材料的光学性能课件

材料的光學性能

5.1概述5.2光傳播的基本理論光的現象光的微粒說光的波動說光的電磁說光的波粒二象性光的直線傳播光的傳播速度光的反射光的折射光的干涉光的衍射電磁波譜光譜?5.2.1波粒二象性介電常數磁導率（1）光是一種電磁波（2）光波是一種橫波(偏振性)（3）偏振性是橫波的特有性質5.2.2光的電磁性電磁輻射

由於人的視覺、植物的光合作用，以及絕大多數測量光波的儀器對光的反應主要是光波中的電場所引起，磁場對介質的作用遠比電場弱，因此討論光波時往往只考慮電場的作用，所以電場強度向量被直接作為光向量。

光波的電向量的振動只確定在某個確定方向稱為平面偏振光，亦稱線偏振光。

光波的電向量在垂直光傳播方向的平面內隨時間規則變化的軌跡呈橢圓或圓，被分別稱為橢圓偏振光、圓偏振光。

光波在垂直光傳播方向的平面內電向量振動取向機會均等，稱為自然光。光波振動的數學運算式：電磁波光譜•

可見光(visiblelight)——

能夠引起人的視覺的電磁波。

光的波動性主要表現在它有干涉和衍射及偏振等特性。雙光束干涉就是指兩束光（同頻率、同振動方向）相遇以後，在光的疊加區，光強重新分佈，出現明暗相間、穩定的干涉條紋。5.2.3光的干涉和衍射

當光波傳播遇到障礙物時，在一定程度上繞過障礙物（尺寸與波長相近）而進入幾何陰影區，這種現象稱為衍射。愛因斯坦提出電磁場（或光場）的能量是不連續的，其數值為：式中，ν為光波電磁場的頻率；h為數值很小的普適常數，稱為普朗克常數。總之，光既可看成為光波又可看成光子流。光子是電磁場能量和動量量子化的粒子，而電磁波是光子的概率波。光作為波的屬性可以用頻率和波長來描述，而作為光子的屬性則可以用能量和動量來表徵。波動性和粒子性的統一就定量地反應在愛因斯坦兩個等式之中5.2.4光子的能量和動量

光波入射到兩種媒質的分界面以後，如果不考慮吸收、散射等其他形式的能量損耗，則入射光的能量只在兩種介質的介面上會發生反射、折射。5.3光的反射和折射（1）光在均勻介質中直線傳播，在不同的介質中具有不同的傳播速度。

（2）光在兩種介質的分界面時遵守反射、折射定律。

（3）光路可逆5.3.1反射定律和折射定律及其影響因素5.3光的反射和折射1.光通過固體現象

光從一個介質進入到另一個介質時，將發生透射、反射、吸收和散射現象。入射光的能流率等於透射、反射、吸收和散射能流率之和。Φ0=Φτ+Φα+Φm+Φs

透射、反射、吸收和散射能流率相對於入射光所占的比率分別被稱為透射係數τ、反射係數α、吸收係數m和散射係數s。

τ+α+m+s=12.反射定律和折射定律5.3光的反射和折射（1）構成材料元素的離子半徑當離子半徑增大時，其ε增大，因而n也增大。陶瓷等無機材料的相對磁導率約等於13.材料折射率的影響因素

（3）材料所受的內應力有內應力的透明材料，垂直於受拉主應力方向的n大，平行於受拉主應力方向的n小。

（4）同質異構體在同質異構材料中，高溫時的晶型折射率n較低，低溫時存在的晶型折射率n較高。（2）材料的結構、晶型和非晶態

非晶態和立方晶體這些各向同性材料，當光通過時，光速不因傳播方向改變而變化，材料只有一個折射率，稱為均質介質。但是除立方晶體以外的其他晶型，都是非均質介質（雙折射現象）。惠更斯原理：

