《材料的光学性质》PPT课件

第四章材料的光学性质,光的波粒二象性,人们通常所说的光是是一种能引起视觉的电磁辐射，波长范围0.390.77m，只在电磁波谱中占很窄的一部分。可见光的颜色取决于光的波长。白光是各种带色光的混合光。无线电波和微波、红外光是由原子振动或晶格结构改变引起的低能、长波辐射。X射线、紫外光和可见光都是与原子的电子结构改变相关的。射线是改变原子结构产生的，具有很高的能量。它们本质上都属于电磁辐射。紫外光和X射线的波长没有明确的分界，X射线和射线也没有明确的波长界线，人们是根据它们产生的方法来区分的。,光子的能量,光具有波动和微粒两重性考虑光的微粒性时，光的能量就不是均匀连续地分布在它传播的空间，而是集中在一个个光子上，光子的能量为光的动量为式中h为普朗克常数，6.6210-34J/s，为光的频率，c为光速，3108m/s，为波长。可见光子的能量与其波长成反比，与频率成正比。当电子吸收光子时每次总是吸收一个光子，而不能只吸收光子的一部分。,光的速度,电磁波在真空中的传播速度为c=3108m/s式中0、0分别为真空中的介电常数和磁导率当光在介质中传播时，其速度v由下式决定式中r、r分别为介质的介电常数和磁导率c与v的比值称为介质的折射率n,光的反射与折射,入射角、反射角和折射角折射定律相对折射率称为第二介质相当于第一介质的相对折射率绝对折射率第一介质为真空时n2为第二介质的绝对折射率，简称折射率,两种介质相比，光的传播速度较大者称为光疏介质，其折射率较小。光的传播速度较小者称为光密介质，其折射率较大。,根据惠更斯原理推导出光的反射定律和折射定律,光的反射率、透过率和吸收率,光照射到某种材料上时将产生光的反射与折射、光的吸收与透射。设入射光的能量为W，反射光的能量为W，根据能量守恒，可得出w=w+w吸收+w透射,光的反射率、透过率,光的反射率m为如介质1为空气，n21=n2，则有1-m为透射率。如n1=n2(即v1=v2，或n21=1)，则m=0，光线全部透过。光线由空气入射到玻璃时，n2=1.5，可算得光线在第一界面的反射率m=0.04，透过率为（1-m）=0.96。光线透过第二界面的比例为（1-m）2=0.922。透过两片玻璃时透过率为0.85，透过四片玻璃时透过率为0.722。要减小反射率，可在玻璃表面镀增透膜，或将多片玻璃用胶粘合（胶的折射率与玻璃相近），消除空气隙。,光的全反射和光导纤维,光线从光密介质传播到光疏介质时，在入射角大于c时，不再有折射光线，入射光能量全部反射，称为全反射。其临界条件为普通玻璃对空气的临界角为42,光导纤维的应用,光纤通讯的优点：传输损耗低、频带宽、尺寸小、能弯曲，可避免辐射干涉、保密性好等。,光的吸收与透射,金属的光吸收,在金属中，因为价带与导带重叠，它们之间没有能隙，因此不管入射光子的能量多小，电子都可以吸收它而跃迁到新的能态上去。所以金属能吸收各种波长，是不透明的（只有金属箔的厚度3.1eV时，不可能吸收可见光，因而对可见光是透明的。Eg1.8eV时，能吸收所有可见光，是不透明的。1.8eVEg3.1eV时，能吸收部分可见光，这类材料常常是带色透明的。,本征半导体的光吸收,对半导体来说，其能隙小于绝缘体。如为本征半导体，当光子的能量大于能隙，价带中的电子就被激发到导带中去，这称为本征吸收。对于Si和Ge，其能隙分别为1.1eV和0.7eV。可从公式算得能通过的最短波长。因而得知Si和Ge对较短的波长（如可见光）是不透过的，产生吸收。而对于波长较长的红外线则是透过的。,掺杂半导体的光吸收,如果是掺杂半导体，只要光子的能量大于施主和受主能级，（Ed和Ea），就会产生吸收。,根据能隙标准判断时，绝缘体和多数半导体，其对于长波长的光子是能透过的，因而是透明的。然而一些杂质会产生施主和受主能级，另一些缺陷象气孔和晶界可使光子被散射，使材料变得不透明。结晶的聚合物就比无定形聚合物更容易吸收光子。,材料的不透明性与半透明性,一般说，由折射率各向异性的微晶组成的多晶体是半透明的，或不透明的，光线在相邻微晶的界面处发生反射和折射，变得十分弥散。当光线通过分散的很细的两相体系时，也因折射率不同发生散射。如非晶均相高聚物是透明的。而结晶高聚物是晶区和非晶区的混合体系，是半透明或不透明的。陶瓷材料如是单晶体，一般是透明的。当大多数陶瓷由晶相、玻璃体和气孔组成，一般是不透明的。,透明材料的颜色,电子受激从高能态回到低能态又会重新反射出光子，其波长不一定与吸收光的波长相同。因此，透射光的波长分布是非吸收光光波与重新发射光波的混合波，透明材料的颜色由混合波的颜色决定。蓝宝石是Al2O3单晶，无色。红宝石是在Al2O3单晶禁带中引入Cr3+的杂质能级，造成了对光波的选择性吸收（对约0.4m的蓝紫色的光和对约0.6m的黄绿光的强烈选择性吸收）。非吸收光和重新发射的光波决定其呈红色。,材料的发光性能,材料吸收外界的能量后，其中部分能量以频率在可见光范围内向外发射（能量为1.83.1eV），这称为发光。与热辐射发光相比，这称为冷发光。对于金属，因为价带与导带重叠没有能隙，光吸收后发射光子的能量很小，其对应的波长大于可见光的光谱范围，因而没有发光现象。,材料的发光性能,对一些陶瓷与半导体材料，就可能产生发光。外界激发源使电子跃迁到导带，但电子在高能级的导带中是不稳定的，停留的时间很短，只有10-8s左右，就又自发的返回低能级的价带中，并相应的放出光子，其波长为。当外界激发源去除后，发光现象随即很快消失，这称为荧光。,材料的发光性能,另一类材料，因含有杂质和缺陷，在能隙中引入了施主能级，被激发到导带中的电子在返回价带之前先落入施主能级，并被俘获停留一段较长的时间，电子在逐步逃脱这个陷阱之后才返回价带中的低能级，这时相应的放出光子，其波长为由于这种发光能持续一段较长时间，便称为磷光。,材料的发光性能,磷光与荧光的大致分界是激发源去除后，发光时间短于10-8s称为荧光，时间更长的称为磷光。在彩色电视机中使用了三种磷光材料，人为地设计出不同的能隙，使它们分别产生红绿蓝三种磷光。公路交通中应用的夜间路标都用长余辉的磷光体。,例题ZnS的能隙为3.54eV，要激发ZnS的电子需要光子的波长使多少？如在ZnS中加入杂质，使之在导带下的1.38eV处产生一能量陷阱，试问发光时的波长是多少？解：（1）激发电子进入导带的最大波长为这个波长相当于紫外线。（2）在电子返回价带之前首先落入了陷阱，其发射光子的波长为此相当于红外线谱，不可见。（3）当电子逃脱陷阱再返回价带，发射光子的波长为此为可见光，呈黄色。,热辐射,当材料开始加热时，电子被热激发到较高能态。当它们跳回正常能级时就会发射出低能长波光子（红外线），波长位于可