自发 辐射
E2
= (E2-E1) / h
E1
激发态原子或分子的受激辐射
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材料的光发射 光致发光
通过光（光频波段、X射线或γ射线波段）的辐照将材料中的电子激发到高 能态从而发光。光致发光经过吸收、能量传递及光发射三个阶段。光的吸 收及发射都发生于能级之间的跃迁，能量传递则是激发态的运动。如荧光 灯，就是紫外线激发荧光粉而发光。
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各种类型材料的光吸收行为
a) 金属：吸收，不透明； b) 绝缘体：不吸收，透明； c) 半导体：取决于入射光波 长与施主和受主能级Ed, Ea大 小。
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一般吸收和选择吸收
除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。 任何一种物质，它对特定波长范围内的光是透明的，而对另一些波长范 围内的光却是不透明的。 例如，在光学材料中，石英对所有可见光几 乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性 能，且吸收系数不变，这种现象为一般吸收； 但是对于波长范围为3.5-5.0μm的红外光却 是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，
这种现象为选择吸收。换言之，石英对可见光
和紫外线的吸收甚微，而对上述红外光有强烈 的吸收。
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吸收光谱
用具有连续谱的光（例如白光）通过具有选择吸收的物质，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 明某些波长或波段的光被吸收了，因而形成了吸收光谱（absorption spectrum） 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。 物质的发射谱（emission spectrum）有：线状谱（line spectrum）， 带状谱（band spectrum）和连续谱等。 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。
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晶体结构的各向异性不仅能产生折射率的各向异性（双折射），而且能产生 吸收率的各向异性，这种选择吸收的性能称作二向色性。
天然的电气石晶体呈六角型的片状，长对角线的方向为其光轴。当光线照射 在这种晶体表面时，振动的电矢量与光轴平行时被吸收得较少，光可以较多 地通过；电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得很少。
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v∆t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。 垂直于波前（或等相面）的直线代表光波的传播方向，也就是光线。 该原理适用于机械波和电磁波
阴极射线发光
利用高能量的电子轰击材料，通过电子在材料内部的多次散射碰撞，使材 料中发光中心被激发或电离而发光。如彩电的颜色就是采用电子束扫描、 激发不同成分的荧光粉，使它们发射红、绿、蓝三种基色光波。
电致发光
对绝缘发光体施加强电场导致发光，或从外电路将电子（空穴）注入到 半导体的导带（价带），导致载流子复合而发光。由于是在电场作用下 的发光，所以也叫场致发光。如仪器指示灯的发光二极管。
（2）电子能态转变
光子被吸收和发射，涉及到固体材料中电子能态的转变。材料的原子吸收了 光子能量之后将较低能级上的电子激发到较高能量上去，电子发生的能级 变化与电磁波频率有关：△E=hv 受激电子不可能无限长时间地保持在激发状态，经过一个短时期后又衰变回 基态，同时发射出电磁波，即自发辐射。
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惠更斯-菲涅耳原理：说明光的传播定律
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光的全反射
当光束从折射率n1较大的光密介质进入折射率n2较小的光 疏介质，且入射角大于临界角时，光线被100％反射的现象。 这时不再有折射光线，入射光的能量全部回到第一介质中。 临界角
n2 sin c (n1 n2 ) n1
折射光
全反射应用：光导纤维
光导纤维通常用来传送无线电、 电话、电视和电子计算机数据。
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光散射分类
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 • 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。
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弹性散射分类 按照散射中心尺度a0与入射光波长λ的大小，分为三类： 廷德尔（Tyndall）散射 米氏（Mie）散射 瑞利（Rayleidl）散射
早晨
瑞利散射
太 阳 光
中 午
Global
按照瑞利散射定律，我们不难 理解晴天时晨阳与午阳的颜色 不同。 入射波长越长，散射光强越小， 即长波散射要小于短波散射。 因为大气及尘埃对光谱上蓝紫 色光的散射比红橙色光为甚， 阳光透过大气层越厚，其中蓝 紫色光成分损失越多，太阳显 得越红。
