Оптические свойства твердых тел.
Световоды и оптоволокно.
Муллажонова Р.З Ф - 2108
План
● 1. Введение
Цель урока: изучить, как свет взаимодействует с твердыми телами и как распространяется в них.
●2. Оптические свойства твердых тел
Прозрачные, полупрозрачные и непрозрачные материалы. Взаимодействие света с материалом: отражение, преломление, поглощение. Понятие показателя преломления и его значение для различных материалов.
●4. Световоды
Определение световодов и их функции. Принцип полного внутреннего отражения.
Применение световодов в технике и медицине.
● 5. Оптоволокно
Принцип работы оптоволокон. Строение оптоволокна и его основные компоненты.
Преимущества оптоволокна перед обычными способами передачи света и
●
2
Введение
Оптические свойства твёрдых тел очень разнообразны. Металлы в основном имеют высокий коэффициент отражения света в видимой области спектра, много диэлектриков прозрачные, как, например, стекло. Часто цвет того или другого твёрдого тела обусловлен поглощающими свет примесями. Для полупроводников и диэлектриков характерна фотопроводимость – увеличение электропроводности при освещении. Важность исследования оптических свойств твердых тел заключается не только в большой информативности, точности и надежности оптических методов, но и в том,
что они способствуют более глубокому пониманию фундаментальных свойств
твердых тел.
3
тические свойства твердых тел
Оптические свойства — это характеристики |
1. |
Отражение света . |
материалов, определяющие их |
2. |
Дисперсия . |
взаимодействие со светом. Эти свойства |
3. |
Флуоресценция и люминесценция . |
описывают, как световые волны |
4. |
Дифракция и интерференция. |
поглощаются, отражаются, преломляются и |
5. |
Оптическая анизотропия. |
распространяются через твердые тела. Они зависят от внутренней структуры материала, его атомного и молекулярного состава и определяют, будет ли свет проходить через материал, изменять свое направление или поглощаться.
Их свойства:
1.Поглощение света.
2.Прозрачность и оптическая плотность.
3.Преломление света.
4
Поглощение света.
Свет, попадая в твердое тело, вступает с ним во взаимодействие, связанное с обменом энергии. Часть энергии излучения поглощается и идет на увеличение энергии электронов или фотонов (теплового движения атомов). Поглощение света в твердом теле происходит в соответствии
с законом Бугера–Ламберта:
где R— коэффициент отражения; I0 — интенсивность падающего излучения; α— коэффициент поглощения, d – толщина образца.
В полупроводниках различают пять основных видов поглощения излучения: собственное,
примесное, экситонное, решеточное, на свободных носителях.
●Собственное (фундаментальное) поглощение определяется межзонными переходами электронов из валентной зоны в свободную и сопровождается генерацией электронно-дырочных пар.
●Примесное поглощение связано с процессами ионизации или возбуждения примесных уровней, лежащих в запрещенной зоне полупроводника.
●Экситонное поглощение характерно для полупроводников с достаточно широкой запрещенной зоной. Экситон — слабосвязанная пара «электрон–дырка», имеющая серию энергетических уровней.
●Решеточное поглощение происходит при взаимодействии поля световой волны с колеблющимися зарядами узлов решетки. Другими словами, при решеточном поглощении фотона рождается фонон,
причем этот процесс не сопровождается фотогенерацией свободных носителей
5 заряда.
●Поглощение на свободных носителях —
Прозрачность и оптическая плотность.
Оптическая плотность (экстинкция) — мера ослабления света прозрачными объектами (кристаллы, стекла, фотоплёнка) или отражения света непрозрачными объектами (фотография, металлы и т. д.).
Вычисляется как десятичный логарифм отношения потока излучения падающего на объект к потоку излучения прошедшего через него (отразившегося от него). То есть это есть логарифм от величины, обратной к коэффициенту пропускания (отражения).
К примеру, D=4 означает, что свет был ослаблен в 104=10 000 раз, то есть для человека это полностью чёрный объект, а D=0 означает, что свет прошёл (отразился) полностью.
Прозрачность это отношение количества лучей, которые падали на тело к количеству лучей отраженные телом. Прозрачность материала описывает его способность пропускать световые волны, не вызывая значительного 
рассеяния или поглощения энергии. В реальной6 жизни, нет абсолютно прозрачных материалов.
Дисперсия.
Дисперсией света называется зависимость фазовой скорости монохроматической световой волны от частоты. Поскольку численное значение фазовой скорости связано с показателем преломления среды равенством, можно сказать, что дисперсия света обусловлена зависимостью от частоты показателя преломления. Эта зависимость легко обнаруживается, например, при прохождении параллельного пучка белого света через призму, изготовленную из стекла. На экране, установленном за призмой, наблюдается радужная полоска,
которая называется призматическим, 7 или дисперсионным спектром
Флуоресценция и люминесценция
При поглощении веществом энергии происходит переход его частиц из нормального (невозбужденного) в возбужденное состояние. Через некоторое время возбужденные частицы возвращаются в исходное состояние. Этот переход сопровождается электромагнитным излучением. Самым распространенным видом излучения является тепловое, т.е. испускание электромагнитных волн за счет внутренней энергии тел. Люминесценцией называют излучение, избыточное над тепловым при данной температуре и имеющее длительность, значительно большую периода колебаний испускаемых электромагнитных волн. Люминесценция, в отличие от теплового излучения, является неравновесным процессом. Вещества, способные излучать свет под действием различных видов возбуждений,
получили название люминофоров. Излучение 8 
люминофоров является некогерентным, так как
наблюдается свечение огромного числа частиц,
Люминесцировать могут вещества, находящиеся в газообразном, жидком и твердом состояниях. Люминесценция, прекращающаяся после действия возбуждения, называется флуоресценцией. Люминесценцию, которая сохраняется длительное время (10-6 с и более) после прекращения действия возбудителя, называют фосфоресценцией. Фосфоресценция наблюдается в твердых (кристаллических) веществах, которые получили название
Дифракция и интерференция
Дифракция — это отклонение световой волны от своего исходного направления при прохождении через узкие щели, края объектов или вокруг мелких препятствий, размеры которых сопоставимы с длиной волны света. Дифракцию можно объяснить с помощью принципа Гюйгенса- Френеля, который гласит, что каждая точка волнового фронта может рассматриваться как источник вторичных сферических волн. Интерференция — это явление наложения нескольких световых волн, в результате чего они усиливаются или ослабляются в зависимости от их относительной фазы. Интерференция может быть как конструктивной (усиление), так и деструктивной (ослабление). Для наблюдения интерференции свет должен быть когерентным, то есть волны должны иметь одинаковую частоту и постоянную разность фаз.
В точке будет наблюдаться максимум 9 интерференционной картины, если разность хода
Оптическая анизотропия
Оптической анизотропией называется зависимость оптических характеристик среды (показателя преломления, скорости распространения волны) от направления. Оптическая анизотропия проявляется в двойном лучепреломлении, дихроизме, вращении плоскости поляризации света, деполяризации света при его рассеянии в среде и др. Существует анизотропия двух видов: естественная и искусственная.
Естественной анизотропией обладают кристаллические среды.
Искусственная или наведенная анизотропия возникает в ранее изотропной среде под действием внешних воздействий, например, электрического поля, механических напряжений и т.п. (электрического поля (эффект Керра), магнитного поля (эффект Коттона-Муттона)).
10