《材料物理性能》全套PPT課件
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5.1 5.1 概述概述5.25.2光傳播的基本理論光傳播的基本理論光的現(xiàn)象光的微粒說光的波動說光的電磁說光的波粒二象性光的直線傳播光的傳播速度光的反射光的折射光的干涉光的衍射電磁波譜光譜?5.2.1 5.2.1 波粒二象性波粒二象性介電常數(shù)介電常數(shù)介電常數(shù)介電常數(shù)磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率(1 1)光是一種電磁波)光是一種電磁波(2 2)光波是一種橫波)光波是一種橫波(偏振性偏振性)(3 3)偏振性是橫波的特有性質(zhì))偏振性是橫波的特有性質(zhì)5.2.2 5.2.2 光的電磁性光的電磁性電磁輻射電磁輻射 由于人的視覺、植物的光合作用,以及絕大多數(shù)由于人的視覺、植物的光合作用,以及絕大多數(shù)測量光波的儀器對光的反應(yīng)主要是光波中的電場所引測量光波的儀器對光的反應(yīng)主要是光波中的電場所引起,磁場對介質(zhì)的作用遠(yuǎn)比電場弱,因此討論光波時起,磁場對介質(zhì)的作用遠(yuǎn)比電場弱,因此討論光波時往往只考慮電場的作用,所以電場強(qiáng)度矢量被直接作往往只考慮電場的作用,所以電場強(qiáng)度矢量被直接作為光矢量。為光矢量。光波的電矢量的振動只確定在某個確定方向稱為光波的電矢量的振動只確定在某個確定方向稱為平面偏振光,亦稱線偏振光。平面偏振光,亦稱線偏振光。光波的電矢量在垂直光傳播方向的平面內(nèi)隨時間光波的電矢量在垂直光傳播方向的平面內(nèi)隨時間規(guī)則變化的軌跡呈橢圓或圓,被分別稱為橢圓偏振光、規(guī)則變化的軌跡呈橢圓或圓,被分別稱為橢圓偏振光、圓偏振光。圓偏振光。光波在垂直光傳播方向的平面內(nèi)電矢量振動取向光波在垂直光傳播方向的平面內(nèi)電矢量振動取向機(jī)會均等,稱為自然光。機(jī)會均等,稱為自然光。光波振動的數(shù)學(xué)表達(dá)式:光波振動的數(shù)學(xué)表達(dá)式:電電磁磁波波光光譜譜 可見光可見光 (visible light)(visible light)能夠引起人的視覺的電磁波。能夠引起人的視覺的電磁波。光的光的波動性波動性主要表現(xiàn)在它有干涉和衍射及偏振主要表現(xiàn)在它有干涉和衍射及偏振等特性。等特性。雙光束雙光束干涉干涉就是指兩束光(就是指兩束光(同頻率、同振動方向同頻率、同振動方向)相遇以后,在光的疊加區(qū),光強(qiáng)重新分布,出現(xiàn)明相遇以后,在光的疊加區(qū),光強(qiáng)重新分布,出現(xiàn)明暗相間、穩(wěn)定的干涉條紋。暗相間、穩(wěn)定的干涉條紋。5.2.3 5.2.3 光的干涉和衍射光的干涉和衍射 當(dāng)光波傳播遇到障礙物時,在一定程度上繞過當(dāng)光波傳播遇到障礙物時,在一定程度上繞過障礙物(障礙物(尺寸與波長相近尺寸與波長相近)而進(jìn)入幾何陰影區(qū),這)而進(jìn)入幾何陰影區(qū),這種現(xiàn)象稱為種現(xiàn)象稱為衍射衍射。愛因斯坦提出電磁場(或光場)的能量是不連續(xù)的,其數(shù)愛因斯坦提出電磁場(或光場)的能量是不連續(xù)的,其數(shù)值為:值為:式中,式中,為光波電磁場的頻率;為光波電磁場的頻率;h h為數(shù)值很小的普適常數(shù),為數(shù)值很小的普適常數(shù),稱為普朗克常數(shù)。稱為普朗克常數(shù)??傊?,光既可看成為光波又可看成光子流。光子是電總之,光既可看成為光波又可看成光子流。光子是電磁場能量和動量量子化的粒子,而電磁波是光子的概率波。磁場能量和動量量子化的粒子,而電磁波是光子的概率波。光作為波的屬性可以用頻率和波長來描述,而作為光子的光作為波的屬性可以用頻率和波長來描述,而作為光子的屬性則可以用能量和動量來表征。波動性和粒子性的統(tǒng)一屬性則可以用能量和動量來表征。波動性和粒子性的統(tǒng)一就定量地反應(yīng)在愛因斯坦兩個等式之中就定量地反應(yīng)在愛因斯坦兩個等式之中5.2.4 5.2.4 光子的能量和動量光子的能量和動量 光波入射到兩種媒質(zhì)的分界面以后,如果光波入射到兩種媒質(zhì)的分界面以后,如果不考慮吸收、散射等其它形式的能量損耗,則不考慮吸收、散射等其它形式的能量損耗,則入射光的能量只在兩種介質(zhì)的界面上會發(fā)生反入射光的能量只在兩種介質(zhì)的界面上會發(fā)生反射、折射。射、折射。5.3 5.3 光的反射和折射光的反射和折射(1 1)光在均勻介質(zhì)中直線傳播,在不同的介質(zhì))光在均勻介質(zhì)中直線傳播,在不同的介質(zhì)中具有不同的傳播速度。中具有不同的傳播速度。(2 2)光在兩種介質(zhì)的分界面時遵守反射、折射)光在兩種介質(zhì)的分界面時遵守反射、折射定律。定律。(3 3)光路可逆)光路可逆5.3.1 5.3.1 反射定律和折射定律及其影響因素反射定律和折射定律及其影響因素5.3 5.3 光的反射和折射光的反射和折射 1.1.光通過固體現(xiàn)象光通過固體現(xiàn)象 光從一個介質(zhì)進(jìn)入到另一個介質(zhì)時,將發(fā)生光從一個介質(zhì)進(jìn)入到另一個介質(zhì)時,將發(fā)生透射、反射、吸收和散射現(xiàn)象。入射光的能流透射、反射、吸收和散射現(xiàn)象。入射光的能流率等于透射、反射、吸收和散射能流率之和。率等于透射、反射、吸收和散射能流率之和。0=+m+s 透射、反射、吸收和散射能流率相對于入射透射、反射、吸收和散射能流率相對于入射光所占的比率分別被稱為透射系數(shù)光所占的比率分別被稱為透射系數(shù)、反射系數(shù)、反射系數(shù)、吸收系數(shù)、吸收系數(shù)m和散射系數(shù)和散射系數(shù)s。+m+s=12.2.反射定律和折射定律反射定律和折射定律5.3 5.3 光的反射和折射光的反射和折射(1 1)構(gòu)成材料元素的離子半徑)構(gòu)成材料元素的離子半徑 當(dāng)當(dāng)離離子子半半徑徑增增大大時時,其其增增大大,因因而而n也也增增大大。陶陶瓷瓷等無機(jī)材料的相對磁導(dǎo)率約等于等無機(jī)材料的相對磁導(dǎo)率約等于13.3.