无机材料 光学性能

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1、无机材料的光学性能第一节光与介质的作用•光与物质作用分两个方面：1、光受到物质的作用，光的变化2、物质受到光的作用，物质的变化光作用物质现现象象光的折射、反射、散射、透射、吸收、旋光的折射、反射、散射、透射、吸收、旋光以及物质受激辐射光以及物质受激辐射光材谱料应学用获得原子、分子及获得原子、分子及光透过、截止、传晶体结构信息晶体结构信息输、调制，多色彩材料，能量的转换等一、光学性质的宏观描述•不同的固体有不同的光学性质（玻璃、金属）•固体介质的光学性质可用一些称为光学常数的物理量表示，如：折射率和光频介电常数。•主要

2、讨论介质在稳态的、线性的和各向同性条件下的性质。1.光的电磁理论19世纪60年代，Maxwell建立经典电磁理论。同时，他把光学现象和电磁现象联系起来，指出光也是一种电磁波，从而产生光的电磁理论。•1)电磁波谱•光是一种电磁波，可见光是电磁波谱中的一小部分，太阳光中除可见光还有红外和紫外。可见光380～750nm红外光0.75～1000μm紫外光<380nm表19-1可见光的范围红光7700~6200Å3.9×1014~4.8×1014Hz橙光6200~5900Å4.8×1014~5.1×1014Hz黄光5900~5

3、600Å5.1×1014~5.4×1014Hz绿光5600~5000Å5.4×1014~6.0×1014Hz青光5000~4800Å6.0×1014~6.3×1014Hz蓝光4800~4500Å6.3×1014~6.7×1014Hz紫光4500~3900Å6.7×1014~7.7×1014Hz2)波动方程波动方程麦克斯韦方程组可用来描述电磁场的变化规律。但在处理实际问题时，电磁场总是在媒质中传播的，媒质的性质对电磁场的传播会带来影响。描述物质在场作用下特性的关系式称为物质方程。从麦克斯韦方程组出发，可证明电磁场传播具

4、有波动性。•电磁波动方程：hhh22∂∂EE∇−Eσμ－εμ=0∂∂tt2σ是电导率ε是介电常数（或电容率）hhh22∂∂HHμ∇−Hσμ－εμ=0是磁导率2∂∂tt•E和H分别是电场强度矢量和磁场强度矢量3)光学常数将波动方程的解表达成简谐平面波的形式：ghhNzitω()−ExEe=c00gghghNzitω()−HyHe=c00X,y为x,y方向上的单位矢量，ω波的圆频率，c是00光速，N为复折射率。•复折射率Nni=−k•实部n为折射率，虚部k为消光系数（或吸收系数），它们都是波长（or频率）的函数光在介质中

5、的速度•由波动方程还可以得出电磁波的传播速度：v=1εμ当电磁波在真空中传播时，其传播速度为c=1εμ00电磁波在真空中的传播速度为8cm=×2.9979410/sεε=在介质中，引入相对介电常数，rε0μμ=和相对磁导率rμ0得介质中电磁波的速度v=cεμrr折射率称电磁波在真空中的速度与介质中速度的比值为介质对电磁波的折射率ncv==εμrr吸收系数和反射比从波动方程还可以得出吸收系数α和反射比R•将吸收系数定义为波传播单位距离后能流通量的变化率。•则4πkα=λ•将反射比R定义为反射通量（or功率）与入射通量（

6、or功率）之比。则光从真空（or空气）正入射至固体表面时，22(1nk−)+R=22(1nk+)+复介电常数和复电导率•根据物质方程，电位移矢量D与电场强度E存在如下关系：ghghghghDEE==+εεεP00•弱场下（线性光学范围）极化强度P：χ=ε−1ghghP=εχE0•其中χ为一阶极化率，一般为复数。•ε为二阶张量，为复数。•在平面波照射的固体中，产生电流密度JghghJE=σ•光电导率σ是一个对称二阶张量，也是复数二、折射与反射光的折射和反射是光电磁场与物质作用的结果，因此折射和反射不仅与光的性质（如频率

7、）有关，还与物质有关，不同的物质有不同的折射反射性质。1、折射•光的折射定律可以从波动方程导出，因此光的折射现象可以用电磁波的电动力学解释：•光在折射时应看作电磁场作用，那么由于法线方向和切线方向的边界条件和连续性的不同，在透射过程中，法线方向电磁场分量和切线方向电磁场分量有不同程度的变化，因此透射之后的法线方向和切线方向电磁场分量比例和原入射比例有所变化，这一点直接导致了透射的角度变化。从物质角度解释•我们知道物质是由分子和原子组成的，而在分子和原子中，又由原子核和核外的电子绕核旋转构成，如氢原子的半经为r=0.5

8、3×10-10米，而原子核的半径为R＝6.3×10-15米，可见原子中有大量的空间，因为原子的半经是原子核半径的1000多倍，物质中具有巨大空间，可以让光线透过。但由于分子和原子中，在原子或分子周围有一个万有引力的最大值的曲面包围，当光透过物质时，要经过这些万有引力的最大值的曲面，因而光发生了折射现象。υccμε真空n=====ε折射率：nr1