【教学课件】第三章材料的光学.ppt

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1、第三章,杜慧玲 博士 主讲西安科技大学材料科学与工程系,材料的光学,内容,光的基本性质介质对光的反射与折射介质对光的吸收介质对光的散射与色散材料的光发射激光与激光材料,1 光是电磁波,2 光的折射与反射,3 光的吸收与散射,4 光的偏振,应用电磁场理论说明光的基本现象和规律,光波与物质在界面处的相互作用,光波在介质中与物质原子的相互作用,光矢量和光的各种偏振态,几何光学(geometrical optics),波动光学(wave optics),量子光学(quantum optics),回顾与总结,光的现象,光的微粒说,光的波动说,光的电磁说,光的波粒二象性,光的直线传播,光的传播速度,光的反

2、射,光的折射,光的干涉,光的衍射,电磁波谱,光谱,?,1.光的基本性质,引言：,（1）微粒学说(corpuscular theory),（2）波动学说(undulatory theory),（3）光 具有波粒二象性的物质 粒子性：光子(Photon)：E=h=h c/,一 电磁波是矢量波,电磁波 交变电磁状态的传播,设一平面电磁波,由麦克斯韦理论可得：,真空中的电磁波,1.光的基本性质1.1 电磁辐射,同理：,当电场振动沿,轴正向传播时，有反映该振动的平面简谐波,用麦氏电磁场方程组可推出,1.光的基本性质1.1 电磁辐射,在真空中：,在介质中：,1.光的基本性质1.1 电磁辐射,折射率(ref

3、ractive index),二 电磁波的性质,(1)电磁波是横波,振动量,与波速,构成相互,垂直的右手螺旋关系。,(2)电磁波的偏振性,分别在各自的平面上振动。,旋光现象。,1.光的基本性质1.1 电磁辐射,(3)电场与磁场同相变化,振幅之间满足,电、磁场分量与电磁波传播方向互相垂直,1.光的基本性质1.1 电磁辐射,(4)电磁波的能量,1.光的基本性质1.1 电磁辐射,电磁波的能流密度,坡印廷矢量,电磁波的强度,1.光的基本性质1.1 电磁辐射,电磁波具有各种频率：无线电，微波，红外线，可见光，紫外线，,射线和,射线等。,可见光(visible light)能够引起人的视觉的电磁波。,1.

4、光的基本性质1.2 电磁波谱,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,附近。,1.光的基本性质1.2 电磁波谱,电磁波光谱,1.光的基本性质1.2 电磁波谱,无线电波波长比可见光长得多，不能引起人的视觉，可以引起电子的振荡。由于波长很长，一个金属网笼，甚至桥梁上的钢架就可以将其阻止。微波波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食物里很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加热。红外线（IR）分布在微波和可见光之间，且仅能够在它聚集热的地方探测到。蛇和其他一些生物对红外线很敏感；红外线不能透过玻璃，这一特性可以解释温室效应：晴天时，经过温室玻璃的可见光被植物吸收，而红外线被再次辐射，

5、被玻璃捕获的红外线引起温室内部的温度升高，整个宇宙充满了宇宙大爆炸时残留的冷却物质发出的红外辐射。,1.光的基本性质1.2 电磁波谱,紫外线（UV）：频率高于可见光的，不能引起视觉，对生命有危害，来自太阳的紫外线几乎被大气中的臭氧完全吸收，臭氧保护着地球的生命，少量透过大气的紫外线会晒黑皮肤或使进行日光浴的人体产生晒斑。X射线：波长比紫外线还短的电磁波，它们很易穿过大多数物质。致密的物质、固体材料比稀疏物质容易吸收更多的X射线，这就是为什么在X射线照片上显现的是骨骼而不是骨骼周围的组织。其波长可与原子尺寸相比拟。,1.光的基本性质1.2 电磁波谱,射线和宇宙射线：波长最短，波长尺寸约为原子核大

6、小量级射线产生于核反应及其他特殊的激发过程宇宙射线来自地球之外的空间。,1.光的基本性质1.2 电磁波谱,在固体材料中出现的光学现象的电磁辐射与固体材料中的原子、离子或电子相互作用的结果。从宏观上讲，当光从一种介质进入另一种介质时，回发生光的透过、吸收和反射。设入射到固体表面的光辐射能流率为0，透过、吸收和反射光的光辐射能流率为T，A和 R，则有,1.光的基本性质1.3 光与固体的相互作用,光辐射能流率：表示单位时间内通过单位面积（与光线传播方向垂直）的能量。,光与固体相互作用的本质有两种方式：电子极化电子能态转变,1.光的基本性质1.3 光与固体的相互作用,电子极化电磁波的分量之一是迅速变化

