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材料的光學(xué)性能OpticalPropertiesofMaterials 杜宇雷材料科學(xué)與工程學(xué)院 關(guān)于光的疑惑 3 光的本性 1905年 愛因斯坦提出 光的粒子性 光同時(shí)具有波 粒二象性 波 粒二象性的聯(lián)系 關(guān)于光的認(rèn)識(shí) 光的本性 光波是電磁波 真空中 介質(zhì)中 介質(zhì)的折射率 電磁矢量均與光的傳播方向垂直 光和物質(zhì)的相互作用主要由電矢量決定 光矢量指電矢量 光波是橫波 光的本性 光的本性 光子是玻色子 玻色子是不可分辨的 不受泡利不相容原理的約束 對(duì)玻色子系統(tǒng) 單粒子態(tài)Ei的平均占有數(shù)為玻色 愛因斯坦分布 玻色 愛因斯坦凝聚態(tài) 光與固體材料相互作用 反射 折射 散射 吸收 光束在介質(zhì)中傳播時(shí) 部分光線偏離原方向分散傳播的現(xiàn)象稱為光的散射 從分子理論來看 光波射入介質(zhì)后 將激起介質(zhì)中的電子作受迫振動(dòng) 從而發(fā)散出相干次波 只要分子密度是均勻的 次波相干迭加的結(jié)果 只剩下遵從幾何光學(xué)規(guī)律的沿原方向傳播的光線 其余方向的振動(dòng)完全抵消 若介質(zhì)是不均勻的 它能夠破壞次波的干涉相消 從而引起光的散射 光吸收的類型 一般吸收 generalabsorption 在給定的波段范圍內(nèi) 若介質(zhì)對(duì)光的吸收很少 而且光吸收量與波長無關(guān) 在可見光范圍內(nèi) 一般吸收意味著光通過介質(zhì)后不改變顏色而只改變強(qiáng)度 選擇吸收 selectiveabsorption 在給定的波段范圍內(nèi) 媒質(zhì)吸收某種波長的光能比較顯著 在可見光范圍內(nèi) 選擇吸收意味著光通過介質(zhì)后既改變顏色也改變強(qiáng)度 如果不把光局限于可見光范圍以內(nèi) 可以說一切物質(zhì)都具有一般吸收和選擇吸收兩種特性 選擇吸收性是物體呈現(xiàn)顏色的主要原因 金屬的光透過性質(zhì) 金屬吸收光子后電子能態(tài)的變化 金屬的光透過性質(zhì) 非金屬的光透過性質(zhì) 選擇吸收 selectiveabsorption 非金屬吸收光子后電子能態(tài)的變化 金屬材料 顏色取決于其反射光的波長 無機(jī)非金屬材料 顏色通常與光吸收特性有關(guān) 顏色 從微觀上分析 光子與固體材料相互作用 實(shí)際上是光子與固體中的原子 離子 電子之間的相互作用 其結(jié)果導(dǎo)致 光子與固體材料相互作用 電子極化 孤立原子吸收光子后電子態(tài)轉(zhuǎn)變示意圖 2 電子能態(tài)轉(zhuǎn)變 能量被吸收 光強(qiáng)降低光速降低 產(chǎn)生折射 發(fā)光的物理機(jī)制發(fā)射光譜 光源發(fā)射光波的物體 如太陽 蠟燭等 光源發(fā)出的光是其中大量的分子或原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)所輻射出的電磁波 發(fā)光的物理機(jī)理 電子沿著一個(gè)個(gè)分立的軌道繞核旋轉(zhuǎn) 當(dāng)電子在確定的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí) 原子具有確定的能量 電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道 原子或分子就從一個(gè)能態(tài)躍變到另一能態(tài) 同時(shí)伴隨著能量的變化 電子在不同軌道之間躍變 原子向外釋放或吸收能量 E n 1 n 2 n 3 n 4 n 5 n 6 n 1 n 3 n 2 n 原子的不同能態(tài)用一個(gè)個(gè)分立的能級(jí)表示 原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一定態(tài) 會(huì)發(fā)射或吸收一個(gè)光子 頻率 輻射頻率公式 波列長L c 每一個(gè)輻射光子稱作一個(gè)波列 每個(gè)波列持續(xù)時(shí)間約10 8s 原子或分子的發(fā)光過程是彼此獨(dú)立的 隨機(jī)的 光源發(fā)出的連續(xù)光波實(shí)際上是大量原子或分子發(fā)光的總效果 相互獨(dú)立的波列 非相干 同一原子先后發(fā)出的光 非相干 不同原子發(fā)出的光 注 發(fā)射光譜 