《材料的光学性质》PPT课件

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1、第四章材料的光学性质光的波粒二象性人们通常所说的光是是一种能引起视觉的电磁辐射，波长范围0.39～0.77μm，只在电磁波谱中占很窄的一部分。可见光的颜色取决于光的波长。白光是各种带色光的混合光。无线电波和微波、红外光是由原子振动或晶格结构改变引起的低能、长波辐射。X射线、紫外光和可见光都是与原子的电子结构改变相关的。γ射线是改变原子结构产生的，具有很高的能量。它们本质上都属于电磁辐射。紫外光和X射线的波长没有明确的分界，X射线和γ射线也没有明确的波长界线，人们是根据它们产生的方法来区分的。光子的能量光具有波动和微粒两重性考虑光的微粒性时，光的能量就不是均匀

2、连续地分布在它传播的空间，而是集中在一个个光子上，光子的能量为光的动量为式中h为普朗克常数，6.62×10-34J/s，ν为光的频率，c为光速，3×108m/s，λ为波长。可见光子的能量与其波长成反比，与频率成正比。当电子吸收光子时每次总是吸收一个光子，而不能只吸收光子的一部分。光的速度电磁波在真空中的传播速度为c=3×108m/s式中ε0、μ0分别为真空中的介电常数和磁导率当光在介质中传播时，其速度v由下式决定式中εr、μr分别为介质的介电常数和磁导率c与v的比值称为介质的折射率n光的反射与折射入射角、反射角和折射角折射定律相对折射率称为第二介质相当于第一

3、介质的相对折射率绝对折射率－第一介质为真空时n2为第二介质的绝对折射率，简称折射率两种介质相比，光的传播速度较大者称为光疏介质，其折射率较小。光的传播速度较小者称为光密介质，其折射率较大。根据惠更斯原理推导出光的反射定律和折射定律光的反射率、透过率和吸收率光照射到某种材料上时将产生光的反射与折射、光的吸收与透射。设入射光的能量为W，反射光的能量为W’，根据能量守恒，可得出w=w’+w吸收+w透射光的反射率、透过率光的反射率m为如介质1为空气，n21=n2，则有1-m为透射率。如n1=n2(即v1=v2，或n21=1)，则m=0，光线全部透过。光线由空气入射

4、到玻璃时，n2=1.5，可算得光线在第一界面的反射率m=0.04，透过率为（1-m）=0.96。光线透过第二界面的比例为（1-m）2=0.922。透过两片玻璃时透过率为0.85，透过四片玻璃时透过率为0.722。要减小反射率，可在玻璃表面镀增透膜，或将多片玻璃用胶粘合（胶的折射率与玻璃相近），消除空气隙。光的全反射和光导纤维光线从光密介质传播到光疏介质时，在入射角大于θc时，不再有折射光线，入射光能量全部反射，称为全反射。其临界条件为普通玻璃对空气的临界角为42°光导纤维的应用光纤通讯的优点：传输损耗低、频带宽、尺寸小、能弯曲，可避免辐射干涉、保密性好等。光

5、的吸收与透射金属的光吸收在金属中，因为价带与导带重叠，它们之间没有能隙，因此不管入射光子的能量多小，电子都可以吸收它而跃迁到新的能态上去。所以金属能吸收各种波长，是不透明的（只有金属箔的厚度<0.1μm时才能透过可见光）。对所有低频电磁波（从无线电波到紫外光）都是不透明的。只有对X射线和γ射线才是透明的。大部分被金属吸收的光又会从表面上以同样的波长的光波反射出来，其反射系数在0.9～0.95之间。在其他材料的衬底上镀上金属膜可制作反光镜。金属的颜色是由反射光的波长决定的。绝缘体的光吸收对多数绝缘体材料，在价带与导带间有较大的能隙，电子不能获得足够大的能量逃逸

6、出价带，因此也就不发生吸收。如果光子不与材料中的缺陷有交互作用，绝缘材料就是透明的，如玻璃、高纯度的结晶陶瓷和无定形聚合物都是这种情况。显然，只有光子的能量hν（或hc/λ）大于禁带宽度Eg时，才能产生这种吸收机制。可以算出，Eg>3.1eV时，不可能吸收可见光，因而对可见光是透明的。Eg<1.8eV时，能吸收所有可见光，是不透明的。1.8eV

7、其能隙分别为1.1eV和0.7eV。可从公式算得能通过的最短波长。因而得知Si和Ge对较短的波长（如可见光）是不透过的，产生吸收。而对于波长较长的红外线则是透过的。掺杂半导体的光吸收如果是掺杂半导体，只要光子的能量大于施主和受主能级，（Ed和Ea），就会产生吸收。根据能隙标准判断时，绝缘体和多数半导体，其对于长波长的光子是能透过的，因而是透明的。然而一些杂质会产生施主和受主能级，另一些缺陷象气孔和晶界可使光子被散射，使材料变得不透明。结晶的聚合物就比无定形聚合物更容易吸收光子。材料的不透明性与半透明性一般说，由折射率各向异性的微晶组成的多晶体是半透明的，或不

8、透明的，光线在相邻微晶的界面处发生反射和折射，变得十