1、一、光和物質(zhì)相互作用的經(jīng)典的觀點(diǎn) 光和物質(zhì)相互作用的過程可以看作是組成物質(zhì)的原子或分子體系在入射光波電場的作用下，正負(fù)電荷發(fā)生相反方向的位移，并跟隨光波的頻率作受迫振動，產(chǎn)生感生電偶極矩，進(jìn)而產(chǎn)生電磁波輻射的過程。這一過程也為發(fā)射次波的過程 如果介質(zhì)的極化強(qiáng)度P與光波電場服從線性疊加原理，相應(yīng)的光學(xué)現(xiàn)象成為線性光學(xué)現(xiàn)象。,第四部分 材料的光學(xué)性能,（1）在0的情況下，當(dāng)過程開始時，電子吸收少量光波能量，引起受迫振動感生電偶極矩，并輻射次波。即使忽略輻射阻尼（即不考慮振子的輻射），電子位移恒為有限值。因此在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，吸收的能量與輻射的能量必然達(dá)到平衡，即維持穩(wěn)幅振蕩，這種過程稱為光的散射。

2、 散射過程的特點(diǎn)是，電子的本征能量不會發(fā)生改變，形式上只是入射光波和散射光波之間的能量互相轉(zhuǎn)換，吸收多少又散射多少。 散射過程稱為光和物質(zhì)的非共振相互作用過程。 因此當(dāng)光子的頻率與電子振動的自然頻率（大約1015/秒）不同時，電磁波在固體中自然傳播而無吸收。,（2）在=0情況下，隨著入射光波頻率逐漸接近原子的固有頻率，振子的振幅逐漸加大、因而振子從入射光波的攝取的能量增大，相應(yīng)的輻射次波能量也增大。這一過程有其顯著的特點(diǎn)。當(dāng)略去阻尼作用時，振幅將趨向無窮大。因此，無論考慮阻尼與否，振子都將吸收能量。 有輻射阻尼時，吸收的能量用作散射；沒有輻射阻尼時，吸收的能量用來不斷增大振幅。鑒于這一特點(diǎn)，通

3、常把0的過程與其他頻率的過程區(qū)分開來，不再稱作散射，而稱為吸收與再放射。 實際上，在=0的諧振頻率處，可以認(rèn)為初始態(tài)的電子吸收一個光子躍遷到高能態(tài)，而受激電子又可以放出一個同頻率的光子回到初始的低能態(tài)。在這種吸收與再放射過程中，電子的本征能態(tài)將發(fā)生改變，故屬于光和物質(zhì)的共振相互作用過程。,二 、線性光學(xué)性能的基本參量 1 反射和折射 材料的極化和磁化作用，“拖住”了電磁波的步伐，使電磁波的傳播速度變慢。根據(jù)麥克斯韋電磁理論，電磁波在固體中的傳播速度v與反映材料極化特性的相對介電常數(shù)r和磁化特性的相對磁導(dǎo)率r及真空中的光速c有如下的關(guān)系： 該式反映了材料的性質(zhì)對光傳播的影響。對于非磁性材料，r1

4、. 由于光的傳播速度因材料而異，因此光從一種均勻介質(zhì)斜射入另一種均勻介質(zhì)時，將依據(jù)惠更斯原理在兩種介質(zhì)的界面反射和折射現(xiàn)象。,一、惠更斯原理：為了說明光的傳播定律，惠更斯提出了一個普遍原理 媒質(zhì)中波動傳到的各點(diǎn)，都可以看作是發(fā)射子波的波源，而在其后的任意時刻，這些子波的包絡(luò)面就是新的波面。 也就是說，光波波前（最前沿的波面）上的每一點(diǎn)都可看作球面次波源，每一次波源發(fā)射的球面波以光波的速度v傳播，經(jīng)過時間t之后形成球面半徑為vt的球面次波。如此產(chǎn)生的無數(shù)個次波的包絡(luò)就是t時間后的新波前。 該原理適用于機(jī)械波和電磁波,2. 光的反射與折射2.2 折射率與傳播速度的關(guān)系,影響折射率的因素 由折射率的