7、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。,1.光的基本性质1.3 光与固体的相互作用,1.光的基本性质1.3 光与固体的相互作用,电子能态转变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。,2.光的

8、反射与折射2.1 反射定律与折射定律,光的反射和折射反射定律三线共面；反射角等于入射角折射定律三线共面；,光速：,真空:折射率:折射定律:三线共面；反射率R:,两媒质界面上光的折射和反射,2.光的反射与折射2.1 反射定律与折射定律,一、惠更斯原理：为了说明光的传播定律，惠更斯提出了一个普遍原理媒质中波动传到的各点，都可以看作是发射子波的波源，而在其后的任意时刻，这些子波的包络面就是新的波面。也就是说，光波波前（最前沿的波面）上的每一点都可看作球面次波源，每一次波源发射的球面波以光波的速度v传播，经过时间t之后形成球面半径为vt的球面次波。如此产生的无数个次波的包络就是t时间后的新波前。该原理

9、适用于机械波和电磁波,2.光的反射与折射2.2 折射率与传播速度的关系,2.光的反射与折射2.2 折射率与传播速度的关系,二、折射定律：材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。光密介质：在折射率大的介质中，光的传播速度慢；光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快。材料的折射率从本质上讲，反映了材料的电磁结构（对非铁磁介质主要是电结构）在光波作用下的极化性质或介电特性。,二、折射定律：正是因为介质的极化，“拖住”了电磁波的步伐，才使得其传播速度变得比真空中慢。铁磁性材料非铁磁性材料,2.光的反射与折射2.2 折射率与传播速度的关系,光疏介质和光密介质全反射：当光从光密介质射向光疏介质，

10、且入射角大于临界角时，光线被100%反射的现象。此时不再有折射光线，入射光的能量全部回到第一介质中。临界角：光纤导光原理：全反射,2.光的反射与折射2.3 光的全反射,光纤结构示意图：,纤芯：575m掺杂了的SiO2，n一定或随半径增加而减小。包层:总直径为100 200m,折射率稍小于纤芯的掺杂了的SiO2。涂敷层：硅铜或丙烯酸盐，隔离杂光。护套：尼龙或有机材料，增加强度，保护光纤。,2.光的反射与折射2.3 光的全反射,多普勒效应：波源或观察者相对于媒质运动而使观察者接受到的波的频率有所变化的现象。频率计算：波源不动，观察者运动，即：，观察者认为接受到的波数变了。观察者不动，波源运动，即：

11、，观察者认为接受到的波长变了。,2.光的反射与折射2.4 多普勒效应,波源与观察者同时运动，即：，四种情况：波源和观察者不在一直线上运动 光源与观察者的相对速度为 接近：远离,2.光的反射与折射2.4 多普勒效应,介质对光的吸收,在光束通过物质时，它的传播情况将要发生变化。首先光束越深入物质，它的光强将越减弱，这是由于一部分光的能量被物质所吸收，而另一部分光向各个方向散射所造成的，这就是光的吸收和散射现象。其次，光在物质中的速度将小于光在真空中的速度，并将随频率而改变，这就是光的色散现象，光的吸收、散射和色散这三种现象，都有是由于光与物质的相互作用引起的，实质上是由光与原子中的电子相互作用引起

12、的。这些现象是不同物质光学性质的主要表现，对它们的讨论可以为我们提供关于原子、分子和物质结构的信息。本章侧重于对现象及其唯象规律的描述，并用经典电子论对这些现象作进一步的解释。,定义由于光是一种能量流，在光通过材料传播时，会引起材料的电子跃迁或使原子振动，从而使光能的一部分变成热能，导致光能的衰减，这种现象称为介质对光的吸收。吸收系数,介质对光的吸收3.1 基本性质,光通过物质时，光波中的振动着的电矢量，将使物质中的带电粒子作受迫振动，光的部分能量将用来提供这种受迫振动所需要的能量。这些带电粒子如果与其它原子或分子发生碰撞，振动能量就会转变为平动动能，从而使分子热运动能量增加，物体发热。光的部

