|
|
Большая Советская Энциклопедия (цитаты)
|
|
|
|
|
Металлооптика | Металлооптика (далее М) раздел оптики, в котором изучается взаимодействие металлов с электромагнитными волнами. Основные оптические особенности металлов: большой коэффициент отражения R (например, у щелочных металлов R ~ 99%) в широком диапазоне длин волн и большой коэффициент поглощения (электромагнитная волна внутри металла затухает, пройдя слой толщиной d ~ 0,1¸1×10-5 см, см. Скин-эффект). Эти особенности связаны с высокой концентрацией в металле электронов проводимости (см. Металлы).
Взаимодействуя с электромагнитной волной, падающей на поверхность металла. электроны проводимости одновременно взаимодействуют с колеблющимися ионами решетки. Основная часть энергии, приобретенной ими от электромагнитного поля, излучается в виде вторичных волн, которые, складываясь, создают отраженную волну. Часть энергии, передаваемая решетке, приводит к затуханию волны внутри металла. Электроны проводимости могут поглощать сколь угодно малые кванты электромагнитной энергии ћw (ћ — Планка постоянная, w — частота излучения). Поэтому они дают вклад в оптические свойства металла при всех частотах. Особенно велик их вклад в радиочастотной и инфракрасной областях спектра. По мере увеличения w вклад электронов проводимости в оптические свойства металлов уменьшается, уменьшается и различие между металлами и диэлектриками.
Остальные валентные электроны влияют на оптические свойства металла только когда они участвуют во внутреннем фотоэффекте, что происходит при ћw ³ DE (DE — энергетическая щель между основным и возбужденным состояниями электронов). Возбуждение электронов приводит к аномальной дисперсии волн и к полосе поглощения с максимумом вблизи частоты резонансного поглощения. Благодаря сильному электрон-электронному и электрон-ионному взаимодействию полосы поглощения в металле значительно шире, чем в диэлектрике. Обычно у металлов наблюдается несколько полос, расположенных главным образом в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра. Однако для ряда поливалентных металлов наблюдаются полосы и в инфракрасной области спектра. При частотах w ³ wп, где wп — плазменная частота валентных электронов, в металле возбуждаются плазменные колебания электронов. Они приводят к появлению области прозрачности при w " wп.
В ультрафиолетовой области коэффициент отражения R падает и металлы по своим свойствам приближаются к диэлектрикам. При еще больших частотах (рентгеновская область) оптические свойства определяются электронами внутренних оболочек и металлы по оптическим свойствам не отличаются от диэлектриков.
Оптические свойства металлов описываются комплексной диэлектрической проницаемостью:
где e" — вещественная диэлектрическая проницаемость, s — проводимость металла, или комплексным показателем преломления:
(k — показатель поглощения). Комплексность показателя преломления выражает экспоненциальное затухание волны внутри металла. При падении плоской волны на поверхность металла под углом j ¹ 0 волна внутри металла будет неоднородной. Плоскость равных амплитуд параллельна поверхности металла, плоскость равных фаз наклонена к ней под углом, величина которого зависит от j. Волны, отраженные от поверхности металла, поляризованные в плоскости падения и перпендикулярно к ней, имеют разность фаз. Благодаря этому плоскополяризованный свет после отражения становится эллиптически-поляризованным. Коэффициент отражения R волн, поляризованных в плоскости падения, у металлов, в отличие от диэлектриков, всегда ¹ 0, и лишь имеет минимум при определенном j.
Для чистых металлов при низкой температуре в длинноволновой области спектра длина свободного пробега электронов l становится > d. При этом затухание волны перестает быть экспоненциальным, хотя и остается очень сильным (аномальный скин-эффект). В этом случае комплексный показатель преломления теряет смысл и связь между падающей и преломленной волной становится более сложной. Однако свойства отраженного света при любом соотношении между l и d полностью определяются поверхностным импедансом Z, с которым связывают эффективные комплексные показатели поглощения и преломления:
nэф — ikэф = 4p/(cZ).
