固体的光学性质.
固体的光学性质与激光
固体的光学性质与激光光学是研究光的传播和相互作用的学科。
光学性质是指物质对光的吸收、反射、透射、散射、折射等特性。
在固体物质中，光学性质的研究对于理解物质的结构、性质和应用具有重要意义。
而激光则是由固体、液体或气体等特定材料产生的一种高强度、高单色性、高方向性的光束。
固体的光学性质与激光有着密切的联系，本文将探讨固体的光学性质对激光的产生和应用的影响。
第一节：固体的吸收和发射1.1 线性吸收和非线性吸收固体物质对光的吸收可以是线性吸收或非线性吸收。
线性吸收是指物质在光的作用下，吸收光的能量，并将其转化为热能或其他形式的能量。
非线性吸收是指物质在光的作用下，吸收光的能量，并在吸收过程中发生电子或原子激发，从而改变了物质的电子结构和光学性质。
1.2 发射光谱固体物质在吸收光的过程中，还会发射出特定的光谱。
发射光谱可以用来研究物质的结构和能级分布。
发射光谱的特征峰位、峰形和强度都可以反映固体的光学性质。
第二节：固体的光学色心和发光2.1 光学色心光学色心是指固体物质中的某些原子、离子或分子在激发态和基态之间存在着能级差的结构。
这些能级差导致了物质在特定波长的光照射下的吸收和发射行为。
色心可以使物质呈现出特定的颜色。
2.2 固体的发光固体物质在某些条件下会发光。
例如，某些晶体在被紫外光或其他波长的光照射下会发光。
这种发光现象被称为固体荧光。
由于固体的光学性质与能带结构和晶体结构密切相关，固体的发光现象可用来研究物质的结构和性质。
第三节：固体的激光产生3.1 激光器原理激光器是一种利用激活介质产生激光的装置。
激活介质可以是固体、液体或气体。
固体激光器利用固体材料中的光学色心或荧光现象产生激光。
3.2 固体激光材料固体激光材料通常具有较高的吸收截面和较长的寿命，使其适合用于激光器的工作介质。
常见的固体激光材料包括Nd:YAG晶体、Ti:sapphire、Er:YAG晶体等。
第四节：固体激光的应用4.1 材料加工固体激光器在材料加工领域具有广泛的应用。
第四课 固体(课件)高二物理(人教版2019选择性必修第三册)
是非晶体
多晶体和非晶体都具有各向同性
C．一块固体，若有确定的熔点，则该固体必定为晶体
D．黄金可以切割加工成各种形状，所以是非晶体
只有晶体才 有固定熔点
黄金是晶体，切割后分子结构不变，仍然是晶体
小试牛刀
4．关于晶体和非晶体，下列说法中正确是（ A）
A．单晶体具有各向异性 B．多晶体也具有各向异性 C．非晶体的各种物理性质，在各个方向上都是相同的 D．晶体的各种物理性质，在各个方向上都是不同的
安德烈与康斯坦丁，两人在此有贡献。
碳族新材料——石墨烯
富勒烯
碳纳米管
硬
薄
透光 性好
导热系 数高
可弯曲
石墨烯晶体管
室温下石墨烯载流子迁移率高，受温度和掺杂影响小，超高频率
柔性显示屏
石墨烯良好的电导性、透光性及柔性，使它在透明导电方面极具优势。
柔性光伏电池板
石墨烯与硅结合的新型太阳能电池。
超轻型飞机材料
某些物理性质各向异性 无规则的几何形状
多晶体 有确定的熔点
物理性质各向同性 无规则的几何形状
非晶体 无确定的熔点
物理性质各向同性
知识深化
判断晶体与非晶体、单晶体与多晶体的方法
(1)区分晶体与非晶体的方法： 看其有无确定的熔点，晶体具有确定的熔点，而非晶体没有确定的
熔点.仅从各向同性或者几何形状不能判断某一固体是晶体还是非晶体.