13、分能量被组成物质的微观粒子吸取后转化为热能，从而使光的强度随着穿进物质的深度而减小的现象，称为光的吸收（absorption）。,介质对光的吸收3.2 吸收定律,一 吸收定律-布格定律,如图所示，光强为I0的单色平行光束沿x轴方向通过均匀物质，在经过一段距离x后光强已减弱到I，再通过一无限薄层dx后光强变为I+dI(dI0)。实验表明，在相当宽的光强度范围内，-dI相当精确地正比于I和dx，即-dI=aIdx,式中a是与光强无关的比例系数，称为该物质的吸收系数（absorption coefficient）。于是，上式是光强的线性微分方程，表征了光的吸收的线性规律。,介质对光的吸收3.2 吸收

14、定律,为了求出光束穿过厚度为l的物质后光强的改变，可将上式改写为然后对x积分，即可得 换言之，若入射光强为I0，则通过l的物质后的光强为称为布格定律（Bouguer law）或朗伯定律。该定律是布格（P.Bouguer，16981758）在1729年发现的，后来朗伯（J.H.Lambert，17281777）在1760年又重新作了表述。,6-2,介质对光的吸收3.2 吸收定律,实验表明，当光被透明溶剂中溶解的物质吸收时，吸收系数a与溶液的浓度C成正比，即a=AC，其中A是一个与浓度无关的常量。这时可以写成 称为比尔定律（Beer law）。根据比尔定律，可以测定溶液的浓度，这就是吸收光谱分析的

15、原理。比尔定律表明，被吸收的光能是与光路中吸收光的分子数成正比的，这只有每个分子的吸收本领不受周围分子影响时才成立。事实也正是这样，当溶液浓度大到足以使分子间的相互作用影响到它们的吸收本领时就会发生对比尔定律的偏离。,介质对光的吸收3.2 吸收定律,二 吸收定律 比尔定律,材料对光的吸收机理：电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒数处在同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；电子受激吸收光子而越过禁带；电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光；所以，只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。光的吸

16、收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出的能量交换过程。,介质对光的吸收3.3 吸收的物理机制,可见光中波长最短的是紫光，波长最长的是红光：所以，Eg1.8eV的半导体材料，是不透明的，因为所有可见光都可以通过激发价带电子向导带转移而被吸收。Eg=1.83.1的非金属材料，是带色透明的，因为只有部分可见光通过激发价带电子向导带转移而被材料吸收。,介质对光的吸收3.3 吸收的物理机制,禁带较宽的介电固体材料也可以吸收光波，但吸收机理不是激发电子从价带跃迁到导带，而是因其杂质在禁带中引进了附加能级，使电子能够吸收光子后实现从价带到受主能级或从施主能级到导带的跃迁。,介质对光的吸收3.3 吸收

17、的物理机制,除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。例如，在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象为一般吸收；但是对于波长范围为3.55.0m的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸收。换言之，石英对可见光和紫外线的吸收甚微，而对上述红外光有强烈的吸收。,介质对光的吸收3.4 一般吸收和选择吸收,又例如，普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线主紫外线都有强烈的吸收，是不透明的。因此在红外光谱仪中，棱镜常用对

18、红外线透明的氯化钠晶体和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，棱镜常用对紫外线透明的石英制作。实际上，任何光学材料，在紫外和红外端都有一定的透光极限。任何物质都有这两种形式的吸收只是出现的波长范围不同而已。,6-3,介质对光的吸收3.4 一般吸收和选择吸收,用具有连续谱的光（例如白光）通过具有选择吸收的物质，然后利用摄谱仪或分光光度计，可以观测到在连续光谱的背景上呈现有一条条暗线或暗带，这表明某些波长或波段的光被吸收了，因而形成了吸收光谱（absorption spectrum）。,介质对光的吸收3.5 吸收光谱,物质的发射谱（emission spectrum）有：线状谱（line spectru

19、m），带状谱（band spectrum）和连续谱等。大致说来，原子气体的光谱是线状谱，而分子气体、液体和固体的光谱是带状谱，吸收光谱的情况也是如此。值得注意的是，同一物质的发射光谱和吸收光谱之间有严格的对应关系，即物质自身发射哪些波长的光，它就强烈吸收这些波长的光。,介质对光的吸收3.5 吸收光谱,按照经典的电磁理论，原子可以看成是一系列弹性偶极振子的组合，其中每个振子有一定的固有频率，于是原子就有了一系列的固有频率。这种偶极振子一旦被外部能源激发，每个振子都会以其固有频率作简谐振动，并向周围空间发出同一频率的单色电磁波，从而在发射光谱上形成一条条的光谱线，形成了原子气体的线状发射光谱。当包

