材料的光学性能

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1、第10章材料的光学性能(Opticalpropertiesofmaterials)110.1光与材料的作用(Interactionbetweenlightsandmaterials)10.1.1光的物理本质(Physicalessenceoflights)2可见光：波长处于人眼能够感知范围的那部分电磁波，波长范围很窄颜色随波长改变。白光是各色光的混合3光波也由电场分量与磁场分量组成，这两种分量彼此垂直且都垂直于光的传播方向。电磁波在真空中的传播速度c=3×108m/s，且有其中0和0分别为真空中的介电常数和磁导率。4光在非真空介质中传播时光速其中

2、和分别为介质的介电常数和磁导率，r和r分别为材料的相对介电常数和相对磁导率。考虑光的量子性，将光看成粒子，其能量量子即为光子，光子的能量其中为频率，为波长，h为普朗克常数。510.1.2光与材料作用的一般规律(Generalrulesoftheinteractionbetweenlightsandmaterials)6(a)吸收；(b)散射；(b)透射；(b),(c),(d)反射。7入射到材料表面的光的能流率为0W/m2，则有0=T+A+R+S其中T、A、R、S分别是透射、吸收、反射、散射的能流率。用0除等式两边，则

3、有T+A+R+S=1分别称为透射率、吸收率、反射率和散射率。折射、反射、散射、吸收各有其微观机制——光与固体中的原子、离子、电子等的相互作用8光子与固体材料的相互作用的本质有两种方式：电子极化电子能态转变从微观上分析，其实就是光子与固体材料的原子、离子、电子之间的相互作用9第一：引起材料中的电子极化——光波的电场分量与传播路径上的原子作用，造成电子云的负电荷中心与原子核的正电荷中心发生相对位移——光的部分能量被吸收，光速降低——折射。第二：引起材料中电子能态的改变。光子能量恰好为孤立原子两能级差，将电子激发到高能级。光子消失——吸收10这种吸收的条件

4、为E=hij其中i、j为原子中电子的两个能级，E=Ei-Ej为这两个能级的能级差，ij为能量恰好为这一能级差的光子的频率，h为普朗克常数。——只有能量为电子能级差的光子才能被吸收——可被孤立原子吸收的光子是不多的。固体中——能带准连续，不同能量（频率）的光子都有可能被吸收。吸收了光子的电子处于高能量的受激态——不稳定——又会按不同途径衰变返回基态，同时发射不同波长（能量）的电磁波受激电子又直接衰变回原能级——发射与入射光同样波长的光波——反射1112受限于人们的视野，受制于我们所接触的世界尺度！光波的传播方向光波等相面在某个时刻其上各点相位取

5、等值的曲面称为等相面。13①光在均匀介质中的直线传播定律;②光通过两种介质的分界面时的反射定律和折射定律;③光的独立传播定律和光路可逆性原理。在日常生活和实验的基础上，人们简单明了地总结：几何光学10.1.3金属材料对光的吸收和反射(Absorptionandreflectionofmetallicmaterialstolights)14金属对可见光一般不透明——能带结构决定费米能级以上有许多空能级——可吸收不同波长的光子将电子激发到空能级上大部分被激发电子又会衰变回基态，放出与所吸收的光子同波长的光子——反射光15大多数金属的反射率在0.9～0.9

6、5之间，其余能量转换成其他形式的能量，如热量金属对不同波长的光的反射能力不同——反射光的波长不同——颜色不同1610.1.4非金属材料对光的反应(Interfactionbetweennon-metalmaterialsandlights)17光从真空进入材料时速度降低，光在真空中的速度c和材料中的速度v之比即为材料的折射率n=c/v当光从材料1中通过界面进入材料2时，在材料1中入射光与界面法线所成的角即入射角为i1，在材料2中折射光与界面法线所成的角即折射角为i21非金属材料对光的折射n21：称为材料2相对于材料1的相对折射率，n1、n2分别为材料

7、1、2的折射率，v1、v2分别为材料1、2中的光速。18由材料中的光速与介电常数和磁导率的关系可得其中r和r分别为材料的相对介电常数和相对磁导率。大多数非金属材料的磁性很弱，r1，有由于r>1，材料的折射率总是大于1的。大离子可以使原子的正负电荷中心产生较大的相对位移，r增大——可用大离子构成高折射率的材料，小离子构成低折射率的材料。19均质介质（非晶态材料和立方晶系的晶体）：对光是各向同性的，只有一个折射率。非均质介质（非立方晶系的晶体）：光线入射到该介质中会产生双折射现象，即出现两条振动方向相互垂直、转播速度不等的折射线。双折射导致双

8、折射率：平行于入射面的光线的折射率为常数，与入射角无关，称为常光折射率n0，严格服从折射定律；另一条与之垂直