材料折射率的影響因素材料折射率的影響因素 (3 3)材料所受的內(nèi)應(yīng)力)材料所受的內(nèi)應(yīng)力 有內(nèi)應(yīng)力的透明材料,垂直于受拉主應(yīng)力方向的有內(nèi)應(yīng)力的透明材料,垂直于受拉主應(yīng)力方向的n n大,平行于受拉主應(yīng)力方向的大,平行于受拉主應(yīng)力方向的n n小。小。(4 4)同質(zhì)異構(gòu)體)同質(zhì)異構(gòu)體 在同質(zhì)異構(gòu)材料中,高溫時的晶型折射率在同質(zhì)異構(gòu)材料中,高溫時的晶型折射率n n較低,較低,低溫時存在的晶型折射率低溫時存在的晶型折射率n n較高。較高。(2)材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài))材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài) 非非晶晶態(tài)態(tài)和和立立方方晶晶體體這這些些各各向向同同性性材材料料,當(dāng)當(dāng)光光通通過過時時,光光速速不不因因傳傳播播方方向向改改變變而而變變化化,材材料料只只有有一一個個折折射射率率,稱稱為為均均質(zhì)質(zhì)介介質(zhì)質(zhì)。但但是是除除立立方方晶晶體體以以外外的的其其他他晶晶型型,都都是是非均質(zhì)介質(zhì)(雙折射現(xiàn)象)非均質(zhì)介質(zhì)(雙折射現(xiàn)象)?;莞乖恚夯莞乖恚汗夤獠úúúㄇ扒埃ㄗ钭钋扒把匮氐牡牟ú婷妫┥仙系牡拿棵恳灰稽c(diǎn)點(diǎn)都都可可以以看看做做球球面面次次波波源源。tt時時間間后后,無無數(shù)數(shù)個個次次波波的的包包絡(luò)絡(luò)就是新的波前。就是新的波前。5.3.2 5.3.2 折射率與傳播速度的關(guān)系折射率與傳播速度的關(guān)系 導(dǎo)出反射定律和折導(dǎo)出反射定律和折射定律。射定律。折射定律:折射定律:光速與折射率成反比。光速與折射率成反比。5.3.2 5.3.2 折射率與傳播速度的關(guān)系折射率與傳播速度的關(guān)系折射定律:折射定律:折射定律:折射定律:材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。光密介質(zhì):在折射率大的介質(zhì)中,光的傳播速度慢;光疏介質(zhì):在折射率小的介質(zhì)中,光的傳播速度快。材料的折射率從本質(zhì)上講,反映了材料的電磁結(jié)構(gòu)(對非鐵磁介質(zhì)主要是電結(jié)構(gòu))在光波作用下的極化性質(zhì)或介電特性。5.3.3 5.3.3 反射率和透射率反射率和透射率反射率:反射光的功率與入射光的功率之比。反射率:反射光的功率與入射光的功率之比。透射率:透射光的功率與入射光的功率之比。透射率:透射光的功率與入射光的功率之比。光的反射率和透射率與光的偏振方向有關(guān),并光的反射率和透射率與光的偏振方向有關(guān),并隨入射角度而變化。隨入射角度而變化。光是橫波,在垂直于傳播方向上,電矢量可光是橫波,在垂直于傳播方向上,電矢量可以取任何方向。因此,可以分解成兩個相互垂直以取任何方向。因此,可以分解成兩個相互垂直的線偏振分量。即振動方向垂直于入射平面的的線偏振分量。即振動方向垂直于入射平面的s s分分量量和振動方向平行于入射平面的和振動方向平行于入射平面的p p分量分量。當(dāng)入射角和反射角之和為當(dāng)入射角和反射角之和為/2/2時,反射光時,反射光沒有平行入射面的矢量。沒有平行入射面的矢量。此時的入射角稱為布此時的入射角稱為布儒斯特角。儒斯特角。利用布儒斯特角可以產(chǎn)生偏光。利用布儒斯特角可以產(chǎn)生偏光。反射率:反射率:垂直入射時:垂直入射時:5.3.4 5.3.4 光的全反射和光導(dǎo)纖維光的全反射和光導(dǎo)纖維 當(dāng)光從光密介質(zhì)進(jìn)入到光疏介質(zhì),當(dāng)入射角達(dá)到某一角度時,不再有折射光線,光線被全部反射的現(xiàn)象,稱為全反射。全反射臨界角:光纖結(jié)構(gòu)示意圖5.3.5 5.3.5 棱鏡、透鏡和反射鏡棱鏡、透鏡和反射鏡棱鏡棱鏡主要用于分光和偏轉(zhuǎn)光的方向;透鏡透鏡主要是兩個球面或曲面包圍而成的透明光學(xué)材料,主要用于聚光和成像;反射反射是指材料表面潔度非常高的情況下的反射,反射光線具有明確的方向性,一般稱之為鏡反射。漫反射漫反射是由于材料表面粗糙,在局部的入射角不同。5.4 5.4 材料對光的吸收和色散材料對光的吸收和色散 一束平行光照射各向同性均質(zhì)的材料時,一束平行光照射各向同性均質(zhì)的材料時,除了可能發(fā)生除了可能發(fā)生反射和折射反射和折射而變其傳播方向之而變其傳播方向之外,進(jìn)入材料之后還會發(fā)生兩種變化。外,進(jìn)入材料之后還會發(fā)生兩種變化。一是光吸收一是光吸收二是光的色散二是光的色散5.4.1 光的吸收1.吸收系數(shù)與吸收率朗伯特(朗伯特(LambertLambert)定律:)定律:在價質(zhì)中光強(qiáng)隨傳播距離呈指數(shù)衰減。當(dāng)光的傳在價質(zhì)中光強(qiáng)隨傳播距離呈指數(shù)衰減。當(dāng)光的傳播距離達(dá)到播距離達(dá)到1/a1/a時,強(qiáng)度衰減到入射時的時,強(qiáng)度衰減到入射時的1/e1/e。a a越大越大材料越厚,光就被吸收得越多,透過光的強(qiáng)度越小。材料越厚,光就被吸收得越多,透過光的強(qiáng)度越小。產(chǎn)生光吸收的原因:產(chǎn)生光吸收的原因:光作為一種能量流,在穿過介質(zhì)時,引起介質(zhì)的光作為一種能量流,在穿過介質(zhì)時,引起介質(zhì)的價電子躍遷,或使原子振動而消耗能量。此外介質(zhì)中價電子躍遷,或使原子振動而消耗能量。此外介質(zhì)中的價電子吸收光子能量而激發(fā),當(dāng)尚未退激時,在運(yùn)的價電子吸收光子能量而激發(fā),當(dāng)尚未退激時,在運(yùn)動中與其它分子碰撞,電子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥臒釀觿又信c其它分子碰撞,電子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥臒釀幽?,從而造成光能的衰減。