第三十一讲 电介质的光学性质剖析
光学性质
光学计算问题交流讨论CASTEP中的光学计算是以电子结构计算为基础的，因为传统DFT在能带计算方面的问题，所以光学计算的准确性受到很大影响，但还是可以得到一些有用信息的。
而且对于一些strong Coulomb correlation的问题也可以通过LDA+U，LDA+SIC等等进行修正。
因此此方面也会得到更多发展，应用。
我抛砖引玉先提出一个问题，希望高手解答，大家讨论。
对于光学各向异性的晶体，我们要考虑方向性，CASTEP中提供了两个选项，分别是polarized和unpolarized，可以提供各向异性的考虑。
分别解释如下：Polarized - optical properties are calculated for plane polarized with the specified polarization direction;Unpolarized - optical properties are averaged over polarization directions perpendicular to the specified incident direction.但是这两种情况究竟分别适用与研究什么类型材料呢？下面以wur结构为例，此种提法：the electric field parallel （E平行c）和perpendicular （E垂直c）to the crystallographic c axis，分别对应于CASTEP中的哪个选项呢？还有一种提法是分成两个分量：two components, the in-plane component is the average over the x and y directions and the z component which is perpendicular to x-y plane. 这样z分量和x-y plane分量分别可以和CASTEP中的哪种情况对应呢？polarization vectors perpendicular (E垂直c)and parallel（E平行c）to the crystallographic c axis偏振矢量（or 极化矢量）分别垂直和平行c轴两种情况，这两种情况如果通过MS中对polarized和unpolaried的说明，其实都可以实现的，不知道具体有什么区别？选择两个选项的具体原则该是什么呢？大家多多讨论在回答上面问题的之前，我绝对有必要了解一下CASTEP计算光学性质的主要原理，CASTEP计算的光学性质主要电子能带结构中最基本的跃迁方式，其他的考虑不多，如声子（晶格振动吸收），激子，自由电子气光学响应等，在CASTEP里面也有这个说明了，比如：Limitations of the methodLocal field effectsThe level of approximation used here does not take any local field effects into account. These arise from the fact that the electric field experienced at a particular site in the system is screened by the polarizability of the system itself. So, the local field is different from the applied external field (that is, the photon electric field). This can have a significant effect on the spectra calculated (see the example of bulk silicon calculation below) but it is prohibitively expensive to calculate for general systems at present.Quasiparticles and the DFT bandgapIn order to calculate any spectral properties it is necessary to identify the Kohn-Sham eigenvalues with quasiparticle energies. Although there is no formal connection between the two, the similarities between the Schrödinger-like equation for the quasiparticles and the Kohn-Sham equations allowthe two to be identified. For semiconductors, it