03-材料的光学性能
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19世纪末，二十世纪初的其他一些磁光效应。
光电检测
‘A’ : 0100 0001 (二进制)
• 光的波粒二象性 真空中光速c=3×108 m/s.
c
1
0 0
光电效应很好地证明了光的粒子性，而很多干涉效 应又说明了光的波动性。光到底什么时候波动性明 显，何时粒子性又占主要地位，要看具体问题和具 体环境。 c v 在介质中时，
在一般情况下，在可见光区： ε>1但是不是远大于1，μ≈1。
• 从微观上看，光与固体材料的相互作用实际上是光 子与其中的原子、电子和离子之间的相互作用。
• 电子极化，电子能态的转变。 • 电场分量使得电子云偏离原子核导致电子位移极化， 一部分光的能量被吸收，同时光波速度减小，导致 折射产生。极化对于电场矢量是有影响的，因而对 于光的传播就有了折射那样的影响。
介质吸收光的一般规律
• 光吸收的机制
a 带间跃迁光吸收；（直接和间接） b 晶格光吸收；（光频=晶格振动的频率） c 杂质和缺陷的光吸收；（半导体浅能级杂质 和金属离子杂质） d 电子极化（电子云形变时耗能）； e 自由电子吸收光； f 激子光吸收。
电磁波谱图
室温下半导体材料的光吸收
区分几个概念
• 如何描述这样一个体系中光的传播规律？ 反射部分光线就是我们平时所说的镜面反射。 折射过来的光线到底怎样传播？（将越来越衰减， 因为除了真空以外的任何介质都会吸收光） 反射定律和折射定律：由此两个定律可以描述两 光的传播方向，速度，频率等。 但是我们这里已经不再是几何意义上的光学了。
对于两个半无限大介质，上面为真空，下面为另一介质， 电导率高的介质也有折射，只不过很快衰减完了。
近年来，红外探测器也向低维方向发展，如异质结 晶格结构。
3.5 磁光效应
• 任何物质都具有或强或弱的磁性，没有磁性质的 物质是不存在的。而外加磁场后该物质的其他性 质可以发生改变，反之物质其他性质的改变也可 以引起该物质磁性的变化。如：磁致伸缩效应、 磁致弹性效应、磁致电阻效应、磁声效应、磁热 效应等等。 • 如此磁光效应的含义显而易见：即外加磁场引起 物质光学性质的变化，对应还有光磁效应。
热辐射
• 当材料开始加热时，电子被热激发到较高能级， 特别是原子的外层价电子更容易被激发；这样当 电子跃迁回到正常的能级位置时，就发射出低能 长波长的光子。 • 温度增高，辐射规律类似于黑体辐射的规律。
• 较低温度下，热辐射的光子波长太长，不在可见 光范围。温度越高，发光越觉得白亮。更高温度 时则为蓝紫色光。
光入射到某界面后到底多少光被反射？
• 为了简单起见，我们考 虑单色光（可见光）。
• 一般说来，只要光传播 遇到界面就肯定有一部 分光被反射，否则我们 就看不到物体了。
垂直入射时：
( n21 1) R 2 ( n21 1)
2
反射率谱线
固体的反射率是它的“finger print”
• 对于某种材料，如果R(ω) [ω 为全波段]已知，那 么他的所有物理属性就都已知了。
• • • • • • 入射 反射 折射 散射 透射 吸收
光在材料中的色散
• 色散色散就是颜色散开。颜色对应光的频率。 • 如果某材料对于所有频率光的折射率都相同，则 复色光所有各颜色的光都将同步行进，无色散。 • 材料对不同波长的光有不同的折射率。实质：介 质中的光速是频率依赖的。
• 透镜成像要想比较清晰就应当用单色光，而并非 是自然光。因为不同颜色光的折射率不同，则通 过透镜成像后的焦点就不同。（三棱镜实验） • 正常色散和反常色散。
垂直入射时：
(n 1) k R 2 2 (n 1) k
2 2
• 对于折射光，n2sinθ2=n1sinθ1 • 前提需要知道折射率：
n r r
材料的折射率与什么有关：（——结构决定性能） 1/ 构成材料的离子半径；离子半径大则折射率较大 2/ 材料的结构，晶型；只有立方晶体属于均质介质。 非均质介质中可以存在双折射现象。no vs ne 3/ 材料的内应力；平行于主应力的方向n小。 4/ 同质异构体；石英晶体和石英玻璃的比较。
