材料光学性能
136页1、第10章 材料的光学性能 (Optical properties of materials),1,10. 1 光与材料的作用 (Interaction between lights and materials),10. 1. 1 光的物理本质 (Physical essence of lights),2,可见光:波长处于人眼能够感知范围的那部分电磁波,波长范围很窄,颜色随波长改变。白光是各色光的混合,3,光波也由电场分量与磁场分量组成,这两种分量彼此垂直且都垂直于光的传播方向。,电磁波在真空中的传播速度c=3108m/s,且有,其中0和0分别为真空中的介电常数和磁导率。,4,光在非真空介质中传播时光速,其中和分别为介质的介电常数和磁导率,r和r分别为材料的相对介电常数和相对磁导率。,考虑光的量子性,将光看成粒子,其能量量子即为光子,光子的能量,其中为频率,为波长,h为普朗克常数。,5,10. 1. 2 光与材料作用的一般规律 (General rules of the interaction between lights and materials),6,(a)吸收; (b)散射; (
2、b)透射; (b), (c), (d)反射。,7,入射到材料表面的光的能流率为0W/m2,则有,0=T+A+R+S 其中T、A、R、S分别是透射、吸收、反射、散射的能流率。,用0除等式两边,则有 T+A+R+S=1,分别称为透射率、吸收率、反射率和散射率。,折射、反射、散射、吸收各有其微观机制光与固体中的原子、离子、电子等的相互作用,8,光子与固体材料的相互作用的本质有两种方式: 电子极化 电子能态转变 从微观上分析,其实就是光子与固体材料的原子、离子、电子之间的相互作用,9,第一:引起材料中的电子极化光波的电场分量与传播路径上的原子作用,造成电子云的负电荷中心与原子核的正电荷中心发生相对位移光的部分能量被吸收,光速降低折射。,第二:引起材料中电子能态的改变。,光子能量恰好为孤立原子两能级差,将电子激发到高能级。光子消失吸收,10,这种吸收的条件为,E=hij 其中i、j为原子中电子的两个能级,E=Ei-Ej为这两个能级的能级差,ij为能量恰好为这一能级差的光子的频率,h为普朗克常数。,只有能量为电子能级差的光子才能被吸收 可被孤立原子吸收的光子是不多的。,固体中能带准连续,不同能量(
3、频率)的光子都有可能被吸收。,吸收了光子的电子处于高能量的受激态不稳定又会按不同途径衰变返回基态,同时发射不同波长(能量)的电磁波 受激电子又直接衰变回原能级发射与入射光同样波长的光波反射,11,12,受限于人们的视野,受制于我们所接触的世界尺度!,光波的传播方向 光波等相面,在某个时刻其上各点相位取等值的曲面称为等相面。,13,光在均匀介质中的直线传播定律; 光通过两种介质的分界面时的反射定律和折射定律; 光的独立传播定律和光路可逆性原理。,在日常生活和实验的基础上,人们简单明了地总结:,几何光学,10. 1. 3 金属材料对光的吸收和反射 (Absorption and reflection of metallic materials to lights),14,金属对可见光一般不透明能带结构决定,费米能级以上有许多空能级可吸收不同波长的光子将电子激发到空能级上,大部分被激发电子又会衰变回基态,放出与所吸收的光子同波长的光子反射光,15,大多数金属的反射率在0.90.95之间,其余能量转换成其他形式的能量,如热量,金属对不同波长的光的反射能力不同反射光的波长不同颜色不同,16,10
4、. 1. 4 非金属材料对光的反应 (Interfaction between non-metal materials and lights),17,光从真空进入材料时速度降低,光在真空中的速度c和材料中的速度v之比即为材料的折射率 n=c/v,当光从材料1中通过界面进入材料2时,在材料1中入射光与界面法线所成的角即入射角为i1,在材料2中折射光与界面法线所成的角即折射角为i2,1 非金属材料对光的折射,n21:称为材料2相对于材料1的相对折射率,n1、n2分别为材料1、2的折射率,v1、v2分别为材料1、2中的光速。,18,由材料中的光速与介电常数和磁导率的关系可得,其中r和r分别为材料的相对介电常数和相对磁导率。大多数非金属材料的磁性很弱,r1,有,由于r1,材料的折射率总是大于1的。,大离子可以使原子的正负电荷中心产生较大的相对位移,r增大可用大离子构成高折射率的材料,小离子构成低折射率的材料。,19,均质介质(非晶态材料和立方晶系的晶体):对光是各向同性的,只有一个折射率。,非均质介质(非立方晶系的晶体):光线入射到该介质中会产生双折射现象,即出现两条振动方向相互垂直、转播速度
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