材料的光学性能71854实用教案

1、5.1 5.1 光传播的基本光传播的基本(jbn)(jbn)理论理论一、光的波粒二象性一、光的波粒二象性hchvE根据电磁场的麦克斯韦方程组，可得出根据电磁场的麦克斯韦方程组，可得出(d ch)电磁波在介质电磁波在介质中的速度中的速度rrcVC为电磁波在真空为电磁波在真空(zhnkng)中的传播速度，中的传播速度，r为介质相对介为介质相对介电常数，电常数，r为介质的相对磁导率，且为介质的相对磁导率，且001c0，0为真空介电常数、磁导率第1页/共86页第一页，共87页。光在真空光在真空(zhnkng)中的速度与介质中的速度之比中的速度与介质中的速度之比nVcn称为介质常数，这个介质常数决定了材

2、料的光折射称为介质常数，这个介质常数决定了材料的光折射(zhsh)性质，称为介质的折射性质，称为介质的折射(zhsh)率率第2页/共86页第二页，共87页。二、光和物质二、光和物质(wzh)(wzh)的相互作用的相互作用光子是传递光子是传递(chund)电磁相互作用的基本粒子，是电磁辐射的电磁相互作用的基本粒子，是电磁辐射的载体。载体。光子还具有光子还具有(jyu)(jyu)分立的动量：分立的动量：hP hv第3页/共86页第三页，共87页。5.2.光的折射光的折射 、反射、反射(fnsh)、吸收和散射特性、吸收和散射特性5.2.1折射率折射率1）定义）定义 光是具有一定波长的电磁波，光的折射

3、可理解光是具有一定波长的电磁波，光的折射可理解为光在介质中传播速度的降低而产生的（以真空为光在介质中传播速度的降低而产生的（以真空中的光速为基础）。中的光速为基础）。 当光从真空进入较致密的材料时当光从真空进入较致密的材料时,其速度是降低其速度是降低的。的。 折射率定义为：光在真空和材料中的速度之比。折射率定义为：光在真空和材料中的速度之比。 即：即： n=v真空真空/v材料材料=c/v材料材料 (5.1) 6第4页/共86页第四页，共87页。 2 2）绝对折射率与相对折射率）绝对折射率与相对折射率 （1 1）绝对折射率）绝对折射率 材料相对于真空中的折射率称为材料相对于真空中的折射率称为(c

4、hn wi)(chn wi)绝对绝对折射率。折射率。 一般将真空中的折射率定为一般将真空中的折射率定为1 1。 （2 2）相对折射率）相对折射率 材料相对于空气的折射率称为材料相对于空气的折射率称为(chn wi)(chn wi)相对折射相对折射率：率： n=va/vn=va/v材料材料 （3 3）绝对折射率与相对折射率的关系）绝对折射率与相对折射率的关系 n= c/v n= c/v材料材料 则则 v v材料材料= c/ n = c/ n 又又空气的绝对折射率为：空气的绝对折射率为：na= c/va na= c/va ，则，则va= c/ va= c/ na na 因此，因此，n=nan=1.

5、00023 nn=nan=1.00023 n2aaannn/cn/cvvn材料第5页/共86页第五页，共87页。 2 2两种材料间的相对折射率两种材料间的相对折射率 如果光从材料如果光从材料1 1，通过界面传入材料，通过界面传入材料2 2时，与界面法向所时，与界面法向所形成的入射角形成的入射角i1i1、折射角、折射角i2i2与两种材料的折射率与两种材料的折射率n1n1和和n2n2现现有下述关系：有下述关系： 式中：式中：v1v1及及v2v2分别表示光在材料分别表示光在材料l l及及2 2中的传播速度，中的传播速度，n21n21为材料为材料2 2相对于材料相对于材料l l的相对折射率。的相对折射

6、率。 3 3影响折射率的因素影响折射率的因素 1 1）构成材料元素的离子半径）构成材料元素的离子半径 （1 1）折射率）折射率n n与极化率的关系与极化率的关系 由于光是一种电磁波，所以由于光是一种电磁波，所以(suy)(suy)根据马克斯威尔电根据马克斯威尔电磁波理论，光在介质中的传播速度应为：磁波理论，光在介质中的传播速度应为： 式中：式中：c c为真空中的光速，为真空中的光速，为介质的介电常数，为介质的介电常数，为介为介质的导磁率。质的导磁率。 321211221vvnnnisinisincv(5.2)(5.3)第6页/共86页第六页，共87页。根据根据(51)式和式和(53)式可得式可

7、得: 由于在无机材料这样的电介质中，由于在无机材料这样的电介质中，=1，l （5.5） （2）极化率与离子半径的关系）极化率与离子半径的关系 当光通过材料时，必然引起内部质点的极化（变形），在可见光范围当光通过材料时，必然引起内部质点的极化（变形），在可见光范围内，这种变化表现为离子或核外电子云的变形，而且，随着光波电场内，这种变化表现为离子或核外电子云的变形，而且，随着光波电场(din chng)的交变，电子云也反复来回变形。如下图的交变，电子云也反复来回变形。如下图: 4ccvcn材料(5.4)n 当离子半径增大当离子半径增大(zn d)时，其时，其增大增大(zn d)，因而，因而n也随之

8、也随之增大增大(zn d) 第7页/共86页第七页，共87页。 2 2）材料的结构、晶型和晶态）材料的结构、晶型和晶态 （1 1）均质介质）均质介质 如非晶态如非晶态( (无定型体无定型体) )和立方晶体材料，当光通过时，光速和立方晶体材料，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。不因传播方向改变而变化，材料只有一个折射率。 （2 2）非均匀介质）非均匀介质 光进入非均质介质时，一般会产生双折射现象。光进入非均质介质时，一般会产生双折射现象。 双折射：当一束光通过一个介质时，分为振动双折射：当一束光通过一个介质时，分为振动(zhndng)(zhndng)方向相互垂直、传播速

