1、引 言400 760 nm范圍內的電磁波可被人眼感受到，該波段內電磁波叫可見光。在可見光范圍內，不同頻率的光波引起人眼不同的顏色感覺可見光對應的頻率范圍是 ： = （7.6 4.0）1014 HZ 760 630 600 570 500 450 430 400(nm) 紅 橙 黃 綠 青 藍 紫 電磁波譜透射系數(shù)：吸收系數(shù)：反射系數(shù)：散射系數(shù)：5.1 光和固體的相互作用5.1.1 概論1. 宏觀現(xiàn)象鏡面反射慢反射多重散射2. 微觀機制 （1）光吸收+光損耗電磁波的分量之一是迅速變化的電場分量E exp(iwt);-在可見光范圍內，電場分量與傳播過程中遇到的每一個原子都發(fā)生相互作用引起電子極化；

2、引起局域極化損耗，離域電阻損耗、極化滯后損耗等，造成吸收。 -所以，當光通過介質時，一部分能量被吸收，同時光速減小，后者導致折射。電磁波的分量之一是迅速變化的磁場分量H exp(iwt); 磁性介質磁化損耗; 正是因為介質的極化“拖住”了電磁波的步伐，使其傳播 速度比真空中慢，導致折射產(chǎn)生。 （2）光發(fā)射 從量子力學看，電磁波的吸收和發(fā)射包含電子從一種量子能態(tài)轉變到另一種量子能態(tài)的過程； 吸光：材料的原子吸收了光子的能量之后可將較低能級上的電子激發(fā)到較高能級上去，電子發(fā)生的能級變化E與電磁波頻率有關： E=h。 發(fā)光：受激電子不可能無限長時間保持。在激發(fā)狀態(tài)，經(jīng)過一個短時期后，它又會衰變回基態(tài)

3、，同時發(fā)射出電磁波。1）基本假設 - 組成介質的原子、分子內的帶點粒子（電子、離子）被準彈性力保持在平衡位置附近，可比擬為彈簧振子，具有一定的固有振動頻率； - 在入射光輻照下，這些帶點粒子被光波的電場分量極化，從而發(fā)生受迫振動； - 如果，受迫振動的頻率(光頻)與固有頻率接近，發(fā)生光吸收，當二者相等時，發(fā)生諧振（最強）吸收。1. 微觀機理模型5.1.2 光的吸收-Lorentz模型電子極化離子極化2）模型建立 原子/分子 電偶極距： 介質平均電偶極距（極化強度）：-單位體積介質的原子數(shù)目帶電粒子的受迫振動方程強迫力回復力阻尼光場的電場分量求解得電極化率儲存損耗復折射率相應的光強光的傳播指數(shù)衰

4、減1.03）結果討論 現(xiàn)象：光在材料中傳播時，其強度呈指數(shù)衰減 。空氣的 ，玻璃的 ，而金屬的 = 數(shù)量級以上，因此金屬對可見光是不透明的。2. 宏觀唯象模型朗伯特定律：-介質對光的吸收系數(shù)xI0I布格定律3. 吸收與波長的關系 取決于介質材料的性質和光的波長，如圖1示。（參書上圖4.9）P152-0246810-422-4無線電波紅外光頻紫外X射線射線 電介質（絕緣體）金 屬半導體可見光譜圖1 材料吸收率（系數(shù)）隨波長的變化吸收率1） 可見光區(qū) 金屬和半導體的吸收系數(shù)都很大，電介質材料的很小。因為：電介質價電子所處的能帶是填滿的，不能吸收光子而自由運動，而光子的能量又不足以使價電子躍遷到導帶

5、，所以，在一定波長范圍內，吸收系數(shù)很小。而，金屬和半導體在正相反。0000能 量 導 帶 禁 帶 價 帶吸收的光子圖2 電子受激越過禁帶在價帶留下一個空穴E=h Eg 價電子發(fā)生躍遷E=h Eg 電子吸收光子而躍遷到導帶，產(chǎn)生紫外吸收峰。3）紅外區(qū)的吸收峰 紅外吸收與晶格及原子、分子振動及轉動有關。離子的彈性振動與光子輻射產(chǎn)生諧振消耗能量。為了有較寬的透明頻率范圍，必須使吸收峰遠離可見光區(qū)，要使諧振點的波長盡可能的遠離可見光區(qū)，即吸收峰處的頻率盡可能小。光頻電子極化-能級躍遷分子振動分子轉動固有頻率-紫外吸收光譜- 紅外吸收光譜 光遇到微粒、膠體或其它結構成分不均勻的微小區(qū)域，偏離原來的傳播方