光波波前（最前沿的波面）上的每一點都可以看做球面次波源。Δt時間後，無數個次波的包絡就是新的波前。5.3.2折射率與傳播速度的關係

導出反射定律和折射定律。折射定律：光速與折射率成反比。5.3.2折射率與傳播速度的關係折射定律：材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。光密介質：在折射率大的介質中，光的傳播速度慢；光疏介質：在折射率小的介質中，光的傳播速度快。材料的折射率從本質上講，反映了材料的電磁結構（對非鐵磁介質主要是電結構）在光波作用下的極化性質或介電特性。5.3.3反射率和透射率反射率：反射光的功率與入射光的功率之比。透射率：透射光的功率與入射光的功率之比。

光的反射率和透射率與光的偏振方向有關，並隨入射角度而變化。

光是橫波，在垂直於傳播方向上，電向量可以取任何方向。因此，可以分解成兩個相互垂直的線偏振分量。即振動方向垂直於入射平面的s分量和振動方向平行於入射平面的p分量。

當入射角和反射角之和為π/2時，反射光沒有平行入射面的向量。此時的入射角稱為布儒斯特角。利用布儒斯特角可以產生偏光。反射率：垂直入射時：5.3.4光的全反射和光導纖維

當光從光密介質進入到光疏介質，當入射角達到某一角度時，不再有折射光線，光線被全部反射的現象，稱為全反射。全反射臨界角：光纖結構示意圖纖芯包層塗敷層護套5.3.5棱鏡、透鏡和反射鏡棱鏡主要用於分光和偏轉光的方向；透鏡主要是兩個球面或曲面包圍而成的透明光學材料，主要用於聚光和成像；反射是指材料表面潔度非常高的情況下的反射，反射光線具有明確的方向性，一般稱之為鏡反射。漫反射是由於材料表面粗糙，在局部的入射角不同。5.4材料對光的吸收和色散

一束平行光照射各向同性均質的材料時，除了可能發生反射和折射而變其傳播方向之外，進入材料之後還會發生兩種變化。一是光吸收二是光的色散5.4.1光的吸收

1.吸收係數與吸收率朗伯特（Lambert）定律：

在價質中光強隨傳播距離呈指數衰減。當光的傳播距離達到1/a時，強度衰減到入射時的1/e。a越大材料越厚，光就被吸收得越多，透過光的強度越小。產生光吸收的原因：

光作為一種能量流，在穿過介質時，引起介質的價電子躍遷，或使原子振動而消耗能量。此外介質中的價電子吸收光子能量而激發，當尚未退激時，在運動中與其它分子碰撞，電子的能量轉變為分子的熱動能，從而造成光能的衰減。

任何物質都只對特定的波長範圍表現為透明，而對另一些波長範圍則不透明。一：金屬對光吸收較強----金屬的價電子處於未滿帶，吸收光子後即呈激發態，無需躍遷到導帶即能產生碰撞而發熱。二：電介質材料，如玻璃、陶瓷等具有較好的透過性----電子質材料的價電子所處的能帶是滿帶。它不能吸收光子而自由運動，而光子的能量又不足以使價電子躍遷到導帶，所以在一定波長內，吸收率數小。三：紫外光，能量大，半導體電子就會吸收能量從滿帶躍遷到導帶，此時吸收係數大，禁帶寬度Eg為:2光吸收與波長的關係除了真空，沒有一種物質對所有波長的電磁波都是絕對透明的。在光學材料中，石英對所有可見光幾乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收係數不變，這種現象為均勻吸收；但在3.5—5.0μm的紅外光，石英表現為強烈吸收，且吸收率隨波長的變化劇烈變化，這種同一物質對不同波長的吸收係數變化的現象為選擇吸收。均勻吸收和選擇吸收

普通玻璃對可見光是透明的，但是對紅外線、紫外線都有強烈的吸收，是不透明的。在紅外光譜儀中，棱鏡常用對紅外線透明的氯化鈉晶體和氟化鈣晶體製作；而紫外光譜儀中，棱鏡常用對紫外線透明的石英製作。實際上，任何光學材料，在紫外和紅外端都有一定的透光極限。任何物質都有這兩種形式的吸收（一般吸收和選擇吸收）只是出現的波長範圍不同而已。

