散射前后光的波长或光子能量.ppt

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1、材料物理基础宋晔5材料的光学光学现象是材料的一个重要特性，材料的光学性能被人们极为广泛地利用。材料对可见光的不同吸收和发射性能使世界缤纷多彩。玻璃、塑料、金属、晶体和陶瓷都可以成为光学材料。对人眼睛敏感的可见光(visiblelight)谱的波长λ=380~760nm，仅是电磁波谱(λ=10-5~l0-15m)中的一小部分，其颜色决定于光的波长。5.1材料的透光性光与固体材料的相互作用可见光七彩颜色的波长和频率范围光色波长(nm)频率(Hz)中心波长(nm)红760~622660橙622~597610黄597~577570绿577~492540青49

2、2~470480蓝470~455460紫455~400430人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。光与固体相互作用的本质有两种方式：电子极化电子能态转变电子极化电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量；在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用引起电子极化，即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移；所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时光速减小，后者导致折射。电子能态转变电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能态的过程；材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化

3、∆E与电磁波频率有关：∆E=hν受激电子不可能无限长时间地保持在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波，即自发辐射。光的折射与反射光子进入材料，其能量将受到损失，故光子的速度将发生改变。当光从真空进入较致密的材料时，其传播速度降低，光在真空中的速度v真空与材料的速度v材料之比，称为材料的折射率n材料2相对于材料1的相对折射率反射定律三线共面；反射角等于入射角折射定律三线共面；根据Maxwell电磁场理论，光在介质中的传播速度：因此而一般材料（非铁磁性材料）则材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。光密介质：在折射率大的介

4、质中，光的传播速度慢；光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快。材料的折射率从本质上讲，反映了材料的电磁结构（对非铁磁介质主要是电结构）在光波作用下的极化性质或介电特性。正是因为介质的极化，“拖住”了电磁波的步伐，才使得其传播速度变得比真空中慢。构成材料元素的离子半径。大离子可提高n，小离子可构成低n的材料。如：PbSn=3.912,SiCl4n=1.412。材料的结构、晶型。根据光线通过材料的表现，把介质分为均质介质和非均质介质。非晶态(无定型体)和立方晶体结构，当光线通过时，光速不因入射方向而改变，故材料只有一个折射率，称为均质介质。除立方晶

5、体外的其他晶型都属于非均质介质，其特点是光进入介质时产生双折射现象。折射率的影响因素双折射现象使晶体有两个折射率：其一是服从折射定律的寻常光的折射率。不论入射方向怎样变化，始终为一常数；而另一折射光的折射率随入射方向而改变，称为非寻常光的折射率。材料存在的内应力有内应力的透明材料，垂直于存在的主应力方向的n值大，平行于主应力方向的n值小。同质异构体在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存在的晶型折射率较高。例如：常温下的石英玻璃n＝1.46,常温下的石英晶体n＝1.55；高温时，鳞石英n＝1.47，方石英n＝1.49。可见，常温下的石英晶体

6、n最大。光的反射与折射图根据麦克斯韦方程组和电磁场的边界条件可以得到光波在反射前后和折射前后的能量变化规律。反射光的功率对入射光的功率之比称为反射系数(反射比)。经过折射进入第二介质的光为透射光，透射光与入射光功率之比称为透射系数。反射系数和透射系数设光的总能量流为式中，W，W’，W’’分别为单位时间通过单位面积的入射光、反射光和折射光的能量流。反射系数m接近垂直入射根据能量守恒定律,透射系数为：设一块n=1.5的玻璃m=0.04，1-m=0.96，其折射光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，则透过部分为(1-m)2=0.922；若连续透过x块平板

7、玻璃，则透过部分为(1-m)2x。由于一般玻璃、陶瓷的折射率比空气大，故反射显著。若透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失更大，为减小这种界面反射损失，常采用折射率与玻璃相近的胶将它们粘起来，使得除了最外和最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面都是玻璃和胶的较小的相对折射率，从而大大减小界面的反射损失。由于光是一种能量流，在光通过材料传播时，会引起材料的价电子跃迁或使原子振动，从而使光能的一部分变成热能，导致光能的衰减。这种现象称为光的吸收。光的吸收大量实验证明：入射光强减少的相对量dI/I与吸收层的厚度dx成正比:两边积分则有朗伯特(Lam

8、bert)定律，表明光强度随厚度的增大而指数地衰减。材料对光的吸收系数，取决于材料的性质和光的波长。例如：金