小试牛刀
2. 关于晶体和非晶体，下列说法中正确的是 ( C )
A．可以根据各向同性或各向异性来鉴别晶体和非晶体
B．一块均匀薄片，沿各个方向对它施加拉力，发现其强度一样，
则此薄片一定是非晶体
多晶体和非晶体都显示各向同性，只有单晶体 显示各向异性
固体材料的宏观光学性质 61页PPT文档
astronomynotes/light/emanim.gif
• Solids which bond ionically, show high absorption because ions of opposite charge move in opposite directions
in the same electric field hence we get effectively twice the interaction between the
• Finally we will mention applications, in particular optical fibres and lasers
Optic: 2
Nature of light
• Light is an electromagnetic wave:
with a velocity given by c = 1/(00) = 3 x 108 m/s
evidence for energy levels in atoms evidence for energy bands and band-gaps photoelectric effect
Optic: 4
General description of absorption
• Because of conservation of energy, we can say that I0 = IT + IA + IR
光电子技术基础题库
光电子技术基础题库一．填空题1、光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件，光源器件分为 光源和 光源。
2、某一半导体材料的禁带宽度为3.1 电子伏特，则该半导体本征吸收的长波极限为 纳米。
3、最早的电光源是炭弧光灯，最早的激光器是1960年由美国家的梅曼制作的激光器。
4、当受激辐射大于受激吸收的时候，物质对外表现为光 ，当受激辐射小于受激吸收时候，物质对外表现为光 。
5、激光器的基本结构包括 ， ， 。
6、受激辐射产生的光的特点是： 好， 好， 好。
7、发光的方式很多，但根据余辉的长短可将发光大致分成 和 两类。
8、光电探测器的物理效应可以分为三大类： 、和 。
9、太阳能电池是利用半导体的 原理直接把光能转化为电能的装置。
10、光纤由传导光的 和外层的 两同心圆形的双层结构组成，且12n n 。
外面再包以一次涂覆护套和二次涂覆护套。
11.根据液晶的分子不同可以将其分为 、 和 液晶。
12. 按照声波频率的高低以及声波和光波作用的长度不同，声光相互作用可以分为 衍射和 衍射 。
13. 在间接带隙半导体中，电子由价带顶跃迁到导带底时，需要同时吸收或发射 ，以补偿电子准动量的变化。
14.光波在光纤中传播有3种模式，导模（传输模），和。
15. 光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示与频率的关系，虚部表示物质与频率的关系。
16、液晶显示所用的液晶材料是一种兼有和双重性质的物质，它的棒状结构在液晶盒内一般平行排列，但在电场作用下能改变其排列方向。
17、某一半导体材料的禁带宽度为2.6 电子伏特，则该半导体本征吸收的长波极限为纳米。
18、光纤通光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件，光传输器件分为光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等)、和等。
19、受激辐射产生的光的特点是：好，好，好。
20、激光器按工作方式区分可分为和激光器。
21.光电子技术主要研究光与物质中的电子相互作用及其的相关技术，是一门新兴的综合性交叉学科。
固体光学1-3.ppt
1
1
n2
=
1 2
ε
1+
(ε0σεω
)2
2
+1,
κ
2
=
1 2
ε