9、度不等的两个波，它们分别构成两条方向相互垂直、传播速度不等的两个波，它们分别构成两条折射光线的现象。折射光线的现象。 常光折射率常光折射率n0 n0 上述两条折射光线中，平行于入射面的光线的折射率称为上述两条折射光线中，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。 特性：不论入射光的入射角如何变化，特性：不论入射光的入射角如何变化，n0n0始终为一常数，始终为一常数，因而常光折射率严格服从折射定律。因而常光折射率严格服从折射定律。 非常光折射率非常光折射率ne ne 与入射面垂直的光线的折射率，称为非常光折射率。与入射面垂直的光线的折射率，称为非常光折射率。 非常光折射率的特性：它不

10、遵守折射定律，随入射光的方非常光折射率的特性：它不遵守折射定律，随入射光的方向而变化。向而变化。5第8页/共86页第八页，共87页。3）同质异构体）同质异构体 一般情况下，同质异构材料的高温晶型原子的密堆积程度低，因此折射一般情况下，同质异构材料的高温晶型原子的密堆积程度低，因此折射率较低；低温晶型原子的密堆积程度高，因此折射率较高。以率较低；低温晶型原子的密堆积程度高，因此折射率较高。以SiO2为例为例 石英晶体石英晶体 常温下的石英晶体，常温下的石英晶体，n =1.55，数值最大；高温时的鳞石英，数值最大；高温时的鳞石英，n =1.47；方；方石英，石英，n =l.49。 石英玻璃石英玻璃

11、 常温下的石英玻璃，常温下的石英玻璃，n =1.46，数值最小。，数值最小。 至于普通钠钙硅酸盐玻璃，至于普通钠钙硅酸盐玻璃，n =1.51，比石英的折射率小。，比石英的折射率小。 提高玻璃折射率的有效措施是掺入铅和钡的氧化物。例如含提高玻璃折射率的有效措施是掺入铅和钡的氧化物。例如含Pb090(体体积积)的铅玻璃的铅玻璃 n=2.1。 4）外界因素）外界因素 有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应大，平行于受拉主应力方向的力方向的n小。因此产生双折射。小。因此产生双折射。 测定材料中内应力的大小，常采用测定材料中内应力的大小，

12、常采用(ciyng)测定双折射的光程差的大小。测定双折射的光程差的大小。 6第9页/共86页第九页，共87页。5.3.2反射率和透射率反射率和透射率 1反射系数（反射率）反射系数（反射率） 当光投射当光投射(tush)到材料表面时一般产生反射、透到材料表面时一般产生反射、透过和吸收。这三种基本性质都与折射率有关。过和吸收。这三种基本性质都与折射率有关。 m（%）+A（%）+T（%）=100% 1）反射系数的定义）反射系数的定义10 设光的总能量流设光的总能量流w为为 W=W+W （5.8） W，W，W分别为单位分别为单位(dnwi)时间通过位面积的入射光、反射光时间通过位面积的入射光、反射光和

13、折射光的能量流。和折射光的能量流。 则，反射系数为则，反射系数为 m=W/W 。 或：或：m=被反射的光强度被反射的光强度/入射光强入射光强度度=L/I0第10页/共86页第十页，共87页。 2 2）反射系数与折射率的关系）反射系数与折射率的关系 根据波动理论根据波动理论 WA2vS (5.9) WA2vS (5.9) 式中，式中，A A为入射波的振幅，为入射波的振幅，v v为入射波的传播速度，为入射波的传播速度，S S为界为界面面积。面面积。 由于反射波的传播速度及横截面积都与入射波相同，所由于反射波的传播速度及横截面积都与入射波相同，所以：以： AA，A A分别为反射波和入射波的振幅。分别

14、为反射波和入射波的振幅。 把光波振动把光波振动(zhndng)(zhndng)分为垂直于入射面的振动分为垂直于入射面的振动(zhndng)(zhndng)和平行于入射面的振动和平行于入射面的振动(zhndng)(zhndng)，FresnelFresnel推导出推导出 ：112)AA(WW（5.10）) ri (sin) ri (sinAAWW222SS) ri (tg) ri (tgAAWW222rr/（5.11）（5.12）第11页/共86页第十一页，共87页。 自然光在各方向振动的机会均等，可以认为一半能量属自然光在各方向振动的机会均等，可以认为一半能量属于同入射面平行的振动，另一半属于

15、同入射面垂直的振动，于同入射面平行的振动，另一半属于同入射面垂直的振动，所以总的能量流之比为所以总的能量流之比为: : 当角度当角度(jiod)(jiod)很小时，即垂直入射时：很小时，即垂直入射时： 因为介质因为介质2 2对于介质对于介质l l的相对折射率为：的相对折射率为： 故：故： n21 = i / r n21 = i / r m m 称为反射系数。称为反射系数。 12) ri (tg) ri (tg) ri (sin) ri (sin21WW2222(5.13)222222221ri1ri) ri () ri () ri (tg) ri (tg) ri (sin) ri (sinrs

16、inisinn21m)1n1n(WW22121（5.14）第12页/共86页第十二页，共87页。 2 2透射系数透射系数 根据能量守恒定律（光在界面上的现象）根据能量守恒定律（光在界面上的现象） ， W=W+W W=W+W (5.15) (5.15) (1(1m)m)称为称为(chn wi)(chn wi)透射系数。由透射系数。由(4.14)(4.14)式可知式可知, ,在在垂直入射的情况下垂直入射的情况下, ,光在界面上的反射的多少取决于两光在界面上的反射的多少取决于两种介质的相对折射率种介质的相对折射率n21 n21 3 3界面的反射损失界面的反射损失 （1 1）基本现象）基本现象 如果介