has been shown computationally (by comparing GW and DFT band structures) that most of the difference between Kohn-Sham eigenvalues and the true excitation energies can be accounted for by arigid shift of the conduction band upward with respect to the valence band . This is attributed to a discontinuity in the exchange-correlation potential as the system goes from (N)-electrons to (N+1)-electrons during the excitation process. There can, in some systems, be considerable dispersion of this shift across the Brillouin zone, and the scissor operator used here will be insufficient.Excitonic effectsIn connection with the absence of local field effects, excitonic effects are not treated in the present formalism. This will be of particular importance for ionic crystals (for example NaCl) where such effects are well known.Other limitations∙The nonlocal nature of the GGA exchange-correlation functionals is not taken into account when evaluating the matrix elements but it is expected that thiswill have a small effect on the calculated spectra.∙Phonons and their optical effects have been neglected.∙Finally, there is an intrinsic error in the matrix elements for optical transition due to the fact that pseudowavefunctions have been used (that is they deviatefrom the true wavefunctions in the core region). However, the selection ruleswill not be changed when going from pseudo- to all-electron wavefunctions ∙比如第一条所说的局域场效应，我们在计算光学跃迁的时候，外界跃迁激发电场在材料内部认为是没有衰减的，实际上由于内场的作用，一部分电场会被Screen了，但我们没有考虑。
电介质的极化课件
电介质分类
总结词
电介质根据其组成和结构可分为离子型、电子型和复合型三 类。
详细描述
离子型电介质由正负离子组成，在电场作用下离子会发生定 向移动形成传导电流。电子型电介质由自由电子组成，其导 电性类似于金属导体。复合型电介质则同时包含离子和电子 两种导电机制。
电介质性质
总结词
电介质的主要性质包括绝缘性、介电常数、介质损耗等。
详细描述
电介质的绝缘性是指其抵抗电流通过的能力，介电常数则反映了电介质在电场 作用下的极化程度，而介质损耗则是指电介质在电场作用下能量损耗的能力。 这些性质在电力系统和电子设备中具有重要的应用价值。
02
电介质极化原理
极化现象
01
02
03
极化现象
电介质在电场的作用下， 正负电荷中心发生相对位 移，从而在电介质中出现 的宏观电荷现象。
压电效应
压电效应是指电介质在受到外力作 用时，会在其内部产生电荷的现象 ，其特点是具有逆压电效应和正压 电效应。
极化机制
电子位移极化
取向极化
电子位移极化是指在外加电场的作用 下，电子受到电场力的作用而发生位 移，从而产生宏观电荷的现象。
取向极化是指在外加电场的作用下， 分子中的正负电荷中心发生相对位移 ，从而产生宏观电荷的现象。
分析不同电介质材料的极化特 性。
实验设备
电极
用于施加电场和测 量电位的电极。
测量仪器
用于测量电介质极 化率的测量仪器。
电介质样品
不同类型和性质的 电介质材料。
电源
用于提供实验所需 电压的电源。