能,從而造成光能的衰減。任何物質(zhì)都只對特定的波長范圍表現(xiàn)為透明,而對另一任何物質(zhì)都只對特定的波長范圍表現(xiàn)為透明,而對另一些波長范圍則不透明。些波長范圍則不透明。一:金屬對光吸收較強(qiáng)一:金屬對光吸收較強(qiáng)-金屬的價電子處于未滿帶,吸收光金屬的價電子處于未滿帶,吸收光子后即呈激發(fā)態(tài),無需躍遷到導(dǎo)帶即能產(chǎn)生碰撞而發(fā)熱。子后即呈激發(fā)態(tài),無需躍遷到導(dǎo)帶即能產(chǎn)生碰撞而發(fā)熱。二:電介質(zhì)材料,如玻璃、陶瓷等具有較好的透過性二:電介質(zhì)材料,如玻璃、陶瓷等具有較好的透過性-電子電子質(zhì)材料的價電子所處的能帶是滿帶。它不能吸收光子而自由運(yùn)質(zhì)材料的價電子所處的能帶是滿帶。它不能吸收光子而自由運(yùn)動,而光子的能量又不足以使價電子躍遷到導(dǎo)帶,所以在一定動,而光子的能量又不足以使價電子躍遷到導(dǎo)帶,所以在一定波長內(nèi),吸收率數(shù)小。波長內(nèi),吸收率數(shù)小。三:紫外光,能量大,半導(dǎo)體電子就會吸收能量從滿帶躍遷到三:紫外光,能量大,半導(dǎo)體電子就會吸收能量從滿帶躍遷到導(dǎo)帶,此時吸收系數(shù)大,禁帶寬度導(dǎo)帶,此時吸收系數(shù)大,禁帶寬度EgEg為為:2 2 光吸收與波長的關(guān)系光吸收與波長的關(guān)系除除了了真真空空,沒沒有有一一種種物物質(zhì)質(zhì)對對所所有有波波長長的的電電磁磁波波都是絕對透明的。都是絕對透明的。在在光光學(xué)學(xué)材材料料中中,石石英英對對所所有有可可見見光光幾幾乎乎都都透透明明的的,在在紫紫外外波波段段也也有有很很好好的的透透光光性性能能,且且吸吸收收系系數(shù)數(shù)不不變變,這這種種現(xiàn)現(xiàn)象象為為均均均均勻勻勻勻吸吸吸吸收收收收;但但在在3.53.55.0m5.0m的的紅紅外外光光,石石英英表表現(xiàn)現(xiàn)為為強(qiáng)強(qiáng)烈烈吸吸收收,且且吸吸收收率率隨隨波波長長的的變變化化劇劇烈烈變變化化,這這種種同同一一物物質(zhì)質(zhì)對對不不同同波波長長的的吸吸收收系系數(shù)數(shù)變變化化的的現(xiàn)現(xiàn)象象為為選選選選擇擇擇擇吸吸吸吸收收收收。均勻吸收和選擇吸收均勻吸收和選擇吸收 普通玻璃對可見光是透明的,但是對紅外線、紫外線都普通玻璃對可見光是透明的,但是對紅外線、紫外線都有強(qiáng)烈的吸收,是不透明的。有強(qiáng)烈的吸收,是不透明的。在紅外光譜儀中,棱鏡常用對紅外線透明的氯化鈉晶體在紅外光譜儀中,棱鏡常用對紅外線透明的氯化鈉晶體和氟化鈣晶體制作;而紫外光譜儀中,棱鏡常用對紫外線透和氟化鈣晶體制作;而紫外光譜儀中,棱鏡常用對紫外線透明的石英制作。明的石英制作。實(shí)際上,任何光學(xué)材料,在紫外和紅外端都有一定的透光實(shí)際上,任何光學(xué)材料,在紫外和紅外端都有一定的透光極限。極限。任何物質(zhì)都有這兩種形式的吸收(一般吸收和選擇吸任何物質(zhì)都有這兩種形式的吸收(一般吸收和選擇吸收)只是出現(xiàn)的波長范圍不同而已。收)只是出現(xiàn)的波長范圍不同而已。紅外吸收光譜:研究離子間的彈性振動。紅外吸收光譜:研究離子間的彈性振動。紫外吸收光譜:研究半導(dǎo)體的禁帶寬度。紫外吸收光譜:研究半導(dǎo)體的禁帶寬度。吸收光譜吸收光譜5.4.2 5.4.2 光的色散光的色散 材料的折射率隨入射光的頻率減小(或波長的材料的折射率隨入射光的頻率減?。ɑ虿ㄩL的增加)而減小的性質(zhì),稱為折射率的色散。增加)而減小的性質(zhì),稱為折射率的色散。在給定入射波長下,材料的色散:在給定入射波長下,材料的色散:最常用的數(shù)值是倒數(shù)相對色散,即最常用的數(shù)值是倒數(shù)相對色散,即色散系數(shù):色散系數(shù):描述光學(xué)玻璃的色散常用,描述光學(xué)玻璃的色散常用,平均色散:平均色散:分別為以鈉的分別為以鈉的D D譜線、氫的譜線、氫的F F譜線和譜線和C C譜譜線為光源測得的折射率。線為光源測得的折射率。經(jīng)典色散理論:(阻尼受迫振子模型)經(jīng)典色散理論:(阻尼受迫振子模型)介質(zhì)原子的電結(jié)構(gòu)被看成是正負(fù)電荷之間由一介質(zhì)原子的電結(jié)構(gòu)被看成是正負(fù)電荷之間由一根無形的彈簧束縛在一起的彈性振子。在光波電磁根無形的彈簧束縛在一起的彈性振子。在光波電磁場的作用下作受迫振動,振動的相位與振子的固有場的作用下作受迫振動,振動的相位與振子的固有頻率和光波頻率有關(guān)。頻率和光波頻率有關(guān)。受迫振動的振子作為次波源向外發(fā)射散射波,受迫振動的振子作為次波源向外發(fā)射散射波,由于固體和液體中的這種散射中心密度很高,振子由于固體和液體中的這種散射中心密度很高,振子散射波的相互干涉,使得次波只沿原來入射光波方散射波的相互干涉,使得次波只沿原來入射光波方向前進(jìn)。次波和入射波疊加,使得合成波的在介質(zhì)向前進(jìn)。次波和入射波疊加,使得合成波的在介質(zhì)中的傳播速度與入射光波的頻率有關(guān),導(dǎo)致介質(zhì)對中的傳播速度與入射光波的頻率有關(guān),導(dǎo)致介質(zhì)對不同頻率的光有著不同的折射率。不同頻率的光有著不同的折射率。由由于于折折射射率率與與原原子子緊緊密密堆堆積積有有關(guān)關(guān),所所以以對對于于各各向向異異性性材材料料,在在不不同同的的方方向向上上表表現(xiàn)現(xiàn)出出不不同同的的折折射射率率值值,因因此此,當(dāng)當(dāng)單單色色光光束束通通過過各各向向異異性性介介質(zhì)質(zhì)的的表表面面時時,由由于于在在各各方方向向上上的的折折射射程程度度不不同同,折折射射光光會會分分成成兩兩束束沿著不同的方向傳播。這種現(xiàn)象稱為雙折射。沿著不同的方向傳播。這種現(xiàn)象稱為雙折射。5.5 晶體的雙折射和二向色性5.5.1 5.5.1 雙折射雙折射 通通過過改改變變?nèi)肴肷渖涔夤饩€線的的方方向向,可可以以找找到到在在晶晶體體中中存存在在一一些些特特殊殊方方向向,沿沿這這些些方方向向傳傳播播的的光光并并不不發(fā)發(fā)生生雙雙折折射射,這這些些特特殊方向稱為殊方向稱為晶體的光軸晶體的光軸。