6、向而彌散反射的現(xiàn)象，稱為光的散射。5.1.3 光的散射光散射示意圖入射光散射光散射中心（分子、膠體、顆粒）彈性散射： 散射前后光的波長（頻率或能量）不發(fā)生變化，只改變方向的散射。非彈性散射:散射光（1）當光波的電磁場作用于物質原子、分子等時將激起粒子的受迫振動。這些受迫振動的粒子向各個方向發(fā)射球面次波?？諝庵械姆肿泳涂梢宰鳛榇尾ㄔ?，把陽光散射到我們眼里，使我們看見物質。月球上，因為沒有大氣層，天空即使在白天也是黑的。（2）由于固態(tài)和液態(tài)粒子結構的致密性，微粒中每個分子發(fā)出的次波位相相關聯(lián)，合作發(fā)射形成一個大次波。由于各個微粒之間空間位置排列毫無規(guī)則，這些大次波不會因位相關系而相互干涉，因此，微

7、粒散射的光波從各個方向都能看到。1、散射機理2、散射分類一、彈性散射 按照散射中心尺度a0與入射光波長是大小，分為三類：1. 丁達爾散射 Tyndall Scattering (溶膠散射)當a0稍小于時；例如膠體、乳濁液、灰塵散射，森林、暗屋里的光柱。入射光的電磁波使顆粒中的電子做與入射光波同頻率的強迫振動，致使顆粒本身象一個新光源一樣，向各方向發(fā)出與入射光同頻率的光波。2. 米氏散射 Mile Scattering（分子膠體）當a0空氣水-空氣 1)折射原因 介質被光（電磁波）的電場分量極化，導致?lián)p耗，減慢了電磁波（光）的傳播速度v=c/n，導致傳播方向改變，從而發(fā)生折射(n1)。 2)折射

8、率(光速）色散 介質（材料）中的光速c/n（或介質折射率n），所廣波波長變化而變化的現(xiàn)象，稱為色散。 3、折射率其大小衡量材料/介質的光學品質。介質的屬性光的顏色介質的色散率： 幾種材料的色散曲線如 1）對于同一種材料，波長越短，折射率越大；2）波長越短則色散率越大；3）對于不同材料，在同一波長下，折射率越大者色散率越大4）不同材料的色散曲線間沒有簡單的數(shù)量關系。 由于色散現(xiàn)象，使用光學玻璃制成的單片透鏡，成像不夠清晰，在自然光的透過下，在像的周圍環(huán)繞了一圈色帶。 克服方法：用不同牌號的光學玻璃，分別磨成凸透鏡和凹透鏡組成的復合鏡頭，就可以消除色差消色差鏡頭。光學玻璃的色散系數(shù)：4、反射系數(shù)及

9、其影響因素反射系數(shù)：（1） 透明材料， 0 , R 0 消光系數(shù)：討論： 陶瓷、玻璃等材料的折射率較空氣大，反射損失較嚴重。 減小反射措施：1）透過介質表面鍍增透膜；2）將多次透過的玻璃用折射率與之相近的膠將它們粘起來，以減少空氣界面造成的損失。（2） 金屬材料 ，R 1 除去反射、吸收、散射，余下的那部分。0000能 量吸收的光子000費米能空能態(tài)被電子占據(jù)的能態(tài)0000能 量00費米能反射的光子a)b)圖6 金屬吸收光子后電子能態(tài)的變化1. 金屬材料的透過性05.1.5 光的透射 在金屬的電子能帶結構中，費米能級以上存在許多空能級（晶體，-空帶）。當金屬受到光線照射時，電子容易吸收入射光子

10、的能量而被激發(fā)到費米能級以上的空能級上（空帶）。因而，各種不同頻率的可見光，即具有各種不同能量的光子都能被吸收。0.1um。事實上，金屬對所有低頻電磁波都是不透明的。2）金屬材料（晶體）對光的反射 大部分被金屬吸收的光又會從表面上以同樣波長的光波發(fā)射出來，R1。根據(jù)此性質，常利用金屬薄層來做反光鏡。且金屬膜的反射率與波長成反比關系。1） 金屬（原子）對光的吸收2. 非金屬材料的透過性電子極化，只有當光的頻率與電子極化頻率處在同一個數(shù)量級時，由此引起的吸收才變得比較重要；電子受激吸收光子而越過禁帶，或進入位于禁帶中的雜質或缺陷能級上而吸收光；只有當入射光子的能量與材料的某兩個能態(tài)之間的能量差值相

