第三章-光學(xué)性能

1、第三章光 學(xué) 性 能第一節(jié)光傳播的基本理論第二節(jié)光的反射和折射第三節(jié)材料對(duì)光的吸收和色散第四節(jié)晶體的雙折射和二向色性第五節(jié)介質(zhì)的光散射第六節(jié)材料的光發(fā)射第七節(jié)材料的受激輻射和激光孔雀藍(lán)色玻璃長(zhǎng)頸瓶孔雀藍(lán)色玻璃長(zhǎng)頸瓶神光神光I裝置（裝置（21012）(19861994年年) 新型光學(xué)和光電子器件的各種應(yīng)用新型光學(xué)和光電子器件的各種應(yīng)用 第一節(jié)光傳播的基本理論一、光的波粒二象性二、光的波動(dòng)性三、光的干涉和衍射四、光子的能量和動(dòng)量五、光通過(guò)固體的現(xiàn)象一、光的波粒二象性因斯坦理論中的光量子(光子)不同于牛頓微粒學(xué)說(shuō)中的粒子。他將光子的能量、動(dòng)量等表征粒子性質(zhì)的物理量與頻率、波長(zhǎng)等表征波動(dòng)性質(zhì)的物理量聯(lián)

2、系起來(lái)，并建立了定量關(guān)系。因此光子是同時(shí)具有微粒和波動(dòng)兩種屬性的特殊物質(zhì)，是光的雙重本性的統(tǒng)一。二、光的波動(dòng)性圖3-1電磁波譜二、光的波動(dòng)性圖3-2線偏振光波中的電振動(dòng)、磁振動(dòng)及光傳播方向三、光的干涉和衍射圖3-3激光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)三、光的干涉和衍射圖3-4激光狹縫衍射實(shí)驗(yàn)四、光子的能量和動(dòng)量光子的能量和動(dòng)量雖小，卻不能再分割。最微弱的光源至少發(fā)射一個(gè)光子。按照波動(dòng)觀點(diǎn)，一個(gè)點(diǎn)光源所發(fā)射的光波會(huì)均勻照亮以其為中心的球面。如果在球面上安裝了許多探測(cè)器，而點(diǎn)光源在某一時(shí)刻只發(fā)射一個(gè)光子，那么光子將射向哪個(gè)探測(cè)器呢?我們不能作確切的回答。但是，有一點(diǎn)很清楚，即光子是不可分的。只要有一個(gè)探測(cè)器接收到光

3、子，其他探測(cè)器就一定沒(méi)有接收到。五、光通過(guò)固體的現(xiàn)象1.電子極化電磁輻射的電場(chǎng)分量，在可見(jiàn)光頻率范圍內(nèi)，電場(chǎng)分量與傳播過(guò)程中的每個(gè)原子發(fā)生作用，引起電子極化，即造成電子云和原子核電荷重心發(fā)生相對(duì)位移。2.電子能態(tài)轉(zhuǎn)變光子被吸收和發(fā)射，都可能涉及固體材料中電子能態(tài)的轉(zhuǎn)變。五、光通過(guò)固體的現(xiàn)象圖3-5光子與固體介質(zhì)的作用光速與真空中的電導(dǎo)率光速與真空中的電導(dǎo)率0和導(dǎo)磁率和導(dǎo)磁率0的關(guān)系的關(guān)系：001c光子（光子（Photon）的能量的能量 ：hchE光速與波長(zhǎng)光速與波長(zhǎng)和和頻率頻率的關(guān)系：的關(guān)系：c光色 波長(zhǎng)(nm) 頻率(Hz) 中心波長(zhǎng) (nm) 紅 760622 3.910144.81014

4、 660 橙 622597 4.810145.01014 610 黃 597577 5.010145.41014 570 綠 577492 5.410146.11014 540 青 492470 6.110146.41014 480 蘭 470455 6.410146.61014 460 紫 455400 6.610147.51014 430 人眼最為敏感的光是黃綠光，即人眼最為敏感的光是黃綠光，即555nm附近。附近?？梢?jiàn)光七彩顏色的波長(zhǎng)和頻率范圍可見(jiàn)光七彩顏色的波長(zhǎng)和頻率范圍光在均勻介質(zhì)中的直線傳播定律；光在均勻介質(zhì)中的直線傳播定律；光通過(guò)兩種介質(zhì)的分界面時(shí)的反射定律光通過(guò)兩種介質(zhì)的分界面

