第五章——材料的光学性能

1、材料物理 第五章 材料的光学性能 理学院 材料科学与工程系 李煜璟 光的现象 光的微粒说 光的波动说 光的电磁说 光的波粒二象性 光的直线传播 光的干涉 光的衍射 电磁波谱 光谱 （牛顿） （胡克， 惠更斯） （麦克 斯韦）（普朗克， 爱因斯坦） 提纲 材料的透光性 激光与发光材料 光的传输与光线材料 材料的非线性光学效应 5.1 材料的透光性 可见光的波长和频率范围 光色 波长(nm) 频率(Hz) 中心波长 (nm) 红 760622 660 橙 622597 610 黄 597577 570 绿 577492 540 青 492470 480 兰 470455 460 紫 455400

2、430 14 108 . 49 . 3 14 100 . 58 . 4 14 104 . 50 . 5 14 101 . 64 . 5 14 104 . 61 . 6 14 106 . 64 . 6 14 105 . 76 . 6 人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。 5.1.1 光的波粒二象性 光的粒子性 爱因斯坦 光子能量： 光子动量： 波粒二象性 光子是电磁波能量和动量量子化的粒子 电磁波是光子的概率波 波的属性：频率、波长 光子：能量、动量 hc hE h p 5.1.2 光的干涉和衍射 光的波动性主要表现在它有干涉、衍射及偏振等特性 双光束干涉(Interference) 两

3、束光相遇以后，在光的叠加区，光强重新分布，出 现明暗相间、稳定的干涉条纹 衍射(diffraction)(绕射) 当光波传播遇到障碍物时，在一定程度上能绕过障碍 物而进入几何阴影区，这种现象称为衍射 5.1.3 光透过固体的现象 反射（能量的变化） 折射（光速的变化） 吸收（能量的变化） 散射（能量的变化） 透过（能量） I x 界面1反射 吸收 散射 界面2反射 界面1界面2 I0 I1I2 RA0 1RT 透射+吸收+反射+散射 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

4、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 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 5.1.4光的反射和折射 折射 当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。光在 真空和材料中的速度之比即为材料的折射率 光从材料1，通过界面传入材料2时，与界面法向所形 成的入射角i，折射角r与两种材料的折

5、射率n1和n2有 下述关系 c n 材料 真空 21 2 1 1 2 sin sin n v v n n r i 材料的折射率 材料的折射率反映了光在该材料中的传播速度 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 介质的n总是大于1的正数 如，空气 n=1.0003；固体氧化物n=1.32.7；硅酸盐玻 璃n=1.51.9 折射率与两种介质的性质介质的性质和入射光的波长入射光的波长有关 波长越长，折射率越小 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 折射率的影响因素-1 构成材料

6、元素的离子半径 Maxwell电磁波理论认为光在介质中的传播速度 c：真空中光速；：介质介电常数；：介质磁导率 对于无机材料电介质， 1 本质：材料的电磁结构在光波电磁场作用下的极化性 质或介电特性 c ）（ 材料 真空 c n c n c n 材料的极化 介质的极化 “拖住”了电磁波的步伐，使其传播速度变得比真空 中慢 材料的极化性质 与构成材料的原子的原子量、电子分布情况、化学性 质等微观因素有关 这些微观因素通过宏观量介电常数影响光在材料中的 传播速度 当离子半径增大时，其增大，因而n也增大 可以用大离子物质得到高n的材料，如nPbS=3.912，用小离 子物质得到低n的材料，如nSiC

7、l4=1.412 折射率的影响因素-2 材料的结构、晶型和非晶态 对非晶态和立方晶体等各向同性材料，当光通过时， 光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折射率 ，称为均质介质均质介质 除立方晶体以外的其他晶型，都是非均质介质非均质介质 光进入非均质介质非均质介质时 分为振动方向相互垂直、传播速度不等的两个波，它 们分别构成两条折射光线，这个现象称为双折射 双折射是非均质晶体的特性，这类晶体的所有光学性 能都和双折射有关 方解石（CaCO3，六方晶系） 双折射现象 两种折射率 平行于入射面的光线的折射率，称为常光折射率常光折射率n0 不论入射光的入射角如何变化，n0始终为一常数，因 而常光折射