17、质如果介质l l为空气，可以认为，为空气，可以认为，n1=1n1=1，则，则n21=n2n21=n2； 如果如果n1n1和和n2n2相差很大，那么界面反射损失就严重；相差很大，那么界面反射损失就严重； 如果如果n1= n2n1= n2，则，则 m =0 m =0； 根据，因此在垂直入射的情况下，几乎没有反射损失。根据，因此在垂直入射的情况下，几乎没有反射损失。 13m1WW1WW 第13页/共86页第十三页，共87页。（2）光线通过）光线通过x块、块、2块玻璃板的透射块玻璃板的透射 设一块折射率设一块折射率n=1.5的玻璃，光反射损失为的玻璃，光反射损失为m=0.04，透过部分为透过部分为1m

18、=0.96。如果透射光又从另一界面射入。如果透射光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，此时透过部分为空气，即透过两个界面，此时透过部分为(1m)2=0.922。 如果连续透过如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分应为块平板玻璃，则透过部分应为(1m)2x。减少反射损失的实例减少反射损失的实例 由于陶瓷、玻璃等材料的折射率较空气的大，所以由于陶瓷、玻璃等材料的折射率较空气的大，所以(suy)反射损失严重。如果透镜系统由许多块玻璃组成，反射损失严重。如果透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失更可观。为了减小这种界面损失，常常采用则反射损失更可观。为了减小这种界面损失，常常采用折射率和玻璃相近的胶将它

19、们粘起来，这样，除了最外折射率和玻璃相近的胶将它们粘起来，这样，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，从而大大减小了面都是玻璃和胶的较小的相对折射率，从而大大减小了界面的反射损失。界面的反射损失。 增加反射损失的实例增加反射损失的实例 为了调节玻璃的为了调节玻璃的n，常在玻璃表面涂以一定厚度的和玻，常在玻璃表面涂以一定厚度的和玻璃璃n不同的透明薄膜，使玻璃表面的不同的透明薄膜，使玻璃表面的m增加或减少。增加或减少。 14第14页/共86页第十四页，共87页。5.3.3.5.3.3.光的吸收光的吸

20、收 一介质对光的吸收一介质对光的吸收 1 1吸收的一般规律吸收的一般规律 1 1）光吸收的原因）光吸收的原因 光作为一种能量流，在穿过介质时，光作为一种能量流，在穿过介质时，使介质的价电子受到光能而激发，在电子使介质的价电子受到光能而激发，在电子壳能态间跃迁，或使电子振动能转变为分壳能态间跃迁，或使电子振动能转变为分子运动的能量，即材料将吸收光能转变为子运动的能量，即材料将吸收光能转变为或热能放出；介质中的价电子吸收光子或热能放出；介质中的价电子吸收光子能量而激发，当尚未退激而发出光子时，能量而激发，当尚未退激而发出光子时，在运动中与其它分子碰撞，使电子的能量在运动中与其它分子碰撞，使电子的能

21、量转变成分子的动能亦即热能。从而构成了转变成分子的动能亦即热能。从而构成了光能的衰减。这就是光的吸收。光能的衰减。这就是光的吸收。 2 2）朗伯特定律）朗伯特定律 设有一块厚度为设有一块厚度为x x的平板材料，入射光的平板材料，入射光的强度为的强度为I0I0，通过此材料后光强度为，通过此材料后光强度为II。选取其中选取其中(qzhng)(qzhng)一薄层，并认为光通一薄层，并认为光通过此薄层的吸收损失过此薄层的吸收损失 dI dI，它正比于在，它正比于在此处的光强度和薄层的厚度此处的光强度和薄层的厚度dxdx，即，即: : 15第15页/共86页第十五页，共87页。 -dI = -dI =a

22、Idx , aIdx , (5.16)(5.16)式表明，光强度随厚度的变化符合指数式表明，光强度随厚度的变化符合指数衰减规律。此式称为朗伯特定律。衰减规律。此式称为朗伯特定律。 式中式中a a为物质对光的吸收为物质对光的吸收(xshu)(xshu)系数，系数，其单位为其单位为cm-1cm-1。aa取决于材料的性质和光的取决于材料的性质和光的波长。波长。aa越大材料越厚，光就被吸收越大材料越厚，光就被吸收(xshu)(xshu)得越多，因而透过后的光强度就越小。得越多，因而透过后的光强度就越小。 2 2光吸收光吸收(xshu)(xshu)与光波长的关系与光波长的关系 根据光的波长，可将光进行如

23、下划分：根据光的波长，可将光进行如下划分： 射 线射 线 X X 射 线射 线 紫 外 光 （紫 外 光 （ 1 01 0 400nm400nm）可见光可见光(400(400760nm)760nm)红外光红外光(760(760106nm)106nm)无线电波无线电波 1)1)可见光区（可见光区（400400760nm760nm） 如果材料对光谱内各波长的光吸收如果材料对光谱内各波长的光吸收(xshu)(xshu)不等，有选择性，则由玻璃出来的光线必定改不等，有选择性，则由玻璃出来的光线必定改变了原来的光谱组成，就获得了有颜色的光。变了原来的光谱组成，就获得了有颜色的光。 16xaIIdxIdI