紅外吸收光譜：研究離子間的彈性振動。紫外吸收光譜：研究半導體的禁帶寬度。吸收光譜5.4.2光的色散

材料的折射率隨入射光的頻率減小（或波長的增加）而減小的性質，稱為折射率的色散。在給定入射波長下，材料的色散：最常用的數值是倒數相對色散，即色散係數：描述光學玻璃的色散常用，平均色散：

分別為以鈉的D譜線、氫的F譜線和C譜線為光源測得的折射率。經典色散理論：（阻尼受迫振子模型）介質原子的電結構被看成是正負電荷之間由一根無形的彈簧束縛在一起的彈性振子。在光波電磁場的作用下作受迫振動，振動的相位與振子的固有頻率和光波頻率有關。受迫振動的振子作為次波源向外發射散射波，由於固體和液體中的這種散射中心密度很高，振子散射波的相互干涉，使得次波只沿原來入射光波方向前進。次波和入射波疊加，使得合成波的在介質中的傳播速度與入射光波的頻率有關，導致介質對不同頻率的光有著不同的折射率。

由於折射率與原子緊密堆積有關，所以對於各向異性材料，在不同的方向上表現出不同的折射率值，因此，當單色光束通過各向異性介質的表面時，由於在各方向上的折射程度不同，折射光會分成兩束沿著不同的方向傳播。這種現象稱為雙折射。

5.5晶體的雙折射和二向色性5.5.1雙折射

通過改變入射光線的方向，可以找到在晶體中存在一些特殊方向，沿這些方向傳播的光並不發生雙折射，這些特殊方向稱為晶體的光軸。主截面：

光軸和光的傳播方向構成的平面。

上述兩條折射光線，光向量垂直於主截面的光線的折射率，稱為尋常光折射率n0，不論入射光的入射角如何變化，n0始終為一常數，因而尋常光折射率嚴格服從折射定律。另一條光向量平行於主截面的光線所構成的折射率，則隨入射線方向的改變而變化，稱為非常光折射率ne

，它不遵守折射定律，隨入射光的方向而變化。當光沿晶體光軸方向入射時，只有n0存在，與光軸方向垂直入射時，ne達最大值，此值是材料的特性。

尋常光和非常光都是線偏振光，不過它們的電向量振動方向不同。尋常光的振動方向垂直於主截面(光軸和傳播方向構成的平面)，而非常光的振動方向平行於主截面(不一定都平行於光軸)。

5.5.2雙折射現象的解釋

5.5.3折射率橢球5.5.4偏振元件偏振片，四分之一波片，二分之一波片等實現光束偏振狀態的改變。5.5.5二向色性偏振片晶體結構的各向異性不僅能產生折射率的各向異性（雙折射），而且能產生吸收率的各向異性，這一性質被稱為二向色性。1、光吸收的物理機制？2、光色散的物理機制？3、雙折射的物理機制？5.6.1散射與其他光學現象的關係

光通過含有煙塵、微粒、懸浮液滴或成分不均勻的介質時，都會有一部分能量偏離原來的傳播方向而向四面八方彌散，這種現象為光的散射。

這比單一吸收衰減（朗伯特定律）更快。

5.6介質的光散射

光衰減規律：

光散射強度：

散射係數與散射質點的大小、數量以及散射質點與基體的相對折射率有關。

根據散射前後光子能量（或光波波長）變化與否，分為彈性散射與非彈性散射。非彈性散射要比彈性散射低幾個數量級彈性散射：散射前後光的波長（或光子能量）不發生變化，只改變方向的散射。非彈性散射：當光通過介質時，從側向接受到的散射光主要是波長（或頻率）不發生變化的瑞利散射光，屬於彈性散射。當使用高靈敏度和高解析度的光譜儀，可以發現散射光中還有其他光譜成分，它們在頻率座標上對稱地分佈在彈性散射光的低頻和高頻側，強度一般比彈性散射微弱地多。這些頻率發生改變的光散射是入射光子與介質發生非彈性碰撞的結果，稱為非彈性散射。5.6.1散射與其他光學現象的關係一、彈性散射分類按照散射中心尺度a0與入射光波長λ是大小，分為三類：廷德爾散射TyndallScattering