5、時(shí)的反射定律和折射定律；和折射定律；光的獨(dú)立傳播定律和光路可逆性原理。光的獨(dú)立傳播定律和光路可逆性原理。反射定律指出，反射線的方向遵從：反射定律指出，反射線的方向遵從： 反射線和入射線位于同一平面（即入射反射線和入射線位于同一平面（即入射 面）內(nèi)，并分別處在法線的兩側(cè)；面）內(nèi)，并分別處在法線的兩側(cè)； 反射角等于入射角。反射角等于入射角。第二節(jié)光的反射和折射 折射定律指出，折射線的方向滿足：折射定律指出，折射線的方向滿足： 折射線位于入射面內(nèi)，并和入射線分別處在折射線位于入射面內(nèi)，并和入射線分別處在法線的兩側(cè)；法線的兩側(cè)； 對(duì)單色光而言，入射角對(duì)單色光而言，入射角i的正弦和折射角的正弦和折射角r

6、的正的正弦之比是一個(gè)常數(shù)，即弦之比是一個(gè)常數(shù)，即 sini/sinr=n2/n1=n21 n21稱為第二介質(zhì)相對(duì)于第一介質(zhì)的相對(duì)折射率。稱為第二介質(zhì)相對(duì)于第一介質(zhì)的相對(duì)折射率。它與光波的波長(zhǎng)及界面兩側(cè)介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，而它與光波的波長(zhǎng)及界面兩側(cè)介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，而與入射角無(wú)關(guān)。與入射角無(wú)關(guān)。 如果第一介質(zhì)為真空，則上式可寫(xiě)為如果第一介質(zhì)為真空，則上式可寫(xiě)為 sini/sinr=n2式中式中n2為第一介質(zhì)相對(duì)于真空的相對(duì)折為第一介質(zhì)相對(duì)于真空的相對(duì)折射率，或第二介質(zhì)的絕對(duì)折射率，簡(jiǎn)稱射率，或第二介質(zhì)的絕對(duì)折射率，簡(jiǎn)稱折射率。折射率。n=v真空真空/v材料材料=c/ v材料材料介質(zhì)的折射率永遠(yuǎn)是大于介

7、質(zhì)的折射率永遠(yuǎn)是大于1的正數(shù)。的正數(shù)。 如空氣如空氣 n=1.003， 固體氧化物固體氧化物 n=1.32.7， 硅酸鹽玻璃硅酸鹽玻璃 n=1.51.9。折射率折射率n的定義：的定義： 光在真空和材料中的速度之比即為材料光在真空和材料中的速度之比即為材料的的折射率折射率。n1n2i1入射束入射束i2折射束折射束v 入射角、折射角、入射角、折射角、材料的折射率、光在材料的折射率、光在材料中的傳播速度有材料中的傳播速度有下述關(guān)系：下述關(guān)系：21211221sinsinvvnnnii材料的折射率從本質(zhì)上講，反映了材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(duì)非鐵磁介質(zhì)主要是電料的電磁結(jié)構(gòu)（對(duì)非鐵

8、磁介質(zhì)主要是電結(jié)構(gòu)）在光波作用下的極化性質(zhì)或介電結(jié)構(gòu)）在光波作用下的極化性質(zhì)或介電特性。特性。材料的折射率反映了光在該材料中傳材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。播速度的快慢。光密介質(zhì)：光密介質(zhì)：折射率大的介質(zhì)，折射率大的介質(zhì)， 光的傳播速度慢；光的傳播速度慢；光疏介質(zhì)：光疏介質(zhì)：折射率小的介質(zhì)，折射率小的介質(zhì)， 光的傳播速度快。光的傳播速度快。v構(gòu)成材料元素的離子半徑構(gòu)成材料元素的離子半徑 一般大離子得到高折射率的材料，小離子得到低折射率的材一般大離子得到高折射率的材料，小離子得到低折射率的材 料，如：料，如：PbS的的 n=3 . 912 SiCl4 n=1 . 412 v材料的