24、00 xIIa0lnxaeII0 （5.16） 第16页/共86页第十六页，共87页。 材料对光的吸收是基于原子中电子（主要是价电子）接受光能材料对光的吸收是基于原子中电子（主要是价电子）接受光能后，由代能级（后，由代能级（E1）向高能级（）向高能级（E2）跃迁）跃迁(yuqin)。当两个能级。当两个能级的能量差（的能量差（E2-E1=h=Eg，h为普照朗克常数，为普照朗克常数，v为频率）等于可为频率）等于可见光的能量时，相应的波长的光就被吸收，从而呈现颜色。见光的能量时，相应的波长的光就被吸收，从而呈现颜色。Eg越越小，吸收的光的波长愈长，呈现的颜色愈深；反之，能级差小，吸收的光的波长愈长，

25、呈现的颜色愈深；反之，能级差Eg愈愈大，吸收光的波长愈短，则呈现的颜色愈浅。大，吸收光的波长愈短，则呈现的颜色愈浅。 例例1，金属，金属 金属对光能吸收很强烈。金属对光能吸收很强烈。 例例2，玻璃，玻璃 17 玻璃有良好的透光性，吸收系玻璃有良好的透光性，吸收系数很小（数很小（EgEg大）。大）。 从图中可见从图中可见(kjin)(kjin)，在电磁，在电磁波谱的可见波谱的可见(kjin)(kjin)光区，金属光区，金属和半导体的吸收系数都是很大的。和半导体的吸收系数都是很大的。 但是电介质材料，包括玻璃但是电介质材料，包括玻璃(b l)(b l)、陶瓷等无机材料的大部分在、陶瓷等无机材料的大

26、部分在这个波谱区内都有良好的透这个波谱区内都有良好的透 过性。也就是说吸收系数很小。过性。也就是说吸收系数很小。 第17页/共86页第十七页，共87页。2）紫外区（）紫外区（10400nm） 对于一般无色透明的材料（如玻璃）的紫外吸收现象比较对于一般无色透明的材料（如玻璃）的紫外吸收现象比较特殊，不同于离子着色，并不出现吸收峰，而是一个连续的特殊，不同于离子着色，并不出现吸收峰，而是一个连续的吸收区。透光区与吸收区之间有一条坡度很陡的分界线，通吸收区。透光区与吸收区之间有一条坡度很陡的分界线，通常称为吸收极限，小于吸收极限的波长完全吸收，大于吸收常称为吸收极限，小于吸收极限的波长完全吸收，大于

27、吸收极限的波长则全部透过极限的波长则全部透过(tu u)。 这是因为波长愈短，光子能量越来越大。当光子能量达到这是因为波长愈短，光子能量越来越大。当光子能量达到禁带宽度时，电子就会吸收光子能量从满带（基态）跃迁到禁带宽度时，电子就会吸收光子能量从满带（基态）跃迁到导带（激发态），此时吸收系数将骤然增大。导带（激发态），此时吸收系数将骤然增大。 此紫外吸收端相应的波长可根据材料的禁带宽度此紫外吸收端相应的波长可根据材料的禁带宽度Eg求得求得: （5.17） (5.18) 式中：式中：h为普朗克常数，为普朗克常数，h=6.63l0-34Js。c为光速。为光速。 从式中可见，禁带宽度（从式中可见，禁

28、带宽度（Eg）大的材料，紫外吸收端的波）大的材料，紫外吸收端的波长比较小。长比较小。 18chhEggEhc 第18页/共86页第十八页，共87页。 3 3）红外区（）红外区（760760106nm106nm） 一般认为在红外区的吸收是属于分子光谱。吸收主一般认为在红外区的吸收是属于分子光谱。吸收主要是由于红外光（电磁波）的频率与材料中分子振子要是由于红外光（电磁波）的频率与材料中分子振子（或相当于分子大小的原子团）的本征频率相近或相（或相当于分子大小的原子团）的本征频率相近或相同引起共振消耗能量所致。即在红外区的吸收峰是因同引起共振消耗能量所致。即在红外区的吸收峰是因为离子的弹性振动与光子辐

29、射发生谐振消耗能量所致。为离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致。 要使谐振点的波长尽可能远离可见光区，即吸收峰要使谐振点的波长尽可能远离可见光区，即吸收峰处的频率尽可能小（波长尽可能长），则需选择较小处的频率尽可能小（波长尽可能长），则需选择较小的材料热振频率的材料热振频率。此频率。此频率与材料其它常数与材料其它常数(chngsh)(chngsh)呈下列关系：呈下列关系： (5.19) (5.19) 式中式中是与力有关的常数是与力有关的常数(chngsh)(chngsh)，由离子间结合，由离子间结合力决定。力决定。McMc和和MaMa分别为阳离子和阴离子质量。分别为阳离子和阴离子质量。

30、 19ac2M1M12第19页/共86页第十九页，共87页。3、半导体材料、半导体材料(cilio)中的光吸收中的光吸收（1）激子）激子(j z)吸收吸收 在光跃迁在光跃迁(yuqin)过程中，被激发到导带中的电子和在价带过程中，被激发到导带中的电子和在价带中的空穴由于库仑相互作用，将形成一个束缚态，称为激子。导中的空穴由于库仑相互作用，将形成一个束缚态，称为激子。导带的电子和价带的空穴分别处于由库仑引力相互约束的状态，在带的电子和价带的空穴分别处于由库仑引力相互约束的状态，在各自的原子周围自由地旋转。其轨道半径远远大于原子间隔。可各自的原子周围自由地旋转。其轨道半径远远大于原子间隔。可以认为

