材料的光學性能第1頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月

波粒二象性

早期以牛頓為代表的一種觀點認為,光是粒子流。

后來以惠更斯為代表的觀點,認為光是一種波動。

麥克斯韋創(chuàng)立了電磁波理論,既能解釋光的直線行進和反射,又能解釋光的干涉和衍射,表明光是一種電磁波。

然而在19世紀末,當人們深入研究光的發(fā)生及其與物質的相互作用(如黑體輻射和光電效應)時,波動說卻遇到了難題。

于是普朗克提出了光的量子假設并成功地解釋了黑體輻射。接著愛因斯坦進一步完善了光的量子理論,不僅圓滿地解釋了光電效應,而且解釋了后來的康普頓效應等許多實驗。

愛因斯坦理論中的光量子(光子)不同于牛頓微粒學說中的粒子。他將光子的能量、動量等表征粒子性質的物理量與頻率、波長等表征波動性質的物理量聯(lián)系起來,并建立了定量關系。因此光子是同時具有微粒和波動兩種屬性的特殊物質,是光的雙重本性的統(tǒng)一。這一切都說明,波動性和粒子性的統(tǒng)一不僅是光的本性,而且也是一切微觀粒子的共同屬性。第2頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月

光是電磁波

光是一種電磁波,它是電磁場周期性振動的傳播所形成的。在光波中,電場和磁場總是交織在一起的。麥克斯韋的電磁場理論表明,變化著的電場周圍會感生出變化的磁場,而變化著的磁場周圍又會感生出另一個變化的電場,如此循環(huán)不已,電磁場就以波的形式朝著各個方向向外擴展。

光波中人眼能夠感受到的又只占一小部分,其波長大約在390-770nm范圍,稱為可見光。第3頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月光的傳播特性的基本規(guī)律。①光在均勻介質中的直線傳播定律;②光通過兩種介質的分界面時的反射定律和折射定律;③光的獨立傳播定律和光路可逆性原理。第4頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月從反射率曲線(圖4-8)可以看出,當逐漸改變入射角時,隨著入射角的增大,反射光線會越來越強,而透射(折射)光線則越來越弱。圖表示,如果光是從光密介質(例如玻璃)射向光疏介質(如空氣),即時,則折射角大于入射角。因此入射角達到某一角度時,圖光的全反射折射角可等于,此時有一條很弱的折射光線沿界面?zhèn)鞑?。如果入射角大?就不再有折射光線,入射光的能量全部回到第一介質中。這種現象稱為全反射,角就稱為全反射的臨界角。根據折射定律可求得臨界角的表達式

第5頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月不同介質的臨界角大小不同,例如普通玻璃對空氣的臨界角為,水對空氣的臨界角為,而鉆石因折射率很大,故臨界角很小,容易發(fā)生全反射。切割鉆石時,經過特殊的角度選擇,可使進入的光線全反射并經色散后向其頂部射出,看起來就會顯得光彩奪目。

利用光的全反射原理,可以制作一種新型光學元件——光導纖維,簡稱光纖。光纖是由光學玻璃、光學石英或塑料制成的直徑為幾至幾十的細絲(稱為纖芯),在纖芯外面覆蓋直徑

的包層,包層的折射率比纖芯略低約,兩層之間形成良好的光學界面。當光線從一端以適當的角度射入纖維內部時,將在內外兩層圖光在光導纖維中的傳播之間產生多次全反射而傳播到另一端,第6頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月一束平行光照射均質的材料時,除了可能發(fā)生反射和折射而改變其傳播方向之外,進入材料之后還會發(fā)生兩種變化。一是隨著光束的深入,一部分光的能量被材料所吸收,其強度將被減弱;二是介質中光的傳播速度比真空中小,且隨波長而變化,這種現象稱為光的色散。第7頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收光譜

研究物質的吸收特性發(fā)現,任何物質都只對特定的波長范圍表現為透明的,而對另一些波長范圍則不透明。例如石英在整個可見光波段都很透明,且吸收系數幾乎不變,這種現象稱為“一般吸收”。但是,在的紅外線區(qū),石英表現為強烈吸收,且吸收率隨波長劇烈變化,這種現象稱為“選擇吸收”。任何物質都有這兩種形式的吸收,只是出現的波長范圍不同而已。第8頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收的物理機制