主截面:主截面:光光軸軸和和光光的的傳傳播播方方向向構(gòu)成的平面。構(gòu)成的平面。上述兩條折射光線,光矢量垂直于主截面的光線的折上述兩條折射光線,光矢量垂直于主截面的光線的折射率,稱為射率,稱為尋常光折射率尋常光折射率n0,不論入射光的入射角如何,不論入射光的入射角如何變化,變化,n0始終為一常數(shù),因而始終為一常數(shù),因而尋常光折射率嚴(yán)格服從折尋常光折射率嚴(yán)格服從折射定律。射定律。另一條另一條光矢量平行于主截面的光矢量平行于主截面的光線所構(gòu)成的折射率,光線所構(gòu)成的折射率,則隨入射線方向的改變而變化,稱為則隨入射線方向的改變而變化,稱為非常光折射率非常光折射率ne ,它不遵守折射定律,隨入射光的方向而變化。它不遵守折射定律,隨入射光的方向而變化。當(dāng)光沿晶體光軸方向入射時,只有當(dāng)光沿晶體光軸方向入射時,只有n n0 0存在,與光軸存在,與光軸方向垂直入射時,方向垂直入射時,n ne e達(dá)最大值,此值是材料的特性。達(dá)最大值,此值是材料的特性。尋常光和非常光都是線偏振光,不過它們的尋常光和非常光都是線偏振光,不過它們的電矢量振動方向不同。尋常光的振動方向垂直于電矢量振動方向不同。尋常光的振動方向垂直于主截面主截面(光軸和傳播方向構(gòu)成的平面光軸和傳播方向構(gòu)成的平面),而非常光,而非常光的振動方向平行于主截面的振動方向平行于主截面(不一定都平行于光軸不一定都平行于光軸)。5.5.2 5.5.2 雙折射現(xiàn)象的解釋雙折射現(xiàn)象的解釋 5.5.3 5.5.3 折射率橢球折射率橢球5.5.4 5.5.4 偏振元件偏振元件 偏振片,四分之一波片,二分之一波片等實(shí)現(xiàn)偏振片,四分之一波片,二分之一波片等實(shí)現(xiàn)光束偏振狀態(tài)的改變。光束偏振狀態(tài)的改變。5.5.5 5.5.5 二向色性偏振片二向色性偏振片 晶體結(jié)構(gòu)的各向異性不僅能產(chǎn)生折射率的各向晶體結(jié)構(gòu)的各向異性不僅能產(chǎn)生折射率的各向異性(雙折射),而且能產(chǎn)生吸收率的各向異性,異性(雙折射),而且能產(chǎn)生吸收率的各向異性,這一性質(zhì)被稱為二向色性。這一性質(zhì)被稱為二向色性。1、光吸收的物理機(jī)制?、光吸收的物理機(jī)制?2、光色散的物理機(jī)制?、光色散的物理機(jī)制?3、雙折射的物理機(jī)制?、雙折射的物理機(jī)制?5.6.1 5.6.1 散射與其他光學(xué)現(xiàn)象的關(guān)系散射與其他光學(xué)現(xiàn)象的關(guān)系 光通過含有煙塵、微粒、懸浮液滴或成分不均勻的介光通過含有煙塵、微粒、懸浮液滴或成分不均勻的介質(zhì)時,都會有一部分能量偏離原來的傳播方向而向四面八方質(zhì)時,都會有一部分能量偏離原來的傳播方向而向四面八方彌散,這種現(xiàn)象為光的散射。彌散,這種現(xiàn)象為光的散射。這比單一吸收衰減(朗伯特定律)更快。這比單一吸收衰減(朗伯特定律)更快。5.6 5.6 介質(zhì)的光散射介質(zhì)的光散射 光衰減規(guī)律:光衰減規(guī)律:光散射強(qiáng)度:光散射強(qiáng)度:散射系數(shù)與散射質(zhì)點(diǎn)的大小、數(shù)量以及散射質(zhì)點(diǎn)與基體的相對散射系數(shù)與散射質(zhì)點(diǎn)的大小、數(shù)量以及散射質(zhì)點(diǎn)與基體的相對折射率有關(guān)。折射率有關(guān)。根據(jù)散射前后光子能量(或光波波長)變化與否,分為彈性根據(jù)散射前后光子能量(或光波波長)變化與否,分為彈性散射與非彈性散射。非彈性散射要比彈性散射低幾個數(shù)量級散射與非彈性散射。非彈性散射要比彈性散射低幾個數(shù)量級 彈性散射:散射前后光的波長(或光子能量)不發(fā)生變化,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。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。的結(jié)果,稱為非彈性散射。5.6.1 5.6.1 散射與其他光學(xué)現(xiàn)象的關(guān)系散射與其他光學(xué)現(xiàn)象的關(guān)系一、彈性散射分類一、彈性散射分類按照散射中心尺度按照散射中心尺度a a0 0與入射光波長與入射光波長是大小,分為三類:是大小,分為三類:1.1.廷德爾散射廷德爾散射廷德爾散射廷德爾散射 Tyndall ScatteringTyndall Scattering (J.TyndallJ.Tyndall,1820-1893)1820-1893)當(dāng)當(dāng)當(dāng)當(dāng)a a a a0 0 0 0時,時,時,時,0 0 0 0即散射中心的尺度遠(yuǎn)大于光波波長時,散射光強(qiáng)與入射即散射中心的尺度遠(yuǎn)大于光波波長時,散射光強(qiáng)與入射即散射中心的尺度遠(yuǎn)大于光波波長時,散射光強(qiáng)與入射即散射中心的尺度遠(yuǎn)大于光波波長時,散射光強(qiáng)與入射光波長無關(guān)光波長無關(guān)光波長無關(guān)光波長無關(guān)如粉筆灰、白云呈白色如粉筆灰、白云呈白色如粉筆灰、白云呈白色如粉筆灰、白云呈白色例如在膠體、乳濁液以及含有煙、霧或灰塵的大氣中的例如在膠體、乳濁液以及含有煙、霧或灰塵的大氣中的例如在膠體、乳濁液以及含有煙、霧或灰塵的大氣中的例如在膠體、乳濁液以及含有煙、霧或灰塵的大氣中的散射。散射。散射。散射。2.2.米氏散射米氏散射 Mile ScatteringMile Scattering當(dāng)當(dāng)a a0 0與與相近時,相近時,=0=04 4即散射中心的尺度與光波波長可以比擬時,即散射中心的尺度與光波波長可以比擬時,在在0 04 4之間之間,具體取值與散射中心有關(guān)具體取值與散射中心有關(guān).米氏散射性質(zhì)比較復(fù)雜。米氏散射性質(zhì)比較復(fù)雜。3.