31、它们的结合是比较弱的。这样的激子也称为莫特以认为它们的结合是比较弱的。这样的激子也称为莫特-万尼尔激万尼尔激子。能产生激子的光吸收称为激子吸收。激子吸收的能量比从价子。能产生激子的光吸收称为激子吸收。激子吸收的能量比从价带到导带的本征吸收边要小一些带到导带的本征吸收边要小一些不同材料的激子结合能相差很大。不同材料的激子结合能相差很大。离子晶体和分子晶体的电子和空穴只是局域在原子周离子晶体和分子晶体的电子和空穴只是局域在原子周围，所以被称为强束缚激子或弗伦克尔激子围，所以被称为强束缚激子或弗伦克尔激子第20页/共86页第二十页，共87页。（2）本征吸收）本征吸收(xshu) 能量小于禁带宽度能量

32、小于禁带宽度(kund)Eg的光子没有本征吸收；当的光子没有本征吸收；当光子能量达到光子能量达到Eg时，本征吸收开始，称为本征吸收边。时，本征吸收开始，称为本征吸收边。 直接直接(zhji)带隙半导体：电子跃迁只需要吸收能量带隙半导体：电子跃迁只需要吸收能量 间接带隙半导体：间接带隙半导体：电子的跃迁不只需要吸收能量，电子的跃迁不只需要吸收能量，还要改变动量还要改变动量第21页/共86页第二十一页，共87页。5.3.4材料的光散射材料的光散射 1散射的一般规律散射的一般规律 光波遇到不均匀结构产生次级波，与主波方向不光波遇到不均匀结构产生次级波，与主波方向不一致，使光偏离原来的方向从而引起散射

33、，从而一致，使光偏离原来的方向从而引起散射，从而减弱光束强度。减弱光束强度。 散射现象也是由于介质中密度的均匀性的破坏而散射现象也是由于介质中密度的均匀性的破坏而引起的。引起的。 由于散射，光在前进方向上的强度减弱了，对于由于散射，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有相同的形式(xngsh): (5.20) 式中，式中，I为在光前进方向上的剩余强度。为在光前进方向上的剩余强度。S为散为散射系数其单位为射系数其单位为cm-1，与散射，与散射(质点质点)的大小、数的大小、数量以及散射质点与基体的相对折射率

34、等因素有关。量以及散射质点与基体的相对折射率等因素有关。 如果将吸收定律与散射规律的式子统一起来，则如果将吸收定律与散射规律的式子统一起来，则可得到：可得到： (5.21) 20 xseII0 xsaeII)(0第22页/共86页第二十二页，共87页。2、弹性散射和非弹性散射、弹性散射和非弹性散射根据散射前后光子能量（或光波波长）变化根据散射前后光子能量（或光波波长）变化(binhu)与与否，可以分为弹性散射和非弹性散射两大类。否，可以分为弹性散射和非弹性散射两大类。（1）弹性散射）弹性散射散射前后，光的波长（或光子能量）不发生变化的散射前后，光的波长（或光子能量）不发生变化的散射称为弹性散射

35、。根据经典力学的观点散射称为弹性散射。根据经典力学的观点(gundin)，这个过程被看成光子和散射中心的弹性碰撞。散射这个过程被看成光子和散射中心的弹性碰撞。散射结果只是把光子弹射到不同的方向上去，并没有改结果只是把光子弹射到不同的方向上去，并没有改变光子的能量。弹性散射的规律除了波长（或频率）变光子的能量。弹性散射的规律除了波长（或频率）不变外，散射光的强度与波长的关系可因散射中心不变外，散射光的强度与波长的关系可因散射中心尺度的大小而具有不同的规律：尺度的大小而具有不同的规律：SI第23页/共86页第二十三页，共87页。参量参量与散射中心尺度大小与散射中心尺度大小d有关。按有关。按与与d的

36、大小的大小比较比较(bjio)，弹性散射又可分为三种情况：，弹性散射又可分为三种情况：（一）廷德尔（一）廷德尔（Tyndall）散射）散射(snsh)当散射中心的尺度当散射中心的尺度d远大于光波的波长时，远大于光波的波长时，0，散，散射光强于入射光波长无关。如粉笔灰颗粒的尺寸对所射光强于入射光波长无关。如粉笔灰颗粒的尺寸对所有可见光波长均满足这一条件，所以，粉笔灰对白光有可见光波长均满足这一条件，所以，粉笔灰对白光中所有单色成分都有相同的散射能力，看起来是白色中所有单色成分都有相同的散射能力，看起来是白色的。天上的白云，是由水蒸气凝成比较的。天上的白云，是由水蒸气凝成比较(bjio)大的水大的

37、水滴所组成，线度也在此范围，所以散射光也呈白色滴所组成，线度也在此范围，所以散射光也呈白色第24页/共86页第二十四页，共87页。（二）米氏（二）米氏（Mie）散射）散射(snsh)当散射中心尺度当散射中心尺度d与入射光波长相当时，与入射光波长相当时，在在0-4之之间，具体数值与散射中心尺度有关。这个尺度范围间，具体数值与散射中心尺度有关。这个尺度范围(fnwi)的粒子散射光性质比较复杂，如存在散射光的粒子散射光性质比较复杂，如存在散射光强度随强度随d/值得变化而波动和在空间分布不均匀等值得变化而波动和在空间分布不均匀等问题。问题。（三）瑞利（三）瑞利（Rayleidl）散射）散射(snsh)

38、当散射中心的线度当散射中心的线度d远小于入射光的波长远小于入射光的波长 时，时， =4，即散射光强度与波长的即散射光强度与波长的4次方成反比（次方成反比（Is= 4）。这一关）。这一关系称为瑞利散射定律。系称为瑞利散射定律。第25页/共86页第二十五页，共87页。按照瑞利，微小粒子（按照瑞利，微小粒子（d）对长波的散射不如）对长波的散射不如(br)短波有效。短波有效。理解晴天早晨的太阳呈鲜红色而中午却变成白色：理解晴天早晨的太阳呈鲜红色而中午却变成白色：大气及尘埃大气及尘埃(chn i)对光谱上蓝紫色的散射比红橙色对光谱上蓝紫色的散射比红橙色强，一天内不同时刻阳光到达观察者所通过的大气强，一天