光的吸收是材料中的微觀粒子與光相互作用的過程中表現出的能量交換過程。這一過程的進行除了服從能量守恒定律外,還應當滿足必要的量子條件。眾所周知,光是能量和動量量子化的粒子流,而材料的能量狀態(tài)也是量子化的。因此,只有當入射光子的能量與材料的某兩個能態(tài)之間的能量差值相等時,光量子才可能被吸收,與此同時,材料中的電子從較低的能態(tài)躍遷到較高的能態(tài)。由于固體材料的能量結構比較復雜,不同層次的能態(tài)躍遷可以吸收不同波長的光子,因而形成了吸收光譜的復雜結構。第9頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)正常色散

我們已經了解光在介質中的傳播速度低于真空中的光速,其關系為y=c/n,據此可以解釋光在通過不同介質界面時發(fā)生的折射現象。若將一束白光斜射到兩種均勻介質的分界面上,就可以看到折射光束分散成按紅、橙、黃、綠、青、藍、紫的順序排列而成的彩色光帶,這是在介質中不同波長的光有不同的速度的直接結果。所以,介質中光速或折射率隨波長改變的現象稱為色散現象。研究色散最方便的實驗可以通過棱鏡來進行。測量不同波長的光線經棱鏡折射的偏轉角,就可以得到折射率隨波長變化的曲線。下圖給出了幾種常用光學材料的色散曲線,分析這些曲線可以得出如下的規(guī)律。

(a)對于同一材料而言,波長愈短則折射率愈大;

(b)折射率隨波長的變化率dn/dλ稱為“色散率”。波長愈短色散率愈大(一般不考慮負號);

(c)不同材料,對同一波長,折射率大者色散率dn/dλ也大;

(d)不同材料的色散曲間線沒有簡單的數量關系。

由于人們早期對色散現象的研究都是在可見光波段為透明的光學材料上進行的,結果都符合上述規(guī)律,故稱之為“正常色散”。這里“正?！倍质窍鄬τ诤髞戆l(fā)現的一些“反?！爆F象而言的。第10頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月1936年科希研究了材料的折射率,成功地將正常色散曲線表達為此式稱為科希公式。式中,為表征材料特性的常數。簡化式材料的色散率第11頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月反常色散反常色散與上述正常色散不同,如果對石英之類透明材料,把測量波長延伸到紅外區(qū)域,這時所得到的色散曲線就開始明顯地偏離科希公式。進一步的研究發(fā)現,這類偏離總是出現在吸收帶的附近。偏離的具體形式如圖4-19所示。圖中,色散曲線的PQ段可以準確地符合科希公式,但從R點起折射率開始急劇下降,而不是如科希公式所預言的、隨λ的增加緩慢下降并趨近于極限值A。在接近吸收帶的短波側,折射率n愈降愈快,直到進入完全不透光的吸收區(qū)。在吸收帶的長波側測得的n值很高,離開吸收區(qū)后,n先是迅速下降,距離漸遠再緩慢降低。在S點到T點的范圍內,n值又可以用科希公式表示,只是常數值與前面不同,實際上是常數A變大了。在經過吸收帶時,色散曲線發(fā)生了明顯的不連續(xù),而且,在吸收帶附近長波一側的折射率n比短波一側的大。折射率曲線在吸收帶附近不符合科希公式的這種特征被稱為“反常色散”。后來的大量實驗表明,多種材料在遇到吸收帶時,色散曲線都有這種不連續(xù)的性質。第12頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月石英等透明材料在紅外區(qū)的反常色散第13頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月

