材料的光学性能201401218

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1、 颜色、反射、透过、吸收、折射、发光1、光是什么？2、材料有哪些光学性能？3、材料具有这些光学性能的本质是什么？材料的光学性能光的现象光的微粒说（牛顿）光的波动说（胡克，惠更斯）光的电磁说（麦克斯韦）光的波粒二象性（普朗克，爱因斯坦）光的直线传播光的干涉光的衍射电磁波谱光谱 光的基本性质光的基本性质光的波粒二象性光的波粒二象性What is the light？Wave or Particle?Wave and Particle? Are relations P=hk and E=mc2 simultaneously compatible with principle of wave-part

2、icle duality? p=mcp=mc=E/c=hv/c=h/光子动量悖论？光子动量悖论？颜色有关的问题光色 波长(nm) 频率(Hz) 中心波长 红 760622 660 橙 622597 610 黄 597577 570 绿 577492 540 青 492470 480 兰 470455 460 紫 455400 430 1414108 . 4109 . 31414100 . 5108 . 41414104 . 5100 . 51414101 . 6104 . 51414104 . 6101 . 61414106 . 6104 . 61414105 . 7106 . 6可见光七彩颜

3、色的波长和频率范围可见光七彩颜色的波长和频率范围人眼最为敏感的光是黄绿光，即人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。附近。思 考 问 题物体是如何呈现不同颜色的？伸手不见五指的黑夜，你看见伸手不见五指的黑夜，你看见红花红花和和绿草绿草吗？吗？人类如何感知颜色？可见光之外的波段光子的能量如何测量？ 光通过固体的现象光通过固体的现象 折射（光速的变化）折射（光速的变化） 反射（能量的变化）反射（能量的变化） 吸收（能量的变化）吸收（能量的变化） 散射（能量的变化）散射（能量的变化） 透过（能量）透过（能量）反射定律和微观机制折射，负折射材料的不透明与半透明性光的吸收过程与机理电磁波的分量之一是

4、迅速变化的电场分量；在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用引起电子极化，即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移；所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时光速减小，后者导致折射。电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能态的过程；材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化E与电磁波频率有关： E=h受激电子不可能无限长时间地保持.在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波，即自发辐射。 原子的能级和晶体的能带原子的能级和晶体的能带光吸收J(x)=J0(1-R)e-ax R 为反射系数，

5、a为吸收系数 光的吸收与光电转换 导带价带能隙 （禁带） 本征吸收本征吸收 固体中电子的能带结构，绝缘体和半导体的能带结构如图所示。导带和价带之间存在一定宽度的能隙（禁带），在能隙中不能存在电子的能级。这样，在固体受到光辐射时，如果辐射光子的能量不足以使电子由价带跃迁至导带，那么晶体就不会激发，也不会发生对光的吸收。 例如，离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏，相当于紫外光的能量。因此，纯净的理想离子晶体对可见光以至红外区的光辐射，都不会发生光吸收，都是透明的。碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由25m到250nm，相当于0.055eV的能量。当有足够强的辐射（如紫光）照射离子晶体时，价带中

6、的电子就有可能被激发跨过能隙，进入导带，这样就发生了光吸收。这种与电这种与电子由价带到导带的跃迁相关的光吸收，称作本征吸收。子由价带到导带的跃迁相关的光吸收，称作本征吸收。例如，CaF2的基础吸收带在200nm(约6eV)附近，NaCl的基础吸收约为8eV，Al2O3的基础吸收约在9eV。导带价带能隙(禁带）激子能级 激子吸收 除了基础吸收以外，还有一类吸收，除了基础吸收以外，还有一类吸收，其能量低于能隙宽度，它对应于电子其能量低于能隙宽度，它对应于电子由价带向稍低于导带底处的的能级的由价带向稍低于导带底处的的能级的跃迁有关。这些能级可以看作是一些跃迁有关。这些能级可以看作是一些电子电子-空穴