39、内不同时刻阳光到达观察者所通过的大气层厚度不同，阳光透过大气层越厚，蓝紫色成分损层厚度不同，阳光透过大气层越厚，蓝紫色成分损失越多，因此达到观察者的阳光中蓝紫色的比例就失越多，因此达到观察者的阳光中蓝紫色的比例就越少。越少。瑞利散射并非气体介质所特有。固体光学材料在制备瑞利散射并非气体介质所特有。固体光学材料在制备(zhbi)过程中形成的气泡、条纹、杂质颗粒、位错等都可过程中形成的气泡、条纹、杂质颗粒、位错等都可成为散射中心，在许多情况下，当线度满足成为散射中心，在许多情况下，当线度满足d的条件的条件时，就可引起瑞利散射。时，就可引起瑞利散射。第26页/共86页第二十六页，共87页。（2）非弹

40、性散射）非弹性散射除了瑞利散射外，用高灵敏度和高除了瑞利散射外，用高灵敏度和高 分辨率的光谱仪器，分辨率的光谱仪器，可以可以(ky)发现散射光中还有其他光谱成分，它们在频发现散射光中还有其他光谱成分，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，率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧，强度比弹性散射弱得多。强度比弹性散射弱得多。布里渊散射线布里渊散射线(shxin)：瑞利散射线：瑞利散射线(shxin)两侧的两侧的两条谱线，与瑞利线的频差一般在两条谱线，与瑞利线的频差一般在10-1-1cm-1。拉曼散射线拉曼散射线(shxin)：距离瑞利散射线：距离瑞利散射线(shxin)较较远

41、的谱线，与瑞利线的频差一般在远的谱线，与瑞利线的频差一般在1-104cm-1。出现在瑞利线低频侧的散射线统称为出现在瑞利线低频侧的散射线统称为斯托克斯斯托克斯（stokes）线，在瑞利线高频侧的散射线统称为）线，在瑞利线高频侧的散射线统称为反斯托克反斯托克斯斯（anti-stokes）线。）线。第27页/共86页第二十七页，共87页。拉曼散射：光通过材料时由于入射光与分子运动相互拉曼散射：光通过材料时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率作用而引起的频率(pnl)发生变化的散射，又称拉曼发生变化的散射，又称拉曼效应。效应。共振共振(gngzhn)拉曼散射：当一个化合物被入射光激拉曼散射：当一

42、个化合物被入射光激发，激发线的频率处于该化合物的电子吸收谱带以内发，激发线的频率处于该化合物的电子吸收谱带以内时，由于电子跃迁和分子振动的耦合，使某些拉曼谱时，由于电子跃迁和分子振动的耦合，使某些拉曼谱线的强度陡然增加线的强度陡然增加表面增强拉曼散射：当一些分子被吸附到某些粗糙的表面增强拉曼散射：当一些分子被吸附到某些粗糙的金属，如金、银或铜的表面时，它们的拉曼谱线强度金属，如金、银或铜的表面时，它们的拉曼谱线强度(qingd)会得到极大的增强会得到极大的增强第28页/共86页第二十八页，共87页。5.4 5.4 材料材料(cilio)(cilio)的光发射的光发射材料的发光性质与它们的能量结

43、构紧密相关。固体的基本材料的发光性质与它们的能量结构紧密相关。固体的基本能量结构是能带。固体中常常通过人为的方法掺杂一些与能量结构是能带。固体中常常通过人为的方法掺杂一些与基质基质(j zh)不同的成分，以改善固体的发光性能。杂质离不同的成分，以改善固体的发光性能。杂质离子具有分立的能级，它们常常出现在禁带中。固体发光的子具有分立的能级，它们常常出现在禁带中。固体发光的微观过程可以分为两个步骤：微观过程可以分为两个步骤：（1）对材料进行激励，即以各种方式输入能量，将固体）对材料进行激励，即以各种方式输入能量，将固体中的电子的能量提高到一个非平衡态，称为中的电子的能量提高到一个非平衡态，称为“激

44、发态激发态”。（2）处于激发态的电子自发地向低能态跃迁，同时发射）处于激发态的电子自发地向低能态跃迁，同时发射光子。如果材料存在多个低能态，发光跃迁可以有多种渠光子。如果材料存在多个低能态，发光跃迁可以有多种渠道，那么材料就可能发射多种频率的光子。当然向下跃迁道，那么材料就可能发射多种频率的光子。当然向下跃迁未必都发光，也可能存在把激发的能量转变为热能的无辐未必都发光，也可能存在把激发的能量转变为热能的无辐射跃迁过程射跃迁过程第29页/共86页第二十九页，共87页。5.4.1、激励、激励(jl)方式方式如前所述，当某种物质受到诸如光的照射、外加电场或电子如前所述，当某种物质受到诸如光的照射、外

45、加电场或电子束的轰击等激发后，只要该物质不会因此而发生化学变化，束的轰击等激发后，只要该物质不会因此而发生化学变化，它总要回复到原来的平衡状态。在这个过程中，一部分多余它总要回复到原来的平衡状态。在这个过程中，一部分多余(duy)的能量会通过光或热的形式释放出来。的能量会通过光或热的形式释放出来。历史上人们曾以发光持续时间的长短分为两个过程，把物质历史上人们曾以发光持续时间的长短分为两个过程，把物质(wzh)(wzh)在受激发时的发光称为荧光，而把激发停止后的发光在受激发时的发光称为荧光，而把激发停止后的发光称为磷光。一般以持续时间称为磷光。一般以持续时间10-8s10-8s为界，持续时间短于

