1. Введение

Интерес к использованию металлов и изучению их оптических свойств обусловлен особыми оптическими, диэлектрическими и люминесцентными свойствами металлов. Без использования металлов не обходится ни одно предприятие и мир уже не представляется нам «неметаллическим». Так вот, чтобы приблизиться к той самой притягательности металлов, мы рассмотрим их оптические свойства.

2.1 Основные определения и понятия

МЕТАЛЛООПТИКА – раздел физики, в котором изучаются оптические и электро – динамические свойства металлов и взаимодействие с ними оптического излучения.

В ИК- и видимой области оптического диапазона металлы отражают падающее излучение (металлический блеск). Это объясняется преимущественным рассеянием света при его взаимодействии со свободными электронами, концентрация которых N достигает в металлах ~10²²- 10²³ см^-3. (РАССЕЯНИЕ СВЕТА – рассеяние волн оптического диапазона, заключающееся в изменении пространственного распределения, частоты, поляризации оптического излучения при его взаимодействии с веществом. ) Оптические и электрические свойства металлов взаимосвязаны: чем больше статическая проводимость металла, тем сильнее он отражает свет. Отклонения возникают при низких температурах и на высоких частотах (видимая область спектра).

2.2 Оптические свойства металлов

При рассмотрении распространения света металл можно считать средой с некоторой комплексной диэлектрической постоянной (5.1)

где ε — диэлектрическая постоянная, σ — проводимость, n и х —показатели преломления и поглощения и w — циклическая частота. Сделанное предположение означает, в частности, что плоская электромагнитная волна, распространяющаяся в металле нормально к его поверхности (по оси Z), изменяется по закону

(5.2)

где Εύ — поле в металле у его поверхности (z = 0) и ось Z направлена в глубь металла.

Глубина скин – слоя, т. Е. расстояние, на котором поле убывает в е раз, равна

(5.3)

где λ0 — длина световой волны в вакууме. Рассматриваемый случай, когда поле в металле изменяется по экспоненциальному закону типа (5.2), это случай обычного или нормального скин-эффекта. Сейчас же заметим, что даже в случае нормального скин-эффекта связь (5.1) между ε' и n и x имеет место только для оптически изотропных

сред (т. Е. для монокристаллов кубической симметрии, для поликристаллических веществ и, конечно, жидкостей). Однако в оптически анизотропных средах в случае нормального скин-эффекта вместо ε' можно ввести тензор e'ik (в оптически изотропной среде ), изменение поля в глубь металла по прежнему является экспоненциальным, и лишь величины n и κ, довольно просто выражаемые через E'к, зависят от взаимной ориентации оси Z и осей кристалла.

Принято, что магнитная проницаемость среды и её намагничивание равно нулю. Последнее предположение означает, что мы не будем рассматривать магнитооптические явления, имеющие место при отражении и прохождении света через намагниченные ферро магнитные вещества.

Одна из основных задач металлооптики состоит в том, чтобы связать измеряемые на опыте величины — интенсивность отражённого от металла света и его поляризацию — с n и x или, если скин-эффект не является нормальным, с другими величинами, характеризующими металл.

Пусть на плоскую границу раздела среды с комплексной диэлектрической постоянной ε' падает из вакуума плоская волна

где плоскость падения выбрана в качестве плоскости xz и φ есть угол падения (рис. 5.1). Отражённая и преломлённая волны имеют

соответственно вид:

(5.4)

Рис.5.1

( Плоская граница раздела среды с комплексной диэлектрической постоянной ε' падает из вакуума плоская волна )

На границе раздела (при z = 0) в любой момент времени должны выполняться условия (5.5)

где индекс t указывает на то, что берутся тангенциальные компоненты полей Ε и Н. При этом E₁ = ЕА + Е_R, E2 = ED и аналогично для Н.

Условия (5.5) могут быть выполнены при любых χ и t, только если фазы всех волн равны, т. Е. (5.6)

откуда φ' = φ и при комплексной постоянной ε' угол ψ·

является комплексным. Последнее означает, что (5.7)

и волна не только осциллирует, но и затухает с ростом z.

Использование условий (5.5) приводит теперь к формулам Френеля:

(5.8)

(5.9)

где Αρ, Rp и Dp — слагающие A, R и D, лежащие в плоскости падения и обозначенные на рисунке стрелками;

As, Rs и Ds — слагающие тех же векторов, перпендикулярные плоскости падения

(направленные по оси у) и обозначенные на рис.5.1 кружками.

Взаимодействие оптического излучения с твердым телом описывается тремя процессами: отражением, поглощением и пропусканием света. Если обозначить I₀ как интенсивность падающего света, I_T, I_A, I_R как интенсивность прошедшего, поглощенного и отраженного света, то можно записать 

.

(5.10)

При этом коэффициенты пропускания T, поглощения А и отражения R в сумме равняются единице:

.

(5.11)

Металлы являются непрозрачными в видимом диапазоне света. Это обусловлено тем, что при взаимодействии с квантом света электроны в зоне проводимости всегда могут перейти в возбужденное состояние, поскольку все состояния выше уровня Ферми свободны. Вследствие высокой концентрации свободных электронов поглощение света в металлах проходит в тонком приповерхностном слое, составляющем доли микрона. Поэтому только тонкие металлические пленки толщиной сотни ангстрем будут полупрозрачны в видимом диапазоне. Что касается высокоэнергетического рентгеновского диапазона, то  в этом диапазоне металлы более прозрачны для электромагнитного излучения по сравнению с оптическим диапазоном.

Оптические свойства неметаллов – полупроводников и диэлектриков  характеризуются  сложными  зависимостями. Коэффициент преломления   определяется отношением скорости света в вакууме   к скорости света   в среде. Величина скорости света, в свою очередь, определяется диэлектрической проницаемостью   и магнитной восприимчивостью . Поэтому коэффициент преломления будет равен

. (5.12)

Коэффициент поглощения А определяется структурой энергетических зон и наличием примесей.