5、定義得出如下的麥克斯韋關(guān)系式： r=n2 該式反映了光的折射率和材料的介電常數(shù)的關(guān)系。 材料的極化性質(zhì)又與構(gòu)成材料的原子的原子量、 電子分布情況、化學(xué)性質(zhì)等微觀因素有關(guān)。這些 微觀因素通過宏觀量介電常數(shù)來影響光在材料中 的傳播速度。,第四部分 材料的光學(xué)性能,為了進(jìn)一步說明影響折射率的因素，由克勞修斯莫索提方程得 該式說明單位體積中原子的數(shù)目越多，或結(jié)構(gòu)越緊密，則折射率越大。 另外在對于簡化的電子極化模型，導(dǎo)出了e=40a3關(guān)系，由于介質(zhì)的折射率隨組成固體的原子的電子極化率的增加而增加，因此材料的折射率隨原子半徑的增加而增加。,歸納起來影響折射率n值的因素有下列幾方面： （1）構(gòu)成材料元素的離

6、子半徑和電子結(jié)構(gòu)。 （2）材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)。比如：對于同質(zhì)異構(gòu)體，一般情況下，高溫晶型原子的密堆積程度低，因此高溫晶型的折射率較低，低溫晶型原子的密堆積程度高，因此其折射率較高。 （3）外界因素對折射率的影響。材料在機(jī)械應(yīng)力、超聲波、電場等的作用下，折射率會發(fā)生改變，如有內(nèi)應(yīng)力存在的透明材料，垂直于受拉主應(yīng)力方向的n大，平行于受拉主應(yīng)力方向的n小。這些效應(yīng)分別稱為光彈性效應(yīng)、聲光效應(yīng)、電光效應(yīng)等,2 光的色散,測量不同波長光線通過棱鏡的偏向角，就可以算出棱鏡材料的折射率n與波長之間的關(guān)系曲線，即色散曲線。 實驗表明，凡在可見光范圍內(nèi)無色透明的物質(zhì)，它們的色散曲線在形式上很相似，這些曲線

7、的共同特點(diǎn)是，折射率n以及色散率dn/d的數(shù)值都隨著波長的增加而單調(diào)下降，在波長很長時折射率趨于定值，這種色散稱為正常色散（normal dispersion）。 正常色散和下面的反常色散可由一個統(tǒng)一的色散方程描述 n=f(), 只是首次觀測到時似乎是不正常的。,6-5,（1）正常色散,第四部分 材料的光學(xué)性能,6-6,第四部分 材料的光學(xué)性能,實驗表明，在發(fā)生強(qiáng)烈吸收的波段，色散曲線發(fā)生明顯的不連續(xù)，折射率n隨著波長的增加而增大，即dn/d 0，這種在吸收帶與正常色散曲線大不相同的特征稱之為反常色散（anomalous dispersion） 盡管通常把這種色散稱為反常色散，但實際上它反映了

8、物質(zhì)在吸收區(qū)域內(nèi)所普遍遵從的色散規(guī)律。 大多數(shù)材料在遇到吸收帶時，色散曲線都有這種不連續(xù)的性質(zhì)。在吸收區(qū)域以外，物質(zhì)的色散曲線仍屬于正常曲線。,（2） 反常色散,第四部分 材料的光學(xué)性能,第四部分 材料的光學(xué)性能,3 光的散射,當(dāng)光束通過均勻的透明介質(zhì)時，從側(cè)面是難以看到光 的。但當(dāng)光束通過不均勻的透明介質(zhì)時，則從各個方 向都可以看到光，這是介質(zhì)中的不均勻性使光線朝四 面八方散射的結(jié)果，這種現(xiàn)象稱為光的散射。 例如，當(dāng)一束太陽光從窗外射進(jìn)室外內(nèi)時，我們從側(cè) 面可以看到光線的徑跡，就是因為太陽光被空氣中的 灰塵散射的緣故。,（1）光散射的分類,根據(jù)散射前后光子能量（或光波波長）變化與否，分為彈性

9、散射與非彈性散射 彈性散射：散射前后光的波長（或光子能量）不發(fā)生變化，只改變方向的散射。 非彈性散射：當(dāng)光通過介質(zhì)時，從側(cè)向接受到的散射光主要是波長（或頻率）不發(fā)生變化的瑞利散射光，屬于彈性散射。當(dāng)使用高靈敏度和高分辨率的光譜儀，可以發(fā)現(xiàn)散射光中還有其它光譜成分，它們在頻率坐標(biāo)上對稱地分布在彈性散射光的低頻和高頻側(cè)，強(qiáng)度一般比彈性散射微弱地多。這些頻率發(fā)生改變的光散射是入射光子與介質(zhì)發(fā)生非彈性碰撞的結(jié)果，稱為非彈性散射。,（2）彈性散射（由物質(zhì)的不均勻性引起）,上圖右方的小障礙物尺度與波長可比擬，其散射可看作是它們的衍射作用。 按不均勻團(tuán)塊的性質(zhì)，散射可分為兩大類：（一）懸浮質(zhì)點(diǎn)的散射：如膠體