瑞利散射瑞利散射 Rayleigh scattering當(dāng)當(dāng)a0時,時,=4 即當(dāng)散射中心的線度遠(yuǎn)小于入即當(dāng)散射中心的線度遠(yuǎn)小于入射光的波長時,散射強(qiáng)度與波長的射光的波長時,散射強(qiáng)度與波長的4次方成反次方成反比比通常我們把線度小于光的波長的微粒對入射光通常我們把線度小于光的波長的微粒對入射光的散射,稱為瑞利散射(的散射,稱為瑞利散射(Rayleigh scattering)。)。瑞利散射不改變原入射光的頻率。瑞利散射不改變原入射光的頻率。按照瑞利散射定律,我們不按照瑞利散射定律,我們不難理解晴天時晨陽與午陽的難理解晴天時晨陽與午陽的顏色不同。顏色不同。入射波長越長,散射光強(qiáng)越入射波長越長,散射光強(qiáng)越小,即長波散射要小于短波小,即長波散射要小于短波散射。散射。因?yàn)榇髿饧皦m埃對光譜上藍(lán)因?yàn)榇髿饧皦m埃對光譜上藍(lán)紫色光的散射比紅橙色光為紫色光的散射比紅橙色光為甚,陽光透過大氣層越厚,甚,陽光透過大氣層越厚,其中藍(lán)紫色光成分損失越多,其中藍(lán)紫色光成分損失越多,太陽顯得越紅。太陽顯得越紅。Global早晨中午太陽光彈性散射的原因:彈性散射的原因:均勻介質(zhì)中存在分布不均、且與其折射率相差較均勻介質(zhì)中存在分布不均、且與其折射率相差較大的雜質(zhì)微粒。大的雜質(zhì)微粒。物質(zhì)中具有電結(jié)構(gòu)的原子、分子等微觀粒子在光物質(zhì)中具有電結(jié)構(gòu)的原子、分子等微觀粒子在光波電磁場的作用下受迫振動,這些受迫振動的粒子成波電磁場的作用下受迫振動,這些受迫振動的粒子成為發(fā)光中心向各個方向發(fā)射球面次波,由于固態(tài)和液為發(fā)光中心向各個方向發(fā)射球面次波,由于固態(tài)和液態(tài)粒子的結(jié)構(gòu)致密,微粒中每個分子發(fā)出的次波相位態(tài)粒子的結(jié)構(gòu)致密,微粒中每個分子發(fā)出的次波相位相關(guān)聯(lián),合成發(fā)射一個大的次波。由于各個雜質(zhì)微粒相關(guān)聯(lián),合成發(fā)射一個大的次波。由于各個雜質(zhì)微粒之間空間位置排列毫無規(guī)律,這些大次波不會因?yàn)橄嘀g空間位置排列毫無規(guī)律,這些大次波不會因?yàn)橄辔魂P(guān)系而相互干涉,因此微粒向各個方向散射光波。位關(guān)系而相互干涉,因此微粒向各個方向散射光波。歸一散射:歸一散射:發(fā)生在光波前進(jìn)方向的散射。發(fā)生在光波前進(jìn)方向的散射。二、非彈性散射分類二、非彈性散射分類1.1.拉曼散射拉曼散射 (Raman scatteringRaman 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。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)不同而在因散射介質(zhì)能級結(jié)構(gòu)不同而在10100 0 10104 4cmcm-1-1之間變化。之間變化。2.2.布里淵散射布里淵散射 (Brillouin scatteringBrillouin 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。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。旁,只能用高分辨的雙單色儀等光譜儀才能分辨出來。波波動動觀觀點(diǎn)點(diǎn):光光的的非非彈彈性性散散射射機(jī)機(jī)制制,是是光光波波電電磁磁場場與與介介質(zhì)質(zhì)內(nèi)內(nèi)微微觀觀粒粒子子固固有有振振動動之之間間的的耦耦合合,可可激激發(fā)發(fā)介介質(zhì)質(zhì)微微觀觀結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的振振動動或或?qū)?dǎo)致致振振動動的的淬淬滅滅,以以至至于于散散射射光光波波頻頻率率相相應(yīng)應(yīng)出出現(xiàn)現(xiàn)“紅紅移移”(頻頻率率降降低低)或或“藍(lán)藍(lán)移移”(頻率增高)。(頻率增高)。通通常常產(chǎn)產(chǎn)生生拉拉曼曼振振動動的的的的介介質(zhì)質(zhì)多多由由相相互互約約束束的的正正負(fù)負(fù)離離子子所所組組成成。正正負(fù)負(fù)離離子子的的周周期期性性振振動動導(dǎo)導(dǎo)致致偶偶極極矩矩的的周周期期性性變變化化,這這種種振振動動偶偶極極矩矩與與光光波波電電磁磁場場的的相相互互作作用用引引起起的的能能量量交交換換,發(fā)發(fā)生生光光波波的的非非彈彈性性散散射射。一一般般認(rèn)認(rèn)為為拉拉曼曼散散射射是是分分子子或或點(diǎn)點(diǎn)陣陣振振動動的的光光學(xué)學(xué)聲聲子(光學(xué)模)對光波的散射。子(光學(xué)模)對光波的散射。量子力學(xué)觀點(diǎn)量子力學(xué)觀點(diǎn):能級與虛能級之間的躍遷與回落。:能級與虛能級之間的躍遷與回落。虛虛能能級級:電電磁磁場場和和介介質(zhì)質(zhì)相相互互作作用用過過程程中中形形成成的的符符合合態(tài)。態(tài)。共共振振拉拉曼曼散散射射:當(dāng)當(dāng)入入射射光光的的頻頻率率選選擇擇到到使使虛虛能能級級正正好好與與介介質(zhì)質(zhì)的的某某個個能能級級重重合合時時,拉拉曼曼散散射射強(qiáng)強(qiáng)度度會會大大大大加強(qiáng)。加強(qiáng)。拉拉曼曼(Raman)光光譜譜:主主要要研研究究點(diǎn)點(diǎn)陣陣振振動動(分分子子的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動和振動)動和振動)5.7 5.7 材料的光發(fā)射材料的光發(fā)射平衡輻射和非平衡輻射平衡輻射和非平衡輻射1.1.平衡輻射平衡輻射只與輻射體的溫度和發(fā)射本領(lǐng)有關(guān),如白熾燈的發(fā)光。只與輻射體的溫度和發(fā)射本領(lǐng)有關(guān),如白熾燈的發(fā)光。2.2.非平衡輻射非平衡輻射在外界激發(fā)下物體偏離了原來的熱平衡,繼而發(fā)出的輻射。在外界激發(fā)下物體偏離了原來的熱平衡,繼而發(fā)出的輻射。光發(fā)射的定義光發(fā)射的定義材料以某種方式吸收能量之后,將其轉(zhuǎn)化為光能即發(fā)射光子的過程。