第三章
杜慧玲 博士 主讲
西安科技大学
材料科学与工程系
内容
光的基本性质
介质对光的反射与折射
介质对光的吸收
介质对光的散射与色散
材料的光发射
激光与激光材料
1 光是电磁波
2 光的折射与反射
3 光的吸收与散射
4 光的偏振
应用电磁场理论说明光的基本现象和规律
光波与物质在界面处的相互作用
光波在介质中与物质原子的 相互作用
光矢量和光的各种偏振态
? 几何光学 (geometrical optics) ? 波动光学 (wave optics)
? 量子光学 (quantum optics)
回顾与总结
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
光的反射
光的折射
光的干涉
光的衍射
电磁波谱
光谱
§ 1,光的基本性质
引言,
（ 1）微粒学说 ( corpuscular theory )
（ 2）波动学说 ( undulatory theory )
（ 3）光 —— 具有波粒二象性的物质
粒子性,光子 (Photon ), E = hν= h c / λ
一 电磁波是矢量波 电磁波 ＝ 交变电磁状态的传播
E?
H? H?H?H?
E?E??
?
设一平面电磁波
x
y
z
o
H?
E?
u
2
2
2
2
t
E
x
E
?
??
?
? ??
由麦克斯韦理论可得：
2
2
22
2 1
t
E
ux
E
?
??
?
?
真空中的电磁波
§ 1,光的基本性质
1.1 电磁辐射
2
2
2
2
t
H
x
H
?
??
?
? ??同理：
2
2
22
2 1
t
H
ux
H
?
??
?
?
)]uxt(c os [EE ?? ?0
当电场振动沿 x
轴正向传播时，有反映该振动的平面简谐波
)]uxt(c o s [HH ?? ?0
用麦氏电磁场方程组可推出
0
0
0
0
0
0 Eu
EH
?
?
?
??
§ 1,光的基本性质
1.1 电磁辐射
? 在真空中,s/m./u 8
00 10997921 ??? ??
c?
? 在介质中：
rr/u ???? 001? rr/c ??
cn/c ??
§ 1,光的基本性质
1.1 电磁辐射
折射率 (refractive index)二 电磁波的性质
(1) 电磁波是横波
H,E ??振动量 与波速 构成相互 E?
H?
u?
垂直的右手螺旋关系。
u?
(2) 电磁波的偏振性
分别在各自的平面上振动。H,E ?? 旋光现象。
§ 1,光的基本性质
1.1 电磁辐射
HE ?? ? o x
y
uE
H
z
(3) 电场与磁场同相变化
0000 HE ?? ?
振幅之间满足
电, 磁场分量与电磁波传播方向互相垂直
§ 1,光的基本性质
1.1 电磁辐射
(4) 电磁波的能量
me www ??
u
EHEH ?? ??
2
2
1 Ew
e ??
2
2
1 Hw
m ??
§ 1,光的基本性质
1.1 电磁辐射
? 电磁波的能流密度
wuS ? EH?
? 坡印廷矢量
HES ??
? 电磁波的强度
?? ?? TT E H d tTSdtTI 00 11 0021 HE? 202
1 E
?
??
2
0EI ?
§ 1,光的基本性质
1.1 电磁辐射
电磁波具有各种频率：无线电，微波，红外线，可见光，
紫外线,X 射线和 ? 射线等。
? 可见光 (visible light) —— 能够引起人的视觉的电磁波。
m.~,77 1090310607 ?? ?? nm~ 3 9 07 6 0
§ 1,光的基本性质
1.2 电磁波谱
光色 波长 (nm) 频率 (Hz) 中心波长 (nm)
红 760~622 660
橙 622~597 610
黄 597~577 570
绿 577~492 540
青 492~470 480
兰 470~455 460
紫 455~400 430
1414 108.4~109.3 ??
1414 100.5~108.4 ??
1414 104.5~100.5 ??
1414 101.6~104.5 ??
1414 104.6~101.6 ??
1414 106.6~104.6 ??
1414 105.7~106.6 ??
可见光七彩颜色的波长和频率范围
人眼最为敏感的光是黄绿光，即 nm555 附近。
§ 1,光的基本性质
1.2 电磁波谱
电
磁
波
光
谱
§ 1,光的基本性质
1.2 电磁波谱
? 无线电波 －波长比可见光长得多，不能引起人的视觉，可
以引起电子的振荡。由于波长很长，一个金属网笼，甚至桥
梁上的钢架就可以将其阻止。
? 微波 －波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食物里很容
易被水分子吸收，可是食物迅速被加热。
? 红外线 （ IR）－分布在微波和可见光之间，且仅能够在它
聚集热的地方探测到。蛇和其他一些生物对红外线很敏感；
红外线不能透过玻璃，这一特性可以解释温室效应：晴天时，
经过温室玻璃的可见光被植物吸收，而红外线被再次辐射，
被玻璃捕获的红外线引起温室内部的温度升高，整个宇宙充
满了宇宙大爆炸时残留的冷却物质发出的红外辐射。
§ 1,光的基本性质
1.2 电磁波谱
? 紫外线（ UV）,频率高于可见光的，不能引起视觉，
对生命有危害，来自太阳的紫外线几乎被大气中的臭氧
完全吸收，臭氧保护着地球的生命，少量透过大气的紫
外线会晒黑皮肤或使进行日光浴的人体产生晒斑。
? X射线,波长比紫外线还短的电磁波，它们很易穿过大
多数物质。致密的物质、固体材料比稀疏物质容易吸收
更多的 X射线，这就是为什么在 X射线照片上显现的是
骨骼而不是骨骼周围的组织。其波长可与原子尺寸相比
拟。
§ 1,光的基本性质
1.2 电磁波谱
γ 射线和宇宙射线：
? 波长最短，波长尺寸约为原子核大小量级
? γ 射线产生于核反应及其他特殊的激发过程
? 宇宙射线来自地球之外的空间。
§ 1,光的基本性质
1.2 电磁波谱
? 在固体材料中出现的光学现象的电磁辐射与固体材料中的
原子、离子或电子相互作用的结果。
? 从宏观上讲，当光从一种介质进入另一种介质时，回发生
光的透过、吸收和反射。
? 设入射到固体表面的光辐射能流率为 φ0,透过、吸收和
反射光的光辐射能流率为 φT,φA和 φR，则有
§ 1,光的基本性质
1.3 光与固体的相互作用
RAT ???? ???0
光辐射能流率,表示单位时间内通过单位面积（与光线
传播方向垂直）的能量。
? 光与固体相互作用的本质有两种方式：
? 电子极化
? 电子能态转变
§ 1,光的基本性质
1.3 光与固体的相互作用
电子极化
电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量；
在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每
一个原子都发生相互作用引起电子极化，即造成电
子云与原子核的电荷中心发生相对位移；
所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时
光速减小，后者导致折射。
§ 1,光的基本性质
1.3 光与固体的相互作用
§ 1,光的基本性质
1.3 光与固体的相互作用
电子能态转变
电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能
态的过程；
材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子
激发到较高能级上去，电子发生的能级变化 ?E与电磁波频
率有关,?E=hν
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，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波，即自
发辐射。
§ 2,光的反射与折射
2.1 反射定律与折射定律
光的反射和折射
? 反射定律
三线共面；
反射角等于入射角
? 折射定律
三线共面；
21
2
1 n
u
u
s in
is in ??
?
? 光速：,真空,
? 折射率,
? 折射定律,
① 三线共面； ②
? 反射率 R:
两媒质界面上光的折射和反射
??
1?v
00
1
??
?c
rv
cn ?
?
?
??
?? ????
000
21
2
1
s in
s in n
v
vi ??
?
2
12
122
21
21
2
2
)()11( nn nnnn
v
vR
i
r
?
??
?
???
§ 2,光的反射与折射
2.1 反射定律与折射定律
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 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。
? 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
§ 2,光的反射与折射
2.2 折射率与传播速度的关系
二、折射定律：
? 材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。
光密介质,在折射率大的介质中，光的传播速度慢；
光疏介质,在折射率小的介质中，光的传播速度快。
? 材料的折射率从本质上讲，反映了材料的电磁结构
（对非铁磁介质主要是电结构）在光波作用下的极化
性质或介电特性。
1
2
2
1
21 n
n
v
vn ??
二、折射定律：
? 正是因为介质的极化，“拖住”了电磁波的步伐，才
使得其传播速度变得比真空中慢。
铁磁性材料
非铁磁性材料
rrn ???
rn ??
§ 2,光的反射与折射
2.2 折射率与传播速度的关系
? 光疏介质和光密介质
? 全反射：当光从光密介质射向光疏介质，且入射
角大于临界角时，光线被 100%反射的现象。此时
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：
? 光纤导光原理：全反射
)()s in ( 21
1
2 nn
n
n
c ???
§ 2,光的反射与折射
2.3 光的全反射
光纤结构示意图：
? 纤芯, 5?75μ m掺杂了的 SiO2,n
一定或随半径增加而减小。
? 包层, 总直径为 100 ? 200μ m,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。
§ 2,光的反射与折射
2.3 光的全反射
? 多普勒效应,波源或观察者相对于媒质运动而使观察者接
受到的波的频率有所变化的现象。
? 频率计算：
? 波源不动，观察者运动，即：,观察
者认为接受到的波数变了。
? 观察者不动，波源运动，即：,观察者
认为接受到的波长变了。
00 ?? RS u,u
01 ?? )u
u( R??
00 ?? RS u,u
0??
Suu
u
??
§ 2,光的反射与折射
2.4 多普勒效应
? 波源与观察者同时运动，即：,四种情
况：
? 波源和观察者不在一直线上运动
? 光源与观察者的相对速度为
? 接近：
? 远离
00 ?? RS u,u
0??
S
R
uu
uu
?
??
0??
Sx
Rx
uu
uu
?
??
0?? uc
uc
?