原子發(fā)射光譜 鐵和其他元素的原子發(fā)射光譜圖 上為鐵譜 下為其他元素光譜 原子的發(fā)射光譜是線狀光譜 每種原子有其獨(dú)特的發(fā)射光譜 識(shí)別不同原子的標(biāo)志 分子發(fā)射光譜 若干光譜帶組成的帶狀光譜 分子光譜 分子能級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜 分子的能量 能級(jí)間隔滿足 分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷發(fā)出遠(yuǎn)紅外輻射 振動(dòng)能級(jí)間的躍遷發(fā)出中紅外輻射 而電子能級(jí)間的躍遷發(fā)出可見光和紫外輻射 熒光發(fā)射 電子由第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí) 基態(tài) 多為S1 S0躍遷 10 7 10 9s 磷光發(fā)射 電子由第一激發(fā)三重態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí) 基態(tài) T1 S0躍遷 電子由S0進(jìn)入T1的可能過程 S0 T1禁阻躍遷 S0 激發(fā) 振動(dòng)弛豫 內(nèi)轉(zhuǎn)移 系間跨越 振動(dòng)弛豫 T1發(fā)光速度很慢 10 4 100s 光照停止后 可持續(xù)一段時(shí)間 光致發(fā)光 熒光和磷光 光與物質(zhì)相互作用的三種基本方式 愛因斯坦在光量子論的基礎(chǔ)上 把光頻電磁場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用劃分為三種過程 自發(fā)輻射 受激輻射和受激吸收 1 模型 參予與光相互作用的 粒子只有間距為hv E2 E1 E2 E1 的二個(gè)能級(jí) 且它們符合輻射躍遷選擇定則 2 在這種模型中的輻射躍遷 粒子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷 須吸收光子 hv E2 E1從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷 會(huì)發(fā)射光子 hv E2 E1 1 自發(fā)輻射 在無外電磁場(chǎng)作用時(shí) 粒子自發(fā)地從E2躍遷到E1 發(fā)射光子hv 自發(fā)輻射是原子在不受外界輻射場(chǎng)控制的情況下自發(fā)過程 因此 大量原子的自發(fā)輻射場(chǎng)的相位是無規(guī)則分布的 因而是不相干的 此外 自發(fā)輻射場(chǎng)的傳播方向和偏振方向也是無規(guī)則分布的 自發(fā)輻射平均地分配在腔內(nèi)所有的模式上 a 特點(diǎn) 各粒子自發(fā) 獨(dú)立地發(fā)射的光子 各光子的方向 偏振 初相等狀態(tài)是無規(guī)的 獨(dú)立的 粒子體系為非相干光源 普通光源 h 2 受激輻射 原處于高能級(jí)E2的粒子 受到能量恰為hv E2 E1的光子的激勵(lì) 發(fā)射出與入射光子相同的一個(gè)光子而躍遷到低能級(jí)E1 a 特點(diǎn) 受激發(fā)射只能在頻率滿足hv E2 E1的光子的激勵(lì)下發(fā)生 不同粒子發(fā)射的光子與入射光子的頻率 位相 偏振等狀態(tài)相同 這樣 光場(chǎng)中相同光子數(shù)目增加 光強(qiáng)增大 即入射光被放大 光放大過程 受激發(fā)射的粒子系統(tǒng)是相干光源 相同 相干 受激發(fā)射是產(chǎn)生激光的最重要機(jī)理 外來光子 受激幅射光子 受激輻射是在外界輻射場(chǎng)的控制下的發(fā)光過程 因而各原子的受激發(fā)射的相位不再是無規(guī)則分布的 而應(yīng)有和外界輻射場(chǎng)相同的相位 量子電動(dòng)力學(xué)可證明 受激輻射光子與入射光子屬于同一光子態(tài) 原子發(fā)光的經(jīng)典電子論可以幫助我們得到一個(gè)定性的粗略理解 按經(jīng)典電子論模型 原子的自發(fā)躍遷是原子中電子的自發(fā)阻尼振蕩 沒有任何外加光電場(chǎng)來同步各個(gè)原子的自發(fā)阻尼振蕩 因而電子振蕩發(fā)出的自發(fā)輻射是相位無關(guān)的 而受激輻射對(duì)應(yīng)于電子在外加光電場(chǎng)作用下作強(qiáng)迫振蕩時(shí)的輻射 電子強(qiáng)迫振蕩的頻率 相位 振動(dòng)方向顯然應(yīng)與外加光電場(chǎng)一致 