1、一、光和物质相互作用的经典的观点光和物质相互作用的过程可以看作是组成物质的原子或分子体系在入射光波电场的作用下，正负电荷发生相反方向的位移，并跟随光波的频率作受迫振动，产生感生电偶极矩，进而产生电磁波辐射的过程。这一过程也为发射次波的过程 如果介质的极化强度P与光波电场服从线性叠加原理，相应的光学现象成为线性光学现象。,第四部分 材料的光学性能,（1）在0的情况下，当过程开始时，电子吸收少量光波能量，引起受迫振动感生电偶极矩，并辐射次波。即使忽略辐射阻尼（即不考虑振子的辐射），电子位移恒为有限值。因此在达到稳定状态后，吸收的能量与辐射的能量必然达到平衡，即维持稳幅振荡，这种过程称为光的散射。
2、散射过程的特点是，电子的本征能量不会发生改变，形式上只是入射光波和散射光波之间的能量互相转换，吸收多少又散射多少。 散射过程称为光和物质的非共振相互作用过程。 因此当光子的频率与电子振动的自然频率（大约1015/秒）不同时，电磁波在固体中自然传播而无吸收。,（2）在=0情况下，随着入射光波频率逐渐接近原子的固有频率，振子的振幅逐渐加大、因而振子从入射光波的摄取的能量增大，相应的辐射次波能量也增大。这一过程有其显著的特点。当略去阻尼作用时，振幅将趋向无穷大。因此，无论考虑阻尼与否，振子都将吸收能量。 有辐射阻尼时，吸收的能量用作散射；没有辐射阻尼时，吸收的能量用来不断增大振幅。鉴于这一特点，通常
3、把0的过程与其他频率的过程区分开来，不再称作散射，而称为吸收与再放射。 实际上，在=0的谐振频率处，可以认为初始态的电子吸收一个光子跃迁到高能态，而受激电子又可以放出一个同频率的光子回到初始的低能态。在这种吸收与再放射过程中，电子的本征能态将发生改变，故属于光和物质的共振相互作用过程。,二 、线性光学性能的基本参量1 反射和折射材料的极化和磁化作用，“拖住”了电磁波的步伐，使电磁波的传播速度变慢。根据麦克斯韦电磁理论，电磁波在固体中的传播速度v与反映材料极化特性的相对介电常数r和磁化特性的相对磁导率r及真空中的光速c有如下的关系：该式反映了材料的性质对光传播的影响。对于非磁性材料，r1. 由于
4、光的传播速度因材料而异，因此光从一种均匀介质斜射入另一种均匀介质时，将依据惠更斯原理在两种介质的界面反射和折射现象。,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,影响折射率的因素 由折射率的定义得
5、出如下的麦克斯韦关系式： r=n2 该式反映了光的折射率和材料的介电常数的关系。 材料的极化性质又与构成材料的原子的原子量、 电子分布情况、化学性质等微观因素有关。这些 微观因素通过宏观量介电常数来影响光在材料中 的传播速度。,第四部分 材料的光学性能,为了进一步说明影响折射率的因素，由克劳修斯莫索提方程得该式说明单位体积中原子的数目越多，或结构越紧密，则折射率越大。 另外在对于简化的电子极化模型，导出了e=40a3关系，由于介质的折射率随组成固体的原子的电子极化率的增加而增加，因此材料的折射率随原子半径的增加而增加。,归纳起来影响折射率n值的因素有下列几方面： （1）构成材料元素的离子半径和
6、电子结构。 （2）材料的结构、晶型和非晶态。比如：对于同质异构体，一般情况下，高温晶型原子的密堆积程度低，因此高温晶型的折射率较低，低温晶型原子的密堆积程度高，因此其折射率较高。 （3）外界因素对折射率的影响。材料在机械应力、超声波、电场等的作用下，折射率会发生改变，如有内应力存在的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方向的n小。这些效应分别称为光弹性效应、声光效应、电光效应等,2 光的色散,测量不同波长光线通过棱镜的偏向角，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
7、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）。 正常色散和下面的反常色散可由一个统一的色散方程描述 n=f(), 只是首次观测到时似乎是不正常的。,6-5,（1）正常色散,第四部分 材料的光学性能,6-6,第四部分 材料的光学性能,实验表明，在发生强烈吸收的波段，色散曲线发生明显的不连续，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
8、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。,（2） 反常色散,第四部分 材料的光学性能,第四部分 材料的光学性能,3 光的散射,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。,（1）光散射的分类,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
9、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。,（2）弹性散射（由物质的不均匀性引起）,上图右方的小障碍物尺度与波长可比拟，其散射可看作是它们的衍射作用。 按不均匀团块的性质，散射可分为两大类：（一）悬浮质点的散射：如胶体、乳浊液、含有烟、雾
10、、灰尘的大气中的散射必于此类。（二）分子散射：即使十分纯净的液体或气体，也能产生比较微弱的散射，这是由于分子热运动造成密度的局部涨落引起的，这种散射，称为分子散射，物质处临界点时密度张落很大，光线照射在其上，就会发生强烈的分子散射，该现象叫做临界乳光 上图左方不均匀团块的尺度达到远大于波长，因此其散射可看作使波发生反射和折射，边缘部分发生衍射。,第四部分 材料的光学性能,惠更斯理论的子波源实质上是指感生偶极矩的受迫振动。合成振幅类似于A2R A21 A22 2A1A2cos(1 2) 偏离反射和折射方向后，由于固体原子之间的规律排列，叠加得到的是位相不断变化的许多矢量，结果为零。 在瑞利散射条