20、含有各种频率的白光照射在原子气体上时，只有那些频率与原子有固有频率一致的电磁波，会引起共振而被原子气体强烈地吸收，于是在原子气体的吸收光谱中形成了一条条与原子核固有频率对应的暗谱线。,介质对光的吸收3.5 吸收光谱,4 介质对光的散射 4.1 光散射现象,当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为光的散射。例如，当一束太阳光从窗外射进室外内时，我们从侧面可以看到光线的径迹，就是因为太阳光被空气中的灰尘散射的缘故。,光的散射导致原来传播方向上光强的减弱如果只计及各种散射因

21、素，光强随传播距离的散射减弱仍符合指数衰减规律：对于一般介质中光强的减弱，来自两个方面：吸收和散射，因此光强衰减为：,4 介质对光的散射 4.1 光散射现象,4 介质对光的散射 4.2 光散射分类,根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，分为弹性散射与非弹性散射 弹性散射：散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化，只改变方向的散射。非弹性散射：当光通过介质时，从侧向接受到的散射光主要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散射。当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪，可以发现散射光中还有其它光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱地多。这些频

22、率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果，称为非弹性散射。,一、弹性散射分类按照散射中心尺度a0与入射光波长是大小，分为三类：1.廷德尔散射 Tyndall Scattering(J.Tyndall，1820-1893)当a0时，0即散射中心的尺度远大于光波波长时，散射光强与入射光波长无关如粉笔灰、白云呈白色例如在胶体、乳浊液以及含有烟、雾 或灰尘的大气中的散射。,4 介质对光的散射 4.2 光散射分类,2.米氏散射 Mile Scattering当a0与相近时，=04即散射中心的尺度与光波波长可以比拟时，在04之间,具体取值与散射中心有关.米氏散射性质比较复杂。,4 介质对光的

23、散射 4.2 光散射分类,3.瑞利散射 Rayleigh scattering当a0时，=4 即当散射中心的线度远小于入射光的波长时，散射强度与波长的4次方成反比通常我们把线度小于光的波长的微粒对入射光的散射，称为瑞利散射（Rayleigh scattering）。瑞利散射不改变原入射光的频率。,4 介质对光的散射 4.2 光散射分类,为了解释天空为什么呈蔚蓝色，瑞利（，1842-1919）研究了线度比光的波长小的微粒的散射问题，在1871年提出了散射光强与波长的四次方成反比的关系，即 这就是瑞利散射定律。,4 介质对光的散射 4.2 光散射分类,瑞利散射定律,在散射微粒的尺度比光的波长小的条

24、件下，作用在散射微粒上的电场可视为交变的均匀场，于是散射微粒在极化时只感生电偶极矩而没有更高级的电矩。按照电磁理论，偶极振子的辐射功率正比于频率的四次方。瑞利认为，由于热运动破坏了散射微粒之间的位置关联，各偶极振子辐射的子波不再是相干的，计算散射光强时应将子波的强度而不是振幅叠加起来。因此，散射光强正比于频率的四次方,即反比于波长的四次方。实验和理论都证明,较大的颗粒对光的散射不遵从瑞利散射定律，这时散射光强与波长的依赖关系就不十分明显了。,4 介质对光的散射 4.2 光散射分类,3.瑞利散射按照瑞利散射定律，我们不难理解晴天时晨阳与午阳的颜色不同。入射波长越长，散射光强越小，即长波散射要小于

25、短波散射。因为大气及尘埃对光谱上蓝紫色光的散射比红橙色光为甚，阳光透过大气层越厚，其中蓝紫色光成分损失越多，太阳显得越红。,4 介质对光的散射 4.2 光散射分类,Global,早晨,中午,太阳光,二、非弹性散射分类1.拉曼散射（Raman scattering）是分子或点阵振动的光学声子（即光学模）对光波的散射。在光谱图上距离瑞利线较远，它们与瑞利线的频差可因散射介质能级结构不同而在100104之间变化。2.布里渊散射（Brillouin scattering）是点阵振动引起的密度起伏或超声波对光波的非弹性散射，即点阵振动的声学声子（即声学模）与光波之间的能量交换结果。由于声学声子的能量低于

26、光学声子，所以布里渊散射的频移比拉曼散射小，在光谱图上它们紧靠在瑞利线旁，只能用高分辨的双单色仪等光谱仪才能分辨出来。,4 介质对光的散射 4.2 光散射分类,在真空中，光以恒定的速度传播，与光的频率无关。然而，在通过任何物质时，光的传播速度要发生变化，而且不同频率的光在同物质中的传播速度也不同；这一事实在折射现象中最明显地反映了了出来，即物质的折射率与光的频率有关，折射率n取决于真空中光速c和物质中光速u之比，即 这种光在介质中的传播速度（或介质的折射率）随其频率（或波长）而变化的现象，称为光的色散现象。,6-4,5 介质对光的色散 5.1 色散的一般现象,1672年牛顿首先利用棱镜的色散现

