26

Оптические свойства.

Параметры оптической среды.

Основными оптическими параметрами являются: длина волны λ (частота v), показатель преломления n, скорость распространения света в кристалле v, угол вращения плоскости поляризации, коэффициент поглощения .

Рис. Электромагнитный спектр излучения: гамма ( γ) – лучи, рентгеновские лучи (Х ), ультрафиолетовое излучение (UV), видимая область, инфракрасное излучение (IF).

Показатель преломления - n=√ε. При распространении света в прозрачных кристаллах (кроме кристаллов с кубической решёткой) свет испытывает двойное лучепреломление и поляризуется различно в разных направлениях. В кристаллах с гексагональной, тригональной и тетрагональной решётками (например, в кристаллах кварца, рубина и кальцита) двойное лучепреломление максимально в направлении, перпендикулярном к главной оси симметрии, и отсутствует вдоль этой оси. Скорость распространения света в кристалле или показатель преломления кристалла n различны в различных направлениях. Например, у кальцита показатели преломления видимого света вдоль оси симметрии n_// и перпендикулярно ей n_┴ равны: n_// = 1,64 и n_┴ = 1,58; у кварца: n_// = 1,53, n_┴= 1,54.

Оптическое излучение характеризуется интенсивностью J - количеством световой энергии, проходящей за единицу времени через единицу площади, нормальной к падающему свету.

A

n₁ n₂

J R J ( 1 - R₁ ) e ^{- 1A}

J x

J ( 1 - R₁ ) e ^{- 1 X} J ( 1 - R₁ ) e ^{- 1A} ( 1 - R₂ ) e ^{- 2 (X-A)}

Отражение Поглощение Прохождение

Рис. Схема распространения светового излучения. n₁ , n₂ - показатели преломления сред, R₁ и R₂ - коэффициенты отражения от границ раздела сред,  - коэффициент поглощения.

Коэффициент поглощения : dJ = -  J dx, где dx- слой поглощения световой энергии.

Оценку изменения оптических характеристик и интенсивности поглощения света используют для реализации датчиков. концентрации и газов. Оценку изменения оптических характеристик и интенсивности поглощения света используют для

- определения загрязненности промывочных составов,

- измерения концентрации растворов (например, травильных) или газов (оксида углерода, метана...) в многокомпонентных газовых смесях.

И сточник света Х

К оллиматор

О бъем исследуемого Эталон

в ещества

Фотоприемник

Д ифференциальный

усилитель к АСУ ТП

Рис. Схема рефрактометра (сравнительной оценки ).

Излучение.

Уменьшение энергии электрона от Е₁ до Е₂ сопровождается выделением энергии - излучением, равновесным (тепловым) или неравновесным (люминесценцией). При изменении энергии электрона происходит излучение фотона с энергией

ΔЕ = Е₁ - Е₂ = h .

Одним из вариантов является переход электрона из зоны проводимости в валентную зону (рекомбинация). Предварительно электрон за счет внешней энергии переходит из валентной зоны в зону проводимости – происходит генерация пары «свободный носитель заряда – вакансия» («электрон - дырка»). Без внешней поддержки электрон возвращается в валентную зону, занимая прежнюю вакансию – происходит рекомбинация и, как следствие - излучение фотона.

На электроны (фермионы) распространяется принцип Паули: на одном энергетическом уровне может находиться не более 2-х электронов с противоположными спинами. При объединении атомов в кристалл уровни расщепляются на множество подуровней, расстояние между которыми зависит от числа пар электронов. В массивных образцах электронов много, поэтому расстояние между подуровнями мало - порядка 10^-22 эВ. Это расстояние легко преодолевается возбужденными электронами, поскольку средняя кинетическая энергия электрона в состоянии термодинамического равновесия - 0.04 эВ. В этом случае изменение энергии ΔЕ и частота излучения ν малы. Человеческий глаз этого не замечает. (Пример: излучение в инфракрасном диапазоне.)

В наноструктурах расстояние между разрешенными энергетическими подуровнями существенно больше, чем в массивном материале. Самопроизвольного перехода с одного подуровня на другой не происходит. Такие малые объекты называют квантовыми точками. Переход возможен лишь с помощью внешней энергии (энергии накачки). На этапе рекомбинации изменение энергии ΔЕ больше, и частота излучения ν соответствует видимой части спектра. Причем изменение энергии ΔЕ и, следовательно, частота излучения ν зависит от числа электронов, т.е. числа атомов квантовой точки. Изменяя размер квантовой точки, можно изменить цвет излучения.

А) Б)

Рис. (А) – спектр излучения и (Б) цвета коллоидных растворов нанокристаллов полупроводника CdSe/ZnS с размерами взвешенных частиц от 490 – 620 нм.

Виды люминесценции.

Люминесценция связана с рекомбинацией избыточных носителей заряда, возникших в результате внешних воздействий. В зависимости от вида воздействия различают

- фотолюминесценцию: свечение после светового облучения (фосфоресцирующие краски на циферблатах часов, елочных игрушках),

- хемолюминесценцию : свечение в результате химической реакции (гниение),

- электронолюминесценцию: свечение в результате бомбардировки электронами покрытия электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) не только в видимом диапазоне, но и в ИК, как в биотелeвизорах Samsung.

- электролюминесценцию: свечение диода при пропускании прямого тока через специальный люминесцентный состав или р-n переход (светодиод).

Рис. Свечение электролюминесцентного рисунка на ткани.