9、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) 折射率和離子的排列密切相關(guān)折射率和離子的排列密切相關(guān) 均質(zhì)介質(zhì)均質(zhì)介質(zhì)：對(duì)于非晶態(tài)（無(wú)定性體）和立方晶體各方向同性：對(duì)于非晶態(tài)（無(wú)定性體）和立方晶體各方向同性材料，光速不因傳播方向改變而變化，材料只存在一個(gè)折射率。材料，光速不因傳播方向改變而變化，材料只存在一個(gè)折射率。 非均質(zhì)介質(zhì)非均質(zhì)介質(zhì)：除立方晶體外的晶體，光進(jìn)入后分為兩相垂直：除立方晶體外的晶體，光進(jìn)入后分為兩相垂直而傳播速度不同的兩個(gè)波，構(gòu)成兩條折射光線，此現(xiàn)象稱為雙折而傳播速度不同的兩個(gè)波，構(gòu)成兩條折射光線，此現(xiàn)象稱為雙折射。平行于入射面的光線折射率稱為常光折射率射。平行于入射面的光線折射

10、率稱為常光折射率no，始終為一常，始終為一常數(shù)，不隨入射方向而改變；另一與之垂直的光線的折射率為非常數(shù)，不隨入射方向而改變；另一與之垂直的光線的折射率為非常光折射率光折射率ne，隨入射方向改變。，隨入射方向改變。 如石英如石英no=1.543，ne=1.552 方解石方解石no=1.658，ne=1.486 剛玉剛玉no=1.760.，ne=1.768v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)力有內(nèi)應(yīng)力的透明材料，垂直于受拉主應(yīng)力方向的方向的n大，平行于主應(yīng)力方向的大，平行于主應(yīng)力方向的n小。小。v同質(zhì)異構(gòu)體同質(zhì)異構(gòu)體在同質(zhì)異構(gòu)體材料中，高溫時(shí)的晶型折射在同質(zhì)異構(gòu)體

11、材料中，高溫時(shí)的晶型折射率較低，低溫時(shí)存在的晶型折射率高。如：率較低，低溫時(shí)存在的晶型折射率高。如： 常溫下的石英玻璃常溫下的石英玻璃 n=1.46，最小，最小 常溫下的石英晶體常溫下的石英晶體 n=1.55，最大，最大 高溫時(shí)磷石英高溫時(shí)磷石英 n=1.47 高溫時(shí)方石英高溫時(shí)方石英 n=1.49 當(dāng)光線由介質(zhì)當(dāng)光線由介質(zhì)1 1入射到介質(zhì)入射到介質(zhì)2 2時(shí)，光在時(shí)，光在介質(zhì)面上分成了反射光和折射光。這種反介質(zhì)面上分成了反射光和折射光。這種反射和折射可以連續(xù)發(fā)生。由于反射，使得射和折射可以連續(xù)發(fā)生。由于反射，使得透過(guò)部分的強(qiáng)度減弱。透過(guò)部分的強(qiáng)度減弱。光的連續(xù)反射和折射光的連續(xù)反射和折射 光的

12、總能量流光的總能量流W為：為：WWW波動(dòng)理論有波動(dòng)理論有vSAW22AAWW W、W、W”分別為單位時(shí)間通過(guò)單位面積分別為單位時(shí)間通過(guò)單位面積的入射光，反射光和折射光的能量流。的入射光，反射光和折射光的能量流。光的全反射光的全反射全反射全反射：當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，：當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，且入射角大于臨界角時(shí)，光線被且入射角大于臨界角時(shí)，光線被100%反反射的現(xiàn)象。此時(shí)不再有折射光線，入射光射的現(xiàn)象。此時(shí)不再有折射光線，入射光的能量全部回到第一介質(zhì)中。的能量全部回到第一介質(zhì)中。)(sin2112nnnnc臨界角：臨界角：若將一束白光斜射到兩種均勻介質(zhì)的分界若將一束白光斜射到兩種均勻

