材料的光學性能-文庫吧

【正文】 一塊折射率 n= ， 光反射損失為 m=， 透過部分為 1－ m=。 如果透射光又從另一界面射入空氣 ， 即透過兩個界面 ， 此時透過部分為 (1－ m)2=。 如果連續透過 x塊平板玻璃 ， 則透過部分應為 (1－ m)2x。 ① 減少反射損失的實例 由于陶瓷 、 玻璃等材料的折射率較空氣的大 ， 所以反射損失嚴重 。 如果透鏡系統由許多塊玻璃組成 ， 則反射損失更可觀 。為了減小這種界面損失 ， 常常采用折射率和玻璃相近的膠將它們粘起來 ， 這樣 ， 除了最外和最內的表面是玻璃和空氣的相對折射率外 ， 內部各界面都是玻璃和膠的較小的相對折射率 ， 從而大大減小了界面的反射損失 。 ② 增加反射損失的實例 為了調節玻璃的 n， 常在玻璃表面涂以一定厚度的和玻璃 n不同的透明薄膜 ， 使玻璃表面的 m增加或減少 。 14 一．介質對光的吸收 1． 吸收的一般規律 1） 光吸收的原因 光作為一種能量流 ， 在穿過介質時 ， ① 使介質的價電子受到光能而激發 ， 在電子殼能態間躍遷 ， 或使電子振動能轉變為分子運動的能量 ， 即材料將吸收光能轉變為或熱能放出； ② 介質中的價電子吸收光子能量而激發 ， 當尚未退激而發出光子時 ，在運動中與其它分子碰撞 ， 使電子的能量轉變成分子的動能亦即熱能 。 從而構成了光能的衰減 。 這就是光的吸收 。 2） 朗伯特定律 設有一塊厚度為 x的平板材料 ， 入射光的強度為 I0， 通過此材料后光強度為 I′。 選取其中一薄層 ， 并認為光通過此薄層的吸收損失 –dI， 它正比于在此處的光強度和薄層的厚度 dx， 即 : 15 dI =?aIdx , ()式表明 ， 光強度隨厚度的變化符合指數衰減規律 。 此式稱為朗伯特定律 。 式中 ?a為物質對光的吸收系數 ， 其單位為 cm1。 αa取決于材料的性質和光的波長 。 αa越大材料越厚 ， 光就被吸收得越多 ， 因而透過后的光強度就越小 。 2． 光吸收與光波長的關系 根據光的波長 ， 可將光進行如下劃分： γ射線 ——X射線 ——紫外光 （ 10～ 400nm） ——可見光 (400～760nm)——紅外光 (760～ 106nm)——無線電波 1)可見光區 （ 400～ 760nm） 如果材料對光譜內各波長的光吸收不等 ， 有選擇性 ， 則由玻璃出來的光線必定改變了原來的光譜組成 ， 就獲得了有顏色的光 。 16 ?? ?? xaII dxIdI 00 ?xII a???0ln xaeII ??? 0 （ ） 材料對光的吸收是基于原子中電子 （ 主要是價電子 ） 接受光能后 ， 由代能級 （ E1） 向高能級 （ E2） 躍遷 。 當兩個能級的能量差 （ E2E1=hν=Eg， h為普照朗克常數 ， v為頻率 ） 等于可見光的能量時 ， 相應的波長的光就被吸收 ， 從而呈現顏色 。 Eg越小 ，吸收的光的波長愈長 ， 呈現的顏色愈深；反之 ， 能級差 Eg愈大 ，吸收光的波長愈短 ， 則呈現的顏色愈淺 。 例 1， 金屬 金屬對光能吸收很強烈 。 例 2， 玻璃 17 玻璃有良好的透光性 ， 吸收系數很小 （ Eg大 ） 。 從圖中可見 ， 在電磁波譜的可見光區 ， 金屬和半導體的吸收系數都是很大的 。 但是電介質材料 ， 包括玻璃 、 陶瓷等無機材料的大部分在這個波譜區內都有良好的透 過性 。 也就是說吸收系數很小 。 2）紫外區（ 10～ 400nm） 對于一般無色透明的材料 （ 如玻璃 ） 的紫外吸收現象比較特殊 ，不同于離子著色 ， 并不出現吸收峰 ， 而是一個連續的吸收區 。 透光區與吸收區之間有一條坡度很陡的分界線 ， 通常稱為吸收極限 ，小于吸收極限的波長完全吸收 ， 大于吸收極限的波長則全部透過 。 這是因為波長愈短 ， 光子能量越來越大 。 當光子能量達到禁帶寬度時 ， 電子就會吸收光子能量從滿帶 （ 基態 ） 躍遷到導帶 （ 激發態 ） ， 此時吸收系數將驟然增大 。 