??
0?? uc
uc
?
??
§ 2,光的反射与折射
2.4 多普勒效应
§ ３ 介质对光的吸收
在光束通过物质时，它的传播情况将要发生变化。首先光
束越深入物质，它的光强将越减弱，这是由于一部分光的能量
被物质所吸收，而另一部分光向各个方向散射所造成的，这就
是光的吸收和散射现象。
其次，光在物质中的速度将小于光在真空中的速度，并将随
频率而改变，这就是光的色散现象，光的吸收、散射和色散这
三种现象，都有是由于光与物质的相互作用引起的，实质上是
由光与原子中的电子相互作用引起的。
这些现象是不同物质光学性质的主要表现，对它们的讨论可
以为我们提供关于原子、分子和物质结构的信息。本章侧重于
对现象及其唯象规律的描述，并用经典电子论对这些现象作进
一步的解释。
? 定义
? 由于光是一种能量流，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，从而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 。
? 吸收系数
§ ３ 介质对光的吸收
3.1 基本性质
光通过物质时，光波中的振动着的电矢量，将使物质中的
带电粒子作受迫振动，光的部分能量将用来提供这种受迫
振动所需要的能量。
这些带电粒子如果与其它原子或分子发生碰撞，振动能量
就会转变为平动动能，从而使分子热运动能量增加，物体
发热。
光的部分能量被组成物质的微观粒子吸取后转化为热能，
从而使光的强度随着穿进物质的深度而减小的现象，称为
光的吸收（ absorption）。
§ ３ 介质对光的吸收
3.2 吸收定律
一 吸收定律 - 布格定律
如图所示，光强为 I0的单色平行光束沿 x轴方向通过均匀物质，
在经过一段距离 x后光强已减弱到 I，再通过一无限薄层 dx后光
强变为 I +dI(dI0)。实验表明，在相当宽的光强度范围内,-dI相
当精确地正比于 I和 dx，即
- dI = αaIdx
x+dx
l
dx
x
I I+dI
光的吸收规律
式中 αa是与光强无关的比例系数，
称为该物质的吸收系数
（ absorption coefficient）。于是，
上式是光强的线性微分方程，表征
了光的吸收的线性规律。
§ ３ 介质对光的吸收
3.2 吸收定律
?为了求出光束穿过厚度为 l的物质后光强的改变，可将上式改
写为
然后对 x积分，即可得
?换言之，若入射光强为 I0，则通过 l的物质后的光强为
称为布格定律（ Bouguer law）或朗伯定律。
?该定律是布格（ P.Bouguer,1698—1758）在 1729年发现的，
后来朗伯（ J.H.Lambert,1728—1777）在 1760年又重新作了表
述。
6-2
laeII ??? 0
lII a???? 0lnln
dxIdI a???/
§ ３ 介质对光的吸收
3.2 吸收定律
实验表明，当光被透明溶剂中溶解的物质吸收时，吸收系数 αa与
溶液的浓度 C成正比，即 αa =AC，其中 A是一个与浓度无关的常
量。这时可以写成
称为 比尔定律 （ Beer law）。
根据比尔定律，可以测定溶液的浓度，这就是吸收光谱分析的原
理。
比尔定律表明，被吸收的光能是与光路中吸收光的分子数成正比
的，这只有每个分子的吸收本领不受周围分子影响时才成立。
事实也正是这样，当溶液浓度大到足以使分子间的相互作用影响
到它们的吸收本领时就会发生对比尔定律的偏离。
ACeII ?? 0
§ ３ 介质对光的吸收
3.2 吸收定律
二 吸收定律 – 比尔定律
材料对光的吸收机理：
电子极化,只有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；
所以，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。
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。
§ ３ 介质对光的吸收
3.3 吸收的物理机制
可见光中波长最短的是紫光，波长最长的是红光：
所以,Eg<1.8eV的半导体材料，是不透明的，
因为所有可见光都可以通过激发价带电子向导带转移而被吸收。
Eg=1.8?3.1的非金属材料，是带色透明的，
因为只有部分可见光通过激发价带电子向导带转移而被材料吸收。
§ ３ 介质对光的吸收
3.3 吸收的物理机制
? ?
? ? eVhC
eV
hC
8.1E m,0, 7E
1.3E m,0, 4E
m a x
m i ngm i n
m i n
m a xgm a x
???
???
?
?
?
?
? 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。
§ ３ 介质对光的吸收
3.3 吸收的物理机制
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，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而
对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。
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。
§ ３ 介质对光的吸收
3.4 一般吸收和选择吸收
又例如，普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线主紫
外线都有强烈的吸收，是不透明的。
因此在红外光谱仪中，棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶
体和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，棱镜常用对紫外线
透明的石英制作。
实际上，任何光学材料，在紫外和红外端都有一定的透光
极限。
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。
6-3§ ３ 介质对光的吸收
3.4 一般吸收和选择吸收
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）。
§ ３ 介质对光的吸收
3.5 吸收光谱
? 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。
§ ３ 介质对光的吸收
3.5 吸收光谱
? 按照经典的电磁理论，原子可以看成是一系列弹性偶极振
子的组合，其中每个振子有一定的固有频率，于是原子就
有了一系列的固有频率。
? 这种偶极振子一旦被外部能源激发，每个振子都会以其固
有频率作简谐振动，并向周围空间发出同一频率的单色电
磁波，从而在发射光谱上形成一条条的光谱线，形成了原
子气体的线状发射光谱。
? 当包含有各种频率的白光照射在原子气体上时，只有那些
频率与原子有固有频率一致的电磁波，会引起共振而被原
子气体强烈地吸收，于是在原子气体的吸收光谱中形成了
一条条与原子核固有频率对应的暗谱线。
§ ３ 介质对光的吸收
3.5 吸收光谱
§ 4 介质对光 的散射
4.1 光散射现象
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。
光的散射导致原来传播方向上光强的减弱
如果只计及各种散射因素，光强随传播距离的散射减
弱仍符合指数衰减规律：
对于一般介质中光强的减弱，来自两个方面：吸收和
散射，因此光强衰减为：
§ 4 介质对光 的散射
4.1 光散射现象
lseII ???
0
? ?lsaeII ?? ???
0
§ 4 介质对光 的散射
4.2 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。
一、弹性散射分类
按照散射中心尺度 a0与入射光波长 λ是大小，分为三类：
1,廷德尔散射 Tyndall Scattering (J.Tyndall,1820-1893)
当 a0?λ时,σ→ 0
即散射中心的尺度远大于光波波长时，散射光强与入射光
波长无关
如粉笔灰、白云呈白色
例如在胶体、乳浊液以及含有烟、雾 或灰尘的大气中的
散射。
§ 4 介质对光 的散射
4.2 光散射分类
2,米氏散射 Mile Scattering
当 a0与 λ 相近时,σ =0~4
即散射中心的尺度与光波波长可以比拟时,σ
在 0~4之间,具体取值与散射中心有关,
米氏散射性质比较复杂。
§ 4 介质对光 的散射
4.2 光散射分类
3,瑞利散射 Rayleigh scattering
? 当 a0?λ时,σ=4 即当散射中心的线度远小于入射
光的波长时，散射强度与波长的 4次方成反比
? 通常我们把线度小于光的波长的微粒对入射光的
散射，称为瑞利散射（ Rayleigh scattering）。
? 瑞利散射不改变原入射光的频率。
§ 4 介质对光 的散射
4.2 光散射分类
为了解释天空为什么呈蔚蓝色，瑞利（ J.W.S.Rayleigh，
1842-1919）研究了线度比光的波长小的微粒的散射问题，
在 1871年提出了散射光强与波长的四次方成反比的关系，即
这就是 瑞利散射定律 。
4
1
??sI
§ 4 介质对光 的散射
4.2 光散射分类
瑞利散射定律
在散射微粒的尺度比光的波长小的条件下，作用在散射微粒
上的电场可视为交变的均匀场，于是散射微粒在极化时只感
生电偶极矩而没有更高级的电矩。
按照电磁理论，偶极振子的辐射功率正比于频率的四次方。
瑞利认为，由于热运动破坏了散射微粒之间的位置关联，各
偶极振子辐射的子波不再是相干的，计算散射光强时应将子
波的强度而不是振幅叠加起来。
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。
实验和理论都证明,较大的颗粒对光的散射不遵从瑞利散射定
律，这时散射光强与波长的依赖关系就不十分明显了。
§ 4 介质对光 的散射
4.2 光散射分类
3,瑞利散射
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。
§ 4 介质对光 的散射
4.2 光散射分类
Global
早晨
中
午
太
阳
光
二、非弹性散射分类
1,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 100?104之间变化。
2,布里渊散射 （ Brillouin scattering）
? 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。
§ 4 介质对光 的散射
4.2 光散射分类
在真空中，光以恒定的速度传播，与光的频率无关。然而，
在通过任何物质时，光的传播速度要发生变化，而且不同频率
的光在同物质中的传播速度也不同；
这一事实在折射现象中最明显地反映了了出来，即物质的折
射率与光的频率有关，折射率 n取决于真空中光速 c和物质中光
速 u之比，即
这种光在介质中的传播速度（或介质的折射率）随其频率
（或波长）而变化的现象，称为 光的色散现象 。
6-4
v
cn ?
§ 5 介质对光 的色散
5.1 色散的一般现象
1672年牛顿首先利用棱镜的色散现象，把日光分解成了彩色
光带。
棱镜的折射率为
在棱镜顶角 A已知的条件下，通过最小偏向角 δm的测量，利
用上式可以得到棱镜材料对该波长的光的折射率 n。用各种波
长 λ的光入射，即可得到 δm和 n随波长 λ的变化关系。
? ?
? ?2/s i n
2/s i n
s i n
s i n
2
1
A
mAn ?
?
? ???