13、介質(zhì)的分界面上，就可以看到折射光束分散成按紅、面上，就可以看到折射光束分散成按紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫的順序排列而成橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫的順序排列而成的彩色光帶，這是在介質(zhì)中不同波長(zhǎng)的光的彩色光帶，這是在介質(zhì)中不同波長(zhǎng)的光有不同的速度的直接結(jié)果。所以，介質(zhì)中有不同的速度的直接結(jié)果。所以，介質(zhì)中光速或折射率隨波長(zhǎng)改變的現(xiàn)象稱為色散光速或折射率隨波長(zhǎng)改變的現(xiàn)象稱為色散現(xiàn)象。研究色散最方便的實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)棱現(xiàn)象。研究色散最方便的實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)棱鏡來(lái)進(jìn)行。測(cè)量不同波長(zhǎng)的光線經(jīng)棱鏡折鏡來(lái)進(jìn)行。測(cè)量不同波長(zhǎng)的光線經(jīng)棱鏡折射的偏轉(zhuǎn)角，就可以得到折射率隨波長(zhǎng)變射的偏轉(zhuǎn)角，就可以得到折射率隨波長(zhǎng)變化的曲線?；?/p>

14、曲線。 第三節(jié)材料對(duì)光的吸收和色散幾種玻璃的色散曲線幾種玻璃的色散曲線v 材料的折射率隨入射光的頻率的減小而材料的折射率隨入射光的頻率的減小而減小的性質(zhì)，稱為減小的性質(zhì)，稱為折射率的色散折射率的色散幾種晶體和玻璃的色散曲線幾種晶體和玻璃的色散曲線v 在給定入射光波長(zhǎng)的情況下：在給定入射光波長(zhǎng)的情況下：ddn色散色散值可以直接由色散圖確定，然而最實(shí)色散值可以直接由色散圖確定，然而最實(shí)用的方法是用固定波長(zhǎng)下的折射率來(lái)表達(dá)，用的方法是用固定波長(zhǎng)下的折射率來(lái)表達(dá)，而不是去確定完整的色散曲線。而不是去確定完整的色散曲線。式中式中nD、nF、nC分別以鈉的分別以鈉的D譜線、氫的譜線、氫的F譜線和譜線和C譜

15、線（譜線（5893A,4861A和和 6563A）為）為光源測(cè)得的折射率。光源測(cè)得的折射率。CFDnn1nv 倒數(shù)相對(duì)色散倒數(shù)相對(duì)色散 ，即色散系數(shù)，即色散系數(shù)：描述光學(xué)玻璃的色散還用平均色散（描述光學(xué)玻璃的色散還用平均色散（=nF-nC） 對(duì)于同一材料而言，波長(zhǎng)愈短則折射率愈大對(duì)于同一材料而言，波長(zhǎng)愈短則折射率愈大 波長(zhǎng)愈短色散率愈大（一般不考慮負(fù)號(hào)）波長(zhǎng)愈短色散率愈大（一般不考慮負(fù)號(hào)） 不同材料，對(duì)同一波長(zhǎng)，折射率大者色散率不同材料，對(duì)同一波長(zhǎng)，折射率大者色散率 dnd也大也大 不同材料的色散曲線沒(méi)有簡(jiǎn)單的數(shù)量關(guān)系不同材料的色散曲線沒(méi)有簡(jiǎn)單的數(shù)量關(guān)系一、介質(zhì)對(duì)光的吸收一、介質(zhì)對(duì)光的吸收光在

16、介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)有能量的損失，使光在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)有能量的損失，使透過(guò)介質(zhì)的光強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象，這就是透過(guò)介質(zhì)的光強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象，這就是光的吸收。光的吸收。1、定義、定義 2、光吸收的一般規(guī)律、光吸收的一般規(guī)律朗伯特定律朗伯特定律光通過(guò)材料時(shí)的衰減規(guī)律光通過(guò)材料時(shí)的衰減規(guī)律光通過(guò)介質(zhì)時(shí)光能被發(fā)散而使通過(guò)光的強(qiáng)光通過(guò)介質(zhì)時(shí)光能被發(fā)散而使通過(guò)光的強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象叫度減弱的現(xiàn)象叫光的散射光的散射1、定義、定義2、散射與吸收的區(qū)別、散射與吸收的區(qū)別吸收是由能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而使透射強(qiáng)度減吸收是由能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而使透射強(qiáng)度減弱；散射是由某些幅射的方向改變成與原弱；散射是由某些幅射的方向改變成與原來(lái)光束不同的方向而

