材料的光学性能讲解.ppt

波粒二象性早期以牛顿为代表的一种观点认为,光是粒子流。后来以惠更斯为代表的观点,认为光是一种波动。麦克斯韦创立了电磁波理论,既能解释光的直线行进和反射,又能解释光的干涉和衍射,表明光是一种电磁波。然而在19世纪末,当人们深入研究光的发生及其与物质的相互作用(如黑体辐射和光电效应)时,波动说却遇到了难题。于是普朗克提出了光的量子假设并成功地解释了黑体辐射。接着爱因斯坦进一步完善了光的量子理论,不仅圆满地解释了光电效应,而且解释了后来的康普顿效应等许多实验。爱因斯坦理论中的光量子(光子)不同于牛顿微粒学说中的粒子。他将光子的能量、动量等表征粒子性质的物理量与频率、波长等表征波动性质的物理量联系起来,并建立了定量关系。因此光子是同时具有微粒和波动两种属性的特殊物质,是光的双重本性的统一。这一切都说明,波动性和粒子性的统一不仅是光的本性,而且也是一切微观粒子的共同属性。 光是电磁波光是一种电磁波,它是电磁场周期性振动的传播所形成的。在光波中,电场和磁场总是交织在一起的。麦克斯韦的电磁场理论表明,变化着的电场周围会感生出变化的磁场,而变化着的磁场周围又会感生出另一个变化的电场,如此循环不已,电磁场就以波的形式朝着各个方向向外扩展。光波中人眼能够感受到的又只占一小部分,其波长大约在390-770nm范围,称为可见光。 从反射率曲线(图4-8)可以看出,当逐渐改变入射角时,随着入射角的增大,反射光线会越来越强,而透射(折射)光线则越来越弱。图表示,如果光是从光密介质(例如玻璃)射向光疏介质(如空气),即时,则折射角大于入射角。因此入射角达到某一角度时,图光的全反射折射角可等于,此时有一条很弱的折射光线沿界面传播。如果入射角大于 ,就不再有折射光线,入射光的能量全部回到第一介质中。这种现象称为全反射,角就称为全反射的临界角。根据折射定律可求得临界角的表达式 不同介质的临界角大小不同,例如普通玻璃对空气的临界角为 ,水对空气的临界角为 ,而钻石因折射率很大 ,故临界角很小,容易发生全反射。切割钻石时,经过特殊的角度选择,可使进入的光线全反射并经色散后向其顶部射出,看起来就会显得光彩夺目。利用光的全反射原理,可以制作一种新型光学元件——光导纤维,简称光纤。光纤是由光学玻璃、光学石英或塑料制成的直径为几 至几十 的细丝(称为纤芯),在纤芯外面覆盖直径的包层,包层的折射率比纤芯略低约 ,两层之间形成良好的光学界面。当光线从一端以适当的角度射入纤维内部时,将在内外两层图光在光导纤维中的传播之间产生多次全反射而传播到另一端, 一束平行光照射均质的材料时,除了可能发生反射和折射而改变其传播方向之外,进入材料之后还会发生两种变化。一是随着光束的深入,一部分光的能量被材料所吸收,其强度将被减弱;二是介质中光的传播速度比真空中小,且随波长而变化,这种现象称为光的色散。 吸收光谱研究物质的吸收特性发现,任何物质都只对特定的波长范围表现为透明的,而对另一些波长范围则不透明。例如石英在整个可见光波段都很透明,且吸收系数几乎不变,这种现象称为“一般吸收”。但是,在 的红外线区,石英表现为强烈吸收,且吸收率随波长剧烈变化,这种现象称为“选择吸收”。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。 吸收的物理机制光的吸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。这一过程的进行除了服从能量守恒定律外,还应当满足必要的量子条件。众所周知,光是能量和动量量子化的粒子流,而材料的能量状态也是量子化的。因此,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,与此同时,材料中的电子从较低的能态跃迁到较高的能态。由于固体材料的能量结构比较复杂,不同层次的能态跃迁可以吸收不同波长的光子,因而形成了吸收光谱的复杂结构。 (1)正常色散我们已经了解光在介质中的传播速度低于真空中的光速,其关系为y=c/n,据此可以解释光在通过不同介质界面时发生的折射现象。若将一束白光斜射到两种均匀介质的分界面上,就可以看到折射光束分散成按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序排列而成的彩色光带,这是在介质中不同波长的光有不同的速度的直接结果。所以,介质中光速或折射率随波长改变的现象称为色散现象。研究色散最方便的实验可以通过棱镜来进行。测量不同波长的光线经棱镜折射的偏转角,就可以得到折射率随波长变化的曲线。下图给出了几种常用光学材料的色散曲线,分析这些曲线可以得出如下的规律。(a)对于同一材料而言,波长愈短则折射率愈大;(