§ 5 介质对光 的色散
5.1 色散的一般现象
在光谱仪中，棱镜通常是安装在接近于产生最小偏向角
的位置上，因此棱镜的角色散本领 D= dδ/dλ可通过对上
式的微分得到，即
? ?? ?
? ?
? ?? ? ? ? ? ???
??
?????
ddnmAA
ddnmddn
ddndmddmdD
/2/c o s/2/s in2
/1/
///
??
??
??
§ 5 介质对光 的色散
5.1 色散的一般现象
波长相差 δλ的两条谱线之间的角距离为
以上两式中的 dn/δλ称为色散率，它表征了棱镜材料的色散性
质。
角色散本领 D= dδ/dλ也可以写作
其中 b为棱镜的底边,a为光束的宽度。
? ? ? ?? ?? ??????? ddnAnADd /2/12/2s i n21/2/s i n2 ???
? ?? ??ddnabD //?
§ 5 介质对光 的色散
5.1 色散的一般现象
测量不同波长光线通过棱镜的最小偏向角，就可以算出
棱镜材料的折射率 n与波长 λ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是,折射
率 n以及色散率 dn/dλ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）。
6-5§ 5 介质对光 的色散
5.2 正常 色散
一、定义
1836年，科希（ A.L.Cauchy）给出了正常色散的经验
公式，即
式中 A,B和 C是与物质有关的常量，其数值由实验数据
来确定，
当 λ变化范围不大时，科希公式可
只取前两项，于是有：
42 ??
CBAn ???
3
2
2
??
?
B
d
dn
B
An
??
??
二、科希公式
§ 5 介质对光 的色散
5.2 正常 色散
实验表明，在发生强烈吸收的波段，色散曲线发生力量明
显的不连续，折射率 n随着波长的增加而增大，即 dn/dλ > 0，
这种在吸收带附近不符合科希公式，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。
6-6§ 5 介质对光 的色散
5.3 反常 色散
物理模型 -阻尼受迫振子模型
介质原子的电结构可以看作是由正负电荷之间用一根无形
的弹簧束缚在一起的振子；
光波引起介质中舒服电荷的受迫振动；
同时做受迫振动的振子（舒服电荷）也可以作为电磁波的
波源，向外发射“电磁次波”；
因为光速是等相位状态的传播速度，由于次波的叠加改变
了波的相位，即改变了光速；
次波的位相即振子受迫振动的位相，它与两个因素有关：
1,入射光波的频率：即波长
2,振子的固有频率：在经典理论中指材料的固有振动频率
§ 5 介质对光 的色散
5.4 经典 色散理论
§ 6 材料的 光发射
6.1 光发射的定义
一、定义
? 材料以某种方式吸收能量之后，将其转化为光能即发射光
子的过程，这就是 光发射 。
? 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，其次的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。
§ 6 材料的 光发射
6.1 光发射的定义
二、平衡辐射和非平衡辐射
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。
§ 6 材料的 光发射
6.1 光发射的定义
三,光源 能够发光的物体称为光源
?= (E2-E1) / h
E1
E2
? 原子光波列 (wave train)
?cL ?
c
? 一般光源的发光特点,1 间歇性； 2 随机性。
（ 1）热辐射
（ 2）电致发光
（ 3）光致发光
（ 4）化学发光
自发
辐射
（ 5）同步辐射光源
（ 6）激光光源
受激
辐射
激发态原子或分子的自发辐射
?= (E2-E1) / h
E1
E2
激发态原子或分子的受激辐射
§ 6 材料的 光发射
6.2 激励方式
材料发光前可以有多种方式向其注入能量
§ 6 材料的 光发射
6.2 激励方式
一、光激励（光致发光）
通过光的辐照将材料中的电子激发到高能
态从而导致发光。
激励光源可以采用光频波段,x-射线波段、
γ-射线波段。
如荧光灯：通过紫外线激发涂布于灯管内
壁的荧光粉而发光。
§ 6 材料的 光发射
6.2 激励方式
二、阴极射线发光
利用高能量的电子来轰击材料，通过电子
在材料内部的多次散射碰撞，使材料中多种
发光中心被激发或电离而发光的过程。
如彩电的颜色：采用电子束扫描，激发显
象管内表面上不同成分的荧光粉，使它们发
射红、绿、蓝三种基本光波而实现发光。
§ 6 材料的 光发射
6.2 激励方式
三、电激励（电致发光）
通过对绝缘发光体施加强电场而导致发光，
或者从外电路将电子（或空穴）注入到半导
体的导带（或价带），导致载流子复合而发
光。
如仪器指示灯的发光二极管：半导体复合
发光。
一、发射光谱,发射光强 ? 发射光波长
指在一定的激发条件下发射光强按波长的分布。
其形状与材料的能量结构有关。
反映材料中从高能级始发的向下跃迁过程。
§ 6 材料的 光发射
6.3 材料发光的基本性质
二、激发光谱,发光强度 ? 激发光波长
指材料发射某一特定谱线（或谱带）的发光强度随激发
光的波长而变化的曲线
能够引起材料发光的激发波长也一定是材料可以吸收的
波长，但激发光谱 ≠吸收光谱 （因为有的材料吸收光后不
一定会发射光困难把吸收的光能转化为热能而耗散掉对
发光没有贡献的吸收是不会在激发光谱上反映的）。
反映材料中从基态始发的向上跃迁过程。
§ 6 材料的 光发射
6.3 材料发光的基本性质
三、发光寿命：
发光寿命指发光体在激发停止之后持续发光时间的长短。
发光强度也以指数规律衰减：
余辉时间：从激发停止时的发光强度 I0衰减到 I0 /10的时间，
按余辉时间长短分为：
超长余辉（＞ 1s）、长余辉（ 0.1?1s）、中余辉（ 1?100ms）,中短
余辉（ 10-2?1ms）,短余辉（ 1?10μs）、超短余辉（＜ 1μs）
§ 6 材料的 光发射
6.3 材料发光的基本性质
tt IIenn ?? ?? ???
00
n - 初始激发态的电子数
α- 电子在单位时间内跃迁到
基态的概率
τ=1/ α– 发光寿命
四、发光效率
量子效率 ηq：
指发射光子数 nout与吸收光子数（或输入的电
子数） nin之比。
功率效率 ηp：
表示发光功率 Pout与吸收光功率（或输入的电
功率） Pin之比。
光度效率 ηl：
表示发射的光通量 L与输入的光功率（或电功
率） Pin之比。
功率效率与光度效率的关系：
Φ（ λ） -人眼的视见函数
I （ λ） -发光功率的光谱分布函数
D – 光功当量
§ 6 材料的 光发射
6.3 材料发光的基本性质
inoutq nn??
inoutq PP??
inl PL??
? ? ? ?
? ?
D
dI
dI
q
l
??
????
?
?
?
?
?
?
?
0
0
按照发光中心与发光效率分：
2,复合发光
?源于固体本征态的辐射跃迁
?固体能带模型描述（限于最高能隙 Eg内）
如 II-VI,III-V族半导体发光
1,分立中心发光
3,特殊的复合发光 BaF2型
?固体中局域中心内部电子态间的辐射跃迁
?位形坐标描述
如稀土离子发光（宽禁带绝缘体材料）
发
光
分
类
§ 6 材料的 光发射
6.4 发光的物理机制
一、分立中心发光 — RE3+发光，杂质、缺陷发光
其发光通常是掺杂在透明基质材料中的离子，或基质
材料自身结构的某一个基团。
选择不同的发光中心和不同的基质组合，可以改变发
光体的发光波长，调节其光色。
发光中心分布在晶体点阵中，受晶体点阵作用，使其
能量状态发生变化进而影响材料饿发光性能。
§ 6 材料的 光发射
6.4 发光的物理机制
根据发光中心与晶体点阵之间相互作用的强弱可分为
两种情况：
1.发光中心基本上是孤立的它的发光光谱与自由离子相
似；
2.发光中心受基质点阵电场（或晶体场）影响较大，其
发光特性与自由离子不同必须把中心和基质作为一个
整体来分析。
§ 6 材料的 光发射
6.4 发光的物理机制
稀土离子发光：
,4f?4f”电子组态间的跃迁
如 Tb3+,Eu3+,Gd3+ +,Pr3+ … 线谱，禁戒部分解除）
,4f?5d”电子组态间的跃迁
如 Ce3+带谱，允许跃迁
? 特点：及其丰富的能级，具有光谱的可调性。
§ 6 材料的 光发射
6.4 发光的物理机制
缺陷发光
— F心,PWO的绿光、红光中心，
ZnO的绿光,ZrO2的发光
氧化物、氟化物、碱卤化物，
负离子缺位（电子陷阱） + e ?F心
§ 6 材料的 光发射
6.4 发光的物理机制
1,固体“导带电子 —价带空穴”间的复合
2.,导带电子 —受主 A（空穴）”或“价带空穴 —施主 D（电
子）”或,D—A”复合
3,激子（,e—h”）或束缚激子的复合
二,复合发光
§ 6 材料的 光发射
6.4 发光的物理机制
固体中可能的跃迁
（ 1）带间吸收；（ 21）带间发射或自由激子发射（因有一定结
合能，略 <Eg,图上未显示）；（ 22）有一定声子参与的光发射；
（ 3） —（ 5）与杂质、缺陷有关的辐射复合；（ 6）分立中心内
部的发射；（ 7）无辐射（多声子）弛豫；（ 8）俄歇 Auger过程
§ 6 材料的 光发射
6.4 发光的物理机制
复合发光效率：
带间跃迁
直接 —高 ?（仅有光子参与的电子 跃迁 ）
间接 —低 ?（有光子和声子同时参与的电子 跃迁）
带间跃迁中要保持能量守衡和动量守衡
§ 6 材料的 光发射
6.4 发光的物理机制
发光体被激发后，电子、空穴如何运动，激发
态如何去激发
激发 能量传递 发光
研究方法：发光衰减（ ?），激发光谱，时间
分辨谱，发光的浓度依赖，温度依赖，热释光。
§ 6 材料的 光发射
6.5 发光动力学
一、能量传递现象：
激发于某处（某中心），
发光在另一处（另一中心）
如 Ca3(PO4)2:Mn,250nm激发时,Mn不发光，
Ca3(PO4)2:Ce,250nm激发时,Ce发光，
Ca3(PO4)2:Mn,250nm激发时，可见 Mn,Ce发光，
Ce ? Mn
激发
CdS 10-5cm
发射
§ 6 材料的 光发射