8、率严格服从折射定律 另一条与之垂直的光线所构成的折射率，则随入射线 方向的改变而变化，称为非常光折射率非常光折射率ne 不遵守折射定律，随入射光的方向而变化 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达最大值，此值是材料的特性 沿晶体密堆积程度较大的方向ne较大 当光在晶体内沿某个方向传播时不发 生双折射，该方向称为晶体的光轴光轴 单轴晶体：只有一个光轴的晶体，如方解石、 石英、红宝石、冰等； 双轴晶体：有两个光轴的晶体，如云毋、结 晶硫磺、蓝宝石、橄榄石等 光轴 氯化钠属于立方晶系的晶体， 各向同性，不产生双折射 光轴仅标志一定的方向，并不 限于某一特殊的直线 光轴

9、方向上，o光和e光的传播 速度相同 方解石光轴 平行六面体：每个面都是钝角 102o和锐角78o的平行四边形 A、B顶点：钝隅 光轴方向：从一个钝隅所作的 等分角线方向（即与钝隅的三 条棱成相等角度的那个方向） n n1 1 n n2 2 i i i io o i ie e ( (各向异各向异 性媒质性媒质) ) 自然光自然光 o o光光 e e光光 惠更斯：在各向异性的晶体中，子波源会同时发出o光、e 光两种子波 o光的子波：各方向传播的速度相同为v0，点波源波面为 球面，振动方向始终垂直其主平面 e光的子波,各方向传播的速度不同 在平行光轴方向上的速度与o光的速度相同，为v0； 在垂直光轴

10、方向上的速度与o光的速度相差最大，记为ve ，其相应的折射率为ne vo t 光轴光轴 O光光 光轴光轴 ve t vo t e光光 正晶体、负晶体 正晶体正晶体： ne no 负晶体负晶体： ne ve) 负晶体负晶体 (vo ve ) 子波源子波源 折射率的影响因素-3 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，平行于受拉主应力方向的n小 同质异构体 在同质异构材料中，高温时的晶型折射率n较低， 低温时存在的晶型折射率n较高 石英玻璃 n=1.46 ；石英晶体 n=1.55 高温时，鳞石英 n=1.47 ；方石英 n=1.49 普通钠钙硅酸盐玻璃 n=1.51 材

11、 料 平 均 折 射 率 双 折 射 由正长石（KalSi3O8）组成的玻璃 1.51 由钠长石（NalSi3O8）组成的玻璃 1.49 由霞石正长岩组成的玻璃 1.50 氧化硅玻璃 1.458 硼硅酸玻璃 1.47 硫化钾玻璃 2.66 四氯化硅晶体 1.412 氟化锂晶体 1.392 氟化钠晶体 1.326 氟化钙晶体 1.434 锆英石 ZnSiO4 1.95 0.055 正长石 KalSi3O8 1.525 0.007 钠长石 NaAlSi3O8 1.529 0.008 钙长石 CaAl2Si2O8 1.585 0.008 硅线石 Al2O3SiO2 1.65 0.021 莫来石 3A

12、l2O32SiO2 1.64 0.010 光子晶体？负折射率？ 光子晶体 晶体内部：原子周期性排列周期势场运动的电子受到 周期势场的布拉格散射，从而形成能带结构带隙控制 电子的运动 光子晶体：光的折射率指数的周期性变化光带隙结构 控制光在光子晶体中的运动 负折射率超材料（ Negative index metamaterials） 反射系数、透射系数 折射和反射可多次连续发生 W、W、W：入射光、反射 光、折射光在单位时间内通过 单位面积的能量流 当入射角和折射角都很小时 其中m:反射系数；1-m:透射系数 n1、n2相差很大：反射多 n1n2：几乎没有反射损失 介质1 介质1 介质2 入射光