1845年，M.Faraday最先观测到磁光效应：当线偏 振光通过放在磁场中的透光物质，并沿着磁场方 向传播时，光的偏振方向产生旋转的现象。又称 法拉第磁光旋转效应。 1876年，J.Kerr发现的磁光效应：当线偏振光入射 到放在磁场中的不透光物质反射时，这个反射光 的偏振方向产生旋转的现象。
1897年，塞曼发现的磁光效应：物质的发光谱线 在磁场中发生分裂的现象。
材料物理性能学-03
材料的光学性能
材料科学与工程学院：马永昌
第三章 材料的光学性能
• 3.1 光和固体的相互作用
• 3.2 材料的发光
• 3.3 无机材料的红外光学性能 • 3.4 电光效应、光折变效应、非线性效应（*） • 3.5 磁光效应
>>>>
• 光在高科技中的地位正在不断提高。
• 电集成——光电子集成——光学集成。 • 要想做更为深入的研究和功能的集成与光 学器件的开发等工作，基本知识是必不可 少的。
射线激发发光； 电激发发光； 化学发光； 机械发光；
直接带隙和间接带隙材料的发光
• 1．如何从能带结构上来区分这两者？ • 2. 谁的发光效率高？
直接带隙
间接带隙
荧光和磷光
• 发光就是物质以可见光的形式向外辐射能量。 • 当辐射或其他形式的能量将电子从基态激发到高 能态（激发态）以后，电子不可以长时间停留在 高能态（导带）。这样就必须要返回到价带，将 会有光子发射出（1.8-3.2 eV）。——带间跃迁 • 如果这些光的波长在可见光范围，就是所谓发光 与热辐射发光相区别，这种发光称为冷光。 • 冷光发光有两种类型：荧光和磷光
固体介质对光的散射
• 原因：媒（介）质不均匀。光当然可以在表面被 散射，也可以在介质内部被散射。 • 散射分为两种情形： a 散射光频率与入射光相同； b 散射光频率与入射光不同。 分别对应于瑞利散射和喇曼散射。
瑞利散射定律
• 瑞利散射定律中散射光的强度与波长的关系为：
Is(λ) = cf(λ)/ λ4, f(λ)为入射光强谱。
红外透过性能
• 对于红外透光材料，当然希望透过率高，透过的 短波限要低，频带尽量宽。一般红外范围是0.7-20 微米，透过率低于50%被定义为截止。 • 对于透过材料，为了减小反射当然希望折射率越 低；同时希望散射和吸收要小；另外材料的自身 辐射要小。另其他方面因素。
红外探测材料
• 玻璃、晶体、透明陶瓷和塑料等四类。 玻璃：光学均匀性好，易于加工成型，价格低， 但是透过的波长较短，使用温度低于500 ℃。 晶体：透过的红外光波长较长，折射率和色散范 围也较大，熔点高，硬度高，热稳定性好，具有 独特的双折射性能。但是不易制成大尺寸，价格 昂贵，CsI、MgF2、ZnS、ZnSe等。金刚石是最理 想的红外透过材料。
• 通常用介质的折射率n或色散率dn/dλ与波长 λ的关系来描述色散规律。任何介质的色散 均可分正常色散和反常色散两种。
• 在介质对光有强烈吸收的波段内(吸收带)， 折射率随波长的增加而减小，色散率dn／ dλ<0，称正常色散。
3.2 材料的发光
• 研究发光的意义
百度文库体光发射的机制
• 微观粒子在不同能态之间的跃迁—光发射 • 我们多数时候只考虑电子。 • 晶体受外界各种能量的激发，如照射各种射线（X 射线、电子束、或各种频率的光线）或对晶体施 加电场，使晶体中的电子由基态跃迁至激发态， 晶体便处于非平衡态。
• 试讨论：电子从导带到施主能级所跨越的能量也 是能隙，那么它为什么不发光呢？
• 当电子从杂质陷阱中逃脱后，它将跳回价带并发 射出光子。发光强度由下式决定： ln(I/I0)= -t /τ 其中τ为驰豫时间。激发除去后 t 时间内光强 度从I0减小到I。
电视屏幕所用磷光体的驰豫时间不可太长，否则 影像重叠。
• 处于激发态的电子，能量较高，会以一定的概率 落回到基态，相当于电子在激发态有一定的（有 限的）寿命。
• 电子在由激发态落回基态的过程中会把多余的能 量以各种形式释放出来。如果以光能的方式释放 出来，就是光发射过程。所以要使晶体能发光， 首要条件是部分电子处于激发态。
• 根据电子的激发方式，固体发光可分为：
• 当激发除去后，在10-8s内发的光称为荧光。