27、象，把日光分解成了彩色光带。棱镜的折射率为 在棱镜顶角A已知的条件下，通过最小偏向角m的测量，利用上式可以得到棱镜材料对该波长的光的折射率n。用各种波长的光入射，即可得到m和n随波长的变化关系。,5 介质对光的色散 5.1 色散的一般现象,在光谱仪中，棱镜通常是安装在接近于产生最小偏向角的位置上，因此棱镜的角色散本领D=d/d可通过对上式的微分得到，即,5 介质对光的色散 5.1 色散的一般现象,波长相差的两条谱线之间的角距离为 以上两式中的dn/称为色散率，它表征了棱镜材料的色散性质。角色散本领D=d/d也可以写作 其中b为棱镜的底边，a为光束的宽度。,5 介质对光的色散 5.1 色散的一般

28、现象,测量不同波长光线通过棱镜的最小偏向角，就可以算出棱镜材料的折射率n与波长之间的关系曲线，即色散曲线。实验表明，凡在可见光范围内无色透明的物质，它们的色散曲线在形式上很相似，这些曲线的共同特点是，折射率n以及色散率dn/d的数值都随着波长的增加而单调下降，在波长很长时折射率趋于定值，这种色散称为正常色散（normal dispersion）。,6-5,5 介质对光的色散 5.2 正常色散,一、定义,1836年，科希（）给出了正常色散的经验公式，即 式中A，B和C是与物质有关的常量，其数值由实验数据来确定，当变化范围不大时，科希公式可 只取前两项，于是有：,二、科希公式,5 介质对光的色散

29、5.2 正常色散,实验表明，在发生强烈吸收的波段，色散曲线发生力量明显的不连续，折射率n随着波长的增加而增大，即dn/d 0，这种在吸收带附近不符合科希公式，与正常色散曲线大不相同的特征称之为反常色散（anomalous dispersion）尽管通常把这种色散称为反常色散，但实际上它反映了物质在吸收区域内所普遍遵从的色散规律。大多数材料在遇到吸收带时，色散曲线都有这种不连续的性质。在吸收区域以外，物质的色散曲线仍属于正常曲线。,6-6,5 介质对光的色散 5.3 反常色散,物理模型-阻尼受迫振子模型介质原子的电结构可以看作是由正负电荷之间用一根无形的弹簧束缚在一起的振子；光波引起介质中舒服电

30、荷的受迫振动；同时做受迫振动的振子（舒服电荷）也可以作为电磁波的波源，向外发射“电磁次波”；因为光速是等相位状态的传播速度，由于次波的叠加改变了波的相位，即改变了光速；次波的位相即振子受迫振动的位相，它与两个因素有关：入射光波的频率：即波长振子的固有频率：在经典理论中指材料的固有振动频率,5 介质对光的色散 5.4 经典色散理论,6 材料的光发射 6.1 光发射的定义,一、定义材料以某种方式吸收能量之后，将其转化为光能即发射光子的过程，这就是光发射。自然界中很多物质都可发光，但近代显示技术所用的发光材料主要是无机化合物，在固体材料中主要是采用禁带宽度较大的绝缘体，其次的半导体它们通常以多晶粉末

31、、薄膜或单晶的形式被应用。从应用的角度，主要关注材料的光学性能包括：发光颜色、发光强度及延续时间等。,6 材料的光发射 6.1 光发射的定义,二、平衡辐射和非平衡辐射1.平衡辐射只与辐射体的温度和发射本领有关，如白炽灯的发光。2.非平衡辐射在外界激发下物体偏离了原来的热平衡，继而发出的辐射。,6 材料的光发射 6.1 光发射的定义,三、光源,能够发光的物体称为光源,=(E2-E1)/h,E1,E2,原子光波列(wave train),一般光源的发光特点：,1 间歇性；,2 随机性。,（1）热辐射,（2）电致发光,（3）光致发光,（4）化学发光,自发辐射,（5）同步辐射光源,（6）激光光源,受激

32、辐射,激发态原子或分子的自发辐射,=(E2-E1)/h,E1,E2,激发态原子或分子的受激辐射,6 材料的光发射 6.2 激励方式,材料发光前可以有多种方式向其注入能量,6 材料的光发射 6.2 激励方式,一、光激励（光致发光）通过光的辐照将材料中的电子激发到高能态从而导致发光。激励光源可以采用光频波段、x-射线波段、-射线波段。如荧光灯：通过紫外线激发涂布于灯管内壁的荧光粉而发光。,6 材料的光发射 6.2 激励方式,二、阴极射线发光 利用高能量的电子来轰击材料，通过电子在材料内部的多次散射碰撞，使材料中多种发光中心被激发或电离而发光的过程。如彩电的颜色：采用电子束扫描，激发显象管内表面上不