因而強(qiáng)迫振動(dòng)電子發(fā)出的受激輻射應(yīng)與輻射場(chǎng)具有相同的頻率 相位 傳播方向和偏振狀態(tài) 受激輻射與自發(fā)輻射的重要區(qū)別 相干性 3 受激吸收 原處于低能級(jí)E1的粒子 受到能量恰為hv E2 E1的光子照射而吸收該光子的能量 躍遷到高能級(jí)E2 h 激光原理 愛因斯坦研究輻射時(shí)指出 在一定條件下 如果能使受激輻射繼續(xù)去激發(fā)其他粒子 造成連鎖反應(yīng) 雪崩似地獲得放大效果 最后就可得到單色性極強(qiáng)的輻射 即激光 一 粒子的能級(jí)與輻射躍遷 1 粒子的能級(jí) 組成物質(zhì)的原子 分子等粒子總是處于一定的能態(tài)或能級(jí) 能量最低的能態(tài)稱為基態(tài) 其它能量較高的狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài) 基態(tài)是最穩(wěn)定的狀態(tài) 通常多數(shù)粒子處在基態(tài)上 當(dāng)一粒子獲得一定的能量躍遷到某一激發(fā)態(tài)時(shí) 它在激發(fā)態(tài)上停留的時(shí)間一般很短 其平均壽命大約在10 9 10 7秒 有些粒子的某些激發(fā)態(tài)壽命較長 平均壽命大約可達(dá)10 3 10 2秒 這樣的激發(fā)態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài) 1 受激吸收 假設(shè)E1 E2為某個(gè)粒子的兩個(gè)能級(jí) 如圖所示 一個(gè)處在較低能級(jí)E1上的粒子 吸收一個(gè)能量hn E2 E1的光子 躍遷到較高的能級(jí)E2上 這一過程稱為光的受激吸收 2 自發(fā)輻射 處在高能級(jí)上的粒子可以自發(fā)地輻射光子而躍遷到較低的能級(jí) 這種過程稱為自發(fā)輻射 如圖所示 自發(fā)輻射光子的能量hn E2 E1 3 受激輻射 處在高能級(jí)E2上的粒子 在一個(gè)外來的能量為hn E2 E1的光子的誘發(fā)下 躍遷到能量較低的能級(jí)E1 同時(shí)釋放出一個(gè)與誘發(fā)光子完全相同的光子的過程稱為受激輻射 二 粒子數(shù)按能級(jí)分布 1 波爾茲曼分布 根據(jù)波爾茲曼分布 在熱平衡條件下 處在高能級(jí)上的粒子的數(shù)目總是少于低能級(jí)上的粒子的數(shù)目 例如 根據(jù)波爾茲曼分布計(jì)算得知 氖原子3s激發(fā)態(tài)與基態(tài)在常溫下 T 300K 兩能級(jí)的粒子數(shù)之比為N2 N1 e 653 1這說明 在熱平衡條件下 絕大多數(shù)的粒子都處在基態(tài) 能級(jí)能量越高 粒子數(shù)越少 1 受激輻射與吸收過程的矛盾設(shè)想有一個(gè)誘發(fā)光子 欲誘發(fā)受激輻射 由于在熱平衡時(shí) 處在高能級(jí)上的粒子數(shù)目總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于低能級(jí)上的粒子數(shù)目 這樣 誘發(fā)光子遇到低能級(jí)上粒子的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高能級(jí)上的粒子 因此 吸收過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過受激輻射過程 2 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布為了使受激輻射過程勝過吸收過程 必須破壞粒子數(shù)的熱平衡分布 使得處在高能級(jí)上的粒子數(shù)目大于低能級(jí)上的粒子數(shù)目 這種分布已不是熱平衡分布了 稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 2 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)示意圖 3 能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì) 工作物質(zhì) 有適當(dāng)?shù)哪芗?jí)結(jié)構(gòu) 亞穩(wěn)態(tài) Nd YAG Nd YVO4 Nd YLF Ruby 必須能在該物質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 可以是氣體 液體 