6.5 发光动力学
二、能量传递方式：
?载流子传递
?再吸收光子传递
?共振传递
?激子传递
VB
CB
发光激发
Cu
ZnS:Cu
§ 6 材料的 光发射
6.5 发光动力学
激光 （ Laser） 是受激辐射光放大的简称, 是一种
单色性好,亮度高, 相干性强, 方向性好的相干光束 。
激光技术是 20世纪 60年代后发展起来的一门技术,
它带动了傅里叶光学, 全息术, 光学信息处理, 光纤
通信, 非线性光学和激光光谱学等学科的发展, 形成
了现代光学 。
仅就全息照相和傅里叶光学中的一些最基础的内
容作扼要的介绍 。
7-1
激光（ Laser）
§ 7 其它光学性质
7.1 激光
全息照相
全息术 （ holography）是 利用光的干涉和衍射原
理,将携带物质信息的光波以干涉图的形式记录
下来，并且在一定的条件下使其再现，形成原物
体逼真的立体象。 由于记录了物体的全部信息，
包括振幅和相位因此称为全息术 。
§ 7 其它光学性质
7.2 全息照相
? 为了提高电子显微镜的分辨本领，伽伯（ D.Gabor,1900—1979）在 1948
年提出了全息术原理，并开始了全息照相（ holography）的早期研究工作。
? 那时的主要问题是再现的原始象与其共轭象不能分离，以及没有好的相干
光源。
? 1960年出现了激光以后,1962年莱特（ E.Leith）和乌帕特尼克斯
（ J.Upatnieks）在全息术中利用了激光，并提出了离轴全息术，使全息技
术迅速发展成为科学技术的一个新领域。
? 激光记录和白光再现的全息术，例如反射全息、象全息、彩虹全息以及合
成全息等，使全息术在显示方面展现出了它的优越性，并逐步深入到了社
会的各个领域中。
? 而且，声全息术和微波全息术等也已经开始发展，但进展远不如光学全息
术。
§ 7 其它光学性质
7.2 全息照相
全息照片的获得 ——光的干涉
? 由激光器发出的激光束，通过分光镜分成两束。
? 一束称物光，它是经过透镜扩束后射向物体，再由物体反
射后投向全息干版；
? 另一束光经反射镜反射和透镜扩束后直接照到全息干版上，
称为参考光。
? 在干版上相遇后，发生干涉，形成干涉条纹。它是无数组
干涉条纹的集合，最终形成一肉眼不能识别的全息图。
? 干涉条纹的间距：
d = λ/2sin(θ/2)
§ 7 其它光学性质
7.2 全息照相
全息照片的再现 ——光的衍射
? 感光以后的全息底片经显影、
定影等处理得到的全息照片上，
记录了无数干涉条纹，相当于
一个“衍射光栅”，
? 一般是用相同于拍摄时的激光
作为照明光，照明光经全息照
片（即“光栅”）便发生衍射，
得到一列沿照射方向传播的零
级衍射光波和二列一级衍射波。
透镜
物体
透镜
全息干板全反镜
全反镜分光镜电快门He--Ne激光器
全息照片的拍摄
§ 7 其它光学性质
7.2 全息照相
全息照片的主要特点
立体感强。
具有分割性。
同一张全息干版可重叠多个
全息图。
有视差效应。
改变全息照片位置或改变光
波波长可使再现图像放大或缩
小。
7-2
共轭实像三维虚像
全息照片
激光
全息照片的再现
§ 7 其它光学性质
7.2 全息照相
傅立叶光学 光学信息处理
? 20世纪 30年代以来，光学与电通讯和电信息理论相互结合，
逐渐形成了傅立叶光学。
? 傅立叶光学的数学基础是傅立叶变换，它的物理基础是光
的衍射理论。
? 阿贝成象原理,1873年，阿贝（ E.Abbe,1840—1905）
在显微镜成象原理的论述中，首次提出了空间频率和空间
频谱以及两次衍射成象的概念，并用傅立叶变换来阐明显
微镜成象的物理机制。 1906年，波特（ A.B.Porter）以一
系列实验证实了阿贝成象原理。
§ 7 其它光学性质
7.3 傅立叶光学
1,光电效应的基本概念
当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象叫 光电
效应,所逸出的电子叫 光电子,由光电子形成的电流叫 光
电流,使电子逸出某种金属表面所需的功称为该种金属的
逸出功 。
§ 8 光电效应
8.1 光电效应的实验规律
2、实验装置
单色光通过石英窗照射金属板
阴极上有光电子产生。
U
G KA
如将 K接正极,A接负极，则光电子离开 K后，将受到电场的阻碍作
用。当 K,A之间的反向电势差等于 U0时，从 K逸出的动能最大的电
子刚好不能到达 A，电路中没有电流,U0叫 遏止电压 。
0m a x eUE k ?
§ 8 光电效应
8.1 光电效应的实验规律
§ 8 光电效应
8.1 光电效应的实验规律
3、实验现象
(2)存在截止频率,对某一种金属来说，只有当入射光的频率大于
某一频率 ?0时，电子才能从金属表面逸出，电路中才有光电流，
这个频率 ?0叫做截止频率 ——红限,
?
0U
aU
0?
红限频率
(1)饱和光电流,饱和光电流强度与入射光强度成正比。
U0
3
1
2
U
I
IS
0
(3)线性性,用不同频率的光照射金属 K的表面时，只要入射光的
频率大于截止频率，遏止电势差与入射光频率具有线性关系。
Na Ca
?O
2.0
1.0
6.0 8.0 10.0 Hz104?
?01 ?02
|US|
§ 8 光电效应
8.1 光电效应的实验规律
(4)瞬时性, 无论入射光的强度如何，只要其频率大于截止频
率，则当光照射到金属表面时，几乎立即就有光电流逸出
（延迟时间越为 10-9s）
§ 8 光电效应
8.1 光电效应的实验规律
(1) 经典认为 光强越大，饱和电流应该大,光电子的初动能也
该大。但实验上饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光
电子初动能也与频率有关。
4、经典理论的困难
(2) 只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于
红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认为有无光电效
应不应与频率有关。
(3) 瞬时性。 经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，
即需能量的积累过程。
§ 8 光电效应
8.1 光电效应的实验规律
1、爱因斯坦光子假说
1905年，爱因斯坦对光的本性提出了新的理论，认为光
束可以看成是由微粒构成的粒子流，这些粒子流叫做 光
量子, 简称 光子 。在真空中，光子以光速 c运动。一个
频率为 ?的光子具有能量 ??h?
2,光电效应的爱因斯坦方程
Wmvh ?? 221?
§ 8 光电效应
8.2 光子 爱因斯坦方程
3、光电效应解释
(1)饱和光电流强度与光强成正比：
对于给定频率的光束来说，光的强度越大，表示光子的
数目越多，光电子越多，光电流越大。
(2) 红限频率的存在,
当入射光频率低于红限频率 ?0,h?<W不会有光电子逸出，
只有当入射光频率足够高（ ?>W/h），以致每个光子的能
量足够大，电子才能克服逸出功而逸出金属表面。所以红
限频率 ?=W/h；
§ 8 光电效应
8.2 光子 爱因斯坦方程
(3) 截止电压与频率成线性关系
WheU ?? ?0
e
W
e
hU ?? ?
0
Whmv ?? ?2021
0
2
02
1 eUmv ?
aUKU ?? ?0
(4)光电效应的瞬时性,
当电子一次性地吸收了一个光子
后，便获得了 h? 的能量而立刻从
金属表面逸出，没有明显的时间
滞后。
§ 8 光电效应
8.2 光子 爱因斯坦方程
?光电管和固态光电探测器
?光电倍增管
?光控继电器
?光电导摄像管
?光敏电阻
§ 8 光电效应
8.3 光电效应的应用
?? h?
?
hp ?
密立根 1916年的实验，证实了光子论的正确性，并求得
h=6.57?10-34 焦耳 ?秒。光的波动性（ p）和粒子性（ ?）
是通过普朗克常数联系在一起的。
2mch ?? ??相对论质能关系：
c
h
c
hm
?
? ??
2
光子的质量：
22
0
/1 cv
mm
?
?
因为,
mcp ?光子的动量,?? h?
光既具有粒子性，又具有波动性，即具有波粒二象性
§ 8 光电效应
8.4 光的波粒二象性
1,某种介质的吸收系数 α a=0.32cm-1，试求透射光强分别为入
射光强的 0.1,0.2,0.5及 0.8倍时，该介质的厚度各为多少？
如果改用 α a=10-2cm-1的玻璃或 α a=104cm-1的金属，则结果将如
何？
2,一块光学玻璃对水银灯蓝、绿谱线 λ 1=435.8nm和 λ 2=
546.1nm的折射率分别为 n1=1.65250和 n2=1.62450，试应用科
希公式计算这种玻璃对钠黄线 λ 3=589.3nm的折射率 n3及色散
率 d n3/dλ 。
3,一个顶角为 50° 的棱镜由某种玻璃制成，它的色散性可用
科希公式描写，其中常量 A=1.53974,B=4.6528× 103nm2。棱
镜的位置放置得使它对波长 550.0nm的光产生最小偏向角，试
计算该棱玻璃的角色散本领 D为多少 rad/nm。
6-7习 题
杜慧玲 博士 主讲
西安科技大学
材料科学与工程系
内容
光的基本性质
介质对光的反射与折射
介质对光的吸收
介质对光的散射与色散
材料的光发射
激光与激光材料
1 光是电磁波
2 光的折射与反射
3 光的吸收与散射
4 光的偏振
应用电磁场理论说明光的基本现象和规律
光波与物质在界面处的相互作用
光波在介质中与物质原子的 相互作用
光矢量和光的各种偏振态
? 几何光学 (geometrical optics) ? 波动光学 (wave optics)
? 量子光学 (quantum optics)
回顾与总结
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
光的反射
光的折射
光的干涉
光的衍射
电磁波谱
光谱
§ 1,光的基本性质
引言,
（ 1）微粒学说 ( corpuscular theory )
（ 2）波动学说 ( undulatory theory )
（ 3）光 —— 具有波粒二象性的物质
粒子性,光子 (Photon ), E = hν= h c / λ
一 电磁波是矢量波 电磁波 ＝ 交变电磁状态的传播
E?