自然界中很多物質(zhì)都可發(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)時間發(fā)光顏色、發(fā)光強(qiáng)度及延續(xù)時間等。液晶液晶顯示顯示超薄超薄電視電視等離子顯示器等離子顯示器日光燈日光燈日光燈日光燈精密探頭精密探頭手機(jī)手機(jī)手機(jī)手機(jī)發(fā)光材發(fā)光材料料筆記本筆記本筆記本筆記本陰極射陰極射陰極射陰極射線線線線液晶液晶相機(jī)相機(jī)光源光源能夠發(fā)光的物體稱為光源能夠發(fā)光的物體稱為光源 =(E2-E1)/hE1E2 原子光波列原子光波列 (wave train)(wave train)(1)熱輻射)熱輻射(2)電致發(fā)光)電致發(fā)光(3)光致發(fā)光)光致發(fā)光(4)化學(xué)發(fā)光)化學(xué)發(fā)光 自發(fā)自發(fā)輻射輻射(5)同步輻射光源)同步輻射光源(6)激光光源)激光光源 受激受激輻射輻射激發(fā)態(tài)原子或分子的自發(fā)輻射激發(fā)態(tài)原子或分子的自發(fā)輻射 =(E2-E1)/hE1E2激發(fā)態(tài)原子或分子的受激輻射激發(fā)態(tài)原子或分子的受激輻射 材料發(fā)光前可以有多種方式向其注入能量材料發(fā)光前可以有多種方式向其注入能量5.7.1 激勵方式激勵方式 光激勵(光致發(fā)光)光激勵(光致發(fā)光)通過光的輻照將材料中的電子激發(fā)到高能態(tài)從而導(dǎo)致發(fā)光。激勵光源可以采用光頻波段、x-射線波段、-射線波段。如熒光燈:通過紫外線激發(fā)涂布于燈管內(nèi)壁的熒光粉而發(fā)光。電激勵(電致發(fā)光)電激勵(電致發(fā)光)通過對絕緣發(fā)光體施加強(qiáng)電場而導(dǎo)致發(fā)光,通過對絕緣發(fā)光體施加強(qiáng)電場而導(dǎo)致發(fā)光,或者從外電路將電子(或空穴)注入到半導(dǎo)或者從外電路將電子(或空穴)注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶(或價帶),導(dǎo)致載流子復(fù)合而發(fā)體的導(dǎo)帶(或價帶),導(dǎo)致載流子復(fù)合而發(fā)光。光。如儀器指示燈的發(fā)光二極管:半導(dǎo)體復(fù)合如儀器指示燈的發(fā)光二極管:半導(dǎo)體復(fù)合發(fā)光。發(fā)光。陰極射線發(fā)光陰極射線發(fā)光 利用高能量的電子來轟擊材料,通過電子利用高能量的電子來轟擊材料,通過電子在材料內(nèi)部的多次散射碰撞,使材料中多種在材料內(nèi)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。發(fā)光中心被激發(fā)或電離而發(fā)光的過程。如彩電的顏色:采用電子束掃描,激發(fā)顯如彩電的顏色:采用電子束掃描,激發(fā)顯象管內(nèi)表面上不同成分的熒光粉,使它們發(fā)象管內(nèi)表面上不同成分的熒光粉,使它們發(fā)射紅、綠、藍(lán)三種基本光波而實(shí)現(xiàn)發(fā)光。射紅、綠、藍(lán)三種基本光波而實(shí)現(xiàn)發(fā)光。所用材料:所用材料:主要是透明的無機(jī)化合物,包括禁帶寬度比主要是透明的無機(jī)化合物,包括禁帶寬度比較大的絕緣體和半導(dǎo)體材料。有機(jī)發(fā)光材料近來也得較大的絕緣體和半導(dǎo)體材料。有機(jī)發(fā)光材料近來也得到了較快發(fā)展。到了較快發(fā)展。發(fā)光材料的構(gòu)成:發(fā)光材料的構(gòu)成:基體(基質(zhì))基體(基質(zhì))激活劑激活劑發(fā)光中心。發(fā)光中心。助溶劑助溶劑促進(jìn)材料的結(jié)晶或與激活劑匹配。促進(jìn)材料的結(jié)晶或與激活劑匹配。5.7.2 材料發(fā)光的基本性質(zhì)材料發(fā)光的基本性質(zhì)一、發(fā)射光譜:一、發(fā)射光譜:發(fā)射光強(qiáng) 發(fā)射光波長指在一定的激發(fā)條件下發(fā)射光強(qiáng)按波長的分布。其形狀與材料的能量結(jié)構(gòu)有關(guān)。反映材料中從高能級自發(fā)地向下躍遷過程。發(fā)射光譜發(fā)射光譜二、激發(fā)光譜:二、激發(fā)光譜:發(fā)光強(qiáng)度 激發(fā)光波長指材料發(fā)射某一特定譜線(或譜帶)的發(fā)光強(qiáng)度隨激發(fā)光的波長而變化的曲線能夠引起材料發(fā)光的激發(fā)波長也一定是材料可以吸收的波長,但激發(fā)光譜吸收光譜(因?yàn)橛械牟牧衔展夂蟛灰欢〞l(fā)射光,其可能把吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉對發(fā)光沒有貢獻(xiàn)的吸收是不會在激發(fā)光譜上反映的)。反映材料中從基態(tài)始發(fā)的向上躍遷過程。激發(fā)光譜激發(fā)光譜三、發(fā)光壽命:三、發(fā)光壽命:發(fā)光壽命指發(fā)光體在激發(fā)停止之后持續(xù)發(fā)光時間的長短。發(fā)光強(qiáng)度也以指數(shù)規(guī)律衰減:余輝時間:從激發(fā)停止時的發(fā)光強(qiáng)度I0衰減到I0/10的時間,按余輝時間長短分為:超長余輝(超長余輝(1s1s)、長余輝()、長余輝(0.10.1 1s1s)、中余輝()、中余輝(1 1 100ms100ms)、中短余輝、中短余輝(1010-2-2 1ms1ms)、短余輝(、短余輝(1 1 1010s s)、超短余輝()、超短余輝(1 1s s)n-初始激發(fā)態(tài)的電子數(shù)-電子在單位時間內(nèi)躍遷到基態(tài)的概率=1/發(fā)光壽命四、發(fā)光效率四、發(fā)光效率量子效率q:指發(fā)射光子數(shù)nout與吸收光子數(shù)(或輸入的電子數(shù))nin之比。功率效率p:表示發(fā)光功率Pout與吸收光功率(或輸入的電功率)Pin之比。光度效率l:表示發(fā)射的光通量L與輸入的光功率(或電功率)Pin之比。