实验装置
包括电容器、绝缘 支架、绝缘棒等组 成的实验装置。
实验步骤
01
电介质物理知识点总结
电介质物理知识点总结电介质是一类具有不良导电性能的材料，可用于电容器、绝缘体等应用中。
电介质物理是研究介质在电场作用下的电学性能的科学。
电介质物理是电磁场理论和介质物理学的重要组成部分。
下面我们将对电介质物理的相关知识点进行总结和展开。
1. 电介质的基本性质电介质是一种不良导电性能的材料，通常包括固体、液体和气体。
电介质的主要特点是在外电场作用下会发生极化现象。
极化是指介电极化，即在电场作用下使介质内部出现正负电偶极子的排列现象，从而使介质产生极化电荷。
常见的电介质包括空气、水、玻璃、塑料等。
2. 电介质的极化过程当电介质处于外电场中时，介质内部的正负电荷将发生位移，使介质被极化。
电介质的极化过程可分为定向极化和非定向极化两种类型。
其中，定向极化是指在介质中存在有定向的分子或离子，当外电场作用下，这些分子或离子会按照一定方向排列，这种极化过程被称为定向极化；非定向极化是指介质中的分子或离子并不具有固定的方向排列，当外电场作用下，这些分子或离子将发生不规则的排列，这种极化过程被称为非定向极化。
极化过程使介质产生极化电荷，从而改变了介质的电学性能。
3. 介质极化的类型根据介质极化的不同类型，可以将极化过程分为电子极化、离子极化和取向极化。
电子极化是指在电场的作用下，介质中的电子云将出现位移，从而使整个分子或原子产生极化；离子极化是指在外电场作用下，介质中的阴离子和阳离子将发生位移，产生极化现象；取向极化是指在电场作用下，具有一定取向的分子或离子将产生极化现象。
不同类型的极化过程会影响介质的电学性能。
4. 介质极化与介电常数介质的极化现象将改变介质的电学性能，其中介电常数是一个重要的参数。
介电常数是介质在外电场作用下的电极化能力的体现，介电常数越大，介质的电极化能力越强。
介电常数的大小将影响介质的导电性、电容性等电学性能。
5. 介电损耗介质在外电场作用下会产生能量损耗，这种现象被称为介电损耗。
介电损耗会导致介质内部的吸收能量和产生热量，从而影响介质的电学性能。
电介质中的物理学
电介质中的物理学介绍电介质是一种在外电场作用下能够发生电极化现象的材料。
它们在现代科技及日常生活中起着重要作用，例如在电容器、绝缘材料、电子器件等领域。
了解电介质的物理学原理对于理解它们的性质和应用至关重要。
本文将介绍电介质的起源、性质和应用，并详细讨论它们的物理学。
电介质的起源电介质一词源于拉丁文“dialectricum”，意为“隔绝”。
在过去，电介质被称为绝缘体，因为它们具有阻止电荷流动的能力。
随着科技的发展，人们发现电介质可以通过受电场的作用而产生电极化现象，这使得它们在电子器件和电力系统中的应用变得广泛。
电介质的性质1. 电介质和导体的区别电介质和导体是两种不同的物质类型。
导体具有低电阻，能够允许电荷自由流动。
而电介质则具有较高的电阻，电荷不能自由流动，只有在外电场的作用下才会发生电极化现象。
2. 电极化现象电极化是指在电介质中的正负电荷分离的过程。
当一个电介质暴露在外电场中时，电介质中的正负电荷会受到外电场的作用而分离。
正电荷会向电场的反方向移动，而负电荷则会移向电场方向，产生电偶极子。
3. 介电常数介电常数是衡量电介质对电场的响应能力的物理量。
它描述了电介质相对于真空的电极化程度。
介电常数越大，电介质对电场的响应能力越强。
4. 破坏电介质的电场强度电介质在外电场的作用下会发生电极化现象，一旦电场强度超过电介质的承受能力，电介质会发生击穿现象，导致电介质失去隔绝电荷的能力。
电介质的应用电介质在现代科技和日常生活中有广泛的应用。
1. 电容器电介质广泛用于电容器中，电容器是一种能够存储电荷的装置。
电容器由两个导体板之间夹有电介质构成。
电介质在电容器中起到隔离和增强电场的作用。
2. 绝缘材料由于电介质具有较高的电阻和绝缘性能，它们被广泛应用于绝缘材料中。
绝缘材料用于隔离电线和电器部件，防止电流泄漏并提供安全保护。
3. 电子器件电介质也被应用于各种电子器件中。
例如，电介质薄膜用于晶体管和集成电路中的绝缘层，以防止电流泄漏和减少电路之间的干扰。
电介质物理学
电介质物理学绪论电介质(dielectric)是在电场作用下具有极化能力并能在其中长期存在电场的一种物质。
电介质具有极化能力和其中能够长期存在电场这种性质是电介质的基本属性．也是电介质多种实际应用(如储存静电能)的基础。
静电场中电介质内部能够存在电场这一事实，已在静电学中应用高斯定理得到了证明，电介质的这一特性有别于金属导体材料，因为在静电平衡态导体内部的电场是等于零的。
如果运用现代固体物理的能带理论来定义电介质，则可将电介质定义为这样一种物质：它的能级图中基态被占满．基态与第一激发态之间被比较宽的禁带隔开，以致电子从正常态激发到相对于导带所必须的能量，大到可使电介质变到破坏。