11、等時，光量子才可能被吸收。同時，材料中的電子從較低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。 可見光中波長最短的是紫光，波長最長的是紅光： Eg1.8eV，非金屬材料不吸收光子，透明。除了真空，沒有一種物質對所有波長的電磁波都是絕對透明的。任何一種物質，它對某些波長范圍內的光可以是透明的，而對另一些波長范圍內的光卻可以是不透明的。例如，在光學材料中，石英對所有可見光幾乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系數(shù)不變，這種現(xiàn)象為一般吸收；但是對于波長范圍為3.55.0m的紅外光卻是不透明的，且吸收系數(shù)隨波長劇烈變化，這種現(xiàn)象為選擇吸收。換言之，石英對可見光和紫外線的吸收甚微，而對上述紅外光有強烈的吸收。 一般吸

12、收和選擇吸收 產(chǎn)生散射的原因是光傳播的介質不均勻。均勻介質對光是不散射的。對于相分布均勻的材料，散射遵循指數(shù)衰減定律。P154 影響陶瓷材料透射比的因素 ： 吸收系數(shù)（對陶瓷、高分子電介質，可見光吸收系數(shù)低，非主要因素。） 反射系數(shù)（取決相對折射率、表面光潔度，金屬反射主要因素。） 散射系數(shù) （陶瓷散射系數(shù)高，是主要因素）1）材料宏觀和微觀缺陷：不均勻界面存在相對折射率，散射系數(shù)增大。2）晶粒排列方向：非各向同性的立方晶體或玻璃態(tài)，則必然存在雙折射，對于多晶體材料，結晶取向不完全一致，晶粒之間產(chǎn)生折射率差別，從而引起晶界處的反射和折射損失。3）氣孔反射損失：晶粒之內以及晶界玻璃相內的氣孔、孔洞

13、構成了第二相，與基體晶粒存在相對折射率，由此引起反射和散射損失。 介質對光的散射5. 2 材料的發(fā)光5.2.0 引言5.2.1 冷發(fā)光5.2.2 熱輻射5.2.3 發(fā)光二極管5.2.4 激光5.2.0 引言 發(fā)光（光發(fā)射/光輻射） ：原子處于激發(fā)態(tài)的電子向基態(tài)躍遷，與空穴復合，并釋放光子的過程；1. 光的吸收和輻射 E2E1 (a) 自發(fā)輻射 (b) 受激吸收 (c) 受激輻射 熱平衡狀態(tài): (a) - (b), 受激輻射不起作用； 受激輻射產(chǎn)生的光子頻率、相位、偏振等幾乎與入射光子相同，從而能夠與入射光形成強相干，當超過受激吸收時，就可能形成光放大； 要形成受激輻射放大，必須額外提供能量，使

14、體系處于非平衡狀態(tài);自發(fā)輻射受激輻射（2）熱輻射 （3）電致發(fā)光 （4）光致發(fā)光 （5）化學發(fā)光 （6）同步輻射光源 （7）激光光源 （1）冷發(fā)光 輻射分類方向性、相干性差、功率弱方向性、相干性差、功率弱 =Ec - Ev = Eg = Ec - Ev +- E聲 = Eg K2 - k1 = k光 0 K2- k1 = k聲 + k光= k光（1）帶間輻射復合 直接躍遷和間接躍遷兩種。2. 輻射復合方式1、效率高2、占多數(shù)，InSb，GaAs1、效率低2、占少數(shù)，GaP，AlAs;（2）淺能級和主帶之間的復合（摻雜）EdEcEaEvP型，淺受主N型，淺施主特點：hv 甚至更長。磷光的特點可用

15、余輝時間表征。5.2.1 （冷）發(fā)光 廣義地，除熱激發(fā)以外，自發(fā)輻射導致的發(fā)光都叫冷發(fā)光，包括電、光、化學等導致的光； 狹義地，這里指熒光和磷光。磷光體余輝時間：I- I0/10所需要的時間 (b) 磷光材料 (a) 熒光材料帶間自發(fā)輻射淺能級參與自發(fā)輻射激活劑激活劑磷光劑/激活劑(硫化物/金屬）：CaS、SrS、BaS、ZnS、CdS/ Ag、Cu、Mn 磷光材料 例，電視屏中使用發(fā)藍光的 ZnS:Ag 和 發(fā)黃光的 Zn,GdS: Cu,Al的混合材料，使熒光屏呈白色； 公路交通中的間路標-長余輝的磷光體。（表4.4 磷光體的使用對象和主要性質 P165） 熒光材料： 熒光劑/激活劑； 激

