【正文】 參量 ?與散射中心尺度大小 d有關(guān)。 如果將吸收定律與散射規(guī)律的式子統(tǒng)一起來 ， 則可得到： () 20 xseII ???0xsaeII )(0?? ???彈性散射和非彈性散射 根據(jù)散射前后光子能量（或光波波長(zhǎng)）變化與否，可以分為 彈性散射和非彈性散射 兩大類。 直接帶隙半導(dǎo)體： 電子躍遷只需要吸收能量 間接帶隙半導(dǎo)體： 電子的躍遷不只需要吸收能量，還要改變動(dòng)量 ． 材料的光散射 1． 散射的一般規(guī)律 光波遇到不均勻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次級(jí)波 ， 與主波方向不一致 ， 使光偏離原來的方向從而引起散射 ， 從而減弱光束強(qiáng)度 。這樣的激子也稱為莫特 萬尼爾激子。 19 ???????? ????ac2M1M12半導(dǎo)體材料中的光吸收 （ 1）激子吸收 在光躍遷過程中，被激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子和在價(jià)帶中的空穴由于庫(kù)侖相互作用，將形成一個(gè)束縛態(tài)，稱為激子。即在紅外區(qū)的吸收峰是因?yàn)殡x子的彈性振動(dòng)與光子輻射發(fā)生諧振消耗能量所致 。 c為光速 。 這是因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)愈短 ， 光子能量越來越大 。 但是電介質(zhì)材料 ， 包括玻璃 、 陶瓷等無機(jī)材料的大部分在這個(gè)波譜區(qū)內(nèi)都有良好的透 過性 。 Eg越小 ，吸收的光的波長(zhǎng)愈長(zhǎng) ， 呈現(xiàn)的顏色愈深；反之 ， 能級(jí)差 Eg愈大 ，吸收光的波長(zhǎng)愈短 ， 則呈現(xiàn)的顏色愈淺 。 αa越大材料越厚 ， 光就被吸收得越多 ， 因而透過后的光強(qiáng)度就越小 。 選取其中一薄層 ， 并認(rèn)為光通過此薄層的吸收損失 –dI， 它正比于在此處的光強(qiáng)度和薄層的厚度 dx， 即 : 15 dI =?aIdx , ()式表明 ， 光強(qiáng)度隨厚度的變化符合指數(shù)衰減規(guī)律 。 14 一．介質(zhì)對(duì)光的吸收 1． 吸收的一般規(guī)律 1） 光吸收的原因 光作為一種能量流 ， 在穿過介質(zhì)時(shí) ， ① 使介質(zhì)的價(jià)電子受到光能而激發(fā) ， 在電子殼能態(tài)間躍遷 ， 或使電子振動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿舆\(yùn)動(dòng)的能量 ， 即材料將吸收光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛驘崮芊懦觯?② 介質(zhì)中的價(jià)電子吸收光子能量而激發(fā) ， 當(dāng)尚未退激而發(fā)出光子時(shí) ，在運(yùn)動(dòng)中與其它分子碰撞 ， 使電子的能量轉(zhuǎn)變成分子的動(dòng)能亦即熱能 。 ① 減少反射損失的實(shí)例 由于陶瓷 、 玻璃等材料的折射率較空氣的大 ， 所以反射損失嚴(yán)重 。 由 ()式可知 ,在垂直入射的情況下 ,光在界面上的反射的多少取決于兩種介質(zhì)的相對(duì)折射率 n21 3． 界面的反射損失 （ 1） 基本現(xiàn)象 如果介質(zhì) l為空氣 ， 可以認(rèn)為 ， n1=1， 則 n21=n2； 如果 n1和 n2相差很大 ， 那么界面反射損失就嚴(yán)重； 如果 n1= n2， 則 m =0； 根據(jù) ， 因此在垂直入射的情況下 ， 幾乎沒有反射損失 。 或： m=被反射的光強(qiáng)度 /入射光強(qiáng)度 =L/I0 2） 反射系數(shù)與折射率的關(guān)系 根據(jù)波動(dòng)理論 W∝ A2vS () 式中 ， A為入射波的振幅 ， v為入射波的傳播速度 ， S為界面面積 。 6 ． 反射率和透射率 1． 反射系數(shù) （ 反射率 ） 當(dāng)光投射到材料表面時(shí)一般產(chǎn)生反射 、 透過和吸收 。 例如含Pb090％ (體積 )的鉛玻璃 n=。 以 SiO2為例 ① 石英晶體 常溫下的石英晶體 ， n =， 數(shù)值最大；高溫時(shí)的鱗石英 ， n =；方石英 ， n =。 特性：不論入射光的入射角如何變化 ， n0始終為一常數(shù) ， 因而常光折射率嚴(yán)格服從折射定律 。 如下圖 : 4 ???????ccvcn材料() εn ?