(J.Tyndall，1820-1893)當a0»λ時，σ→0即散射中心的尺度遠大於光波波長時，散射光強與入射光波長無關如粉筆灰、白雲呈白色例如在膠體、乳濁液以及含有煙、霧或灰塵的大氣中的散射。2.米氏散射MileScattering當a0與λ相近時，σ=0～4即散射中心的尺度與光波波長可以比擬時，σ在0～4之間,具體取值與散射中心有關.米氏散射性質比較複雜。3.瑞利散射Rayleighscattering當a0«λ時，σ=4即當散射中心的線度遠小於入射光的波長時，散射強度與波長的4次方成反比通常我們把線度小於光的波長的微粒對入射光的散射，稱為瑞利散射（Rayleighscattering）。瑞利散射不改變原入射光的頻率。按照瑞利散射定律，我們不難理解晴天時晨陽與午陽的顏色不同。入射波長越長，散射光強越小，即長波散射要小於短波散射。因為大氣及塵埃對光譜上藍紫色光的散射比紅橙色光為甚，陽光透過大氣層越厚，其中藍紫色光成分損失越多，太陽顯得越紅。Global早晨中午太陽光彈性散射的原因：

均勻介質中存在分佈不均、且與其折射率相差較大的雜質微粒。物質中具有電結構的原子、分子等微觀粒子在光波電磁場的作用下受迫振動，這些受迫振動的粒子成為發光中心向各個方向發射球面次波，由於固態和液態粒子的結構緻密，微粒中每個分子發出的次波相位相關聯，合成發射一個大的次波。由於各個雜質微粒之間空間位置排列毫無規律，這些大次波不會因為相位關係而相互干涉，因此微粒向各個方向散射光波。歸一散射：發生在光波前進方向的散射。二、非彈性散射分類1.拉曼散射（Ramanscattering）是分子或點陣振動的光學聲子（即光學模）對光波的散射。在光譜圖上距離瑞利線較遠，它們與瑞利線的頻差可因散射介質能級結構不同而在100

104cm-1之間變化。2.布裏淵散射（Brillouinscattering）是點陣振動引起的密度起伏或超聲波對光波的非彈性散射，即點陣振動的聲學聲子（即聲學模）與光波之間的能量交換結果。由於聲學聲子的能量低於光學聲子，所以布裏淵散射的頻移比拉曼散射小，在光譜圖上它們緊靠在瑞利線旁，只能用高分辨的雙單色儀等光譜儀才能分辨出來。波動觀點：光的非彈性散射機制，是光波電磁場與介質內微觀粒子固有振動之間的耦合，可激發介質微觀結構的振動或導致振動的淬滅，以至於散射光波頻率相應出現“紅移”（頻率降低）或“藍移”（頻率增高）。通常產生拉曼振動的的介質多由相互約束的正負離子所組成。正負離子的週期性振動導致偶極矩的週期性變化，這種振動偶極矩與光波電磁場的相互作用引起的能量交換，發生光波的非彈性散射。一般認為拉曼散射是分子或點陣振動的光學聲子（光學模）對光波的散射。量子力學觀點：能級與虛能級之間的躍遷與回落。虛能級：電磁場和介質相互作用過程中形成的符合態。共振拉曼散射：當入射光的頻率選擇到使虛能級正好與介質的某個能級重合時，拉曼散射強度會大大加強。拉曼（Raman）光譜:主要研究點陣振動（分子的轉動和振動）5.7材料的光發射平衡輻射和非平衡輻射1.平衡輻射只與輻射體的溫度和發射本領有關，如白熾燈的發光。2.非平衡輻射在外界激發下物體偏離了原來的熱平衡，繼而發出的輻射。光發射的定義材料以某種方式吸收能量之後，將其轉化為光能即發射光子的過程。自然界中很多物質都可發光，但近代顯示技術所用的發光材料主要是無機化合物，在固體材料中主要是採用禁帶寬度較大的絕緣體，其次的半導體，它們通常以多晶粉末、薄膜或單晶的形式被應用。從應用的角度，主要關注材料的光學性能包括：發光顏色、發光強度及延續時間等。液晶顯示超薄電視等離子顯示器日光燈精密探頭手機發光材料筆記本陰極射線液晶相機光源能夠發光的物體稱為光源

