；,光的吸收的物理本质：,光的吸收的基本形式：,取决于能带结构,取决于材料的震动特性固有频率,取决于能带结构金属材料无禁带，容易吸收光子产生激发，激发的电子在退激之前的运动中与其它粒子碰撞，将吸收的光能转化为热能。半导体材料禁带宽度相对较窄，与可见光光子能量接近，容易吸收光子的能量产生激发(跃迁)，进到导带。（引起电导率的增加，增加的部分就称为光电导）。电介质材料禁带宽度较宽（大于可见光区光子的能量），无法吸收该区光子的能量跃迁。但当光的波长足够短，光子能量达到禁带宽度时，电于同样会吸收光子能量从满带跃迁到导带，此时吸收系数将骤然增大。可以产生强烈的吸收。,通过吸收峰波长可以计算禁带宽：,是与离子间的结合力有关的参数，Mc、Ma分别为阳离子和阴离子的质量。,材料固有频率取决于离子间的结合力和离子的质量。,（6）,离子间的结合力越小，离子的质量越大，固有频率越小。,取决于材料的震动特性固有频率,3.光吸收的分类,均匀吸收：,吸收系数与波长无关的吸收（一般吸收）,选择吸收：,同一物质对某一种波长的吸收系数可以非常大，而对另一种波长的吸收系数可以非常小的现象（吸收系数明显依赖于波长）,在可见光范围，透明材料的选择吸收使其呈不同的颜色。均匀吸收时，随着吸收程度的增加，颜色从灰变到黑。,任何物质都有这两种形式的吸收，只是波长范围不同。,石英在紫外至远红外区的吸收光谱,钻石硬度摩氏硬度10级折射率高（2.42）、色散强（0.044）,金刚石在紫外至远红外区的吸收光谱,3.3.2光的色散,色散曲线,2.色散的表示方法：,折射率随波长的变化率固定波长下的折射率平均色散,折射率的色散：材料的折射率随入射光的频率的减小(或波长的增加)而减小的性质。,光的色散：材料的折射率随入射光频率减小而减小的性质，即是材料的折射率对波长的变化率：色散应用钠的D谱线氢的F谱线和氢的C谱线下的折射率表示：或中部色散（平均色散）色散在光学显微镜中影响成像。,双折射是非均质晶体的特性,是非均质材料表现的折射率的各向异性。有:常光折射率n0和非常光折射率ne。二向色性是晶体材料的光吸收系数的各向异性造成的。对于可见光，在不同晶向上，光吸收系数不同，使各晶向上显现光的颜色不同。这种现象叫二向色性。,3.4晶体的双折射和二向色性,3.5.1散射的概念光通过气体、液体、固体等介质时，遇到烟尘、微粒、悬浮液滴或者结构成分不均匀的微小区域，会有一部分能量偏离原来的传播方向向四面八方弥散，这种现象称光的散射。因光吸收和散射导致剩余光强减弱朗伯特定律：a吸收系数，s散射系数,3.5介质的光散射,散射系数与散射质点大小、数量及n21有关。当散射质点与基体的相对折射率大，波长接近质点直径，出现散射峰。,弹性散射：散射前后光的波长（光子的能量）不发生变化的散射。经典力学观点认为：弹性散射是由于光子与散射中心发生弹性碰撞，光子的能量不变，但方向发生了变化。弹性散射强度与波长和散射中心尺度0的小有关：,散射包括：弹性散射和非弹性散射,3.5.2弹性散射,按照波长与和散射中心尺度0的关系,0廷德尔（Tyndall）散射散射光强度与入射光无关，（如粉笔灰对可见光，白云对阳光）,0米氏（Miei）散射,0瑞利（Rayleidl）散射,瑞利散射定律表明，散射中心尺度0远小于波长时，对长波散射弱于短波。（如大气对紫光散射强于红光）,弹性散射分,（散射光性质复杂）,（瑞利散射定律）,瑞利散射强度与波长的关系,非弹性散射机制：是点阵振动的声子对光波的散射布里渊散射声学声子对光波的散射,3.