46、为界，持续时间短于10-8s10-8s的的发光称为荧光，持续时间长于发光称为荧光，持续时间长于10-8s10-8s的发光称为磷光。现在除的发光称为磷光。现在除了习惯上还保留和沿用这两个名词外，已不再用荧光和磷光来了习惯上还保留和沿用这两个名词外，已不再用荧光和磷光来区分发光过程，因为任何形式的发光都以余辉的形式来体现其区分发光过程，因为任何形式的发光都以余辉的形式来体现其衰减过程。衰减过程。第30页/共86页第三十页，共87页。荧光：被激发的电子跳回价带时，同时发射光子荧光：被激发的电子跳回价带时，同时发射光子磷光：含有杂质，并在能隙中建立施主能级，当激发的电子从导磷光：含有杂质，并在能隙中建

47、立施主能级，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，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电子必须先从捕获陷阱(xinjng)内逸出，因此延迟了光子发射内逸出，因此延迟了光子发射时间。时间。第31页/共86页第三十一页，共87页。按被激发的方式分类：按被激发的方式分类：（1 1）光致发光：是用光激发发光体引起的发光现象）光致发光：是用光激发发光体引起的发光现象（2 2）电致发光（场致发光）：将电能直接转换成光能的现）电致发光（场致发光）：将电能直接转换成光能的现象。本征型电致发光，注入式电致发光象。本征型电致发光，注入式电致

48、发光（3 3）阴极射线致发光：发光物质在电子束的激发下产生的）阴极射线致发光：发光物质在电子束的激发下产生的发光发光（4 4）x x射线及高能粒子发光射线及高能粒子发光: :在在X X射线、射线、射线，射线，粒子和粒子和粒子等高能粒子激发下，发光物质产生的发光粒子等高能粒子激发下，发光物质产生的发光（5 5）化学发光：由化学反应过程中释放出来的能量）化学发光：由化学反应过程中释放出来的能量(nngling)(nngling)激发发光物质产生的发光激发发光物质产生的发光（6 6）生物发光：在生物体内，由于生命过程的变化，其相）生物发光：在生物体内，由于生命过程的变化，其相应的生化反应释放的能量应

49、的生化反应释放的能量(nngling)(nngling)激发发光物质所产生激发发光物质所产生的发光的发光第32页/共86页第三十二页，共87页。5.4.2、材料发光(f un)的基本性质发光材料除了要有合适的基质为主体外，还要选择掺入微量发光材料除了要有合适的基质为主体外，还要选择掺入微量杂质作为激活剂，这些微量杂质一般被用来充当发光中心，杂质作为激活剂，这些微量杂质一般被用来充当发光中心，有些也被用来改变发光体的导电类型。在很多情况下还加入有些也被用来改变发光体的导电类型。在很多情况下还加入另一种称为另一种称为“助熔剂助熔剂”的杂质，以促进材料饿结晶或激活剂的杂质，以促进材料饿结晶或激活剂匹

50、配。从应用的角度看，对材料感兴趣的光学性能匹配。从应用的角度看，对材料感兴趣的光学性能(xngnng)通常是发光的颜色、强度和持续时间。所有，材通常是发光的颜色、强度和持续时间。所有，材料的发光特性主要从发射光谱、激发光谱、发光寿命和发光料的发光特性主要从发射光谱、激发光谱、发光寿命和发光效率进行评价。效率进行评价。（1 1）发射光谱：在一定的激发条件下发射光强按波长的分布）发射光谱：在一定的激发条件下发射光强按波长的分布(fnb)(fnb)。发射光谱的形状与材料的能量结构有关，有些材料的发射光谱呈现宽发射光谱的形状与材料的能量结构有关，有些材料的发射光谱呈现宽谱带，甚至由宽谱带交叠而形成连续

51、谱带，有些材料的发生光谱则是谱带，甚至由宽谱带交叠而形成连续谱带，有些材料的发生光谱则是线状光谱。线状光谱。第33页/共86页第三十三页，共87页。400450500550600650700-100001000200030004000500060007000intensity (a.u)wavelength (nm) YAG:Tb4004505005506006500100200300400intensity (a,u)wavelength (nm) YBO3:Tb第34页/共86页第三十四页，共87页。（2 2）激发光谱：材料发射某一种特定谱线（或谱带）的发光强度）激发光谱：材料发射某一种特

52、定谱线（或谱带）的发光强度随激发光的波长而变化的曲线。能够引起材料发光的激发波长也一随激发光的波长而变化的曲线。能够引起材料发光的激发波长也一定是材料可以吸收的波长。就这一点而言，激发光谱与吸收光谱有定是材料可以吸收的波长。就这一点而言，激发光谱与吸收光谱有类似之处。但是类似之处。但是(dnsh)(dnsh)有的材料吸收光之后不一定会发光，就是有的材料吸收光之后不一定会发光，就是说它能把吸收的能量转化成热能而消耗掉。对发光没有贡献的吸收说它能把吸收的能量转化成热能而消耗掉。对发光没有贡献的吸收是不会在激发光谱上得到反映的。因此激发光谱又不同于吸收光谱。是不会在激发光谱上得到反映的。因此激发光谱