H? H?H?H?
E?E??
?
设一平面电磁波
x
y
z
o
H?
E?
u
2
2
2
2
t
E
x
E
?
??
?
? ??
由麦克斯韦理论可得：
2
2
22
2 1
t
E
ux
E
?
??
?
?
真空中的电磁波
§ 1,光的基本性质
1.1 电磁辐射
2
2
2
2
t
H
x
H
?
??
?
? ??同理：
2
2
22
2 1
t
H
ux
H
?
??
?
?
)]uxt(c os [EE ?? ?0
当电场振动沿 x
轴正向传播时，有反映该振动的平面简谐波
)]uxt(c o s [HH ?? ?0
用麦氏电磁场方程组可推出
0
0
0
0
0
0 Eu
EH
?
?
?
??
§ 1,光的基本性质
1.1 电磁辐射
? 在真空中,s/m./u 8
00 10997921 ??? ??
c?
? 在介质中：
rr/u ???? 001? rr/c ??
cn/c ??
§ 1,光的基本性质
1.1 电磁辐射
折射率 (refractive index)二 电磁波的性质
(1) 电磁波是横波
H,E ??振动量 与波速 构成相互 E?
H?
u?
垂直的右手螺旋关系。
u?
(2) 电磁波的偏振性
分别在各自的平面上振动。H,E ?? 旋光现象。
§ 1,光的基本性质
1.1 电磁辐射
HE ?? ? o x
y
uE
H
z
(3) 电场与磁场同相变化
0000 HE ?? ?
振幅之间满足
电, 磁场分量与电磁波传播方向互相垂直
§ 1,光的基本性质
1.1 电磁辐射
(4) 电磁波的能量
me www ??
u
EHEH ?? ??
2
2
1 Ew
e ??
2
2
1 Hw
m ??
§ 1,光的基本性质
1.1 电磁辐射
? 电磁波的能流密度
wuS ? EH?
? 坡印廷矢量
HES ??
? 电磁波的强度
?? ?? TT E H d tTSdtTI 00 11 0021 HE? 202
1 E
?
??
2
0EI ?
§ 1,光的基本性质
1.1 电磁辐射
电磁波具有各种频率：无线电，微波，红外线，可见光，
紫外线,X 射线和 ? 射线等。
? 可见光 (visible light) —— 能够引起人的视觉的电磁波。
m.~,77 1090310607 ?? ?? nm~ 3 9 07 6 0
§ 1,光的基本性质
1.2 电磁波谱
光色 波长 (nm) 频率 (Hz) 中心波长 (nm)
红 760~622 660
橙 622~597 610
黄 597~577 570
绿 577~492 540
青 492~470 480
兰 470~455 460
紫 455~400 430
1414 108.4~109.3 ??
1414 100.5~108.4 ??
1414 104.5~100.5 ??
1414 101.6~104.5 ??
1414 104.6~101.6 ??
1414 106.6~104.6 ??
1414 105.7~106.6 ??
可见光七彩颜色的波长和频率范围
人眼最为敏感的光是黄绿光，即 nm555 附近。
§ 1,光的基本性质
1.2 电磁波谱
电
磁
波
光
谱
§ 1,光的基本性质
1.2 电磁波谱
? 无线电波 －波长比可见光长得多，不能引起人的视觉，可
以引起电子的振荡。由于波长很长，一个金属网笼，甚至桥
梁上的钢架就可以将其阻止。
? 微波 －波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食物里很容
易被水分子吸收，可是食物迅速被加热。
? 红外线 （ IR）－分布在微波和可见光之间，且仅能够在它
聚集热的地方探测到。蛇和其他一些生物对红外线很敏感；
红外线不能透过玻璃，这一特性可以解释温室效应：晴天时，
经过温室玻璃的可见光被植物吸收，而红外线被再次辐射，
被玻璃捕获的红外线引起温室内部的温度升高，整个宇宙充
满了宇宙大爆炸时残留的冷却物质发出的红外辐射。
§ 1,光的基本性质
1.2 电磁波谱
? 紫外线（ UV）,频率高于可见光的，不能引起视觉，
对生命有危害，来自太阳的紫外线几乎被大气中的臭氧
完全吸收，臭氧保护着地球的生命，少量透过大气的紫
外线会晒黑皮肤或使进行日光浴的人体产生晒斑。
? X射线,波长比紫外线还短的电磁波，它们很易穿过大
多数物质。致密的物质、固体材料比稀疏物质容易吸收
更多的 X射线，这就是为什么在 X射线照片上显现的是
骨骼而不是骨骼周围的组织。其波长可与原子尺寸相比
拟。
§ 1,光的基本性质
1.2 电磁波谱
γ 射线和宇宙射线：
? 波长最短，波长尺寸约为原子核大小量级
? γ 射线产生于核反应及其他特殊的激发过程
? 宇宙射线来自地球之外的空间。
§ 1,光的基本性质
1.2 电磁波谱
? 在固体材料中出现的光学现象的电磁辐射与固体材料中的
原子、离子或电子相互作用的结果。
? 从宏观上讲，当光从一种介质进入另一种介质时，回发生
光的透过、吸收和反射。
? 设入射到固体表面的光辐射能流率为 φ0,透过、吸收和
反射光的光辐射能流率为 φT,φA和 φR，则有
§ 1,光的基本性质
1.3 光与固体的相互作用
RAT ???? ???0
光辐射能流率,表示单位时间内通过单位面积（与光线
传播方向垂直）的能量。
? 光与固体相互作用的本质有两种方式：
? 电子极化
? 电子能态转变
§ 1,光的基本性质
1.3 光与固体的相互作用
电子极化
电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量；
在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每
一个原子都发生相互作用引起电子极化，即造成电
子云与原子核的电荷中心发生相对位移；
所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时
光速减小，后者导致折射。
§ 1,光的基本性质
1.3 光与固体的相互作用
§ 1,光的基本性质
1.3 光与固体的相互作用
电子能态转变
电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能
态的过程；
材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子
激发到较高能级上去，电子发生的能级变化 ?E与电磁波频
率有关,?E=hν
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，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波，即自
发辐射。
§ 2,光的反射与折射
2.1 反射定律与折射定律
光的反射和折射
? 反射定律
三线共面；
反射角等于入射角
? 折射定律
三线共面；
21
2
1 n
u
u
s in
is in ??
?
? 光速：,真空,
? 折射率,
? 折射定律,
① 三线共面； ②
? 反射率 R:
两媒质界面上光的折射和反射
??
1?v
00
1
??
?c
rv
cn ?
?
?
??
?? ????
000
21
2
1
s in
s in n
v
vi ??
?
2
12
122
21
21
2
2
)()11( nn nnnn
v
vR
i
r
?
??
?
???
§ 2,光的反射与折射
2.1 反射定律与折射定律
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 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。
? 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
§ 2,光的反射与折射
2.2 折射率与传播速度的关系
二、折射定律：
? 材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。
光密介质,在折射率大的介质中，光的传播速度慢；
光疏介质,在折射率小的介质中，光的传播速度快。
? 材料的折射率从本质上讲，反映了材料的电磁结构
（对非铁磁介质主要是电结构）在光波作用下的极化
性质或介电特性。
1
2
2
1
21 n
n
v
vn ??
二、折射定律：
? 正是因为介质的极化，“拖住”了电磁波的步伐，才
使得其传播速度变得比真空中慢。
铁磁性材料
非铁磁性材料
rrn ???
rn ??
§ 2,光的反射与折射
2.2 折射率与传播速度的关系
? 光疏介质和光密介质
? 全反射：当光从光密介质射向光疏介质，且入射
角大于临界角时，光线被 100%反射的现象。此时
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：
? 光纤导光原理：全反射
)()s in ( 21
1
2 nn
n
n
c ???
§ 2,光的反射与折射
2.3 光的全反射
光纤结构示意图：
? 纤芯, 5?75μ m掺杂了的 SiO2,n
一定或随半径增加而减小。
? 包层, 总直径为 100 ? 200μ m,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。
§ 2,光的反射与折射
2.3 光的全反射
? 多普勒效应,波源或观察者相对于媒质运动而使观察者接
受到的波的频率有所变化的现象。
? 频率计算：
? 波源不动，观察者运动，即：,观察
者认为接受到的波数变了。
? 观察者不动，波源运动，即：,观察者
认为接受到的波长变了。
00 ?? RS u,u
01 ?? )u
u( R??
00 ?? RS u,u
0??
Suu
u
??
§ 2,光的反射与折射
2.4 多普勒效应
? 波源与观察者同时运动，即：,四种情
况：
? 波源和观察者不在一直线上运动
? 光源与观察者的相对速度为
? 接近：
? 远离
00 ?? RS u,u
0??
S
R
uu
uu
?
??
0??
Sx
Rx
uu
uu
?
??
0?? uc
uc
?