=(E2-E1)/hE1E2•

原子光波列(wavetrain)（1）熱輻射（2）電致發光（3）光致發光（4）化學發光自發輻射（5）同步輻射光源（6）鐳射光源受激輻射激發態原子或分子的自發輻射

=(E2-E1)/hE1E2激發態原子或分子的受激輻射材料發光前可以有多種方式向其注入能量5.7.1激勵方式

光激勵（光致發光）通過光的輻照將材料中的電子激發到高能態從而導致發光。激勵光源可以採用光頻波段、x-射線波段、γ-射線波段。如螢光燈：通過紫外線激發塗布於燈管內壁的螢光粉而發光。電激勵（電致發光）通過對絕緣發光體施加強電場而導致發光，或者從外電路將電子（或空穴）注入到半導體的導帶（或價帶），導致載流子複合而發光。如儀器指示燈的發光二極體：半導體複合發光。陰極射線發光利用高能量的電子來轟擊材料，通過電子在材料內部的多次散射碰撞，使材料中多種發光中心被激發或電離而發光的過程。如彩電的顏色：採用電子束掃描，激發顯象管內表面上不同成分的螢光粉，使它們發射紅、綠、藍三種基本光波而實現發光。所用材料：主要是透明的無機化合物，包括禁帶寬度比較大的絕緣體和半導體材料。有機發光材料近來也得到了較快發展。發光材料的構成：基體（基質）啟動劑—發光中心。助溶劑—促進材料的結晶或與啟動劑匹配。5.7.2材料發光的基本性質一、發射光譜：發射光強發射光波長指在一定的激發條件下發射光強按波長的分佈。其形狀與材料的能量結構有關。反映材料中從高能級自發地向下躍遷過程。發射光譜二、激發光譜：發光強度激發光波長指材料發射某一特定譜線（或譜帶）的發光強度隨激發光的波長而變化的曲線能夠引起材料發光的激發波長也一定是材料可以吸收的波長，但激發光譜≠吸收光譜（因為有的材料吸收光後不一定會發射光，其可能把吸收的光能轉化為熱能而耗散掉對發光沒有貢獻的吸收是不會在激發光譜上反映的）。反映材料中從基態始發的向上躍遷過程。激發光譜三、發光壽命：發光壽命指發光體在激發停止之後持續發光時間的長短。發光強度也以指數規律衰減：餘輝時間：從激發停止時的發光強度I0衰減到I0/10的時間，按餘輝時間長短分為：超長餘輝（＞1s）、長餘輝（0.1

1s）、中餘輝（1

100ms）、中短餘輝（10-2

1ms）、短餘輝（1

10μs）、超短餘輝（＜1μs）n-初始激發態的電子數α-電子在單位時間內躍遷到基態的概率τ=1/α–發光壽命四、發光效率量子效率ηq：指發射光子數nout與吸收光子數（或輸入的電子數）nin之比。功率效率ηp：表示發光功率Pout與吸收光功率（或輸入的電功率）Pin之比。光度效率ηl：表示發射的光通量L與輸入的光功率（或電功率）Pin之比。功率效率與光度效率的關係：