16、發(fā)源（能量）： 紫外、X射線 例，普通熒光管：鹵代硫酸鈣/Sb、Mn紫外激發(fā)，寬頻發(fā)射 激發(fā)源：加速電子5.2.2 熱輻射材料中的電子被（加）熱激發(fā)到高能級原子外殼層電子易激發(fā)后，跳回低能級發(fā)射低能（低頻長波長）光子，波長大于可見光熱激活增加，發(fā)射高能量光子增加，強度增加，頻率增到可見光區(qū)發(fā)射譜變成連續(xù)譜（含可見光波長的光子）熱輻射材料的顏色（頻率）和亮度（幅值）隨溫度而改變（溫度繼續(xù)提高） 低溫下材料熱輻射的波長太長而不可見，增加溫度后，發(fā)射有短波長光子。在高溫下材料熱輻射所有波長的光子，則輻射成為白光輻射。白熾燈，是熱輻射發(fā)光的應用。5.2.3 發(fā)光二級管（LED） 由于電子空穴對的復合，

17、半導體材料發(fā)射光； 但是，可以發(fā)射光子的材料在室溫下靠熱激發(fā)不能夠發(fā)出明亮的光，因為靠熱激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對濃度不夠高，不足以產(chǎn)生可以分辨出的光輻射； 然而，外界能量如電場能可以激發(fā)足夠數(shù)量的電子空穴對以至于產(chǎn)生數(shù)量較大的自發(fā)復合輻射，導致材料明亮發(fā)光； 一個獲得足夠數(shù)量的電子空穴對的傳統(tǒng)辦法就是使 p-n 結處于正向偏置狀態(tài)，在同一空間（結區(qū)）注入大量的電子和空穴，它們相遇復合發(fā)出較強的光； 一、P型半導體 N型半導體EdEFnEcEaEvEFp-+EFEcEvq0- + + +0 載流子擴散形成的反向平衡電場 (a) 偏壓V=0 (b) 偏壓V=V二、 p-n結 接觸后形成的能帶及電致發(fā)光

18、EcEvq(0-V)勢壘降低qVEFnEFpqVI=0I 01. LED發(fā)光原理 （1）無偏壓時，載流子在p-n結界面擴散，形成反向內電場0 ，阻礙載流子繼續(xù)流過，達到熱平衡，之后無載流子通過，無發(fā)光現(xiàn)象； （2） 在 p-n結外加一正向偏壓V，從外界不斷地注入載流子，維持非平衡載流子，使電子和空穴持續(xù)復合發(fā)光，電能轉變?yōu)楣饽?；這就是發(fā)光二極管（LED）。 發(fā)光躍遷方式：本征躍遷： 帶間躍遷，能量最大；非本征接躍遷： 帶與雜質能級之間，雜質能級之間；1、發(fā)出可見光的半導體材料，其禁帶寬度 Eg ：1.83.1 eV。2 、Ge 和 Si 可以制成優(yōu)良的 p-n 結，但帶隙在光譜的紅外部分，而且

19、是間接帶隙材料，復合躍遷幾率低，不宜作發(fā)光材料。 3、GaAs是直接帶隙材料，但帶隙小于 1.8 eV，不能發(fā)出可見光。故需要調節(jié)其Eg，使其落入可見光區(qū)。2. LED對材料的要求 LED種類繁多，其中，應用最廣泛的是GaP（間接躍遷，Eg=2.3eV ）、GaAs1-xPx (直接和間接躍遷混合)。 3. LED能帶工程（帶隙調節(jié)摻雜） 替位式雜質替代 1、N: GaP 綠光LED 用 N 替代 P，成負電中心而成為電子陷阱，進而形成陷阱電子空穴復合體，發(fā)射=570nm的綠光。 2、Zn/O: GaP 紅光LED 改變躍遷類型，二者復合（合金化） GaAsxP1-x = x GaAs + (1-x) GaP GaAs （直接） GaAs1-xPx GaP（間接） x0（GaAs），Eg較?。t外），不能發(fā)出可見光； x= 0.45 時（ GaAs0.45P0.55），Eg增大到可見光范圍； x=0.4紅色，0.65橙色，0.85黃色，1.0綠色；4. LED的優(yōu)點： 利用率，能耗，壽命；P166 激光產(chǎn)生的前提： 處于高能級上的電子數(shù)大于處于低能級上的電子數(shù)（粒子數(shù)反轉），受激輻射自發(fā)輻射。 激光（Laser amplification by stimulated emission of radiation）,受激輻射光放大簡稱，單色性