33、同成分的荧光粉，使它们发射红、绿、蓝三种基本光波而实现发光。,6 材料的光发射 6.2 激励方式,三、电激励（电致发光）通过对绝缘发光体施加强电场而导致发光，或者从外电路将电子（或空穴）注入到半导体的导带（或价带），导致载流子复合而发光。如仪器指示灯的发光二极管：半导体复合发光。,一、发射光谱：发射光强 发射光波长指在一定的激发条件下发射光强按波长的分布。其形状与材料的能量结构有关。反映材料中从高能级始发的向下跃迁过程。,6 材料的光发射 6.3 材料发光的基本性质,二、激发光谱：发光强度 激发光波长指材料发射某一特定谱线（或谱带）的发光强度随激发光的波长而变化的曲线能够引起材料发光的激发波长

34、也一定是材料可以吸收的波长，但激发光谱吸收光谱（因为有的材料吸收光后不一定会发射光困难把吸收的光能转化为热能而耗散掉对发光没有贡献的吸收是不会在激发光谱上反映的）。反映材料中从基态始发的向上跃迁过程。,6 材料的光发射 6.3 材料发光的基本性质,三、发光寿命：发光寿命指发光体在激发停止之后持续发光时间的长短。发光强度也以指数规律衰减：余辉时间：从激发停止时的发光强度I0衰减到I0/10的时间，按余辉时间长短分为：超长余辉（1s）、长余辉（0.11s）、中余辉（1100ms）、中短余辉（10-21ms）、短余辉（1 10s）、超短余辉（1s）,6 材料的光发射 6.3 材料发光的基本性质,n-

35、初始激发态的电子数-电子在单位时间内跃迁到基态的概率=1/发光寿命,四、发光效率量子效率q：指发射光子数nout与吸收光子数（或输入的电子数）nin之比。功率效率p：表示发光功率Pout与吸收光功率（或输入的电功率）Pin之比。光度效率l：表示发射的光通量L与输入的光功率（或电功率）Pin之比。功率效率与光度效率的关系：（）-人眼的视见函数 I（）-发光功率的光谱分布函数 D 光功当量,6 材料的光发射 6.3 材料发光的基本性质,按照发光中心与发光效率分：,2.复合发光,源于固体本征态的辐射跃迁 固体能带模型描述（限于最高能隙Eg内）如II-VI、III-V族半导体发光,1.分立中心发光,3

36、.特殊的复合发光,BaF2型,固体中局域中心内部电子态间的辐射跃迁 位形坐标描述如稀土离子发光（宽禁带绝缘体材料）,发光分类,6 材料的光发射 6.4 发光的物理机制,一、分立中心发光 RE3+发光，杂质、缺陷发光 其发光通常是掺杂在透明基质材料中的离子，或基质材料自身结构的某一个基团。选择不同的发光中心和不同的基质组合，可以改变发光体的发光波长，调节其光色。发光中心分布在晶体点阵中，受晶体点阵作用，使其能量状态发生变化进而影响材料饿发光性能。,6 材料的光发射 6.4 发光的物理机制,根据发光中心与晶体点阵之间相互作用的强弱可分为两种情况：发光中心基本上是孤立的它的发光光谱与自由离子相似；发

37、光中心受基质点阵电场（或晶体场）影响较大，其发光特性与自由离子不同必须把中心和基质作为一个整体来分析。,6 材料的光发射 6.4 发光的物理机制,稀土离子发光：“4f4f”电子组态间的跃迁 如Tb3+,Eu3+,Gd3+,Pr3+线谱，禁戒部分解除）“4f5d”电子组态间的跃迁 如Ce3+带谱，允许跃迁 特点：及其丰富的能级，具有光谱的可调性。,6 材料的光发射 6.4 发光的物理机制,缺陷发光 F心，PWO的绿光、红光中心，ZnO的绿光，ZrO2的发光氧化物、氟化物、碱卤化物，负离子缺位（电子陷阱）+e F心,6 材料的光发射 6.4 发光的物理机制,1.固体“导带电子价带空穴”间的复合2.