• 发光机制：被激发的电子跳回价带，这同时对应 了能量的辐射，发出可见光。 • 发磷光的材料往往含有杂质，并且在能隙附近有 施主能级，这样当激发的电子从导带跳回价带的 过程中，电子必须先到达施主能级，然后再从捕 获陷阱内逃脱出跃回价带，这样才会发光。因此 光子的发射时间被延迟。
3.3 无机材料的红外光学性能
• 红外技术的起源和应用
1800年，W·赫胥尔发现红外光谱区。20世纪30 年代以前主要用于学术研究；后来发现凡是处于 0k以上的物体均发射电磁波，并且主要在红外区 域。这个特征对于肉眼看不见的物体和军事观测 有重要意义。第二次世界大战时期已经有了红外 定位仪和夜视仪器。现在可以用于红外测量，搜 索和跟踪，红外成像，通信遥控
PRB-73-012501 Wudan et al
• 红外探测物理原理
利用(1)外光电效应或(２)内光电效应。 (1) 光电发射探测器。主要结构：光阴极+光 电子发射+光电子接收的阳极。 (2) 光电导型探测器和光伏型探测器。
• 光子型探测器材料碲镉汞（HgCdTe, MCT）
ＭＣＴ是直接带隙半导体，其带隙随成分呈线性 变化，带隙可以调解，工作波长范围宽，从２微 米到２０微米。MCT的膨胀系数与底材硅相近。 MCT要求纯度高，制造技术复杂，成分难以控制 均匀，要工作在低温下。
电磁波谱
3.1
光和固体的相互作用
——入射 反射 折射 散射 透射 吸收 色散 • 光在真空中沿着直线传播。 • 但是当遇到另一种介质时，也就是当光从真空中 入射到真空与介质的分界面上时 为了研究问题简单 我们可忽略散射光
在分界面的入射点处， 三者的能量关系： E入射=E反射+E折射
反射部分进入真空继续直 线传播，折射部分进入介 质中，偏离原来传播方向， 继续在介质中传播。
• 注意瑞利散射仅在散射微粒的尺寸比光波长小的
情况下才成立。散射颗粒较大时，瑞利散射定律
失效。
喇曼散射现象
• 在非常纯净的液体和晶体的散射光光谱中，除了 有频率未发生改变的光以外，还存在有频率为 ω ±ω 1，ω ±ω 2 …的强度较弱的谱线。而这里 的ω 1 和ω 2等频率对应散射物质分子的固有振动 频率。这种散射现象就是喇曼散射。
光电检测
‘A’ : 0100 0001 (二进制)
• 光的波粒二象性 真空中光速c=3×108 m/s.
c
1
0 0
光电效应很好地证明了光的粒子性，而很多干涉效 应又说明了光的波动性。光到底什么时候波动性明 显，何时粒子性又占主要地位，要看具体问题和具 体环境。 c v 在介质中时，
在一般情况下，在可见光区： ε>1但是不是远大于1，μ≈1。
• 从微观上看，光与固体材料的相互作用实际上是光 子与其中的原子、电子和离子之间的相互作用。
• 电子极化，电子能态的转变。 • 电场分量使得电子云偏离原子核导致电子位移极化， 一部分光的能量被吸收，同时光波速度减小，导致 折射产生。极化对于电场矢量是有影响的，因而对 于光的传播就有了折射那样的影响。
介质吸收光的一般规律
• 光吸收的机制
a 带间跃迁光吸收；（直接和间接） b 晶格光吸收；（光频=晶格振动的频率） c 杂质和缺陷的光吸收；（半导体浅能级杂质 和金属离子杂质） d 电子极化（电子云形变时耗能）； e 自由电子吸收光； f 激子光吸收。
电磁波谱图
室温下半导体材料的光吸收
区分几个概念
• 如何描述这样一个体系中光的传播规律？ 反射部分光线就是我们平时所说的镜面反射。 折射过来的光线到底怎样传播？（将越来越衰减， 因为除了真空以外的任何介质都会吸收光） 反射定律和折射定律：由此两个定律可以描述两 光的传播方向，速度，频率等。 但是我们这里已经不再是几何意义上的光学了。
对于两个半无限大介质，上面为真空，下面为另一介质， 电导率高的介质也有折射，只不过很快衰减完了。
近年来，红外探测器也向低维方向发展，如异质结 晶格结构。
3.5 磁光效应
• 任何物质都具有或强或弱的磁性，没有磁性质的 物质是不存在的。而外加磁场后该物质的其他性 质可以发生改变，反之物质其他性质的改变也可 以引起该物质磁性的变化。如：磁致伸缩效应、 磁致弹性效应、磁致电阻效应、磁声效应、磁热 效应等等。 • 如此磁光效应的含义显而易见：即外加磁场引起 物质光学性质的变化，对应还有光磁效应。