此紫外吸收端相應的波長可根據材料的禁帶寬度 Eg求得 : （ ） () 式中： h為普朗克常數 ， h= l034Js。 c為光速 。 從式中可見 ， 禁帶寬度 （ Eg） 大的材料 ， 紫外吸收端的波長比較小 。 18 λchνhEg ???gEhcλ ? 3） 紅外區 （ 760～ 106nm） 一般認為在紅外區的吸收是屬于分子光譜 。 吸收主要是由于紅外光 （ 電磁波 ） 的頻率與材料中分子振子 （ 或相當于分子大小的原子團 ） 的本征頻率相近或相同引起共振消耗能量所致 。即在紅外區的吸收峰是因為離子的彈性振動與光子輻射發生諧振消耗能量所致 。 要使諧振點的波長盡可能遠離可見光區 ， 即吸收峰處的頻率盡可能小 （ 波長盡可能長 ） ， 則需選擇較小的材料熱振頻率 γ。此頻率 γ與材料其它常數呈下列關系： () 式中 β是與力有關的常數，由離子間結合力決定。 Mc和 Ma分別為陽離子和陰離子質量。 19 ???????? ????ac2M1M12半導體材料中的光吸收 （ 1）激子吸收 在光躍遷過程中，被激發到導帶中的電子和在價帶中的空穴由于庫侖相互作用，將形成一個束縛態，稱為激子。導帶的電子和價帶的空穴分別處于由庫侖引力相互約束的狀態，在各自的原子周圍自由地旋轉。其軌道半徑遠遠大于原子間隔。可以認為它們的結合是比較弱的。這樣的激子也稱為莫特 萬尼爾激子。 能產生激子的光吸收稱為激子吸收。 激子吸收的能量比從價帶到導帶的本征吸收邊要小一些 不同材料的激子結合能相差很大。 離子晶體和分子晶體的電子和空穴只是局域在原子周圍，所以被稱為強束縛激子或弗倫克爾激子 （ 2）本征吸收 能量小于禁帶寬度 Eg的光子沒有本征吸收；當光子能量達到 Eg時，本征吸收開始，稱為本征吸收邊。 直接帶隙半導體： 電子躍遷只需要吸收能量 間接帶隙半導體： 電子的躍遷不只需要吸收能量，還要改變動量 ． 材料的光散射 1． 散射的一般規律 光波遇到不均勻結構產生次級波 ， 與主波方向不一致 ， 使光偏離原來的方向從而引起散射 ， 從而減弱光束強度 。 散射現象也是由于介質中密度的均勻性的破壞而引起的 。 由于散射 ， 光在前進方向上的強度減弱了 ， 對于相分布均勻的材料 ， 其減弱的規律與吸收規律具有相同的形式 : () 式中 ， I為在光前進方向上的剩余強度 。 ?S為散射系數其單位為cm1， 與散射 (質點 )的大小 、 數量以及散射質點與基體的相對折射率等因素有關 。 如果將吸收定律與散射規律的式子統一起來 ， 則可得到： () 20 xseII ???0xsaeII )(0?? ???彈性散射和非彈性散射 根據散射前后光子能量（或光波波長）變化與否，可以分為 彈性散射和非彈性散射 兩大類。 （ 1）彈性散射 散射前后，光的波長（或光子能量）不發生變化的散射稱為彈性散射。根據經典力學的觀點，這個過程被看成光子和散射中心的彈性碰撞。散射結果只是把光子彈射到不同的方向上去，并沒有改變光子的能量。彈性散射的規律除了波長（或頻率）不變外，散射光的強度與波長的關系可因散射中心尺度的大小而具有不同的規律： ?? ??SI參量 ?與散射中心尺度大小 d有關。按 ?與 d的大小比較，彈性散射又可分為三種情況： （一）廷德爾（ Tyndall）散射 當散射中心的尺度 d遠大于光波的波長時， ?→ 0，散射光強于入射光波長無關。如粉筆灰顆粒的尺寸對所有可見光波長均滿足這一條件，所以，粉筆灰對白光中所有單色成分都有相同的散射能力，看起來是白色的。天上的白云，是由水蒸氣凝成比較大的水滴所組成，線度也在此范圍，所以散射光也呈白色 （二）米氏（ Mie）散射 當散射中心尺度 d與入射光波長相當時， ?在 04之間，具體數值與散射中心尺度有關。這個尺度范圍的粒子散射光性質比較復雜，如存在散射光強度隨 d/?值得變化而波動和在空間分布不均勻等問題。 （三）瑞利（ Rayleidl）散射 當散射中心的線度 d遠小于入射光的波長 ?時