38、“导带电子受主A（空穴）”或“价带空穴施主D（电子）”或“DA”复合3.激子（“eh”）或束缚激子的复合,二、复合发光,6 材料的光发射 6.4 发光的物理机制,固体中可能的跃迁（1）带间吸收；（21）带间发射或自由激子发射（因有一定结合能，略Eg,图上未显示）；（22）有一定声子参与的光发射；（3）（5）与杂质、缺陷有关的辐射复合；（6）分立中心内部的发射；（7）无辐射（多声子）弛豫；（8）俄歇Auger过程,6 材料的光发射 6.4 发光的物理机制,复合发光效率：,带间跃迁,直接高（仅有光子参与的电子跃迁）间接低（有光子和声子同时参与的电子跃迁）,带间跃迁中要保持能量守衡和动量守衡,6 材

39、料的光发射 6.4 发光的物理机制,发光体被激发后，电子、空穴如何运动，激发态如何去激发激发 能量传递 发光 研究方法：发光衰减（），激发光谱，时间分辨谱，发光的浓度依赖，温度依赖，热释光。,6 材料的光发射 6.5 发光动力学,一、能量传递现象：激发于某处（某中心），发光在另一处（另一中心）如 Ca3(PO4)2:Mn，250nm激发时，Mn不发光，Ca3(PO4)2:Ce，250nm激发时，Ce发光，Ca3(PO4)2:Mn，250nm激发时，可见Mn，Ce发光，Ce Mn,激发,CdS 10-5cm,发射,6 材料的光发射 6.5 发光动力学,二、能量传递方式：载流子传递 再吸收光子传递

40、 共振传递 激子传递,VB,发光,激发,Cu,ZnS:Cu,6 材料的光发射 6.5 发光动力学,激光（Laser）是受激辐射光放大的简称，是一种单色性好,亮度高、相干性强、方向性好的相干光束。激光技术是20世纪60年代后发展起来的一门技术，它带动了傅里叶光学、全息术、光学信息处理、光纤通信、非线性光学和激光光谱学等学科的发展，形成了现代光学。仅就全息照相和傅里叶光学中的一些最基础的内容作扼要的介绍。,7-1,激光（Laser）,7 其它光学性质 7.1 激光,全息照相,全息术（holography）是利用光的干涉和衍射原理，将携带物质信息的光波以干涉图的形式记录下来，并且在一定的条件下使其再

41、现，形成原物体逼真的立体象。由于记录了物体的全部信息，包括振幅和相位因此称为全息术。,7 其它光学性质 7.2 全息照相,为了提高电子显微镜的分辨本领，伽伯（D.Gabor，19001979）在1948年提出了全息术原理，并开始了全息照相（holography）的早期研究工作。那时的主要问题是再现的原始象与其共轭象不能分离，以及没有好的相干光源。1960年出现了激光以后，1962年莱特（E.Leith）和乌帕特尼克斯（J.Upatnieks）在全息术中利用了激光，并提出了离轴全息术，使全息技术迅速发展成为科学技术的一个新领域。激光记录和白光再现的全息术，例如反射全息、象全息、彩虹全息以及合成全

42、息等，使全息术在显示方面展现出了它的优越性，并逐步深入到了社会的各个领域中。而且，声全息术和微波全息术等也已经开始发展，但进展远不如光学全息术。,7 其它光学性质 7.2 全息照相,全息照片的获得光的干涉,由激光器发出的激光束，通过分光镜分成两束。一束称物光，它是经过透镜扩束后射向物体，再由物体反射后投向全息干版；另一束光经反射镜反射和透镜扩束后直接照到全息干版上，称为参考光。在干版上相遇后，发生干涉，形成干涉条纹。它是无数组干涉条纹的集合，最终形成一肉眼不能识别的全息图。干涉条纹的间距：d=/2sin(/2),7 其它光学性质 7.2 全息照相,全息照片的再现光的衍射,感光以后的全息底片经显

43、影、定影等处理得到的全息照片上，记录了无数干涉条纹，相当于一个“衍射光栅”，一般是用相同于拍摄时的激光作为照明光，照明光经全息照片（即“光栅”）便发生衍射，得到一列沿照射方向传播的零级衍射光波和二列一级衍射波。,7 其它光学性质 7.2 全息照相,全息照片的主要特点 立体感强。具有分割性。同一张全息干版可重叠多个全息图。有视差效应。改变全息照片位置或改变光波波长可使再现图像放大或缩小。,7-2,7 其它光学性质 7.2 全息照相,傅立叶光学 光学信息处理,20世纪30年代以来，光学与电通讯和电信息理论相互结合，逐渐形成了傅立叶光学。傅立叶光学的数学基础是傅立叶变换，它的物理基础是光的衍射理论。