13、1次反射光 2次反射光 1次透射光 2次透射光 m n n W W 2 21 21 1 1 WWW SAW 2 振幅振幅 传播速度传播速度 横截面积横截面积 假如：一块玻璃，n=1.5，m=0.04，则透过玻璃的 光能为多少？ 若连续透过x块平板玻璃，则透过玻璃的光能为多 少？ 实际应用 玻璃、陶瓷等材料折射率大：反射显著 若透镜系统由多块玻璃组成，如何降低反射率？ 922. 004. 0-1 2 ）（ 透 W x mW 2 1）（ 透 5.1.5 光的吸收 吸收的一般规律 光强为I0的单色平行光束沿x轴方向通过均匀物质，在 经过一段距离x后光强已减弱到I，再通过一无限薄层 dx后光强变为I

14、+dI(dI0)。实验表明，在相当宽的光强 度范围内，-dI相当精确地正比于I和dx x eIIdx I dI 0 v：吸收系数（absorption coefficient ），单位为cm-1 ，取决于材料的性质和 光的波长，与光强无关 Lambert-Beer 定律 光吸收与波长的关系 可见光区：金属和半导体的吸收 紫外光区：光子能量达到禁带宽度，电子就会吸收光子能 量从满带跃迁到导带 g E hc c hhEg 红外光区：离子的弹性振 动与光子辐射发生谐振消 耗能量 要使谐振点波长尽可能远 离可见光区，即吸收峰的 频率尽可能小，则需选择 较小的材料热振频率 ) 11 (2 2 ac MM

15、 Mc和Ma：阳离子和阴离子质量 ：与力有关的常数，由离子间结合力决定 均匀吸收和选择吸收 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 均匀吸收 在可见光范围对各种波长的吸收程度相同 普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线、紫外线 都有强烈的吸收，是不透明的 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 选择吸收 对某一波长吸收系数大 在3.55.0m的红外光，石英表现为强烈吸收 红外吸收光谱 研究离子间的弹性振动 紫外吸收光谱 研究半导体的禁带宽度 2 11 2 CS () MM 紫外可见光谱禁带宽度 作(ah)1/2或(ah)2-h(eV)曲线

16、，取线性部分 的切线与x轴的交点 从吸收峰起峰处算起，1240除以起峰波长 （近似） 5.1.6 光的散射 光的散射 光波遇到不均匀结构产生的次级波，与主波方向不一 致，与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向 ，从而引起散射 对于相分布均匀的材料，由于散射而引起强度减弱的 规律与吸收规律具有相同的形式 S：散射系数，与散射质点的大小、数量以及散射质 点与基体的相对折射率等因素有关 当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值 当d时， 则随着d的增加，S反而减小，当d=时，S达最大值 l s eII 0 散射系数：可以认为散射系数正比于散射质点的投影 面积 N：单位体积内的散射质点数；

17、 R：散射质点的平均半径； K：散射因素，取决于基体与质点的相对折射率 假设散射介质为球体，且d 0 注意：在可见光区域内色散是正常色散曲线 实质：反映在更宽波长范围内的色散关系 正常色散非正常色散 色散的定量 色散 色散系数(Abbe number) 式中nD、nF和nC分别为以钠的谱线、氢的F谱线和C 谱线(589.3nm，486.1nm和656.3nm)为光源，测得 的折射率 CF D nn n 1 d dn 色散 通常采用固定波长下的 折射率来表达 经典色散理论 阻尼受迫振子模型 介质原子的电结构：正负电荷之间由一根无形的弹簧 束缚在一起的弹性振子 在光波电磁场的作用下作受迫振动，振动

18、的相位与振 子的固有频率和光波频率有关，受迫振动的振子作为 次波源向外发射散射波 由于固体和液体中的这种散射中心密度很高，振子散 射波的相互干涉，使得次波只沿原来入射光波方向前 进 次波和入射波叠加，使得合成波在介质中的传播速度 与入射光波的频率有关，导致介质对不同频率的光有 着不同的折射率 材料的透光性 反射损失： 经过吸收损失和散射损失： 经过反射损失： 透射光强 0 2 01 1 1 I n n mIL s)x-( mIL e )1 ( 03 , 2 xs mmIL )( 04 e )1 ( xs mII )(2 0 e)1 ( xs mmIL )( 04 e )1 ( 5.2 激光和发