當(dāng)離子半徑增大時(shí)，其 ε增大，因而 n也隨之增大 2） 材料的結(jié)構(gòu) 、 晶型和晶態(tài) （ 1） 均質(zhì)介質(zhì) 如非晶態(tài) (無定型體 )和立方晶體材料 ， 當(dāng)光通過時(shí) ， 光速不因傳播方向改變而變化 ， 材料只有一個(gè)折射率 。 （ 2） 相對(duì)折射率 材料相對(duì)于空氣的折射率稱為相對(duì)折射率： n′=va/v材料 （ 3） 絕對(duì)折射率與相對(duì)折射率的關(guān)系 ∵ n= c/v材料 則 v材料 = c/ n 又 ∵ 空氣的絕對(duì)折射率為： na= c/va ， 則 va= c/ na ∴ 因此， n=na 當(dāng)光從真空進(jìn)入較致密的材料時(shí) ,其速度是降低的 。 光子還具有分立的動(dòng)量： ?hP ?hv?? 、反射、吸收和散射特性 ． 折射率 1） 定義 光是具有一定波長(zhǎng)的電磁波 ， 光的折射可理解為光在介質(zhì)中傳播速度的降低而產(chǎn)生的 （ 以真空中的光速為基礎(chǔ) ） 。 一般將真空中的折射率定為 1。 3 21211221vvnnnis inis in ?????? cv() () 根據(jù) (5． 1)式和 (5． 3)式可得 : 由于在無機(jī)材料這樣的電介質(zhì)中 ， μ=1， ε≠l ∴ （ ） （ 2） 極化率與離子半徑的關(guān)系 當(dāng)光通過材料時(shí) ， 必然引起內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的極化 （ 變形 ） ， 在可見光范圍內(nèi) ， 這種變化表現(xiàn)為離子或核外電子云的變形 ， 而且 ，隨著光波電場(chǎng)的交變 ， 電子云也反復(fù)來回變形 。 ① 常光折射率 n0 上述兩條折射光線中 ， 平行于入射面的光線的折射率稱為常光折射率 。 5 3） 同質(zhì)異構(gòu)體 一般情況下 ， 同質(zhì)異構(gòu)材料的高溫晶型原子的密堆積程度低 ，因此折射率較低；低溫晶型原子的密堆積程度高 ， 因此折射率較高 。 提高玻璃折射率的有效措施是摻入鉛和鋇的氧化物 。 測(cè)定材料中內(nèi)應(yīng)力的大小，常采用測(cè)定雙折射的光程差的大小。 則 ， 反射系數(shù)為 m=W′/W 。 12 ?????????????)ri(tg)ri(tg)ri(s i n)ri(s i n21WW2222 () 222222221ri1ri)ri()ri()ri(tg)ri(tg)ri(si n)ri(si n???????????????????????rs inis inn21 ?m)1n 1n(WW 22121 ????? （ ） 2． 透射系數(shù) 根據(jù)能量守恒定律 （ 光在界面上的現(xiàn)象 ） ， W=W′+W″ () (1－ m)稱為透射系數(shù) 。 如果連續(xù)透過 x塊平板玻璃 ， 則透過部分應(yīng)為 (1－ m)2x。 ② 增加反射損失的實(shí)例 為了調(diào)節(jié)玻璃的 n， 常在玻璃表面涂以一定厚度的和玻璃 n不同的透明薄膜 ， 使玻璃表面的 m增加或減少 。 2） 朗伯特定律 設(shè)有一塊厚度為 x的平板材料 ， 入射光的強(qiáng)度為 I0， 通過此材料后光強(qiáng)度為 I′。 αa取決于材料的性質(zhì)和光的波長(zhǎng) 。 當(dāng)兩個(gè)能級(jí)的能量差 （ E2E1=hν=Eg， h為普照朗克常數(shù) ， v為頻率 ） 等于可見光的能量時(shí) ， 相應(yīng)的波長(zhǎng)的光就被吸收 ， 從而呈現(xiàn)顏色 。 從圖中可見 ， 在電磁波譜的可見光區(qū) ， 金屬和半導(dǎo)體的吸收系數(shù)都是很大的 。 透光區(qū)與吸收區(qū)之間有一條坡度很陡的分界線 ， 通常稱為吸收極限 ，小于吸收極限的波長(zhǎng)完全吸收 ， 大于吸收極限的波長(zhǎng)則全部透過 。s。 吸收主要是由于紅外光 （ 電磁波 ） 的頻率與材料中分子振子 （ 或相當(dāng)于分子大小的原子團(tuán) ） 的本征頻率相近或相同引起共振消耗能量所致 。 Mc和 Ma分別為陽離子和陰離子質(zhì)量。可以認(rèn)為它們的結(jié)合是比較弱的。 離子晶體和分子晶體的電子和空穴只是局域在原子周圍，所以被稱為強(qiáng)束縛激子或弗倫克爾激子 （ 2）本征吸收 能量小于禁帶寬度 Eg的光子沒有本征吸收；當(dāng)光子能量達(dá)到 Eg時(shí)，本征吸收開始，稱為本征吸收邊。 ?S為散射系數(shù)其單位為cm1， 與散射 (質(zhì)點(diǎn) )的大小 、 數(shù)量以及散射質(zhì)點(diǎn)與基體的相對(duì)折射率等因素有關(guān) 。散射結(jié)果只是把光子彈射到不同的方向上去，并沒有改變光子的能量。