當光束通過平整光滑的表面入射到各向同性介質中去時,它將按照折射定律沿某一方向折射,這是常見的折射現象。研究發(fā)現,當光束通過各向異性介質表面時,折射光會分成兩束沿著不同的方向傳播,見圖,這種由一束入射光折射后分成兩束的現象稱為雙折射。許多晶體具有雙折射性質,但也有些晶體(例如巖鹽)不發(fā)生雙折射。雙折射的兩束光中有一束光的偏折方向符合折射定律,所以稱為尋常光(或O光)。另一束光的折射方向不符合折射定律,被稱為非常光(或e光)。一般地說,非常光的折射線不在入射面內,并且折射角以及入射面與折射面之間的夾角不但和原來光束的入射角有關,還和晶體的方向有關。圖4-22雙折射現象第14頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月通過改變入射光束的方向,可以找到在晶體中存在一些特殊的方向,沿著這些方向傳播的光并不發(fā)生雙折射,這些特殊的方向稱為晶體的光軸。應該注意,光軸所標志的是一定的方向,而不限于某一條具體的直線。有些晶體,例如方解石、石英等,只有一個光軸,稱為單軸晶體;具有兩個光軸的晶體稱為雙軸晶體,例如云母、硫磺、黃玉等晶體。圖4-23方解石晶體的光軸第15頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月一般地說

屬于四角晶系、三角晶系和六角晶系的晶體為單軸晶體,如紅寶石、電氣石、石英、冰等;而屬于正交晶系、單斜晶系和三斜晶系的晶體為雙軸晶體,如云母、藍寶石、硫磺等。

具有立方結構的晶體無雙折射性質。第16頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月利用晶體材料的雙折射性質可以制成特殊的光學元件,在光學儀器和光學技術中有廣泛應用。例如利用晶體的雙折射,將自然光分解成偏振方向互相垂直的兩束線偏振光的洛匈棱鏡和渥拉斯頓棱鏡;利用雙折射和全反射原理,將光束分解成兩束線偏振光后再除去其中一束,而保留另一束的起偏和檢偏元件——尼科爾棱鏡、格蘭棱鏡等;利用晶體O光和e光傳播速度不同的特性,適當選擇晶體的切割方向和厚度,可以制成各種晶體波片,使O光和e光之間產生預期的位相差,從而實現光束偏振狀態(tài)的轉換(四分之一波片,又稱λ/4片,可實現線偏振光和圓偏振光之間的互相轉換;二分之一波片,又稱λ/2片,可根據需要隨意改變線偏振光的偏振方向);利用雙折射元件裝配的偏光干涉儀,可用于測量微小的相位差;偏光顯微鏡可用于檢測材料中的應力分布;利用不同厚度的晶體組合構成的雙折射濾光器已在激光技術中獲得應用,它可以用于光譜濾波,實現從連續(xù)譜光源或寬帶光源中選出窄帶輻射。第17頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月

二向色性

晶體結構的各向異性不僅能產生折射率的各向異性(雙折射),而且能產生吸收率的各向異性(稱為“二向色性”)。電氣石是在可見光區(qū)域有明顯二向色性的晶體。一塊厚度為1mm的這種晶體,幾乎可以完全吸收尋常光,而讓非常光通過。它對非常光也有一些選擇吸收,使得白光透射后呈黃綠色。具有明顯二向色性的材料也可以用來制造偏振元件,即二向色性偏振片。

除了天然晶體之外,還可以利用特殊方法使具有明顯各向異性吸收率的微晶,在透明膠片中有規(guī)律地排列,制成人造二向色性偏振片。例如,一種由有機化合物碘化硫酸奎寧凝聚成的多晶,具有顯著的二向色性。如果將它們沉積在聚氯乙烯薄膜上,并采用機械方法將這種薄膜沿某一方向拉伸,則上述微晶就會沿著拉伸方向整齊地排列起來,表現出和單晶一樣的二向色性(即吸收O光而讓e光通過)。將這種薄膜固定在兩片玻璃之間就可以作為偏振片使用。由于人造偏振片工藝簡單,價格便宜,容易加工成大面積的產品,所以很有實用價值。第18頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月材料的光發(fā)射

材料的光發(fā)射是材料以某種方式吸收能量之后,將其轉化為光能即發(fā)射光子的過程。發(fā)光是人類研究最早也應用最廣泛的物理效應之一。一般地說,物體發(fā)光可分為平衡輻射和非平衡輻射兩大類。平衡輻射的性質只與輻射體的溫度和發(fā)射本領有關,如白熾燈的發(fā)光就屬于平衡或準平衡輻射;非平衡輻射是在外界激發(fā)下物體偏離了原來的熱平衡態(tài),繼而發(fā)出的輻射。本節(jié)將只討論固體材料的非平衡輻射。