Φ（λ）-人眼的視見函數

I（λ）-發光功率的光譜分佈函數

D–

光功當量按照發光中心與發光效率分：2.複合發光

源於固體本征態的輻射躍遷固體能帶模型描述（限於最高能隙Eg內）如II-VI、III-V族半導體發光1.分立中心發光3.特殊的複合發光BaF2型

固體中局域中心內部電子態間的輻射躍遷位形座標描述如稀土離子發光（寬禁帶絕緣體材料）發光分類5.7.3發光的物理機制一、分立中心發光

—RE3+發光，雜質、缺陷發光

其發光通常是摻雜在透明基質材料中的離子，或基質材料自身結構的某一個基團。選擇不同的發光中心和不同的基質組合，可以改變發光體的發光波長，調節其光色。發光中心分佈在晶體點陣中，受晶體點陣作用，使其能量狀態發生變化進而影響材料發光性能。根據發光中心與晶體點陣之間相互作用的強弱可分為兩種情況：發光中心基本上是孤立的它的發光光譜與自由離子相似；發光中心受基質點陣電場（或晶體場）影響較大，其發光特性與自由離子不同必須把中心和基質作為一個整體來分析。晶格場對發光離子的主要影響：（1）晶格場影響光譜結構用於晶格場的擾動會引起中心離子簡並能級分裂，導致發光譜線分裂。（2）晶格場影響光譜的相對強度改變了躍遷選擇。（3）晶格場影響發光壽命改變了躍遷選擇。Eu3+離子在不同基質材料中的發射光譜二、複合發光

複合發光與分立中心發光最根本的區別在於，複合發光時電子的躍遷涉及固體的能帶。由於電子被激發到導帶時在價帶上留下一個空穴，因此當導帶的電子回到價帶與空穴複合時，便以光的形式放出能量。複合發光的所發射光子的能量等於禁帶寬度。通常採用半導體材料，以摻雜的方式提高發光效率。

如果在P-N結上加正向電壓，內電場勢壘的高度降低，勢壘區的寬度變窄。由於勢壘減弱，電子就源源不斷從N區流向P區，空穴反之，大量的電子和空穴相遇複合，並以光的形式釋放能量。5.8材料的受激輻射和鐳射20世紀60年代出現了鐳射；輻射能量在空間和時間上高度集中，其亮度比太陽強1010倍；用途：資訊、醫學、工業、能源和國防領域。1917年愛因斯坦在研究“黑體輻射能量分佈”問題時，提出-光與物質的相互作用除了光吸收、光發射著兩個基本過程之外，還存在第三個基本過程----受激輻射。問題：光與物理相作用的三種過程以及它們之間的關係？5.8.1受激輻射光與物質相互作用的三個基本過程：

光的吸收、光發射、受激輻射自發輻射過程注：從高能E2向低能E1自發、獨立地發射一個光子，除了能量（頻率）受上式制約之外，其發射方向和偏振態都是隨機和無規則的。單位體積、單位時間發生自發輻射原子數：N2代表高能E2的原子密度；A21代表自發輻射躍遷概率-自發輻射係數。與原子的性質有關，與輻射場無關。負號表明自發輻射導致N2隨時間減少。自發輻射的光子數如果原子處於低能級，當有能量滿足hv=E2-E1的光子時，原子則可能吸收一個光子並躍遷到高能級E2。由於這個吸收過程只有存在適當頻率的外來光子時才會發生，故稱為“受激吸收”。單位體積、單位時間發生受激吸收的原子數：其中係數B12稱為受激吸收係數，輻射場的能量密度，受激吸收幾率。吸收的結果導致高能級的原子數增加。受激輻射的過程：當一個能量滿足hv=E2-E1的光子趨近高能級E2的原子時，有可能入射的光子非但不被吸收，反而誘導高能級原子發射一個和自已性質完全相同的光子來。特點：受激輻射的光子和入射光子具有相同的頻率、方向和偏振狀態。受激輻射是受激吸收的逆過程，它的發生使高能級的原子數減少。單位體積、單位時間發生受激輻射的原子數：其中係數B21稱為受激輻射係數，輻射場的能量密度，受激輻射幾率。

在熱平衡的條件下，只有當輻射體發射的光子數（包括自發輻射和受激輻射）等於吸收的光子數時，才能保持輻射場能量密度不變。受激輻射的意義愛因斯坦的黑體輻射理論首次預言了受激輻射的存在，明確提出了光子和受激輻射概念，以更清晰的物理圖像解釋了黑體輻射的規律—近半個世紀後製造出了第一臺雷射器。5.8.2啟