电介质的能带结构可以用图一示意，为了便于将电介质的能带结构和半导体、导体的能带结构相比较，图中分别画出了它们的能带结构示意图．电介质对电场的响应特性不同于金属导体。
金属的特点是电子的共有化，体内有自由载流子，从而决定了金属具有良好的导电件，它们以传导方式来传递电的作用和影响。
然而，在电介质体内，一股情况下只具有被束缚着的电荷。
在电场的作用下，将不能以传导方式而只能以感应的方式，即以正、负电荷受电场驱使形成正、负电荷中心不相重合的电极化方式来传递和记录电的影响。
尽管对不同种类的电介质，电极化的机制各不相同，然而，以电极化方式响应电场的作用，却是共同的。
正因为如此研究电介质在电场作用下发生极化的物理过程并导出相应的规律，是电介质物理的一个重要课题。
由上所述，电介质体内一般没有自由电荷，具有良好的绝缘性能。
在工程应用上，常在需要将电路中具有不同电势的导体彼此隔开的地方使用电介质材料，就是利用介质的绝缘特性，从这个意义上讲，电介质又可称为绝缘材料(Insulating material)或绝缘体(insulator)。
与理想电介质不同，工程上实际电介质在电场作用下存在泄漏电流相电能的耗散以及在强电场下还可能导致电介质的破坏。
因此，如果将电介质物理看成是一种技术物理，那么除要研究极化外，还要研究有关电介质的电导、损耗以及击穿特性，这些就是电介质物理需要研究的主要问题。
大学物理电介质课件讲义
U(t) q(t) C
q(t) q(t)
再将 dq 从 B 板迁移到 A 板，外力需
作功 dA U(t)dq q(t) dq
C
极板上电量从 0 —Q ,外力作的总功为
+
Q q(t)
Q2
A dA 0
C
dq 2C
1、电位 移是为 简化计算引入的辅 助矢量。无物理意义 D ε0E P ε0εr E ε E 各向同性线性电介质
2、式中虽不显含极化电荷，但已考虑极化电荷的影响。
3、有介质时静电场的性质方程。普遍适用于任何电场， 是麦克斯韦方程组中的方程之一。
讨论
E
4、电场线起于任意正电荷而止于
0 0
解:均匀极化 表面出现束缚电荷
r
内部的场 由自由电荷 0
和束缚电荷
E0和E 叠加
共同产生
0
单独产生的场强为
E0
σ0 ε0
0 0
E0
单独产生的场强为 E σ
E
ε0
E
E0
E
σ0 ε0
σ (1)
方法二：由电容器的静电能计算
孤立带电球体的电容为 C 40R
We
1 2
Q2 C
Q2
8 0 R
方法三：根据电场能等于将各电荷元 dq 从无 限远移入过程中，外力克服电场力作功
dWe dq
We
Q
dW
q dq Q2
0 40R
8 0 R
例12.5 半径为R、相对介电常数为εr 的
关于电介质的微观解释
目录引言 (1)1.电介质的极化与一般性质 (1)2 .恒定电场引起的极化 (3)2.1 无极分子的极化 (3)2.2 有极分子的极化 (4)3 .交变电场引起的极化 (5)4.电介质的特殊效应 (10)结论 (11)参考文献 (12)致谢 (13)关于电介质的微观解释摘要：本文主要介绍的就是有关电介质的极化与相关性质，在介绍此内容时，首先介绍电介质的极化、电介质的一般性质，其次还解释恒定电场引起的极化并着重说明了电介质的极化类型（有机分子和无机分子）、用Langevin-debye公式解释极性分子的极化及交变电场情况下对电介质的极化进行了进一步的研究，后又说明电介质的特殊效应及用经典理论来说明极化的一般规律等内容。
关键词：电介质极化性质极化率极化强度电介质的损耗关于电介质的极化与相关性质引言电场既可以存在于真空之中，也可以存在于实物介质内部。
而实物介质是由分子和原子组成的，分子内部又有带正电的原子核与绕核运动的电子。
把导体引入静电场时对静电场有很大的影响，而且金属导体能够影响电场的关键原因在于导体内部的自由电子在电场作用下重新分布。
电介质内部没有自由电子，在静电场中置入电介质后，电场是否就不改变呢？在讨论这一问题前我们就要对电介质的微观结构及其在电场作用下的变化有所认识。
本文主要介绍的就是有关电介质的极化与相关性质的问题，在介绍此内容时，首先介绍电介质的极化、电介质的一般性质，其次还要解释恒定电场引起的极化，并且着重说明电介质的极化类型（有机分子和无极分子）、用Langevin-debye公式解释极性分子的极化，然后解释交变电场引起的极化，最后阐述用经典电磁理论来说明极化的一般规律等内容。
1.电介质的极化与一般性质电介质是绝缘介质,它们是不导电的.在没有外电场作用时，电介质内部正、负电荷激发的电场互相抵消，宏观上不表现出电性，但是在外电场的作用下,电介质显示电性的现象。
在电场的影响下，物质中含有可移动宏观距离的电荷叫做自由电荷；如果电荷被紧密地束缚在局域位置上，不能作宏观距离移动，只能在原子范围内运动（微观运动），这种电荷叫做束缚电荷。
光在电介质表面的反射和折射PPT课件
p s
W1'p WW11'sp W1s
Rp Rs
p s
W2 p
WW12ps W1s
cos i2
cos
cos
ii12
cos i1
Tp
Ts