固體或半導(dǎo)體 現(xiàn)已有工作物質(zhì)近千種 可以產(chǎn)生波長從紫外到遠(yuǎn)紅外波段 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)必須具備的條件 能量的供應(yīng)過程激勵(lì) 光泵浦 工作物質(zhì)內(nèi)必須存在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí) 亞穩(wěn)態(tài)不如基態(tài)穩(wěn)定 但比激發(fā)態(tài)穩(wěn)定 He Ne Ar Ru CO2等具有亞穩(wěn)態(tài) 可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 亞穩(wěn)態(tài)E2 基態(tài)E1 激發(fā)態(tài)E3 三能級(jí)系統(tǒng)示意圖 E1與E2之間產(chǎn)生以受激輻射為主的躍遷 激勵(lì) 無輻射躍遷 激勵(lì)源 泵浦 抽運(yùn) 為使工作物質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 必須用一定的方法激勵(lì)原子體系 使處于高能級(jí)的粒子數(shù)增加 用氣體放電的辦法激發(fā)物質(zhì)原子 稱為電激勵(lì) 也可用脈沖光源去照射工作物質(zhì) 稱為光激勵(lì) 還有熱激勵(lì) 化學(xué)激勵(lì)等 為了不斷地得到激光輸出 就需不斷地將處于低能級(jí)的原子抽運(yùn)到高能級(jí)上去 激勵(lì)源形象地稱為泵 光學(xué)諧振腔 使某一方向 某一頻率的輻射不斷得到加強(qiáng) 其它方向 其它頻率的輻射受到抑制的裝置 全反射鏡M1 部分反射鏡M2 激光 工作物質(zhì) 作用 選擇激光的方向 選擇激光的頻率 激勵(lì)能源 實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 解決了受激輻射與吸收過程的矛盾 但還不能產(chǎn)生激光 要產(chǎn)生激光還需要一個(gè)光學(xué)諧振腔 所謂光學(xué)諧振腔 實(shí)際上是在激光器兩端 面對(duì)面地裝上兩塊反射率很高的平面鏡 一塊平面鏡對(duì)光幾乎全反射 另一塊則讓光大部分反射 少部分透射出去 以使激光可透過這塊鏡子而射出 光在放大介質(zhì)中經(jīng)歷的路程越長 和越多的原子發(fā)生作用 才能獲得越有效的光放大 但是把工作物質(zhì)作得無限長是不現(xiàn)實(shí)的 反射鏡的一個(gè)作用是使光沿工作物質(zhì)軸線在反射鏡間來回反射 每經(jīng)過一次工作物質(zhì)光就得到一次放大 被反射回到工作物質(zhì)的光 繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射 光在諧振腔內(nèi)來回振蕩 造成連鎖反應(yīng) 雪崩式地獲得放大 受激輻射的起始光信號(hào)來源于自發(fā)輻射 而自發(fā)輻射的光包含較大的波長范圍 這樣較大范圍的波長都有可能被放大 從而導(dǎo)致了非單一波長的光輸出 在反射鏡上鍍一層對(duì)一定波長光具有反射率的薄膜 使只有該波長的光才能在諧振腔內(nèi)來回反射 而其它波長的光在經(jīng)過一次反射鏡時(shí)就逸出腔外 激光器的結(jié)構(gòu) He Ne激光器的工作原理 反射鏡 反射鏡 陽極 陰極 布儒斯特窗 毛細(xì)管 工作物質(zhì) 氦氣 輔助物質(zhì) 氖氣 激勵(lì)方式 直流氣體放電 具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì) 激勵(lì)系統(tǒng)和光學(xué)諧振腔 光束在諧振腔內(nèi)來回震蕩 在工作物質(zhì)中的傳播使光得以放大 并輸出激光 He Ne激光器中Ne氣粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)的實(shí)現(xiàn) 電子 He 21s 23s 亞穩(wěn)態(tài) Ne 3s 2s 3p 2p 1150nm 632 8nm 3390nm 電子經(jīng)電場(chǎng)加速后 與He碰撞 處于激發(fā)態(tài)的He與Ne碰撞 把能量傳遞給Ne 使它在亞穩(wěn)態(tài) 3s 2s 和激發(fā)態(tài) 3p 2p 之間形成反轉(zhuǎn)分布 新型納米激光器的設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)