??
0?? uc
uc
?
??
§ 2,光的反射与折射
2.4 多普勒效应
§ ３ 介质对光的吸收
在光束通过物质时，它的传播情况将要发生变化。首先光
束越深入物质，它的光强将越减弱，这是由于一部分光的能量
被物质所吸收，而另一部分光向各个方向散射所造成的，这就
是光的吸收和散射现象。
其次，光在物质中的速度将小于光在真空中的速度，并将随
频率而改变，这就是光的色散现象，光的吸收、散射和色散这
三种现象，都有是由于光与物质的相互作用引起的，实质上是
由光与原子中的电子相互作用引起的。
这些现象是不同物质光学性质的主要表现，对它们的讨论可
以为我们提供关于原子、分子和物质结构的信息。本章侧重于
对现象及其唯象规律的描述，并用经典电子论对这些现象作进
一步的解释。
? 定义
? 由于光是一种能量流，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，从而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 。
? 吸收系数
§ ３ 介质对光的吸收
3.1 基本性质
光通过物质时，光波中的振动着的电矢量，将使物质中的
带电粒子作受迫振动，光的部分能量将用来提供这种受迫
振动所需要的能量。
这些带电粒子如果与其它原子或分子发生碰撞，振动能量
就会转变为平动动能，从而使分子热运动能量增加，物体
发热。
光的部分能量被组成物质的微观粒子吸取后转化为热能，
从而使光的强度随着穿进物质的深度而减小的现象，称为
光的吸收（ absorption）。
§ ３ 介质对光的吸收
3.2 吸收定律
一 吸收定律 - 布格定律
如图所示，光强为 I0的单色平行光束沿 x轴方向通过均匀物质，
在经过一段距离 x后光强已减弱到 I，再通过一无限薄层 dx后光
强变为 I +dI(dI0)。实验表明，在相当宽的光强度范围内,-dI相
当精确地正比于 I和 dx，即
- dI = αaIdx
x+dx
l
dx
x
I I+dI
光的吸收规律
式中 αa是与光强无关的比例系数，
称为该物质的吸收系数
（ absorption coefficient）。于是，
上式是光强的线性微分方程，表征
了光的吸收的线性规律。
§ ３ 介质对光的吸收
3.2 吸收定律
?为了求出光束穿过厚度为 l的物质后光强的改变，可将上式改
写为
然后对 x积分，即可得
?换言之，若入射光强为 I0，则通过 l的物质后的光强为
称为布格定律（ Bouguer law）或朗伯定律。
?该定律是布格（ P.Bouguer,1698—1758）在 1729年发现的，
后来朗伯（ J.H.Lambert,1728—1777）在 1760年又重新作了表
述。
6-2
laeII ??? 0
lII a???? 0lnln
dxIdI a???/
§ ３ 介质对光的吸收
3.2 吸收定律
实验表明，当光被透明溶剂中溶解的物质吸收时，吸收系数 αa与
溶液的浓度 C成正比，即 αa =AC，其中 A是一个与浓度无关的常
量。这时可以写成
称为 比尔定律 （ Beer law）。
根据比尔定律，可以测定溶液的浓度，这就是吸收光谱分析的原
理。
比尔定律表明，被吸收的光能是与光路中吸收光的分子数成正比
的，这只有每个分子的吸收本领不受周围分子影响时才成立。
事实也正是这样，当溶液浓度大到足以使分子间的相互作用影响
到它们的吸收本领时就会发生对比尔定律的偏离。
ACeII ?? 0
§ ３ 介质对光的吸收
3.2 吸收定律
二 吸收定律 – 比尔定律
材料对光的吸收机理：
电子极化,只有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；
所以，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。
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。
§ ３ 介质对光的吸收
3.3 吸收的物理机制
可见光中波长最短的是紫光，波长最长的是红光：
所以,Eg<1.8eV的半导体材料，是不透明的，
因为所有可见光都可以通过激发价带电子向导带转移而被吸收。
Eg=1.8?3.1的非金属材料，是带色透明的，
因为只有部分可见光通过激发价带电子向导带转移而被材料吸收。
§ ３ 介质对光的吸收
3.3 吸收的物理机制
? ?
? ? eVhC
eV
hC
8.1E m,0, 7E
1.3E m,0, 4E
m a x
m i ngm i n
m i n
m a xgm a x
???
???
?
?
?
?
? 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。
§ ３ 介质对光的吸收
3.3 吸收的物理机制
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，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而
对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。
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。
§ ３ 介质对光的吸收
3.4 一般吸收和选择吸收
又例如，普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线主紫
外线都有强烈的吸收，是不透明的。
因此在红外光谱仪中，棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶
体和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，棱镜常用对紫外线
透明的石英制作。
实际上，任何光学材料，在紫外和红外端都有一定的透光
极限。
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。
6-3§ ３ 介质对光的吸收
3.4 一般吸收和选择吸收
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）。
§ ３ 介质对光的吸收
3.5 吸收光谱
? 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。
§ ３ 介质对光的吸收
3.5 吸收光谱
? 按照经典的电磁理论，原子可以看成是一系列弹性偶极振
子的组合，其中每个振子有一定的固有频率，于是原子就
有了一系列的固有频率。
? 这种偶极振子一旦被外部能源激发，每个振子都会以其固
有频率作简谐振动，并向周围空间发出同一频率的单色电
磁波，从而在发射光谱上形成一条条的光谱线，形成了原
子气体的线状发射光谱。
? 当包含有各种频率的白光照射在原子气体上时，只有那些
频率与原子有固有频率一致的电磁波，会引起共振而被原
子气体强烈地吸收，于是在原子气体的吸收光谱中形成了
一条条与原子核固有频率对应的暗谱线。
§ ３ 介质对光的吸收
3.5 吸收光谱
§ 4 介质对光 的散射
4.1 光散射现象
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。
光的散射导致原来传播方向上光强的减弱
如果只计及各种散射因素，光强随传播距离的散射减
弱仍符合指数衰减规律：
对于一般介质中光强的减弱，来自两个方面：吸收和
散射，因此光强衰减为：
§ 4 介质对光 的散射
4.1 光散射现象
lseII ???
0
? ?lsaeII ?? ???
0
§ 4 介质对光 的散射
4.2 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。
一、弹性散射分类
按照散射中心尺度 a0与入射光波长 λ是大小，分为三类：
1,廷德尔散射 Tyndall Scattering (J.Tyndall,1820-1893)
当 a0?λ时,σ→ 0
即散射中心的尺度远大于光波波长时，散射光强与入射光
波长无关
如粉笔灰、白云呈白色
例如在胶体、乳浊液以及含有烟、雾 或灰尘的大气中的
散射。
§ 4 介质对光 的散射
4.2 光散射分类
2,米氏散射 Mile Scattering
当 a0与 λ 相近时,σ =0~4
即散射中心的尺度与光波波长可以比拟时,σ
在 0~4之间,具体取值与散射中心有关,
米氏散射性质比较复杂。
§ 4 介质对光 的散射
4.2 光散射分类
3,瑞利散射 Rayleigh scattering
? 当 a0?λ时,σ=4 即当散射中心的线度远小于入射
光的波长时，散射强度与波长的 4次方成反比
? 通常我们把线度小于光的波长的微粒对入射光的
散射，称为瑞利散射（ Rayleigh scattering）。
? 瑞利散射不改变原入射光的频率。
§ 4 介质对光 的散射
4.2 光散射分类
为了解释天空为什么呈蔚蓝色，瑞利（ J.W.S.Rayleigh，
1842-1919）研究了线度比光的波长小的微粒的散射问题，
在 1871年提出了散射光强与波长的四次方成反比的关系，即
这就是 瑞利散射定律 。
4
1
??sI
§ 4 介质对光 的散射
4.2 光散射分类
瑞利散射定律
在散射微粒的尺度比光的波长小的条件下，作用在散射微粒
上的电场可视为交变的均匀场，于是散射微粒在极化时只感
生电偶极矩而没有更高级的电矩。
按照电磁理论，偶极振子的辐射功率正比于频率的四次方。
瑞利认为，由于热运动破坏了散射微粒之间的位置关联，各
偶极振子辐射的子波不再是相干的，计算散射光强时应将子
波的强度而不是振幅叠加起来。
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。
实验和理论都证明,较大的颗粒对光的散射不遵从瑞利散射定
律，这时散射光强与波长的依赖关系就不十分明显了。
§ 4 介质对光 的散射
4.2 光散射分类
3,瑞利散射
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。
§ 4 介质对光 的散射
4.2 光散射分类
Global
早晨
中
午
太
阳
光
二、非弹性散射分类
1,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 100?104之间变化。
2,布里渊散射 （ Brillouin scattering）
? 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。
§ 4 介质对光 的散射
4.2 光散射分类
在真空中，光以恒定的速度传播，与光的频率无关。然而，
在通过任何物质时，光的传播速度要发生变化，而且不同频率
的光在同物质中的传播速度也不同；
这一事实在折射现象中最明显地反映了了出来，即物质的折
射率与光的频率有关，折射率 n取决于真空中光速 c和物质中光
速 u之比，即
这种光在介质中的传播速度（或介质的折射率）随其频率
（或波长）而变化的现象，称为 光的色散现象 。
6-4
v
cn ?
§ 5 介质对光 的色散
5.1 色散的一般现象
1672年牛顿首先利用棱镜的色散现象，把日光分解成了彩色
光带。
棱镜的折射率为
在棱镜顶角 A已知的条件下，通过最小偏向角 δm的测量，利
用上式可以得到棱镜材料对该波长的光的折射率 n。用各种波
长 λ的光入射，即可得到 δm和 n随波长 λ的变化关系。
? ?
? ?2/s i n
2/s i n
s i n
s i n
2
1
A
mAn ?
?
? ???