固體發(fā)光的微觀過程可以分為兩個步驟:第一步,對材料進行激勵,即以各種方式輸入能量,將固體中的電子的能量提高到一個非平衡態(tài),稱為“激發(fā)態(tài)”;

第二步,處于激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)地向低能態(tài)躍遷,同時發(fā)射光子。如果材料存在多個低能態(tài),發(fā)光躍遷可以有多種渠道,那么材料就可能發(fā)射多種頻率的光子。第19頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月激勵方式

發(fā)光前可以有多種方式向材料注入能量。通過光的輻照將材料中的電子激發(fā)到高能態(tài)從而導致發(fā)光,稱為“光致發(fā)光”。光激勵可以采用光頻波段,也可以采用X-射線和γ-射線波段。日常照明用的熒光燈就是通過紫外線激發(fā)涂布于燈管內壁的熒光粉而發(fā)光的。

利用高能量的電子來轟擊材料,通過電子在材料內部的多次散射碰撞,使材料中多種發(fā)光中心被激發(fā)或電離而發(fā)光的過程稱為“陰極射線發(fā)光”。彩色電視機的顏色就是采用電子束掃描、激發(fā)顯象管內表面上不同成分的熒光粉,使它們發(fā)射紅、綠、藍三種基色光波而實現的。

通過對絕緣發(fā)光體施加強電場導致發(fā)光,或者從外電路將電子(空穴)注入到半導體的導帶(價帶),導致載流子復合而發(fā)光,稱為“電致發(fā)光”。作為儀器指示燈的發(fā)光二極管就是半導體復合發(fā)光的例子。第20頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月材料的光吸收和光發(fā)射都是光和物質相互作用的基本過程。年愛因斯坦在研究“黑體輻射能量分布”這一當時物理學難題時曾提出,光與物質的相互作用還有第三個基本過程,即受激輻射。據此他推得黑體輻射的能量分布公式,合理地解釋了實驗規(guī)律。為了與受激輻射相區(qū)別,前面所涉及的光發(fā)射應稱為自發(fā)輻射。

以原子為例,并且只關心物質與發(fā)光有關的兩個能級E1和E2,見圖。自發(fā)輻射是指這樣的過程,即如果原子已經處于高能級E2,那么它就可能自發(fā)、獨立地向低能級E1躍遷并發(fā)射一個光子,其能量為

稱為自發(fā)輻射躍遷概率,也稱為自發(fā)輻射系數。第21頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月如果原子處于低能級,當有能量滿足的光子趨近它時,原子則可能吸收一個光子并躍遷到高能級E2。由于這個吸收過程只有存在適當頻率的外來光子時才會發(fā)生,故可稱為“受激吸收”。單位體積內單位時間發(fā)生受激吸收的原子數(等于被吸收的光子數),不但與低能級的原子密度成正比,還和輻射場的能量密度成正比,故有

其中稱為受激吸收系數,而則為受激吸收概率。吸收結果導致高能級原子數增加,

受激輻射的過程是:當一個能量滿足的光子趨近高能級的原子時,有可能入射的光子非但沒有被吸收,反而誘導高能級原子發(fā)射一個和自己性質完全相同的光子來。換言之,受激輻射的光子和入射光子具有相同的頻率、方向和偏振狀態(tài)。受激輻射是受激吸收的逆過程,它的發(fā)生使高能級的原子數減少。第22頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月受激輻射既然存在,為什么人們長期沒有觀察到呢?這是因為通常人們所接觸到的體系都是熱平衡體系或者與熱平衡偏離不遠的體系。按照玻耳茲曼分布公式,能量差在光頻波段的兩個能級中,高能級的原子密度總是遠小于低能級的原子密度,而受激輻射產生的光子數與受激吸收的光子數之比等于高、低能級粒子數之比,所以受激輻射就微乎其微以至長期沒有被察覺。通過計算也可以證明,與自發(fā)輻射相比,在熱平衡條件下受激輻射也完全可以忽略。怎樣才能使受激輻射占主導地位呢?關鍵在于設法突破玻耳茲曼分布,使上能級的粒子數大于下能級的粒子數,這個條件稱為“粒子數反轉”。這里的“粒子”二字泛指任何具體介質中的微觀粒子,而不局限于原子。顯然,在高、低能級均無簡并的情況下,粒子數反轉即要求

在熱平衡條件下