无机材料的光学性能

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1、8.1光和物质相互作用的基本理论一、重要性介质中的各种光学现象本质上是光和物质相互作用的结果。从经典电子模型出发，研究光和物质相互作用的微观过程，是讨论介质中光的折射、散射、吸收和色散等常见的线性光学现象的物理本质的基础。光波的辐射主要是原子最外层电子或弱束缚电子的加速运动产生的，因而原子的电偶极矩便是这种光辐射的主要波源。了解电偶极子辐射场的基本性质对经典理论处理光和物质相互作用的问题极为重要。二、交变电偶极子向空间发射电磁波当外层电子与原子核等值异号的电荷交替变化时，即形成一个交变的电偶极子，电偶极矩在它周围产生交变

2、电场，交变电场又产生交变磁场，交变磁场再产生交变电场，如此不断继续下去，于是，在电偶极子周围空间便产生由近及远的电磁波动，因此，交变电偶极子向空间发射电磁波。三、光和物质相互作用的经典的观点光和物质相互作用的过程可以看作是组成物质的原子或分子体系在入射光波电场的作用下，正负电荷发生相反方向的位移，并跟随光波的频率作受迫振动，产生感生电偶极矩，进而产生电磁波辐射的过程。这一过程也为发射次波的过程。（1）（原子内部电子的运动可用简谐振动规律的电偶极子描述，称为简谐振子。电子的运动方程为（2）因为交变电偶极子辐射电磁波，而辐射

3、场必然对电子产生反作用，即辐射阻尼，这种辐射阻力与位移速度dx/dt成正比，于是电子的运动方程可写成为阻力系数。因此原子内部电子按固有频率的振动是衰减振动，其振幅随时间不断减小，即为阻尼振动。（3）当光波作用到原子上时，光波使原子极化，原子中的电子将在光频电磁场矄驱动下作强迫振动，使电子依靠光波电场的步调振动。对于非磁性材料，仅考虑电场力（－eE）的作用。如果光场较弱，电子强迫振动的位移不大，则仍可采用简谐振子模型，电子运动方程为式中e=

4、e

5、为电子电荷的大小，忽略介质中宏观场与局部电场的微小差别，E就是外部光波的电场

6、。为了简单起见，考虑简谐电场作用下的电子运动，则电场E和电子位移x分别为E=E(ω)eiωt和x=x(ω)eiωt，其中E(ω)和x(ω)表示对应于频率的振幅值,有结论：在简谐振子模型的近似下，电子受迫振动的频率与驱动光波频率相同。但该式右边的分母中含有虚因子iω，表明受迫振动与驱动光场间存在相位差，且这个相位差对介质中所有原子都是一样的。在0，=0情况下，过程有不同的特点：（1）在0的情况下，当过程开始时，电子吸收少量光波能量，引起受迫振动感生电偶极矩，并辐射次波。即使忽略辐射阻尼（即不考虑振子的辐射

7、），电子位移恒为有限值。因此在达到稳定状态后，吸收的能量与辐射的能量必然达到平衡，即维持稳幅振荡，这种过程称为光的散射。散射过程的特点是，电子的本征能量不会发生改变，形式上只是入射光波和散射光波之间的能量互相转换，吸收多少又散射多少。散射过程称为光和物质的非共振相互作用过程。因此当光子的频率与电子振动的自然频率（大约1015/秒）不同时，电磁波在固体中自然传播而无吸收。（2）在=0情况下，随着入射光波频率逐渐接近原子的固有频率，振子的振幅逐渐加大、因而振子从入射光波的摄取的能量增大，相应的辐射次波能量也增大。这一过程

8、有其显著的特点。当略去阻尼作用时，振幅将趋向无穷大。因此，无论考虑阻尼与否，振子都将吸收能量。有辐射阻尼时，吸收的能量用作散射；没有辐射阻尼时，吸收的能量用来不断增大振幅。鉴于这一特点，通常把0的过程与其他频率的过程区分开来，不再称作散射，而称为吸收与再放射。实际上，在=0的谐振频率处，可以认为初始态的电子吸收一个光子跃迁到高能态，而受激电子又可以放出一个同频率的光子回到初始的低能态。在这种吸收与再放射过程中，电子的本征能态将发生改变，故属于光和物质的共振相互作用过程。8.2光在界面的反射和折射介质材料可以看作

9、许多线性谐振子的集合，在光波场的作用下，极化的原子或分子辐射的次波与入射光波的相互干涉决定了光在介质中的传播规律。8.2.1光的反射和折射材料的极化和磁化作用，“拖住”了电磁波的步伐，使电磁波的传播速度变慢。根据麦克斯韦电磁理论，电磁波在固体中的传播速度v与反映材料极化特性的相对介电常数r和磁化特性的相对磁导率r及真空中的光速c有如下的关系：该式反映了材料的性质对光传播的影响。对于非磁性材料，r1.由于光的传播速度因材料而异，因此光从一种均匀介质斜射入另一种均匀介质时，在两种介质的界面上一般都会发生反射和折射现象

10、。v=8.2.2影响折射率的因素折射率的定义得出麦克斯韦关系式：r=n2该式反映了光的折射率和材料的介电常数的关系。材料的极化性质又与构成材料的原子的原子量、电子分布情况、化学性质等微观因素有关。这些微观因素通过宏观量介电常数来影响光在材料中的传播速度。为了进一步说明影响介质折射率的因素，由克劳修斯-莫索蒂方程得：