§ 5 介质对光 的色散
5.1 色散的一般现象
在光谱仪中，棱镜通常是安装在接近于产生最小偏向角
的位置上，因此棱镜的角色散本领 D= dδ/dλ可通过对上
式的微分得到，即
? ?? ?
? ?
? ?? ? ? ? ? ???
??
?????
ddnmAA
ddnmddn
ddndmddmdD
/2/c o s/2/s in2
/1/
///
??
??
??
§ 5 介质对光 的色散
5.1 色散的一般现象
波长相差 δλ的两条谱线之间的角距离为
以上两式中的 dn/δλ称为色散率，它表征了棱镜材料的色散性
质。
角色散本领 D= dδ/dλ也可以写作
其中 b为棱镜的底边,a为光束的宽度。
? ? ? ?? ?? ??????? ddnAnADd /2/12/2s i n21/2/s i n2 ???
? ?? ??ddnabD //?
§ 5 介质对光 的色散
5.1 色散的一般现象
测量不同波长光线通过棱镜的最小偏向角，就可以算出
棱镜材料的折射率 n与波长 λ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是,折射
率 n以及色散率 dn/dλ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）。
6-5§ 5 介质对光 的色散
5.2 正常 色散
一、定义
1836年，科希（ A.L.Cauchy）给出了正常色散的经验
公式，即
式中 A,B和 C是与物质有关的常量，其数值由实验数据
来确定，
当 λ变化范围不大时，科希公式可
只取前两项，于是有：
42 ??
CBAn ???
3
2
2
??
?
B
d
dn
B
An
??
??
二、科希公式
§ 5 介质对光 的色散
5.2 正常 色散
实验表明，在发生强烈吸收的波段，色散曲线发生力量明
显的不连续，折射率 n随着波长的增加而增大，即 dn/dλ > 0，
这种在吸收带附近不符合科希公式，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。
6-6§ 5 介质对光 的色散
5.3 反常 色散
物理模型 -阻尼受迫振子模型
介质原子的电结构可以看作是由正负电荷之间用一根无形
的弹簧束缚在一起的振子；
光波引起介质中舒服电荷的受迫振动；
同时做受迫振动的振子（舒服电荷）也可以作为电磁波的
波源，向外发射“电磁次波”；
因为光速是等相位状态的传播速度，由于次波的叠加改变
了波的相位，即改变了光速；
次波的位相即振子受迫振动的位相，它与两个因素有关：
1,入射光波的频率：即波长
2,振子的固有频率：在经典理论中指材料的固有振动频率
§ 5 介质对光 的色散
5.4 经典 色散理论
§ 6 材料的 光发射
6.1 光发射的定义
一、定义
? 材料以某种方式吸收能量之后，将其转化为光能即发射光
子的过程，这就是 光发射 。
? 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，其次的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。
§ 6 材料的 光发射
6.1 光发射的定义
二、平衡辐射和非平衡辐射
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。
§ 6 材料的 光发射
6.1 光发射的定义
三,光源 能够发光的物体称为光源
?= (E2-E1) / h
E1
E2
? 原子光波列 (wave train)
?cL ?
c
? 一般光源的发光特点,1 间歇性； 2 随机性。
（ 1）热辐射
（ 2）电致发光
（ 3）光致发光
（ 4）化学发光
自发
辐射
（ 5）同步辐射光源
（ 6）激光光源
受激
辐射
激发态原子或分子的自发辐射
?= (E2-E1) / h
E1
E2
激发态原子或分子的受激辐射
§ 6 材料的 光发射
6.2 激励方式
材料发光前可以有多种方式向其注入能量
§ 6 材料的 光发射
6.2 激励方式
一、光激励（光致发光）
通过光的辐照将材料中的电子激发到高能
态从而导致发光。
激励光源可以采用光频波段,x-射线波段、
γ-射线波段。
如荧光灯：通过紫外线激发涂布于灯管内
壁的荧光粉而发光。
§ 6 材料的 光发射
6.2 激励方式
二、阴极射线发光
利用高能量的电子来轰击材料，通过电子
在材料内部的多次散射碰撞，使材料中多种
发光中心被激发或电离而发光的过程。
如彩电的颜色：采用电子束扫描，激发显
象管内表面上不同成分的荧光粉，使它们发
射红、绿、蓝三种基本光波而实现发光。
§ 6 材料的 光发射
6.2 激励方式
三、电激励（电致发光）
通过对绝缘发光体施加强电场而导致发光，
或者从外电路将电子（或空穴）注入到半导
体的导带（或价带），导致载流子复合而发
光。
如仪器指示灯的发光二极管：半导体复合
发光。
一、发射光谱,发射光强 ? 发射光波长
指在一定的激发条件下发射光强按波长的分布。
其形状与材料的能量结构有关。
反映材料中从高能级始发的向下跃迁过程。
§ 6 材料的 光发射
6.3 材料发光的基本性质
二、激发光谱,发光强度 ? 激发光波长
指材料发射某一特定谱线（或谱带）的发光强度随激发
光的波长而变化的曲线
能够引起材料发光的激发波长也一定是材料可以吸收的
波长，但激发光谱 ≠吸收光谱 （因为有的材料吸收光后不
一定会发射光困难把吸收的光能转化为热能而耗散掉对
发光没有贡献的吸收是不会在激发光谱上反映的）。
反映材料中从基态始发的向上跃迁过程。
§ 6 材料的 光发射
6.3 材料发光的基本性质
三、发光寿命：
发光寿命指发光体在激发停止之后持续发光时间的长短。
发光强度也以指数规律衰减：
余辉时间：从激发停止时的发光强度 I0衰减到 I0 /10的时间，
按余辉时间长短分为：
超长余辉（＞ 1s）、长余辉（ 0.1?1s）、中余辉（ 1?100ms）,中短
余辉（ 10-2?1ms）,短余辉（ 1?10μs）、超短余辉（＜ 1μs）
§ 6 材料的 光发射
6.3 材料发光的基本性质
tt IIenn ?? ?? ???
00
n - 初始激发态的电子数
α- 电子在单位时间内跃迁到
基态的概率
τ=1/ α– 发光寿命
四、发光效率
量子效率 ηq：
指发射光子数 nout与吸收光子数（或输入的电
子数） nin之比。
功率效率 ηp：
表示发光功率 Pout与吸收光功率（或输入的电
功率） Pin之比。
光度效率 ηl：
表示发射的光通量 L与输入的光功率（或电功
率） Pin之比。
功率效率与光度效率的关系：
Φ（ λ） -人眼的视见函数
I （ λ） -发光功率的光谱分布函数
D – 光功当量
§ 6 材料的 光发射
6.3 材料发光的基本性质
inoutq nn??
inoutq PP??
inl PL??
? ? ? ?
? ?
D
dI
dI
q
l
??
????
?
?
?
?
?
?
?
0
0
按照发光中心与发光效率分：
2,复合发光
?源于固体本征态的辐射跃迁
?固体能带模型描述（限于最高能隙 Eg内）
如 II-VI,III-V族半导体发光
1,分立中心发光
3,特殊的复合发光 BaF2型
?固体中局域中心内部电子态间的辐射跃迁
?位形坐标描述
如稀土离子发光（宽禁带绝缘体材料）
发
光
分
类
§ 6 材料的 光发射
6.4 发光的物理机制
一、分立中心发光 — RE3+发光，杂质、缺陷发光
其发光通常是掺杂在透明基质材料中的离子，或基质
材料自身结构的某一个基团。
选择不同的发光中心和不同的基质组合，可以改变发
光体的发光波长，调节其光色。
发光中心分布在晶体点阵中，受晶体点阵作用，使其
能量状态发生变化进而影响材料饿发光性能。
§ 6 材料的 光发射
6.4 发光的物理机制
根据发光中心与晶体点阵之间相互作用的强弱可分为
两种情况：
1.发光中心基本上是孤立的它的发光光谱与自由离子相
似；
2.发光中心受基质点阵电场（或晶体场）影响较大，其
发光特性与自由离子不同必须把中心和基质作为一个
整体来分析。
§ 6 材料的 光发射
6.4 发光的物理机制
稀土离子发光：
,4f?4f”电子组态间的跃迁
如 Tb3+,Eu3+,Gd3+ +,Pr3+ … 线谱，禁戒部分解除）
,4f?5d”电子组态间的跃迁
如 Ce3+带谱，允许跃迁
? 特点：及其丰富的能级，具有光谱的可调性。
§ 6 材料的 光发射
6.4 发光的物理机制
缺陷发光
— F心,PWO的绿光、红光中心，
ZnO的绿光,ZrO2的发光
氧化物、氟化物、碱卤化物，
负离子缺位（电子陷阱） + e ?F心
§ 6 材料的 光发射
6.4 发光的物理机制
1,固体“导带电子 —价带空穴”间的复合
2.,导带电子 —受主 A（空穴）”或“价带空穴 —施主 D（电
子）”或,D—A”复合
3,激子（,e—h”）或束缚激子的复合
二,复合发光
§ 6 材料的 光发射
6.4 发光的物理机制
固体中可能的跃迁
（ 1）带间吸收；（ 21）带间发射或自由激子发射（因有一定结
合能，略 <Eg,图上未显示）；（ 22）有一定声子参与的光发射；
（ 3） —（ 5）与杂质、缺陷有关的辐射复合；（ 6）分立中心内
部的发射；（ 7）无辐射（多声子）弛豫；（ 8）俄歇 Auger过程
§ 6 材料的 光发射
6.4 发光的物理机制
复合发光效率：
带间跃迁
直接 —高 ?（仅有光子参与的电子 跃迁 ）
间接 —低 ?（有光子和声子同时参与的电子 跃迁）
带间跃迁中要保持能量守衡和动量守衡
§ 6 材料的 光发射
6.4 发光的物理机制
发光体被激发后，电子、空穴如何运动，激发