17、引起。來(lái)光束不同的方向而引起。三、無(wú)機(jī)材料的透光性三、無(wú)機(jī)材料的透光性透光性透光性是個(gè)綜合指標(biāo)，即光通過(guò)無(wú)機(jī)是個(gè)綜合指標(biāo)，即光通過(guò)無(wú)機(jī)材料后，剩余光能所占的百分比。材料后，剩余光能所占的百分比。（1） 氣孔率和材料缺陷氣孔率和材料缺陷（2） 晶粒排列方法的影響晶粒排列方法的影響影響透光性的因素影響透光性的因素提高無(wú)機(jī)材料透光性的措施提高無(wú)機(jī)材料透光性的措施 1提高原材料純度提高原材料純度 2摻加外加劑摻加外加劑 3工藝措施工藝措施第六節(jié)材料的光發(fā)射一、激勵(lì)方式二、材料發(fā)光的基本性質(zhì)三、發(fā)光的物理機(jī)制一、激勵(lì)方式發(fā)光前可以有多種方式向材料注入能量。通過(guò)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)

18、光，稱為“光致發(fā)光”。光激勵(lì)可以采用光頻波段，也可以采用X射線和射線波段。日常照明用的熒光燈是通過(guò)紫外線激發(fā)涂布于燈管內(nèi)壁的熒光粉而發(fā)光的。利用高能量的電子來(lái)轟擊材料，通過(guò)電子在材料內(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(guò)程稱為“陰極射線發(fā)光”。彩色電視機(jī)的顏色是采用電子束掃描、激發(fā)顯像管內(nèi)表面上不同成分的熒光粉，使它們發(fā)射紅、綠、藍(lán)三種基色光波而實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)對(duì)絕緣發(fā)光體施加強(qiáng)電場(chǎng)導(dǎo)致發(fā)光，或者從外電路將電子(空穴)注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶(價(jià)帶)，導(dǎo)致載流子復(fù)合而發(fā)光，稱為“電致發(fā)光”。作為儀器指示燈的發(fā)光二極管就是半導(dǎo)體復(fù)合發(fā)光的例子。二、材料發(fā)光的基本性質(zhì)(一)發(fā)射光譜(

19、二)激發(fā)光譜(三)發(fā)光壽命(四)發(fā)光效率(一)發(fā)射光譜圖3-22S T的線狀發(fā)射光譜(二)激發(fā)光譜圖3-23部分激發(fā)光譜(三)發(fā)光壽命發(fā)光體在激發(fā)停止之后持續(xù)發(fā)光的時(shí)間稱為發(fā)光壽命(熒光壽命或余輝時(shí)間)。最簡(jiǎn)單的情況是發(fā)光中心的電子被激發(fā)到高能態(tài)之后，各自獨(dú)立地相繼向基態(tài)躍遷而發(fā)光。(四)發(fā)光效率發(fā)光效率通常有三種表示法，即量子效率、功率效率和光度效率。三、發(fā)光的物理機(jī)制(一)分立中心發(fā)光(二)復(fù)合發(fā)光(一)分立中心發(fā)光這類材料的發(fā)光中心通常是摻雜在透明基質(zhì)材料中的離子，有時(shí)也可以是基質(zhì)材料自身結(jié)構(gòu)的某一個(gè)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(zhǎng)，調(diào)節(jié)其光色。(二)復(fù)合發(fā)光圖3-24p-n結(jié)勢(shì)壘的形成和在外電場(chǎng)作用下的減弱(二)復(fù)合發(fā)光表3-2半導(dǎo)體材料的禁帶寬度和