53、又不同于吸收光谱。2002503003504004505000100020003000400050006000Intensity(a.u)Wavelength(nm)YAG:Tbem=546nm第35页/共86页第三十五页，共87页。（3 3）发光寿命（荧光寿命或余辉时间）：发光体在停止激发后）发光寿命（荧光寿命或余辉时间）：发光体在停止激发后持续发光的时间。持续发光的时间。 设某时刻共有设某时刻共有(n yu)n(n yu)n个电子处于激发态，则在个电子处于激发态，则在dtdt时间时间内跃迁到基态的电子数内跃迁到基态的电子数dndn正比于正比于ndtndt，即，即ndtdn式中式中表示在单位

54、时间内跃迁到基态的概率表示在单位时间内跃迁到基态的概率(gil)(gil)。从。从上式得到电子数衰减的规律为上式得到电子数衰减的规律为tenn0式中式中n0n0表示初始表示初始(ch sh)(ch sh)激发态的电子数。与此相应，发激发态的电子数。与此相应，发光强度也以同样的指数规律衰减光强度也以同样的指数规律衰减teII0定义光强衰减到初始值定义光强衰减到初始值I I0 0的的1/e1/e所经历的时间为发光寿命所经历的时间为发光寿命 ，则则 =1/=1/ ，即，即第36页/共86页第三十六页，共87页。teII00200000040000006000000800000010000000020

55、000400006000080000100000Intensity (a.u)Time (ns)第37页/共86页第三十七页，共87页。某些材料的发光涉及比较复杂的中间过程，其光强衰减规律呈某些材料的发光涉及比较复杂的中间过程，其光强衰减规律呈双指数或双曲线形式，难以用一个反映衰减规律的参数来表示。双指数或双曲线形式，难以用一个反映衰减规律的参数来表示。在应用中往往在应用中往往(wngwng)(wngwng)规定，从激发停止时的发光强度规定，从激发停止时的发光强度I0I0衰衰减到减到I0/10I0/10的时间称为余辉时间，根据余辉时间的长短可以把发的时间称为余辉时间，根据余辉时间的长短可以把发

56、光材料分为：超短余辉（光材料分为：超短余辉（11s)1s)六个范围。六个范围。（4 4）发光效率）发光效率 发光效率通常有三种发光效率通常有三种(sn zhn)(sn zhn)表示方法，即量子效率，功表示方法，即量子效率，功率效率和光度效率。率效率和光度效率。 量子效率是指发射光子数与吸收光子数之比，即量子效率是指发射光子数与吸收光子数之比，即inoutqnn第38页/共86页第三十八页，共87页。功率效率表示发光功率效率表示发光(f un)(f un)功率功率PoutPout与吸收光的功率与吸收光的功率PinPin之比，之比，即即inoutPPP光度光度(gungd)(gungd)效率定义为

57、发射的光通量效率定义为发射的光通量L L（以流明（以流明lmlm为单位）与输入为单位）与输入的光功率的光功率PinPin之比，即之比，即inLPL第39页/共86页第三十九页，共87页。工程上应用的发光材料要求具有工程上应用的发光材料要求具有(jyu)下列性能：下列性能：（1 1）高的发光）高的发光(f un)(f un)效率效率（2 2）希望）希望(xwng)(xwng)的发光色彩的发光色彩（3 3）适当的余辉时间）适当的余辉时间（4 4）材料与基体结合力强）材料与基体结合力强第40页/共86页第四十页，共87页。三、发光的物理(wl)机制（1 1）分立中心发光）分立中心发光这类材料的发光中

58、心通常是掺杂在透明基质中的离子，有时也这类材料的发光中心通常是掺杂在透明基质中的离子，有时也可以是基质材料自身结构的某一个基团。选择不同的发光中心可以是基质材料自身结构的某一个基团。选择不同的发光中心和不同的基质组合，可以改变发光体的发光波长，调节其光色。和不同的基质组合，可以改变发光体的发光波长，调节其光色。不同的组合会影响到发光效率和余辉长短。发光中心分布在晶不同的组合会影响到发光效率和余辉长短。发光中心分布在晶体点阵中，或多或少会受到点阵上离子的影响，使其能量状态体点阵中，或多或少会受到点阵上离子的影响，使其能量状态发生变化，进而影响材料的发光性能发生变化，进而影响材料的发光性能(xng

59、nng)(xngnng)。发光中心与。发光中心与晶体点阵之间相互作用的强弱又可以分成两种情况：晶体点阵之间相互作用的强弱又可以分成两种情况：1 1）发光）发光中心基本上是孤立的。它的发光光谱与自由离子很相似。中心基本上是孤立的。它的发光光谱与自由离子很相似。2 2）发光中心受基质点阵电场（或称晶格场）的影响很大。这种情发光中心受基质点阵电场（或称晶格场）的影响很大。这种情况下的发光性能况下的发光性能(xngnng)(xngnng)与自由离子很不相同，必须把中心与自由离子很不相同，必须把中心和基质作为一个整体来分析。和基质作为一个整体来分析。第41页/共86页第四十一页，共87页。晶格晶格(jn

60、 )场对发光离子的影响：场对发光离子的影响：（1 1）影响）影响(yngxing)(yngxing)光谱结构光谱结构（2 2）影响光谱的相对）影响光谱的相对(xingdu)(xingdu)强度强度（3 3）影响发光寿命）影响发光寿命（2 2）复合发光）复合发光复合发光与分立中心发光最根本的区别在于，复合发光时电子的跃复合发光与分立中心发光最根本的区别在于，复合发光时电子的跃迁涉及固体的能带。由于电子被激发到导带时在价带上留下了一个迁涉及固体的能带。由于电子被激发到导带时在价带上留下了一个空穴，因此当导带的电子回到价带与空穴复合时，便以光的形式放空穴，因此当导带的电子回到价带与空穴复合时，便以光