功率效率與光度效率的關(guān)系:()-人眼的視見函數(shù) I()-發(fā)光功率的光譜分布函數(shù) D 光功當(dāng)量按照發(fā)光中心與發(fā)光效率分:按照發(fā)光中心與發(fā)光效率分:按照發(fā)光中心與發(fā)光效率分:按照發(fā)光中心與發(fā)光效率分:2.2.復(fù)合發(fā)光復(fù)合發(fā)光 源于固體本征態(tài)的輻射躍遷源于固體本征態(tài)的輻射躍遷 固體能帶模型描述(限于最高能隙固體能帶模型描述(限于最高能隙E Eg g內(nèi))內(nèi))如如II-VIII-VI、III-VIII-V族半導(dǎo)體發(fā)光族半導(dǎo)體發(fā)光1.1.分立中心發(fā)光分立中心發(fā)光3.3.特殊的復(fù)合發(fā)光特殊的復(fù)合發(fā)光BaFBaF2 2型型 固體中局域中心內(nèi)部電子態(tài)間的輻射躍遷固體中局域中心內(nèi)部電子態(tài)間的輻射躍遷 位形坐標(biāo)描述位形坐標(biāo)描述如稀土離子發(fā)光(寬禁帶絕緣體材料)如稀土離子發(fā)光(寬禁帶絕緣體材料)發(fā)發(fā)光光分分類類5.7.3 發(fā)光的物理機(jī)制發(fā)光的物理機(jī)制一、分立中心發(fā)光一、分立中心發(fā)光 RE RE3+3+發(fā)光,雜質(zhì)、缺陷發(fā)光發(fā)光,雜質(zhì)、缺陷發(fā)光 其發(fā)光通常是摻雜在透明基質(zhì)材料中的離子,或基質(zhì)材料自身結(jié)構(gòu)的某一個基團(tuán)。選擇不同的發(fā)光中心和不同的基質(zhì)組合,可以改變發(fā)光體的發(fā)光波長,調(diào)節(jié)其光色。發(fā)光中心分布在晶體點(diǎn)陣中,受晶體點(diǎn)陣作用,使其能量狀態(tài)發(fā)生變化進(jìn)而影響材料發(fā)光性能。根據(jù)發(fā)光中心與晶體點(diǎn)陣之間相互作用的強(qiáng)弱可分為根據(jù)發(fā)光中心與晶體點(diǎn)陣之間相互作用的強(qiáng)弱可分為兩種情況:兩種情況:1.1.發(fā)光中心基本上是孤立的它的發(fā)光光譜與自由離子相發(fā)光中心基本上是孤立的它的發(fā)光光譜與自由離子相似;似;2.2.發(fā)光中心受基質(zhì)點(diǎn)陣電場(或晶體場)影響較大,其發(fā)光中心受基質(zhì)點(diǎn)陣電場(或晶體場)影響較大,其發(fā)光特性與自由離子不同必須把中心和基質(zhì)作為一個發(fā)光特性與自由離子不同必須把中心和基質(zhì)作為一個整體來分析。整體來分析。晶格場對發(fā)光離子的主要影響:晶格場對發(fā)光離子的主要影響:晶格場對發(fā)光離子的主要影響:晶格場對發(fā)光離子的主要影響:(1 1 1 1)晶格場影響光譜結(jié)構(gòu))晶格場影響光譜結(jié)構(gòu))晶格場影響光譜結(jié)構(gòu))晶格場影響光譜結(jié)構(gòu) 用于晶格場的擾動會引起中心離子簡并能級分裂,用于晶格場的擾動會引起中心離子簡并能級分裂,用于晶格場的擾動會引起中心離子簡并能級分裂,用于晶格場的擾動會引起中心離子簡并能級分裂,導(dǎo)致發(fā)光譜線分裂。導(dǎo)致發(fā)光譜線分裂。導(dǎo)致發(fā)光譜線分裂。導(dǎo)致發(fā)光譜線分裂。(2 2 2 2)晶格場影響光譜的相對強(qiáng)度)晶格場影響光譜的相對強(qiáng)度)晶格場影響光譜的相對強(qiáng)度)晶格場影響光譜的相對強(qiáng)度 改變了躍遷選擇。改變了躍遷選擇。改變了躍遷選擇。改變了躍遷選擇。(3 3 3 3)晶格場影響發(fā)光壽命)晶格場影響發(fā)光壽命)晶格場影響發(fā)光壽命)晶格場影響發(fā)光壽命 改變了躍遷選擇。改變了躍遷選擇。改變了躍遷選擇。改變了躍遷選擇。Eu3+離子離子在不同基在不同基質(zhì)材料中質(zhì)材料中的發(fā)射光的發(fā)射光譜譜二、二、復(fù)合發(fā)光復(fù)合發(fā)光 復(fù)合發(fā)光與分立中心發(fā)光最根本的區(qū)別在于,復(fù)合發(fā)光與分立中心發(fā)光最根本的區(qū)別在于,復(fù)合發(fā)光時電子的躍遷涉及固體的能帶。由于電子復(fù)合發(fā)光時電子的躍遷涉及固體的能帶。由于電子被激發(fā)到導(dǎo)帶時在價帶上留下一個空穴,因此當(dāng)導(dǎo)被激發(fā)到導(dǎo)帶時在價帶上留下一個空穴,因此當(dāng)導(dǎo)帶的電子回到價帶與空穴復(fù)合時,便以光的形式放帶的電子回到價帶與空穴復(fù)合時,便以光的形式放出能量。復(fù)合發(fā)光的所發(fā)射光子的能量等于禁帶寬出能量。復(fù)合發(fā)光的所發(fā)射光子的能量等于禁帶寬度。通常采用半導(dǎo)體材料,以摻雜的方式提高度。通常采用半導(dǎo)體材料,以摻雜的方式提高 發(fā)光發(fā)光效率。效率。如果在如果在P-N結(jié)上加正向電壓,結(jié)上加正向電壓,內(nèi)電場勢壘的高度降低,勢壘內(nèi)電場勢壘的高度降低,勢壘區(qū)的寬度變窄。由于勢壘減弱,區(qū)的寬度變窄。由于勢壘減弱,電子就源源不斷從電子就源源不斷從N區(qū)流向區(qū)流向P區(qū),空穴反之,大量的電子和區(qū),空穴反之,大量的電子和空穴相遇復(fù)合,并以光的形式空穴相遇復(fù)合,并以光的形式釋放能量。釋放能量。5.8 材料的受激輻射和激光材料的受激輻射和激光20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了激光;輻射能量在空間空間和時間時間上高度集中,其亮度比太陽強(qiáng)1010倍;用途:信息、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、能源和國防領(lǐng)域。1917年愛因斯坦在研究“黑體輻射能量分布”問題時,提出-光與物質(zhì)的相互作用除了光吸收、光發(fā)射著兩個基本過程之外,還存在第三個基本過程-受激輻射。問題:光與物理相作用的三種過程以及它們之間的關(guān)系?5.8.1 受激輻射受激輻射光與物質(zhì)相互作用的三個基本過程:光與物質(zhì)相互作用的三個基本過程:光的吸收、光發(fā)射、受激輻射光的吸收、光發(fā)射、受激輻射自發(fā)輻射過程自發(fā)輻射過程注:從高能E2向低能E1自發(fā)、獨(dú)立地發(fā)射一個光子,除了能量(頻率)受上式制約之外,其發(fā)射方向和發(fā)射方向和偏振態(tài)偏振態(tài)都是隨機(jī)和無規(guī)則的隨機(jī)和無規(guī)則的。