При l < d величины n и k в формулах заменяются на nэф и kэф.
Для измерения n и k массивного металлического образца исследуют свет, отраженный от его поверхности, либо поляризационными методами (измеряются характеристики эллиптической поляризации отраженного света), либо методами, основанными на измерении R (в широком спектральном диапазоне) при нормальном падении его на поверхность металла. Эти методы позволяют измерить оптические характеристики в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях с ошибкой ~0,5—2%. Для измерения тонкой структуры полос поглощения используются методы, основанные на модуляции свойств металла, приводящей к модуляции интенсивности отраженного света, которая и измеряется (термоотражение, пьезоотражение и т.п.). Указанные методы позволяют с большой точностью определить изменения R при изменении температуры, при деформации и т.п. (см. табл.), а также исследовать тонкую структуру полос поглощения. Особое внимание уделяется приготовлению поверхности исследуемых образцов. Поверхности нужного качества получаются электрополировкой или испарением металла в вакууме с последующим осаждением его на полированные подложки.
Оптические характеристики некоторых металлов
|
l = 0,5 мкм
|
l = 5,0 мкм
|
n
|
k
|
R %
|
n
|
k.
|
R %
|
*
|
0,05
|
2,61
|
99,8
|
—
|
—
|
-—
|
|
1,06
0,11
0,50
|
2,70
2,94
2,04
|
63,2
95,5
68,8
|
3,1
2,4
3,3
|
32,8
34,0
35,2
|
98,9
99,2
98,95
|
|
—
|
—
|
—
|
3,8
|
26,2
|
97,9
|
|
0,50
—
|
4,59
—
|
91,4
—
|
6,7
9,8
|
37,6
32,2
|
98,2
96,6
|
|
0,78
1,70
|
3,58
3,30
|
80,5
62,6
|
8,5
9,0
|
28,5
24,8
|
96,2
95,0
|
|
2,10
|
2,82
|
52,2
|
3,4
|
9,4
|
87,4
|
|
2,13
2,65
|
3,07
3,33
|
56,0
56,6
|
8,0
6,6
|
27,7
17,5
|
96,2
92,7
|
|
3,15
3,31
|
3,73
2,96
|
59,5
51,6
|
4,25
3,48
|
23,9
21,2
|
97,2
97,0
|
|
1,46
1,56
1,54
|
3,17
3,43
3,10
|
63,7
65,9
61,6
|
4,2
4,3
4,95
|
12,5
14,6
18,5
|
90,8
92,9
94,8
|
|
1,76
|
3,59
|
65,7
|
7,6
|
20,2
|
93,7
|
* Оптические характеристики относятся к l = 0,5893 мкм.
М позволяет по оптическим характеристикам, измеренным в широком спектральном диапазоне, определить основные характеристики электронов проводимости и электронов, участвующих во внутреннем фотоэффекте. М имеет также и прикладное значение. Металлические зеркала применяются в различных приборах, при конструировании которых необходимо знание R, n и k в различных областях спектра. Измерение n и k позволяет также установить наличие на поверхности металла тонких пленок (например, пленки окиси) и определить их оптические характеристики.
Лит.: Соколов А. В., Оптические свойства металлов, М, 1961; Борн М, Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., М, 1970; Гинзбург В. Л., Мотулевич Г. П., Оптические свойства металлов, "Успехи физических наук", 1955, т. 55, в. 4, с. 489; Мотулевич Г. П., Оптические свойства поливалентных непереходных металлов, там же, 1969, т. 97, в. 2, с. 211; Кринчик Г. С., Динамические эффекты электро- и пьезоотражения света там же, 1968, т. 94, в. 1, с. 143; Головашкин А. И., М, в кн.: Физический энциклопедический словарь, т. 3, М, 1963.
Г. П. Мотулевич
|
Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска
|
|
 |
 |
 |
|
|
|
Новости 16.09.2024 12:12:54
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
