中科大材料科学课件22光学性质

第二十二章光学性质（opticalproperties）电磁辐射光与固体作用与原子、电子作用金属、非金属之光学性质光学现象应用

电磁辐射古典理论电、磁场与电磁波传播方向互相垂直光、热、雷达、无线电波、X光辐射电磁能谱

可见光c=(ε0μ0)-1/2c=λν光子E=hν=hc/λ

光与固体作用穿透、吸收、反射I0=IT+IA+IR透明（电绝缘体）、半透明、不透明（金属）半导体：透明或不透明

光与原子、电子作用电磁波与原子、离子and/or电子作用电子极化与能阶转变（energytransition）

电子极化电磁波中快速变动电场电子云极化能量被吸收光波速度减缓：折射

电子能阶转变ΔE=hν能阶不连续，所有光子能量被吸收激态（excitedstate）不稳定、回到基态（groundstate）

金属之光学性质所有能量被吸收（~0.1μm），不透明高能量（x光，γ-射线）：金属透明反射，吸收散热，颜色：反射光分布，亮银色：Al,Ag，红橘：Cu，黄：Au

非金属之光学性质穿透、吸收、反射折射：光偏折折射指数（indexofrefraction）n=c/v玻璃三绫镜

虹：雨后或日出没之际，天空所现的彩色弧。楚辞˙严忌˙哀时命：虹霓纷其朝霞兮，夕淫淫而淋雨。文选˙班固˙西都赋：虹霓回带于棼楣，虽轻迅与僄狡，犹愕眙而不能阶。亦作虹蜺。

霓：与虹同时出现的彩色圆弧外圈。楚辞˙王˙九怀˙蓄英：修余兮衣，骑霓兮南上。唐˙杜甫˙泛溪诗：练练峰上雪，纤纤云表霓。亦称为副虹。

v=(εμ)-1/2n=(ε0μ0)-1/2/(εμ)-1/2=(εrμr)1/2大部份材料：μr~1n~(εr)1/2

εr：电子极化，与频率有关原子尺寸愈大，电子极化愈大，速度较慢，折射指数较大（n=c/v）苏打－石灰：n~1.5加Ba

、Pb离子（BaO

、PbO）铅玻璃（90wt.%PbO）：n~2.1非立方晶体：n沿离子密度最大方向最高

反射R=IR/I0光与介面垂直R=((n2-n1)/(n2+n1))2硅酸盐玻璃：R~0.05R与频率有关（n与频率有关）

沉积介电薄膜（MgF2），降低R抗反光沉积薄膜（anti-reflectingcoating，ARC）电子元件：TiNonAl

1

m0.25

m,6-levelMetallization(UMC)吸收机制电子极化：在光波频率与极化松弛频率（relaxationfrequency）相近时重要电子能带转变hν>Eghc/λ>Eg

可见光最小波长：0.4μmEg（max）=3.1eV：透明可见光最波长：0.7μmEg（min）=1.8eV：不透明

介于1.8-3.1eV（0.4至0.7μm）之间部份吸收，呈现不同色泽所有物质都可能不透明钻石：Eg

=5.6eV，对波长小于0.22μm之光波不透明

杂质效应施子与受子能阶e.g.（例）：Si~10meVEg=1.1eVkT

（300K）~0.026eV=26meV

杂质效应：吸收电磁波能量散失机制1.电子、电洞重合（recombination）2.多步骤（multi-step）电子转换

ΔE=ΔE1+ΔE2二光子，光子+声子

吸收辐射线与介质特性、路径长度有关未吸收辐射线IT’=I0’e-βxI0’：未反射辐射线β：吸收系数

穿透辐射线两同样界面反射IT=I0(1-R)2e-βl绿玻璃，R:A:T=0.90:0.05:0.05（0.4μm），R:A:T=0.50:0.48:0.02（0.55μm）

颜色透明材料：显现颜色为穿透波之组合无色：高纯度玻璃、单晶钻石及蓝宝石陶瓷与半导体：穿透波与再发射波之频率分布透明度（transmittance）

CdS:2.4eV，yellow-orangecolor高纯度、单晶Al2O3（sapphire，蓝宝石）：无色红宝石（ruby）：0.5-2%Cr2O3玻璃着色：Cu2+（蓝绿），Co2+（蓝紫），Cr3+（绿），Mn2+（黄），Mn3+（紫红）

不透明或半透明绝缘体内部反射或折射内部散射：不等向折射复晶，晶粒界反射、折射双相材料：第二相微粒散布于基材，空孔散射单晶、复晶、含空孔（~5%）Al2O3

高分子由结晶性决定晶体与非晶质晶粒界高度结晶性高分子：不透明或半透明非晶质高分子：透明

光学现象应用发光、光导性、雷射、光纤发光（luminescence）：吸收高能量电磁波、高能量电子、热、机械、化学能量再发光

发光：吸收能量再发光光引致发光（photoluminescence，PL），紫外线（UV）电引致发光（electroluminescence，EL）热、机械、化学能

萤光（fluorescence，再发光，reemission，<<1s）磷光（phosphorescence），时间较长硫化物、氧化物、钨酸盐、某些有机材料杂质效应

发光现象应用萤光灯、电视萤幕、X光侦测板电发光（electroluminescence，EL）：p-n接面，正向偏压发光二极体（lightemittingdiode，LED）

光导性（photoconductivity）光电效应：Einstein，量子光子引致电导性增加摄影机光度计：CdS太阳电池：负向偏压二极体，外电流

雷射（laser）（lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）自发（spontaneous），

激发（stimulated）谐和（coherent）：电磁波间相角（phase）固定，

不谐和（incoherent）

固态红宝石雷射（rubylaser）Al2O3（sapphire）+0.05%Cr3+Cr3+：亮红色泽提供雷射运作电子能阶

红宝石棒两端镀银：半透明，全反射Xenon（氙）闪光灯（0.56μm）基（ground）态，激（excited）态、暂稳、介稳、不稳态（metastablestate）

半导体雷射光碟机、光纤通讯0.4-0.7μmGaAsp-typeAlGaAsGaN：蓝光

雷射应用光碟机、光纤通讯、读码加热、切割、焊接、刻字雷射手术测距、微粒侦测、光谱量测全像术（holography），holo:完全

雷射光表演

光纤通讯光讯（photonic）：利用光波通讯传输速率、资讯密度、传输距离、误失率、电磁干扰

传输速率：1gbit/s一根光纤：同时传输12,000通电话30,000Kg铜线：0.1Kg光纤

传输系统编码器（encoder）数位化电子至光子转换器（converter）：半导体雷射

0.78-1.6μm光纤缆线（cable）：导波管（waveguide）

解码器（decoder）重复放大（repeater）

光纤核心（core），芯心：传输讯号包覆反射层（cladding）：限制光波行进路径被覆层（coating）：保护包覆反射层与核心

光纤材质：硅土玻璃直径：5-100μm裂隙少、强度高

限制光波行进路径

全反射改变核心、包覆反射层折射指数阶梯指数（step-index）型输出脉波较宽路径不同、输出时间不同

渐变指数（grad