19、光材料 材料的发光特征 发光强度特征 强度：发射光的能量客观数值 亮度：人眼的感觉主观判断（色差） 发光效率 量子效率：发光的量子数与激发源输入的量子数的比值 能量效率（功率效率）：发光的能量与激发源输入的能 量的比值 流明效率（光度效率）：发光的流明数与激发源输入的 能量的比值（lm/W） 光通量：光源在单位时间内向周围空间辐射的能引起视 觉反应能量，即可见光的能量，描述的是光源的有效辐 射值，其国际单位是lm（流明） 光源光源光通量（光通量（lm） 光发射二极管光发射二极管 0.01 白炽灯，白炽灯，60W 730 白炽灯，白炽灯，100W 1380 荧光灯管荧光灯管 2300 水银灯，水

20、银灯，60W 5400 水银灯，水银灯，100W 125000 发光持续时间特征 余辉（余辉时间） 当激发停止时，其发光亮度L衰减到初始亮度L0的 10%时所经历的时间 磷光：人眼能够感觉到余辉的长发光期间者 荧光：人眼感觉不到余辉的短发光期间者 余辉时间 极短余辉：余辉时间1s的发光 发光材料分类 按激发方式分 光致发光材料 电致发光材料 射线致发光材料 热致发光材料 等离子发光材料 光致发光 (Photoluminescence ) 吸收光谱 光的吸收系数随波长或频率的变化关系曲线 激发光谱 表示用不同波长的光激发材料时，使材料发出某 一波长光的效率 发光过程 基质晶格或激活剂（或称发光中

21、心）吸收激发能 基质晶格将吸收的激发能传递给激活剂 被激活的激活剂发出一定波长的光而返回基态，同时 伴随有部分非发光跃迁，能量以热的形式散发 A：激活剂 S：敏化剂（能强烈地吸收激发能，然后将能量传递给激活剂） （1）导带电子与俘获的空穴复合 （2）俘获的电子与价带的空穴复合 （3）激发能传给孤立中心，发光跃 迁在分立的中心内部 （4）导带中的电子直接与价带中的 空穴复合 （5）俘获的电子与俘获的空穴复合 斯托克斯规则 发光波长总是大于激发波长，即发光的光子能量必然 小于激发光的光子能量 用紫外线激发发光材料时，可得到可见光区域的各种 颜色的光。 用蓝光激发，只能得到红光、橙光，至多是绿光。

22、反斯托克斯发光 发光中心得到一部分振动能升到较高的激发态。从激 发态到基态的跃迁所伴随的发光的能量就比激发能量 高，发光的波长比激发光的波长短 激光致冷：利用反斯托克斯现象不断将物体的振动能 以光的形式发射出去，使物体温度降低 热释发光 当激发发光体后，发光将逐渐衰减，直至发光消失 。随后，逐渐升高发光体的温度，有的发光材料又 会逐渐发光，并逐渐变强，在某一温度时达到最大 值后又逐渐变弱，这种变化随着温度的上升，可以 重复几次，直到高温时发光才消失 激发过程中，有电子掉进了深度不 同的陷阱，陷阱中的电子回到导带 的几率为 温度T大，则P大，即导带中的电子数目增多，复合的次数 增多，发光增强。

23、陷阱中的电子数目是有限的，这些电子耗尽了，即使继续 升温，也没有可以参与复合的电子，因此不再发光。 陷阱可有不同深度，使电子释放出来所需的温度就有高有 低 kT E eP 上转换发光 如果一个激发光光子产生一 个发射光光子，发射光子的 能量必然不会大于激发光光 子的能量 上转换发光上转换发光：如果发光材 料能够吸收两个或多个光子 而产生一个光子，可能发射 出波长短的光 上转换发光可以由激发态吸 收或连续能量传递产生 Tm（铥）（铥） 第1个光子 激发到3F2能级 可能弛豫到3H4 第2个光子 跃迁至1D2 交叉弛豫（吸收雪崩） 易发生在 基态对激发光的吸收比激发态弱 离子间相互作用强的体系 转换过程 处于E2的离子和处于基态G的另一个离子相