态如何去激发
激发 能量传递 发光
研究方法：发光衰减（ ?），激发光谱，时间
分辨谱，发光的浓度依赖，温度依赖，热释光。
§ 6 材料的 光发射
6.5 发光动力学
一、能量传递现象：
激发于某处（某中心），
发光在另一处（另一中心）
如 Ca3(PO4)2:Mn,250nm激发时,Mn不发光，
Ca3(PO4)2:Ce,250nm激发时,Ce发光，
Ca3(PO4)2:Mn,250nm激发时，可见 Mn,Ce发光，
Ce ? Mn
激发
CdS 10-5cm
发射
§ 6 材料的 光发射
6.5 发光动力学
二、能量传递方式：
?载流子传递
?再吸收光子传递
?共振传递
?激子传递
VB
CB
发光激发
Cu
ZnS:Cu
§ 6 材料的 光发射
6.5 发光动力学
激光 （ Laser） 是受激辐射光放大的简称, 是一种
单色性好,亮度高, 相干性强, 方向性好的相干光束 。
激光技术是 20世纪 60年代后发展起来的一门技术,
它带动了傅里叶光学, 全息术, 光学信息处理, 光纤
通信, 非线性光学和激光光谱学等学科的发展, 形成
了现代光学 。
仅就全息照相和傅里叶光学中的一些最基础的内
容作扼要的介绍 。
7-1
激光（ Laser）
§ 7 其它光学性质
7.1 激光
全息照相
全息术 （ holography）是 利用光的干涉和衍射原
理,将携带物质信息的光波以干涉图的形式记录
下来，并且在一定的条件下使其再现，形成原物
体逼真的立体象。 由于记录了物体的全部信息，
包括振幅和相位因此称为全息术 。
§ 7 其它光学性质
7.2 全息照相
? 为了提高电子显微镜的分辨本领，伽伯（ D.Gabor,1900—1979）在 1948
年提出了全息术原理，并开始了全息照相（ holography）的早期研究工作。
? 那时的主要问题是再现的原始象与其共轭象不能分离，以及没有好的相干
光源。
? 1960年出现了激光以后,1962年莱特（ E.Leith）和乌帕特尼克斯
（ J.Upatnieks）在全息术中利用了激光，并提出了离轴全息术，使全息技
术迅速发展成为科学技术的一个新领域。
? 激光记录和白光再现的全息术，例如反射全息、象全息、彩虹全息以及合
成全息等，使全息术在显示方面展现出了它的优越性，并逐步深入到了社
会的各个领域中。
? 而且，声全息术和微波全息术等也已经开始发展，但进展远不如光学全息
术。
§ 7 其它光学性质
7.2 全息照相
全息照片的获得 ——光的干涉
? 由激光器发出的激光束，通过分光镜分成两束。
? 一束称物光，它是经过透镜扩束后射向物体，再由物体反
射后投向全息干版；
? 另一束光经反射镜反射和透镜扩束后直接照到全息干版上，
称为参考光。
? 在干版上相遇后，发生干涉，形成干涉条纹。它是无数组
干涉条纹的集合，最终形成一肉眼不能识别的全息图。
? 干涉条纹的间距：
d = λ/2sin(θ/2)
§ 7 其它光学性质
7.2 全息照相
全息照片的再现 ——光的衍射
? 感光以后的全息底片经显影、
定影等处理得到的全息照片上，
记录了无数干涉条纹，相当于
一个“衍射光栅”，
? 一般是用相同于拍摄时的激光
作为照明光，照明光经全息照
片（即“光栅”）便发生衍射，
得到一列沿照射方向传播的零
级衍射光波和二列一级衍射波。
透镜
物体
透镜
全息干板全反镜
全反镜分光镜电快门He--Ne激光器
全息照片的拍摄
§ 7 其它光学性质
7.2 全息照相
全息照片的主要特点
立体感强。
具有分割性。
同一张全息干版可重叠多个
全息图。
有视差效应。
改变全息照片位置或改变光
波波长可使再现图像放大或缩
小。
7-2
共轭实像三维虚像
全息照片
激光
全息照片的再现
§ 7 其它光学性质
7.2 全息照相
傅立叶光学 光学信息处理
? 20世纪 30年代以来，光学与电通讯和电信息理论相互结合，
逐渐形成了傅立叶光学。
? 傅立叶光学的数学基础是傅立叶变换，它的物理基础是光
的衍射理论。
? 阿贝成象原理,1873年，阿贝（ E.Abbe,1840—1905）
在显微镜成象原理的论述中，首次提出了空间频率和空间
频谱以及两次衍射成象的概念，并用傅立叶变换来阐明显
微镜成象的物理机制。 1906年，波特（ A.B.Porter）以一
系列实验证实了阿贝成象原理。
§ 7 其它光学性质
7.3 傅立叶光学
1,光电效应的基本概念
当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象叫 光电
效应,所逸出的电子叫 光电子,由光电子形成的电流叫 光
电流,使电子逸出某种金属表面所需的功称为该种金属的
逸出功 。
§ 8 光电效应
8.1 光电效应的实验规律
2、实验装置
单色光通过石英窗照射金属板
阴极上有光电子产生。
U
G KA
如将 K接正极,A接负极，则光电子离开 K后，将受到电场的阻碍作
用。当 K,A之间的反向电势差等于 U0时，从 K逸出的动能最大的电
子刚好不能到达 A，电路中没有电流,U0叫 遏止电压 。
0m a x eUE k ?
§ 8 光电效应
8.1 光电效应的实验规律
§ 8 光电效应
8.1 光电效应的实验规律
3、实验现象
(2)存在截止频率,对某一种金属来说，只有当入射光的频率大于
某一频率 ?0时，电子才能从金属表面逸出，电路中才有光电流，
这个频率 ?0叫做截止频率 ——红限,
?
0U
aU
0?
红限频率
(1)饱和光电流,饱和光电流强度与入射光强度成正比。
U0
3
1
2
U
I
IS
0
(3)线性性,用不同频率的光照射金属 K的表面时，只要入射光的
频率大于截止频率，遏止电势差与入射光频率具有线性关系。
Na Ca
?O
2.0
1.0
6.0 8.0 10.0 Hz104?
?01 ?02
|US|
§ 8 光电效应
8.1 光电效应的实验规律
(4)瞬时性, 无论入射光的强度如何，只要其频率大于截止频
率，则当光照射到金属表面时，几乎立即就有光电流逸出
（延迟时间越为 10-9s）
§ 8 光电效应
8.1 光电效应的实验规律
(1) 经典认为 光强越大，饱和电流应该大,光电子的初动能也
该大。但实验上饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光
电子初动能也与频率有关。
4、经典理论的困难
(2) 只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于
红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认为有无光电效
应不应与频率有关。
(3) 瞬时性。 经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，
即需能量的积累过程。
§ 8 光电效应
8.1 光电效应的实验规律
1、爱因斯坦光子假说
1905年，爱因斯坦对光的本性提出了新的理论，认为光
束可以看成是由微粒构成的粒子流，这些粒子流叫做 光
量子, 简称 光子 。在真空中，光子以光速 c运动。一个
频率为 ?的光子具有能量 ??h?
2,光电效应的爱因斯坦方程
Wmvh ?? 221?
§ 8 光电效应
8.2 光子 爱因斯坦方程
3、光电效应解释
(1)饱和光电流强度与光强成正比：
对于给定频率的光束来说，光的强度越大，表示光子的
数目越多，光电子越多，光电流越大。
(2) 红限频率的存在,
当入射光频率低于红限频率 ?0,h?<W不会有光电子逸出，
只有当入射光频率足够高（ ?>W/h），以致每个光子的能
量足够大，电子才能克服逸出功而逸出金属表面。所以红
限频率 ?=W/h；
§ 8 光电效应
8.2 光子 爱因斯坦方程
(3) 截止电压与频率成线性关系
WheU ?? ?0
e
W
e
hU ?? ?
0
Whmv ?? ?2021
0
2
02
1 eUmv ?
aUKU ?? ?0
(4)光电效应的瞬时性,
当电子一次性地吸收了一个光子
后，便获得了 h? 的能量而立刻从
金属表面逸出，没有明显的时间
滞后。
§ 8 光电效应
8.2 光子 爱因斯坦方程
?光电管和固态光电探测器
?光电倍增管
?光控继电器
?光电导摄像管
?光敏电阻
§ 8 光电效应
8.3 光电效应的应用
?? h?
?
hp ?
密立根 1916年的实验，证实了光子论的正确性，并求得
h=6.57?10-34 焦耳 ?秒。光的波动性（ p）和粒子性（ ?）
是通过普朗克常数联系在一起的。
2mch ?? ??相对论质能关系：
c
h
c
hm
?
? ??
2
光子的质量：
22
0
/1 cv
mm
?
?
因为,
mcp ?光子的动量,?? h?
光既具有粒子性，又具有波动性，即具有波粒二象性
§ 8 光电效应
8.4 光的波粒二象性
1,某种介质的吸收系数 α a=0.32cm-1，试求透射光强分别为入
射光强的 0.1,0.2,0.5及 0.8倍时，该介质的厚度各为多少？
如果改用 α a=10-2cm-1的玻璃或 α a=104cm-1的金属，则结果将如
何？
2,一块光学玻璃对水银灯蓝、绿谱线 λ 1=435.8nm和 λ 2=
546.1nm的折射率分别为 n1=1.65250和 n2=1.62450，试应用科
希公式计算这种玻璃对钠黄线 λ 3=589.3nm的折射率 n3及色散
率 d n3/dλ 。
3,一个顶角为 50° 的棱镜由某种玻璃制成，它的色散性可用
科希公式描写，其中常量 A=1.53974,B=4.6528× 103nm2。棱
镜的位置放置得使它对波长 550.0nm的光产生最小偏向角，试
计算该棱玻璃的角色散本领 D为多少 rad/nm。
6-7习 题