热辐射
• 当材料开始加热时，电子被热激发到较高能级， 特别是原子的外层价电子更容易被激发；这样当 电子跃迁回到正常的能级位置时，就发射出低能 长波长的光子。 • 温度增高，辐射规律类似于黑体辐射的规律。
• 较低温度下，热辐射的光子波长太长，不在可见 光范围。温度越高，发光越觉得白亮。更高温度 时则为蓝紫色光。
光入射到某界面后到底多少光被反射？
• 为了简单起见，我们考 虑单色光（可见光）。
• 一般说来，只要光传播 遇到界面就肯定有一部 分光被反射，否则我们 就看不到物体了。
垂直入射时：
( n21 1) R 2 ( n21 1)
2
反射率谱线
固体的反射率是它的“finger print”
• 对于某种材料，如果R(ω) [ω 为全波段]已知，那 么他的所有物理属性就都已知了。
• • • • • • 入射 反射 折射 散射 透射 吸收
光在材料中的色散
• 色散色散就是颜色散开。颜色对应光的频率。 • 如果某材料对于所有频率光的折射率都相同，则 复色光所有各颜色的光都将同步行进，无色散。 • 材料对不同波长的光有不同的折射率。实质：介 质中的光速是频率依赖的。
• 透镜成像要想比较清晰就应当用单色光，而并非 是自然光。因为不同颜色光的折射率不同，则通 过透镜成像后的焦点就不同。（三棱镜实验） • 正常色散和反常色散。
垂直入射时：
(n 1) k R 2 2 (n 1) k
2 2
• 对于折射光，n2sinθ2=n1sinθ1 • 前提需要知道折射率：
n r r
材料的折射率与什么有关：（——结构决定性能） 1/ 构成材料的离子半径；离子半径大则折射率较大 2/ 材料的结构，晶型；只有立方晶体属于均质介质。 非均质介质中可以存在双折射现象。no vs ne 3/ 材料的内应力；平行于主应力的方向n小。 4/ 同质异构体；石英晶体和石英玻璃的比较。
1845年，M.Faraday最先观测到磁光效应：当线偏 振光通过放在磁场中的透光物质，并沿着磁场方 向传播时，光的偏振方向产生旋转的现象。又称 法拉第磁光旋转效应。 1876年，J.Kerr发现的磁光效应：当线偏振光入射 到放在磁场中的不透光物质反射时，这个反射光 的偏振方向产生旋转的现象。
1897年，塞曼发现的磁光效应：物质的发光谱线 在磁场中发生分裂的现象。
材料物理性能学-03
材料的光学性能
材料科学与工程学院：马永昌
第三章 材料的光学性能
• 3.1 光和固体的相互作用
• 3.2 材料的发光
• 3.3 无机材料的红外光学性能 • 3.4 电光效应、光折变效应、非线性效应（*） • 3.5 磁光效应
>>>>
• 光在高科技中的地位正在不断提高。
• 电集成——光电子集成——光学集成。 • 要想做更为深入的研究和功能的集成与光 学器件的开发等工作，基本知识是必不可 少的。
射线激发发光； 电激发发光； 化学发光； 机械发光；
直接带隙和间接带隙材料的发光
• 1．如何从能带结构上来区分这两者？ • 2. 谁的发光效率高？
直接带隙
间接带隙
荧光和磷光
• 发光就是物质以可见光的形式向外辐射能量。 • 当辐射或其他形式的能量将电子从基态激发到高 能态（激发态）以后，电子不可以长时间停留在 高能态（导带）。这样就必须要返回到价带，将 会有光子发射出（1.8-3.2 eV）。——带间跃迁 • 如果这些光的波长在可见光范围，就是所谓发光 与热辐射发光相区别，这种发光称为冷光。 • 冷光发光有两种类型：荧光和磷光
固体介质对光的散射
• 原因：媒（介）质不均匀。光当然可以在表面被 散射，也可以在介质内部被散射。 • 散射分为两种情形： a 散射光频率与入射光相同； b 散射光频率与入射光不同。 分别对应于瑞利散射和喇曼散射。
瑞利散射定律
• 瑞利散射定律中散射光的强度与波长的关系为：
Is(λ) = cf(λ)/ λ4, f(λ)为入射光强谱。
红外透过性能
• 对于红外透光材料，当然希望透过率高，透过的 短波限要低，频带尽量宽。一般红外范围是0.7-20 微米，透过率低于50%被定义为截止。 • 对于透过材料，为了减小反射当然希望折射率越 低；同时希望散射和吸收要小；另外材料的自身 辐射要小。另其他方面因素。