單位體積、單位時間發(fā)生自發(fā)輻射原子數(shù):N2代表高能E2的原子密度;A21代表自發(fā)輻射躍遷概率-自發(fā)輻射系數(shù)。與原子的性質(zhì)有關(guān),與輻射場無關(guān)。負(fù)號表明自發(fā)輻射導(dǎo)致N2隨時間減少。自發(fā)輻射的光子數(shù)自發(fā)輻射的光子數(shù)如果原子處于低能級,當(dāng)有能量滿足hv=E2-E1的光子時,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(dāng)頻率的外來光子時才會發(fā)生,故稱為“受激吸收受激吸收”。單位體積、單位時間發(fā)生受激吸收的原子數(shù):其中系數(shù)B12稱為受激吸收系數(shù),輻射場的能量密度,受激吸收幾率。吸收的結(jié)果導(dǎo)致高能級的原子數(shù)增加。受激輻射的過程:受激輻射的過程:當(dāng)一個能量滿足hv=E2-E1的光子趨近高能級E2的原子時,有可能入射的光子非但不被吸收,反而誘導(dǎo)高能級原子發(fā)射一個和自已性質(zhì)完全相同的光子來。特點(diǎn):特點(diǎn):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)。受激輻射受激輻射是受激吸收受激吸收的逆過程,它的發(fā)生使高能級的原子數(shù)減少。單位體積、單位時間發(fā)生受激輻射的原子數(shù):其中系數(shù)B21稱為受激輻射系數(shù),輻射場的能量密度,受激輻射幾率。在熱平衡的條件下,只有當(dāng)輻射體發(fā)射的光子數(shù)(包括自發(fā)輻射和受激輻射)等于吸收的光子數(shù)時,才能保持輻射場能量密度不變。受激輻射的意義受激輻射的意義愛因斯坦的黑體輻射理論首次預(yù)言了受激輻射的存在,明確提出了光子和受激輻射概念,以更清晰的物理圖像解釋了黑體輻射的規(guī)律近半個世紀(jì)后制造出了第一臺激光器第一臺激光器。5.8.2 激活介質(zhì)激活介質(zhì)1、受激輻射產(chǎn)生的光子數(shù)與受激吸收的光子數(shù)之比等于E2/E1能級上的粒子數(shù)之比;2、怎樣才能使受激輻射占主導(dǎo)地位呢?關(guān)鍵在于設(shè)法突破玻耳茲曼分布,使上能級的粒子數(shù)下能級的粒子數(shù)-稱為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。3、熱平衡下,光波通過物質(zhì)體系時總是或多或少的被吸收,因而越來越弱;但是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的體系相反。4、激活介質(zhì):激活介質(zhì):實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì),具有對光的放大作用。光波通過介質(zhì)時強(qiáng)度隨距離呈:由于一般介質(zhì)的吸收系數(shù)為正數(shù),所以II0。對于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)介質(zhì),吸收系數(shù)為負(fù)數(shù),如令g=-a,g為增益系數(shù),則有:實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)稱為“負(fù)吸收介質(zhì)”或“增益介質(zhì)”,即對光波有放大作用的介質(zhì)。由于受激輻光子的性質(zhì)與入射光子完全一樣,激活介質(zhì)光放大的結(jié)果,就能使特定頻率、特定方向、特定偏振態(tài)的光得到增強(qiáng),當(dāng)增益足以克服損耗時,即形成激光輻射激光輻射。激勵的種類不同分:氣體激勵;核能激勵;激光激勵等。實(shí)例 固體激光通過光激勵(稱為光泵),要求介質(zhì)有較寬的吸收譜帶吸收譜帶,使得有較多發(fā)光中心離子被激發(fā)。被激發(fā)的離子一般通過無輻射躍遷過渡到激光作用的高能級。這個過程希望有高的量高的量子效率子效率,以達(dá)到高的熒光量子效率。發(fā)射激光的高能級應(yīng)具有較長的壽命較長的壽命,以便可積累較多的粒子,利于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。5.8.3 光學(xué)諧振腔和模式光學(xué)諧振腔和模式真正產(chǎn)生激光必須要求受激輻射在頻率、方向、偏振上集中。光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔是發(fā)揮這一作用的部件,諧振腔通常由放置在激活介質(zhì)兩端的兩面反射鏡所構(gòu)成,反射鏡的內(nèi)表面蒸鍍對特定波長具有高反射率的介質(zhì)膜或金屬膜。諧振腔主要作用:1、提供光的正反饋、提供光的正反饋為了使光強(qiáng)不斷放大,讓一定波長的自發(fā)輻射光在兩個反射鏡之間來回反射并反復(fù)通過激活介質(zhì),以誘發(fā)受激輻射。2、限制或選擇光束的方向、限制或選擇光束的方向因?yàn)橹挥心切┗旧涎刂R面法線方面運(yùn)行的光束,才會被鏡面反射回來而經(jīng)激活介質(zhì)反復(fù)放大形成強(qiáng)光束,而其他方向的光波都會很快逸出腔外,不可能積累到很高的強(qiáng)度,所以,諧振腔限制了激光束的方向。3 3、選擇光的模式或振蕩頻率、選擇光的模式或振蕩頻率被諧振腔來回反射的光束彼此疊加起來,將形成光強(qiáng)在空間的穩(wěn)定分布。不同的模式分布對應(yīng)于不同的頻率。這種駐波的頻率滿足:4、將腔內(nèi)激光束的一部分耦合到腔外作為輸出光束,提供人們使用5.8.4 激光振蕩條件激光振蕩條件激勵過程中對光強(qiáng)的增益和損耗兩個因素:1、激活介質(zhì)的光放大作用對一定的波長有增益。2、介質(zhì)的散射和吸收會造成光的損耗。反射鏡的反射率不足100%(有一定透射)對腔內(nèi)光波也是一種損耗。顯然,僅光增益超過損耗時才會實(shí)現(xiàn)激光振蕩。-“閾值條件”。
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