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4 能量守恒公式：
W1'p W2 p W1p ，W1's W2s W1s
p p 1 ，s s 1
Rp
cos i2 cos i1
第17页/共48页
10 能流关系式
1
设入射光为自然光，且有：
R W1' W1'p W1's
W1p W1s W1'p W1'S
2 W1
W1
W1
2W1p 2W1S
1
1
2 ( p s ) 2 (Rp Rs )
W2 W2 p W2s W2 p W2s
W1
1 2
W1 (p
iB iB
第24页/共48页
rs
P
n1 n2 tan n1 n2 tan
1 [1－( n12
n12
iB iB
n22 n22
n1 n1 )2 ]2
n2 n2
n2 n1 n2 n1 1
n12 n12
n22 n22
(
2n1n2 n12 n22
)4
1 [1 ( n12 n22 )2 ]2 n12 n22
3 具体求解步骤：
（1）建立如图的三套随向（局部）坐标系 和一套固定坐标系
p1 p1'
s1 s1'
k1 k1'
p2 s2 k2
i j k
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光率体：晶体折射率的各项异性由光率体表示，其表示沿电位移振 动方向的折射率折射率空间分布。
x12 n12
x22 n22
x32 n32
1
双折射：对应于同一个波前法线方向有二个面偏振的波在晶体中 传播，这两个波的传播速度v不同。因此可以把这两个波的c/v值称 它们各自的折射率，这一现象被称为双折射。双折射是用这两个 波的折射率之差δn来表示的。
Pi ij E j ijk E j EK ijkl E j EK El
ηij是二阶张量，表示正常的线性极化率。 ηijk是三阶张量，代表二阶非线性效应,只有非中心对称的晶体才能 出现非线性光学效应。 ηijkl是四阶张量，代表三阶非线性效应。
Байду номын сангаас 谢谢！
2 0 m
w02 w2 w02 w2 2 r 2 w2
1) 当ω<ω0，n（ω）随频率的增加而增加（色散）；
2)当
ω《ω0，上式可简化为： n
1
n0
20
e2 mw02
，折射率n与频率ω无关。
3)当 ω=ω0，电子的振动幅度很大，以至最后摆脱了原子实的束缚，从满带进入
导带，发生跃迁。
氧化物折射率与禁带宽度关系： n 1 15 Eg
3 电光效应
电光效应：外加电场所造成的晶体折射率的变化称电光效应。 电场E0对晶体折射率的影响可用一个幂极数表示：
n n0 aE0 bE02
➢线性电光效应（Pockels效应）：由电场的一次线性项 造成的折射 率的变化。一次电光效应只能出现在不具有对称中心的晶体中。 ➢二次电光效应（Kerr效应）：由电场的二次平方项 造成的折射率 的变化。二次电光效应存在于任何物体中。
n n0 a' X b' X 2
由于应力相反时（如从张应力变成压应力），晶体内部离子的相对位 置不同，因而具有对称中心的晶体，虽然没有一次电光效应，却会产生一 次弹光效应。
7.4 非线性光学效应
非线性光学效应：透明介质材料在一般光线的作用下，折射率与光强无 关。光是一种电磁波，普通光的电场强度均为102v/m，若光强很高，如 采用高功率激光，电场强度达108∽109v/m以上，则某些材料的折射率 便不是常数，材料中的束缚电子在激光的高场强度作用下，将产生很大 的非线性，材料的极化强度P不再与电场强度E成正比，而要用E的幂级 数来表示：
2 热光效应
热光效应：温度发生变化时，晶体的光学参数、折射率n和双折 射Δn均发生很大变化，称为热光效应。 ➢ 通常最强烈的热光效应出现在相变附近。例如：由铁电相转
变为非铁电相。 ➢光学性质随温度的强烈变化常常只发生在某一特定的温度范围 内。 ➢并且双折射的变化比折射率的变化明显。 ➢热光效应通常是由于温度引起的光率体半轴长度变化或光率体 旋转。
则 n
0
r
色散 ：晶体的折射率与光的频率（波长）有关，称为色散现象。
假定：由于电子质量远小于原子核，近似认为原子核是固定的； 电子速度远小于
光速，电磁波对原子的作用主要为电厂对电子的作用。把电子在电场力作用下的 运动看成是受迫简谐振动，得到折射率n与频率的关系：
n w
1 n0 e2
第30讲 电介质的光学性质
1 折射率与双折射
折射率：透明物体的折射率n等于光在真空中的速度c与光在媒质中 的速度v之比。
n c v , c1 00
v1 ,
r0 0r
其中ε和ε0以及µ和µ0分别为媒质和这空的介电常数和磁导率； εr和µr为相对介电常数和相对磁导率。
对于非磁性物质 r 1， 0
7.4 弹光效应
弹光效应（压光效应）：弹性应变使晶体的折射率发生变化的现象。如 果晶体弹性应变是由晶体内部通过压电效应产生的或从外部施加在晶体 上的声波造成的，则这现象被称为声光效应。
如果沿着晶体的主轴方向施加单轴应力X，且光波的电位移矢量也沿 着晶体的主轴方向，则折射率与应力的关系也可用一个幂极数表示：