10、、乳濁液、含有煙、霧、灰塵的大氣中的散射必于此類。（二）分子散射：即使十分純凈的液體或氣體，也能產(chǎn)生比較微弱的散射，這是由于分子熱運(yùn)動造成密度的局部漲落引起的，這種散射，稱為分子散射，物質(zhì)處臨界點(diǎn)時密度張落很大，光線照射在其上，就會發(fā)生強(qiáng)烈的分子散射，該現(xiàn)象叫做臨界乳光 上圖左方不均勻團(tuán)塊的尺度達(dá)到遠(yuǎn)大于波長，因此其散射可看作使波發(fā)生反射和折射，邊緣部分發(fā)生衍射。,第四部分 材料的光學(xué)性能,惠更斯理論的子波源實質(zhì)上是指感生偶極矩的受迫振動。 合成振幅類似于A2R A21 A22 2A1A2cos(1 2) 偏離反射和折射方向后，由于固體原子之間的規(guī)律排列， 疊加得到的是位相不斷變化的許多矢量，

11、結(jié)果為零。 在瑞利散射條件下，作用在微粒上的電場可視為均勻的交 變場，子波源發(fā)出的波同相位，但由于散射微粒之間的不 規(guī)律分布，各微粒輻射的波不再是相干的，計算散射強(qiáng)度 時應(yīng)將子波的強(qiáng)度而不是振幅疊加起來。按照電磁理論， 偶極振子的輻射功率正比于頻率的四次方。因此，散射光 強(qiáng)正比于頻率的四次方,即反比于波長的四次方。,經(jīng)典理論對反射、折射、散射的統(tǒng)一解釋,第四部分 材料的光學(xué)性能,（3）非彈性散射分類 拉曼散射 （Raman scattering） 是分子或點(diǎn)陣振動的光學(xué)聲子（即光學(xué)模）對光波的散射。 在光譜圖上距離瑞利線較遠(yuǎn)，它們與瑞利線的頻差可因散射介質(zhì)能級結(jié)構(gòu)不同而在100104之間變化。

12、 布里淵散射 （Brillouin scattering） 是點(diǎn)陣振動引起的密度起伏或超聲波對光波的非彈性散射，即點(diǎn)陣振動的聲學(xué)聲子（即聲學(xué)模）與光波之間的能量交換結(jié)果。 由于聲學(xué)聲子的能量低于光學(xué)聲子，所以布里淵散射的頻移比拉曼散射小，在光譜圖上它們緊靠在瑞利線旁，只能用高分辨的雙單色儀等光譜儀才能分辨出來,振動能級E1,振動能級E0,第四部分 材料的光學(xué)性能,布里淵散射和拉曼散射類似，但是頻移小的多。,4 反射系數(shù)（或反射率） 對于任一入射的線偏振光，入射光的電場分量可以分解為平行于入射面的P分量和垂直于入射面的S分量。在折射和反射過程中，p和s兩個分量的振動是相互獨(dú)立的 。 為了說明反射

13、和折射各占多少比例，通過引入反射系數(shù)R的概念。定義RWr/Wi，W為能流密度，根據(jù)波動理論，有：,第四部分 材料的光學(xué)性能,第四部分 材料的光學(xué)性能,圖示,選擇吸收是透明物體呈現(xiàn)各種顏色的原因,吸收光譜（Absorption Spectrum） 物質(zhì)的發(fā)射譜（emission spectrum）有：線狀譜（line spectrum），帶狀譜（band spectrum）和連續(xù)譜等。 大致說來，原子氣體的光譜是線狀譜，而分子氣體、液體 和固體的光譜是帶狀譜，吸收光譜的情況也是如此。 值得注意的是，同一物質(zhì)的發(fā)射光譜和吸收光譜之間有嚴(yán) 格的對應(yīng)關(guān)系，即物質(zhì)自身發(fā)射哪些波長的光，它就強(qiáng)烈 吸收這些