11、件下，作用在微粒上的电场可视为均匀的交变场，子波源发出的波同相位，但由于散射微粒之间的不规律分布，各微粒辐射的波不再是相干的，计算散射强度时应将子波的强度而不是振幅叠加起来。按照电磁理论，偶极振子的辐射功率正比于频率的四次方。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。,经典理论对反射、折射、散射的统一解释,第四部分 材料的光学性能,（3）非弹性散射分类拉曼散射 （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。布里渊散射 （Brillouin s
12、cattering） 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,振动能级E1,振动能级E0,第四部分 材料的光学性能,布里渊散射和拉曼散射类似，但是频移小的多。,4 反射系数（或反射率） 对于任一入射的线偏振光，入射光的电场分量可以分解为平行于入射面的P分量和垂直于入射面的S分量。在折射和反射过程中，p和s两个分量的振动是相互独立的 。为了说明反射和折射各占多少比例，通过引入反射系数R的
13、概念。定义RWr/Wi，W为能流密度，根据波动理论，有：,第四部分 材料的光学性能,第四部分 材料的光学性能,图示,选择吸收是透明物体呈现各种颜色的原因,吸收光谱（Absorption Spectrum） 物质的发射谱（emission spectrum）有：线状谱（line spectrum），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。用具有连续谱的光（例如白光）通过具有
14、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，这表明某些波段的光被吸收了，因而形成了吸收光谱。,第四部分 材料的光学性能,双折射晶体：光沿不同的方向具有不同的传播速率 O光：由球面包络面形成的折射光 E光：由椭球面包络面形成的折射光 实验证明，O光和E光都是线偏振光，且振动方向互相垂直,菲涅耳反射公式：,基体上镀有薄膜时的菲涅耳反射公式：,2 分析材料的透光性 小角度入射时，透过介质的光强度为：,以上公式表明，影响材料透光性的因素主要为：反射系数，吸收和散射系数，材料厚度。与材料本身性质密切相关的是吸收系数，散射系数。吸收系数如前所述，散射系数
15、影响因素如下： （1）材料的宏观和显微缺陷 材料的不均匀程度越高，散射系数越大。不均匀性主要由夹杂物、掺杂、晶界等引起。 （2）晶粒排列的方向：对于各向异性材料，要考虑双折射的影响，即除了晶界本身引起的反射外 ，还存在由于两边晶粒折射率不同引起的附加反射，此反射可大可小，取决于材料ne的大小，分析氧化铝和金红石头的例子。此外，ne还随着取向不同而变化，如下图所示。,陶瓷的吸收系数虽然低，但往往是多相的，因此不透明。高分子材料和玻璃因为不存在晶界，所以透光性往往较好。 （3）气孔引起的散射损失。气孔相当于第二相，因为空气的折射率和基体相差较大，故相同体积分数下，气孔引起的散射损失远大于杂质、晶粒
16、取向的差别。但微小气孔的影响不大。 （4）不透明性和半透明性的控制。通过分散的第二相控制透明程度，包括第二相的种类，这决定第二相折射率和基体折射率的差别；第二相体积分数；第二相的尺寸。,3 界面反射与光泽 被反射掉的光的多少，取决于材料的表面粗糙度和反射系数，反射系数与折射率相关，因此光泽由折射率和表面粗糙度决定（见右图）。 应用举例:光导纤维涂层，增透膜，增反膜。,非自聚焦型光导纤维材料 内芯材料：高折射率的透明玻璃。 涂层材料：低折射率的玻璃或塑料， 如聚四氟乙烯,聚丙烯腈。,4 其他光学性能的应用,（1）荧光材料：基质激活剂（发光中心） 材料以某种方式吸收能量之后，将其转化为光能即发射光
17、子的过程，这就是光发射。 自然界中很多物质可发光，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、薄膜（TFT）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。,材料发光前可以有多种方式向其注入能量,发光颜色：发射光谱与吸收光谱相对应，但发射光谱吸收光谱，因为有的材料吸收光后不一定会发射，而是把吸收的光能转化为热能，形成对发光没有贡献的吸收。 发光强度：指数规律衰减： 延续时间：从激发停止时的发光强度I0衰减到I0 /10的时间，按延续时间长短分为： 超长余辉（1s）、长余辉
18、（0.11s）、中余辉（1100ms） 、中短余辉（10-21ms） 、短余辉（1 10s）、超短余辉（1s）,（2）激光材料,激光形成原理,激光材料组成:基质激活离子（发光中心） 基质：为激活离子提供合适的晶格场，使之产生受激辐射,一般为氧化物或氟化物，如AL2O3,BaF等。,（3）电光与声光材料：电场或声波引起折射率变化线性电光效应：对双折射晶体而言。其折射率椭球，即光的传播速率椭球在电场下会发生形变，导致折射率的变化，规律如下：n=Kn3rEn:不加电场时的折射率；E：外加电场K:比例常数；r：线性电光系数非线性电光效应：即二次电光效应（见第三节 ）,声光效应：,电光及声光材料一般为氧化物，通常含有Nb、Ta等 过渡族或稀土离子,三、非线性光学性能 非线性光学的诞生,