1+
(ε0σεω)2
2
− 1
Q : 如果 ε 为负值，n 以及 κ 该如何面四个为相对于真空的比值
n2
光从自由空间垂直入射到半无限固体表面：
Maxwe11 方程 ＋ 边界条件
电介质
n?κ
，R
≈
(n −1)2 (n +1)2
r
=
Er
/
Ei
=
nc nc
−1 +1
=
n n
+ iκ + iκ
−1 +1
R
=
Ir
/
Ii
=
r
*⋅r
=
(n (n
− 1) 2 + 1)2
+κ2 +κ2
金属 n ≈ κ ? 1 ，R → 1 几乎全反射
ζ −ω
贡献不大，只需考虑 ζ ~ ω 的积分！
注 ： 能 否 直 接 用 r (ω )？ 至 少 繁 琐 且 得 不 到 这 些 分 析 。 并 且 其 实 部 虚 部 不 是 可 测 量 量 。
2. 从反射系数r(ω) = ρ(ω)eiθ ,(ω) 求折射率 n 和消光系数 κ
在垂直入射情况下，r(ω ) 与折射率 n，消光系数 κ
注：消光系数大，并不意味高吸收，也可能光反射掉了
§2. Kramers-Kronig关系式
固体物理知识点总结
固体物理知识点总结1. 固体的结构固体的结构是固体物理研究的重要内容之一。
固体的结构可以分为晶体结构和非晶体结构两类。
晶体是指固体物质中原子、离子或分子按照一定规则有序排列的结构，具有长程有序性。
晶体的周期性结构使其具有一些特殊的性质，如晶格常数和晶胞结构等。
晶体的结构可以根据晶体的对称性将晶系分为七类：三斜晶系、单斜晶系、单轴晶系、三方晶系、四方晶系、立方晶系和六方晶系。
非晶体是指固体中原子、离子或分子无序排列的结构，没有明显的周期性，具有短程有序性。
2. 固体的热力学性质固体的热力学性质是指固体在温度、压力等条件下的热力学行为。
其中包括固体的热容、热导率、热膨胀系数等热力学性质。
固体的热容是指单位质量的固体物质吸收或释放的热量与温度变化之间的关系。
固体的热导率是指单位时间内，单位面积和单位温度梯度下热量的传导速率。
固体的热膨胀系数是指单位体积的固体物质在温度变化时体积的变化与温度变化之间的关系。
3. 固体的光学性质固体的光学性质是指固体对光的吸收、散射和折射等性质。
固体的光学性质与其结构和原子（分子）的能级结构有关。
固体物质中的原子和分子会吸收特定波长的光子，产生特定的光谱线。
固体的折射率是指光在固体中传播时的光线偏折情况，也称为光线传播速度与真空中的光速之比。
4. 固体的电学性质固体的电学性质包括固体的导电性、介电常数、电阻率等。
固体的导电性是指固体对电流的导通能力。
固体的介电常数是指固体在外电场作用下的电极化程度。
固体的电阻率是指固体对电流的阻碍程度。
5. 固体的磁学性质固体的磁学性质是指固体在外磁场下的磁化行为。
固体物质中的原子和分子会在外磁场下产生磁化。
固体的磁学性质与其结构和原子（分子）的磁矩分布有关。
固体的磁化率是指固体在外磁场下的磁化程度。
固体物理是物理学中一个重要而广泛的研究领域，涉及的内容十分丰富和复杂。
本文仅对固体物理的基本知识点进行了简要的介绍和总结，希望能够为读者的学习和研究提供一些帮助。
光学常数及色散关系
一般地说，ε或χ是频率ω和波矢 k 的函数，然而在平均场近似下，ε的 波矢依赖，即ε的空间色散关系可以忽略不计。即ε(ω, k)=ε(ω)。也就是说， D和E之间的关系是局域化的。 而当D，E之间的关系不完全局域化，呈现一定的延展性时，即空间 某一点的D不再完全由该点的E所决定， ε将发生空间色散。 在透明晶体如石英中，这种虽然很小的非局域效应，也会引起空间 旋光现象。 在金属中，由于金属对光的强吸收，使传导电子的自由程比光的穿 透深度大得多，在这种情况下，将发生反常趋肤效应，结果造成D和E之 间的非局域化。因此在金属中应当考虑ε的空间色散问题。 在光与激子的相互作用的情况下，激子的束缚半径不同，对光的响 应也不同，因此ε的空间色散也是很重要的。
显然，消光系数或吸收系数大的介质，光的穿透深度浅，表明物质的吸 收强，例如，α=104cm-1的强吸收体，光强深度只有1微米。 此外由(1.21)式还可见到，长波光比短波光穿透深度大。
σ 106(Ω-1cm-1) (9×1017s-1)
λ 1μm 100μm 1cm 1m 10km
