11.2. Оптические характеристики металлов, диэлектриков и полупроводников

Взаимодействие оптического излучения с твердым телом описывается тремя процессами: отражением, поглощением и пропусканием света. Если обозначить I₀ как интенсивность падающего света, I_T, I_A, I_R как интенсивность прошедшего, поглощенного и отраженного света, то можно записать 

.

При этом коэффициенты пропускания T, поглощения А и отражения R в сумме равняются единице:

Металлы являются непрозрачными в видимом диапазоне света. Это обусловлено тем, что при взаимодействии с квантом света электроны в зоне проводимости всегда могут перейти в возбужденное состояние, поскольку все состояния выше уровня Ферми свободны. Вследствие высокой концентрации свободных электронов поглощение света в металлах проходит в тонком приповерхностном слое, составляющем доли микрона. Поэтому только тонкие металлические пленки толщиной сотни ангстрем будут полупрозрачны в видимом диапазоне. Что касается высокоэнергетического рентгеновского диапазона, то  в этом диапазоне металлы более прозрачны для электромагнитного излучения по сравнению с оптическим диапазоном.

Оптические свойства неметаллов – полупроводников и диэлектриков - характеризуются  сложными  зависимостями. Коэффициент преломления  определяется отношением скорости света в вакууме  к скорости света  в среде. Величина скорости света, в свою очередь, определяется диэлектрической проницаемостью  и магнитной восприимчивостью. Поэтому коэффициент преломления будет равен

.

Коэффициент поглощения А определяется структурой энергетических зон и наличием примесей. На рис. 11.3 приведены типичные зависимости коэффициента поглощения для кремния, германия и арсенида галлия [13, 82].

 

 

Коэффициент пропускания T для неметаллических сред будет определяться коэффициентом отражения и коэффициентом поглощения. Для видимого диапазона коэффициент отражения слабо зависит от длины волны, и спектральная зависимость коэффициента пропускания в основном определяется коэффициентом поглощения. На рис. 11.4 в качестве примера показана спектральная  зависимость  коэффициента пропускания для двуокиси кремния, содержащего 1 %  оксида кобальта.

Рис. 11.4. Зависимость коэффициента пропускания для двуокиси кремния, содержащего 1 %  оксида кобальта [98]

 

Здесь же остановимся только на такой оптической характеристике, связанной с поглощением, как цвет. Прозрачные материалы представляются окрашенными вследствие селективного поглощения в видимом диапазоне оптического излучения, и цвет появляется как результат комбинации тех длин волн, которые прошли через этот материал. На рис. 11.5 в качестве примера показана спектральная зависимость коэффициента пропускания в видимом диапазоне для сапфира и рубина.

 

Рис. 11.5. Зависимость коэффициента пропускания сапфира и рубина [99]

 

Сапфир относится к диэлектрикам, представляет  из себя монокристалл оксида алюминия Al₂O₃ высокой частоты и является бесцветным, поскольку его коэффициент пропускания в видимом диапазоне не зависит от длины волны. Рубин представляет из себя монокристалл оксида алюминия Al₂O_3, в котором находится около 1 % оксида хрома Cr₂O₃. Ионы хрома  в рубине замещают ионы алюминия в кристаллической структуре и создают примесные уровни в середине запрещенной зоны Al₂O₃. Переход электронов из валентной зоны на эти состояния обуславливает две сильные полосы поглощения, одна в голубой области около 0,4 мкм, другая в желтой области около 0,6 мкм, как видно из рис. 11.5.  Непоглощенные части оптического излучения видимого спектрального диапазона смешиваются и обуславливают насыщенный красный цвет рубина.