14、波長的光。用具有連續(xù)譜的光（例如白光）通過 具有選擇吸收的物質(zhì)，然后利用攝譜儀或分光光度計，可 以觀測到在連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)有一條條暗線或暗帶， 這表明某些波段的光被吸收了，因而形成了吸收光譜。,第四部分 材料的光學(xué)性能,雙折射晶體：光沿不同的方向具有不同的傳播速率 O光：由球面包絡(luò)面形成的折射光 E光：由橢球面包絡(luò)面形成的折射光實驗證明，O光和E光都是線偏振光，且振動方向互相垂直,菲涅耳反射公式：,基體上鍍有薄膜時 的菲涅耳反射公式：,2 分析材料的透光性 小角度入射時，透過介質(zhì)的光強(qiáng)度為：,以上公式表明，影響材料透光性的因素主要為：反射系數(shù)，吸收和散射系數(shù)，材料厚度。與材料本身性質(zhì)密切相

15、關(guān)的是吸收系數(shù)，散射系數(shù)。吸收系數(shù)如前所述，散射系數(shù)影響因素如下：（1）材料的宏觀和顯微缺陷材料的不均勻程度越高，散射系數(shù)越大。不均勻性主要由夾雜物、摻雜、晶界等引起。（2）晶粒排列的方向：對于各向異性材料，要考慮雙折射的影響，即除了晶界本身引起的反射外，還存在由于兩邊晶粒折射率不同引起的附加反射，此反射可大可小，取決于材料ne的大小，分析氧化鋁和金紅石頭的例子。此外，ne還隨著取向不同而變化，如下圖所示。,陶瓷的吸收系數(shù)雖然低，但往往是多相的，因此不透明。高分子材料和玻璃因為不存在晶界，所以透光性往往較好。（3）氣孔引起的散射損失。氣孔相當(dāng)于第二相，因為空氣的折射率和基體相差較大，故相同體積

16、分?jǐn)?shù)下，氣孔引起的散射損失遠(yuǎn)大于雜質(zhì)、晶粒取向的差別。但微小氣孔的影響不大。（4）不透明性和半透明性的控制。通過分散的第二相控制透明程度，包括第二相的種類，這決定第二相折射率和基體折射率的差別；第二相體積分?jǐn)?shù)；第二相的尺寸。,3 界面反射與光澤 被反射掉的光的多少，取決于材料的表面粗糙度和反射系數(shù)，反射系數(shù)與折射率相關(guān)，因此光澤由折射率和表面粗糙度決定（見右圖）。 應(yīng)用舉例:光導(dǎo)纖維涂層，增透膜，增反膜。,非自聚焦型光導(dǎo)纖維材料內(nèi)芯材料：高折射率的透明玻璃。涂層材料：低折射率的玻璃或塑料， 如聚四氟乙烯,聚丙烯腈。,4 其他光學(xué)性能的應(yīng)用,（1）熒光材料：基質(zhì)激活劑（發(fā)光中心） 材料以某種方式

17、吸收能量之后，將其轉(zhuǎn)化為光能即發(fā)射光子的過程，這就是光發(fā)射。 自然界中很多物質(zhì)可發(fā)光，但近代顯示技術(shù)所用的發(fā)光材料主要是無機(jī)化合物，在固體材料中主要是采用禁帶寬度較大的絕緣體，其次的半導(dǎo)體它們通常以多晶粉末、薄膜（TFT）或單晶的形式被應(yīng)用 從應(yīng)用的角度，主要關(guān)注材料的光學(xué)性能包括：發(fā)光顏色、發(fā)光強(qiáng)度及延續(xù)時間等。,材料發(fā)光前可以有多種方式向其注入能量,發(fā)光顏色：發(fā)射光譜與吸收光譜相對應(yīng)，但發(fā)射光譜吸收光譜，因為有的材料吸收光后不一定會發(fā)射，而是把吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能，形成對發(fā)光沒有貢獻(xiàn)的吸收。 發(fā)光強(qiáng)度：指數(shù)規(guī)律衰減： 延續(xù)時間：從激發(fā)停止時的發(fā)光強(qiáng)度I0衰減到I0 /10的時間，按延續(xù)時間長短分為： 超長余輝（1s）、長余輝（0.11s）、中余輝（1100ms） 、中短余輝（10-21ms） 、短余輝（1 10s）、超短余輝（1s）,（2）激光材料,激光形成原理,激光材料