d1(cm) 1.45 ×10-7 1.45 ×10-6 1.45 ×10-5 1.45 ×10-4 1.45 ×10-2 4.58 ×10-7 4.58 ×10-6 4.58 ×10-5
1-R 1.15×10-4 1.15×10-6 3.65×10-1 3.65×1015s-1)
1μm 100μm
1cm
1m 10km
1.45 ×10-4
1.45 ×10-3 1.45 ×10-1
2.9×10-4
2.9 ×10-3 2.9 ×10-1
3.65×10-3
d2(cm) 2.9×10-7 2.9×10-6 2.9×10-5 2.9×10-4 2.9×10-2 9.16 ×10-7 9.16 ×10-6 9.16 ×10-5
固体的光学性质和光材料课件
应用 了解光材料的电导率对于其在电子设备、传感器 和电路中的应用非常重要。
热导 率
热导率
热导率是描述光材料在热量传递 方面的能力的物理量。热导率越 高，光材料在热量传递方面的能 力越强。
影响热导率的因素
光材料的热导率受其内部原子或 分子的振动和晶格结构影响。金 属材料通常具有高热导率，因为 它们的原子结构允许热量通过晶 格振动传递。
应用
了解光材料的热导率对于其在散 热器、电子封装和热管理中的应 用非常重要。
06 光材料的化学性质
稳定性
稳定性是指光材料在特定环境 条件下保持其化学和物理性质 的能力。
02
晶体具有各向异性，即 其光学性质在不同方向 上有所不同。
03
04
常见的晶体材料包括硅、 锗、金刚石、石榴石等。
晶体在光学仪器、激光 器、光电子器件等领域 有广泛应用。
非晶体
01
02
03
04
非晶体是原子或分子排列无序 的固体，没有明显的晶体结构。
非晶体具有各向同性，即其光 学性质在各个方向上相同。
影响因素
物质的反射率与物质的性质、光的波长和入射角等因素有关。不同 物质有不同的反射率，同一物质对不同波长的光也有不同的反射率。
应用
在光学仪器、光学通信和显示技术等领域，需要使用具有特定反射率 的光学材料。通过调整材料的反射率，可以实现对光的控制和调制。
透过率
透过率
是指光在介质中传播时，透射光强度与入射光强度的比值。透过率的大小反映了光在介质 中传播的难易程度。
固体的光学性质和光 材料课件
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二、固体的磁化
1. 磁化强度
在外磁场作用下，介质中的原子磁矩将按一定规则排 列，因此原子磁矩不能完全抵消。 通常把固体中单位体积内的磁偶极矩的矢量和，称为 磁化强度，定义为
dPm M dV
在均匀的固体中，M或者与H平行，或者与H反平行。
2. 磁化率
在外磁场作用下，介质中的原子磁矩不能完全抵消， 从而使整体表现出磁性的现象，称为介质的磁化。 磁化强度是描述固体磁化程度的物理量，它与磁场强 度成正比。即
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（2）反铁磁体 在铁磁体中，某些物体内原子间的互作用量子力可以 使相邻离子（或原子）的磁矩方向相反，其磁矩排列方 式如图所示。因此，这类铁磁体整体不呈现磁性。 在外磁场作用下，这类材料表现为 特有的顺磁性，并具有显著的各向异 性。 这种在外磁场下呈现出顺磁性、且 具有显著各向异性的铁磁材料，称为 反铁磁体。 常见的反铁磁体都是过渡金属的化合物，如CRCl2、 MnO、NiO、CoO、FeF2、VCl3、V2O4等。
当温度高于铁磁居里温度Tc，铁磁体转变为顺磁体， 其磁化率满足居里—外斯定律
0C
T TP
式中，TP 称为顺磁居里温度，其数值略高于铁磁居里温 度Tc 。一些铁磁体的Tc和Tp值如下表所示。 材料 Tc(K) Tp (K) 材料 Tc(K) Tp (K) Fe 1043 1093 Dy 85 154 Co Ni Gd 1388 627 292 1428 650 317 Ho Er 20 20 85 42
2. 有序磁性介质
（1）铁磁体 铁磁体的磁化率是数值很大的正数，通常比顺磁体的 磁化率大5~6个数量级。 在铁磁体中，每个原子都有不满的 d 壳层引起的固有 磁矩。 由于相邻原子间的量子力学互作用，使各原子的固有 磁矩趋于排列平行，形成自发磁化，产生铁磁性。 铁磁体的磁化率也依赖外磁场强度。 此外，铁磁体的铁磁性只存在温度低于铁磁居里温度 Tc 的情况下。