44、阿贝成象原理：1873年，阿贝（E.Abbe，18401905）在显微镜成象原理的论述中，首次提出了空间频率和空间频谱以及两次衍射成象的概念，并用傅立叶变换来阐明显微镜成象的物理机制。1906年，波特（）以一系列实验证实了阿贝成象原理。,7 其它光学性质 7.3 傅立叶光学,1、光电效应的基本概念当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象叫光电效应，所逸出的电子叫光电子，由光电子形成的电流叫光电流，使电子逸出某种金属表面所需的功称为该种金属的逸出功。,8 光电效应8.1 光电效应的实验规律,2、实验装置,单色光通过石英窗照射金属板阴极上有光电子产生。,如将K接正极、A接负极，则光电子离开K后

45、，将受到电场的阻碍作用。当K、A之间的反向电势差等于U0时，从K逸出的动能最大的电子刚好不能到达A，电路中没有电流，U0叫遏止电压。,8 光电效应8.1 光电效应的实验规律,8 光电效应8.1 光电效应的实验规律,3、实验现象,(2)存在截止频率：对某一种金属来说，只有当入射光的频率大于某一频率n0时，电子才能从金属表面逸出，电路中才有光电流，这个频率n0叫做截止频率红限.,(1)饱和光电流：饱和光电流强度与入射光强度成正比。,(3)线性性：用不同频率的光照射金属K的表面时，只要入射光的频率大于截止频率，遏止电势差与入射光频率具有线性关系。,8 光电效应8.1 光电效应的实验规律,(4)瞬时性

46、：无论入射光的强度如何，只要其频率大于截止频率，则当光照射到金属表面时，几乎立即就有光电流逸出（延迟时间越为10-9s）,8 光电效应8.1 光电效应的实验规律,(1)经典认为光强越大，饱和电流应该大，光电子的初动能也该大。但实验上饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。,4、经典理论的困难,(2)只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认为有无光电效应不应与频率有关。,(3)瞬时性。经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。,8 光电效应8.1 光电效应的实验规律,1、爱因斯坦光子假说1905年，

47、爱因斯坦对光的本性提出了新的理论，认为光束可以看成是由微粒构成的粒子流，这些粒子流叫做光量子，简称光子。在真空中，光子以光速c 运动。一个频率为n的光子具有能量e=hn,2、光电效应的爱因斯坦方程,8 光电效应8.2 光子 爱因斯坦方程,3、光电效应解释,(1)饱和光电流强度与光强成正比：对于给定频率的光束来说，光的强度越大，表示光子的数目越多，光电子越多，光电流越大。,(2)红限频率的存在：当入射光频率低于红限频率n0，hnW/h），以致每个光子的能量足够大，电子才能克服逸出功而逸出金属表面。所以红限频率n=W/h；,8 光电效应8.2 光子 爱因斯坦方程,(3)截止电压与频率成线性关系,(

48、4)光电效应的瞬时性：当电子一次性地吸收了一个光子后，便获得了 hn 的能量而立刻从金属表面逸出，没有明显的时间滞后。,8 光电效应8.2 光子 爱因斯坦方程,光电管和固态光电探测器光电倍增管光控继电器光电导摄像管光敏电阻,8 光电效应8.3 光电效应的应用,密立根1916年的实验，证实了光子论的正确性，并求得h=6.5710-34 焦耳秒。光的波动性（p）和粒子性（）是通过普朗克常数联系在一起的。,相对论质能关系：,光子的质量：,因为：,光子的动量：,光既具有粒子性，又具有波动性，即具有波粒二象性,8 光电效应8.4 光的波粒二象性,1.某种介质的吸收系数a=0.32cm-1，试求透射光强分

49、别为入射光强的0.1，0.2，0.5及0.8倍时，该介质的厚度各为多少？如果改用a=10-2cm-1的玻璃或a=104cm-1的金属，则结果将如何？2.一块光学玻璃对水银灯蓝、绿谱线1=435.8nm和2=546.1nm的折射率分别为n1=1.65250和n2=1.62450，试应用科希公式计算这种玻璃对钠黄线3=589.3nm的折射率n3及色散率d n3/d。3.一个顶角为50的棱镜由某种玻璃制成，它的色散性可用科希公式描写，其中常量A=1.53974，B=4.6528103nm2。棱镜的位置放置得使它对波长550.0nm的光产生最小偏向角，试计算该棱玻璃的角色散本领D为多少rad/nm。,6-7,习 题,