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2、材料的结构、晶型和非晶态
根据光通过材料的表现，介质分为均质介质和非均质介质。 均质介质，材料只有一个折射率，如非晶态（无定型体）和立方晶体。 非均质介质，光通过时构成两条折射光线。
3、材料存在的内应力
有内应力的透明材料，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。
4、同质异构体
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材料的光发射
1、概 述
材料的光发射：是材料以某种方式吸收能量后，将其转化为光 能即发射光子的过程。这种性质与材料的能量结构密切相关。 自然界中很多物质都可发光，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，其次是半导体，它们通常以多晶粉末、薄膜或单晶 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。
吸收系数与吸收率：朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律
I I 0e

l
l
I A cl lg T log I0
吸收系数（消光系数），单位cm-1 介质厚度 c 溶液的摩尔浓度（mol/L）
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光吸收的物理机制
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。 当光的频率与电子极化时间的倒数处在同一个数量级时，由此引起的吸 收才变得比较重要； 电子受激吸收光子而越过禁带； 电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光；
多数情况下发射光子和激发光子的能量不相等，通常前者 小于后者。若发射光子与激发光子的能量相等，发出的辐 射就称为“共振荧光”。向下跃迁未必都发光，也可能存 在激发的能量转变为热能的无辐射跃迁过程。
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材料的光发射
2、激励方式
材料发光前可以有多种方式向其注入能量 （1）热辐射 （2）电致发光 （3）光致发光 （4）化学发光 （5）阴极射线发光 （6）同步辐射光源 （7）激光光源 受激 辐射 激发态原子或分子的自发辐射
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物体发光可分为平衡辐射和非平衡辐射两大类
1. 平衡辐射 只与辐射体的温度和发射本领有关，如白炽灯的发光。 2. 非平衡辐射 在外界激发下物体偏离了原来的热平衡，继而发出的辐射。 固体发光的微观过程可以分为两步：
① 对材料进行激励，即以各种方式输入能量，将固体中的电子的能 量提高到一个非平衡态，称为“激发态”； ② 处于激发态的电子自发地向低能态跃迁，同时发射光子。
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。同时，材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。
禁带较宽的介电固体材料也可以吸收光波，但吸收机理不是激发电子从价 带跃迁到导带，而是因其杂质在禁带中引进了附加能级，使电子能够吸收光子 后实现从价带到受主能级或从施主能级到导带的跃迁。
概述 光与固体材料的相互作用 材料对光的反射和折射 光的色散和全反射 材料对光的吸收 材料的光发射 材料的受激辐射和激光
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材料的光学性质——基础篇 光的本质
光 的 现 象 光 的 微 粒 说 光 的 波 动 说 光 的 电 磁 说 光 的 波 粒 二 象 性
光的直线传播 光的传播速度
光的干涉
电磁波谱
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光纤结构示意图
纤芯：575μm掺杂了的SiO2， n一定或随半径增加而减小。 包层: 总直径为100 200μm, 折射率稍小于纤芯的掺杂了的SiO2。 涂敷层：硅铜或丙烯酸盐，隔离杂光。 护套：尼龙或有机材料，增加强度，保护光纤。
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材料对光的吸收
光作为一种能量流，在光通过材料传播时，会引起材料的电 子跃迁或使原子振动而消耗能量，使光能的一部分变成热能， 导致光能的衰减，这种现象称为介质对光的吸收。。
在同质异构材料中，高温时的晶型折射率低，低温时存在的晶型折射率高。
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光的色散
材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）而减 小的性质，称为折射率的色散。
dn 色散 d
色散对于光学玻璃是重要参量，因为色散 严重造成单色片透镜成像不够清晰。
用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和 凹透镜复合镜头，以消除色差，称为消色差 镜头。

光波的偏振性。E、H分别在各自的 平面内振动。振动方向对传播方向不 具有对称性，旋光现象。 光波的能流密度。光波的传播伴随着光能量的流动，光强与其振 幅成正比。
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电 磁 波 谱 图
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远紫外
（真空紫外）
近紫外 可见
380nm ~ 780