红外探测材料
• 玻璃、晶体、透明陶瓷和塑料等四类。 玻璃：光学均匀性好，易于加工成型，价格低， 但是透过的波长较短，使用温度低于500 ℃。 晶体：透过的红外光波长较长，折射率和色散范 围也较大，熔点高，硬度高，热稳定性好，具有 独特的双折射性能。但是不易制成大尺寸，价格 昂贵，CsI、MgF2、ZnS、ZnSe等。金刚石是最理 想的红外透过材料。
• 通常用介质的折射率n或色散率dn/dλ与波长 λ的关系来描述色散规律。任何介质的色散 均可分正常色散和反常色散两种。
• 在介质对光有强烈吸收的波段内(吸收带)， 折射率随波长的增加而减小，色散率dn／ dλ<0，称正常色散。
3.2 材料的发光
• 研究发光的意义
百度文库体光发射的机制
• 微观粒子在不同能态之间的跃迁—光发射 • 我们多数时候只考虑电子。 • 晶体受外界各种能量的激发，如照射各种射线（X 射线、电子束、或各种频率的光线）或对晶体施 加电场，使晶体中的电子由基态跃迁至激发态， 晶体便处于非平衡态。
• 试讨论：电子从导带到施主能级所跨越的能量也 是能隙，那么它为什么不发光呢？
• 当电子从杂质陷阱中逃脱后，它将跳回价带并发 射出光子。发光强度由下式决定： ln(I/I0)= -t /τ 其中τ为驰豫时间。激发除去后 t 时间内光强 度从I0减小到I。
电视屏幕所用磷光体的驰豫时间不可太长，否则 影像重叠。
• 处于激发态的电子，能量较高，会以一定的概率 落回到基态，相当于电子在激发态有一定的（有 限的）寿命。
• 电子在由激发态落回基态的过程中会把多余的能 量以各种形式释放出来。如果以光能的方式释放 出来，就是光发射过程。所以要使晶体能发光， 首要条件是部分电子处于激发态。
• 根据电子的激发方式，固体发光可分为：
• 当激发除去后，在10-8s内发的光称为荧光。
• 发光机制：被激发的电子跳回价带，这同时对应 了能量的辐射，发出可见光。 • 发磷光的材料往往含有杂质，并且在能隙附近有 施主能级，这样当激发的电子从导带跳回价带的 过程中，电子必须先到达施主能级，然后再从捕 获陷阱内逃脱出跃回价带，这样才会发光。因此 光子的发射时间被延迟。
3.3 无机材料的红外光学性能
• 红外技术的起源和应用
1800年，W·赫胥尔发现红外光谱区。20世纪30 年代以前主要用于学术研究；后来发现凡是处于 0k以上的物体均发射电磁波，并且主要在红外区 域。这个特征对于肉眼看不见的物体和军事观测 有重要意义。第二次世界大战时期已经有了红外 定位仪和夜视仪器。现在可以用于红外测量，搜 索和跟踪，红外成像，通信遥控
PRB-73-012501 Wudan et al
• 红外探测物理原理
利用(1)外光电效应或(２)内光电效应。 (1) 光电发射探测器。主要结构：光阴极+光 电子发射+光电子接收的阳极。 (2) 光电导型探测器和光伏型探测器。
• 光子型探测器材料碲镉汞（HgCdTe, MCT）
ＭＣＴ是直接带隙半导体，其带隙随成分呈线性 变化，带隙可以调解，工作波长范围宽，从２微 米到２０微米。MCT的膨胀系数与底材硅相近。 MCT要求纯度高，制造技术复杂，成分难以控制 均匀，要工作在低温下。
电磁波谱
3.1
光和固体的相互作用
——入射 反射 折射 散射 透射 吸收 色散 • 光在真空中沿着直线传播。 • 但是当遇到另一种介质时，也就是当光从真空中 入射到真空与介质的分界面上时 为了研究问题简单 我们可忽略散射光
在分界面的入射点处， 三者的能量关系： E入射=E反射+E折射
反射部分进入真空继续直 线传播，折射部分进入介 质中，偏离原来传播方向， 继续在介质中传播。
• 注意瑞利散射仅在散射微粒的尺寸比光波长小的
情况下才成立。散射颗粒较大时，瑞利散射定律
失效。
喇曼散射现象
• 在非常纯净的液体和晶体的散射光光谱中，除了 有频率未发生改变的光以外，还存在有频率为 ω ±ω 1，ω ±ω 2 …的强度较弱的谱线。而这里 的ω 1 和ω 2等频率对应散射物质分子的固有振动 频率。这种散射现象就是喇曼散射。