顺磁体本质的特征是，物体中包含有浓度可观的因不 满原子壳层而具有固有磁矩的离子——顺磁离子。
在外磁场作用下，由顺磁离子形成的固有磁矩倾向于 与外磁场相同方向排列，所产生的总磁矩与外磁场方向 一致，从而表现出顺磁性。 金属中的每个自由电子有两个自旋态，具有有其自旋 磁矩。在没有外加磁场情况下，电子在这两个自旋态的 概率相等，总体上表现出没有磁矩。 在外磁场中，自旋磁矩方向与外磁场平行的状态被电 子占据的概率增大，因而总磁矩与外磁场方向一致。 同时，在外磁场中，电子轨道改变所产生的总抗磁磁 矩数值为总顺磁磁矩的三分之一。因此，大多数金属都 是顺磁体。 对于金属Cu，由于其离子实的抗磁磁矩超过其自由电 子气的顺磁磁矩而表现为抗磁性。
M H
式中，比例系数χ 称为磁化率。 磁化率是一个无量纲的物理量 ，它直接反映固体材料 被磁化的难易程度，是表示固体磁性的重要物理量 。
3. 磁导率
介质被磁化后，将形成等效的磁化电流，从而产生一 个附加的磁感应强度B1。 这个附加磁场与外磁场叠加，构成了介质中的宏观磁 感应强度
B B0 B1
第9章 固体的磁性
固体的磁性来源于各种荷电粒子的自旋运动及轨道运 动，研究固体磁性可以获得许多有关固体材料的物质结 构及固体中各种微观粒子间相互作用的信息。因此，固 体磁性材料在当前科学技术及国民经济中有着十分重要 的应用。
本章首先对固体磁性的实验现象作一般的论述，然后 分别说明产生这些磁性现象的原因。 最后，对铁磁性及反铁磁性的起源——粒子间互作用 的量子效应作简要介绍。
实验表明，附加磁感应强度与磁化强度成正比，即
B1 0 M
因为
B0 0 H
所以，由上述各式可得
B1 0 M 0 H B0
于是得介质中的宏观磁感应强度与外磁场的关系
B (1 ) B0 0 r H
式中
r 1
也是一个无量纲的物理量 ，称为相对磁导率 。
三、磁介质
根据磁化率的大小及正负，可把固体分成三类：抗磁 体、顺磁体和铁磁体。 下面是一些固体的磁化率。 抗磁体的磁化率 Bi Cu Ge -0.00018 -0.000008 顺磁体的磁化率 FeCl2 Pt 0.0036 0.0012 0.00026 铁磁体的磁化率 Fe Co Ni 1000 240 150
一、物质的磁性
物质的磁性来自构成物质的原子，原子的磁性又主要 来自原子中的电子。 原子中电子的磁性有两个来源： （1）电子本身具有自旋，因而能产生自旋磁性，称为 自旋磁矩； （2）原子中电子绕原子核作轨道运动时也能产生轨 道磁性，称为轨道磁矩。
在原子中，核外电子带有负电荷，是一种带电粒子。 电子的自转会使电子本身具有磁性，成为一个小小的磁 铁，具有N极和S极。 原子中的这些电子，如同很多 小磁铁绕原子核在旋转。 当原子中所有电子磁矩的矢量 和不为零时，将形成原子磁矩。 而当原子中所有电子磁矩可以相 互抵消时，则不存在固有的固体 磁矩。 在介质中，由于原子磁矩之间没有相互作用，它们无 规则排列，所以整体不呈现磁性。
抗磁体最本质的特征是，物体中所有原子（或离子） 都没有固有磁矩。
（2）顺磁体 磁化率很小且为正数的物体，称为顺磁体。 顺磁体具有以下特点： （a）尽管在外磁场中所产生的磁矩或磁化强度很小， 但由于与外磁场方向相同。所以，虽然顺磁体的磁化率 值很小，但比抗磁体的数值大。 （b）磁化率值依赖于外磁场强度。 （c）一般地，金属的磁化率值与温度无关，非金属性 顺磁体的磁化率则依赖于温度。
• 第1节 固体磁性的描述
• 物质的磁性 • 固体的抗磁性 • 固体的顺磁性
• 固体的磁化
• 磁介质
• 第2节 无序磁性介质的磁化
• 第3节 铁磁性及其理论
• 铁磁体基本特征• 分子场理论 • 交换作用理论 • 自旋波理论
• 第4节 反铁磁性与亚铁磁性
• 反铁磁性
• 习题
• 亚铁磁性
§3.1 固体磁性的描述
-0.0000095 NiSO4
Si He Xe-0.000004 -来自.000005 -0.00025
1. 无序磁性介质
（1）抗磁体 磁化率小于零的物体，称为抗磁体。 抗磁体具有以下特点： （a）由于在外磁场中所产生的磁矩或磁化强度很小， 并与外磁场方向相反。所以，抗磁体的磁化率值很小， 且为负数。 （b）磁化率值与外磁无关。 （c）磁化率值与温度无关。