7、（或叫做激子，空穴（或叫做激子，excition）的激发能级。的激发能级。杂质吸收杂质吸收无机离子固体的禁带宽度较大，一般为几个电子伏特，相当于紫外无机离子固体的禁带宽度较大，一般为几个电子伏特，相当于紫外光区的能量。因此，当可见光以至红外光辐照晶体时，如此的能量不足以光区的能量。因此，当可见光以至红外光辐照晶体时，如此的能量不足以使其电子越过能隙，由价带跃迁至导带。所以，晶体不会被激发，也不会使其电子越过能隙，由价带跃迁至导带。所以，晶体不会被激发，也不会发生光的吸收，晶体都是透明的。而当紫外光辐照晶体时，就会发生光的发生光的吸收，晶体都是透明的。而当紫外光辐照晶体时，就会发生光的吸收，晶体

8、变得不透明。吸收，晶体变得不透明。 Al2O3 单晶红宝石（Cr）蓝宝石（Ti、Te）思考：红宝石为什么是红色？铜为什么呈红色？铜离子呈蓝色？铁是银白色？为什么用铜做镜子？思考题太阳能电池的工作原理？ 材料的发光性能材料的发光性能光与热相伴而行白炽灯丝白炽灯丝2000太阳表面太阳表面5800要靠辐射有效地产生可见光，物体的温度必须足够高！热辐射决定于物体的温度，是一种普遍存在的现象。Four stages in development of lighting applicationsFire Candles and Lamps Bulbs and Tubes SemiconductorsFir

9、e Candles and Lamps Bulbs and Tubes Semiconductors一、两种发光类型：一、两种发光类型：物体发射可见光有两种形式：热发光和冷发光。由于可燃物质燃烧或物体温度升高达到红热、白热状态时的发光，称热发光。热发光在能量转化中的热耗大，发光效率低。物质不是由于温度升高而发射可见光，称冷发光。冷发光由于热耗小，发光效率较高。如荧火虫发光,发光热耗几乎等于零.1 1）热辐射的发光机制：）热辐射的发光机制： 电灯、火焰、太阳等热辐射体的发光是由于物质在受到热能作用时，原子中的电子吸收外来能量从低能级跃迁到高能级（即原子被激发）后从高能级自发地向低能级跃迁中放出能

10、量的过程。 电子从低能级向高能级跃迁的过程实际上是一个“受激吸收”过程。电子处在高能级的寿命很短（约108109秒），在没有外界作用下，处于高能级的电子会自发地向低能级跃迁，这种跃迁过程所发出的辐射称为自发辐射 。1、热辐射体的发光、热辐射体的发光蓝宝石、红宝石的颜色？2 2）热辐射的发光特点：）热辐射的发光特点：由于原子的自发辐射是一种随机过程，各发光原子的发光过程彼此独立，互不关联，所以热辐射各原子发出的光的方向是无规则的射向四面八方，且位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有大的宽度，因此发射光的频率不会是单一的，而有一定频率范围。光谱能量密度是波长与温度的函数，或光谱辐射出射度是波长与

11、温度的函数。（普朗克公式）发射率 （定义为辐射体的辐射出射度与同温度下黑体的辐射出射度之比）与辐射体的组成及表面情况辐射体的组成及表面情况密切相关。 3）人工热辐射源的辐射特性）人工热辐射源的辐射特性 能斯特灯：辐射体是由氧化锆、氧化钍和氧化钇粉末混合成型后在高温下烧结而成的细棒状灯丝。在1800K工作时，发射出15m附近的红外光，发射率达0.75。 硅碳棒：工作在1300-1500K间，发射连续谱，最大值在8m附近。 白炽灯：一般以钨丝为辐射体，工作温度很高，发射短波长(0.2-1.6m)连续谱。 高压短弧氙灯：发射短波长(0.2-1.8m)带多个峰的连续谱。2. 冷光不需要提高物体的温度，