§ 3. Оптические свойства

К оптическим свойствам относятся свойства, связанные с генерацией, обнаружением и взаимодействием со средой оптического излучения, то есть электромагнитными волнами ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазона.

На этом взаимодействии основано разнообразное применение оптического излучения в научных, технических и практических целях, в частности в электронике (оптоэлектроника, лазерная техника и т.д.).

Оптические спектры возникают при квантовых переходах между уровнями энергии атомов, молекул, твердых и жидких тел, газов. Спектры испускания соответствуют квантовым переходам с верхних уровней на нижние, спектры поглощения – с нижних уровней на верхние.

Спектры, возникающие при квантовых переходах между электронными уровнями энергии в атомах, являются линейчатыми. Спектры, возникающие в молекулах при переходах между электронными, колебательными и вращательными уровнями, являются полосчатыми. При тепловом излучении твердых, жидких и газообразных тел возникает сплошной спектр. Чем выше температура, тем меньшей длине волны соответствует положение максимума такого спектра.

Различным диапазонам длин волн λ и частот ν колебаний соответствуют разные энергии фотонов hν, равные разности энергий уровней, между которыми происходит переход:

hν = ε₁ – ε₂ (1.37)

В таблице 1.3. приведены диапазоны значений λ, ν, hν и температур Т, характеризующих энергии фотонов (hν = κΤ) для указанных трех видов оптического излучения.

Таблица 1.3. Характеристики видов оптического излучения

Излучение	λ, мкм	ν, с^-1	hν, эВ	Т, К
инфракрасное	10^3 – 0,74	3*10^11 – 4,0*10^14	1,25*10^-3 – 1,7	14 – 2,0*10^4
видимое	0,74 – 0,40	4*10^14 – 7,5*10^14	1,7 – 3,1	2,0*10^4– 3,6*10^7
ультрафиолетовое	0,40 –10^-3	7,5*10^14– 3,0*10^16	3,1 – 125	3,6*10^7 –1,0*10^10

При прохождении оптического излучения через вещество (среду) происходит эффект его поглощения – уменьшение интенсивности излучения по закону Бугера-Ламберга:

(1.38)

Где I₀ – интенсивность падающего луча, l – толщина поглощающей среды, k_λ – показатель поглощения, величина которого зависит от λ и природы вещества среды.

Зависимость k_λ от λ называется спектром поглощения вещества. Спектр поглощения изолированных атомов имеет вид узких линий, то есть приходится на узкий интервал длин волн (сотые – тысячные доли нанометра). Спектр молекул, определяемых частотой их колебаний, приходится на широкий интервал длин волн (десятые доли – сотни нанометра), спектр твердых тел – на очень широкий интервал (сотни и тысячи нанометров). Последнее является следствием того, что энергия, переданная излучением одной частице, быстро передается в твердом теле всему коллективу частиц.

Процесс поглощения излучения связан с переходом электронов в атомах, ионах, молекулах поглощающих тел с более низких уровней энергии на более высокие, то есть с переходом частиц в возбужденное состояние.

В световых пучках не очень большой интенсивности I₀, k_λ не зависит от I. Но если исходная интенсивность очень велика, то большая доля поглощающих частиц, перейдя в возбужденное состояние и оставаясь в нем сравнительно долго, теряет дальнейшую способность поглощать излучение. В этих условиях k_λ становится функцией интенсивности. Наступает нелинейное поглощение света.

Обратный переход атомов, молекул из возбужденного состояния в невозбужденное связан с люминесценцией. Под люминесценцией понимают излучение, избыточное над тепловым. Люминесценция присуща всем трем диапазонам излучения.

По виду возбуждения различают фото, радио и электролюминисценцию, что соответствует возбуждению светом, проникающей радиацией всех видов, электрическим полем.

Необходимым условием люминесценции является наличие дискретного энергетического спектра. Поэтому металлы, для которых характерен непрерывный энергетический спектр валентных электронов, не люминесцируют.

Изучение физических параметров поглощения света (излучения) и люминесценции позволяет получать информацию об энергетическом состоянии вещества, примесей, зонной структуре полупроводников, обнаруживать малые количества примесей и т.д.

К важным оптическим явлениям и характеристикам относятся поляризация, дифракция, преломление и отражение света, прозрачность среды.

С квантовых позиций поляризация света связана с одинаковым спиновым состоянием всех фотонов, образующих световой поток. Видов полной и частичной поляризаций много. Они возникают при разных физических воздействиях – при прохождении через анизотропную среду, двойном лучепреломлении, дифракции на ультразвуке, воздействии сильных магнитных и электрических полей (магнитооптика и электрооптика), отражении и преломлении света, в результате разных коэффициентов поглощения для разных поляризаций. Поляризованным является большинство видов лазерного излучения.

Различные виды воздействия на поляризацию света лежат в основе использования данного явления для диагностики оптически анизотропных кристаллов и сред, окрашивания поляризованного пучка белого цвета, изучения кристаллохимической и магнитной структуры твердых тел, исследования напряжений в прозрачных средах.

Распространение мощных световых пучков, например лазерных, и их взаимодействие с веществом изменяют не только закон, описывающий поглощение, но и другие оптические характеристики среды, в частности нелинейно зависящей от напряженности поля Е становятся поляризация и многие другие оптические явления и процессы.

Использование инфракрасных лазеров привело к открытию нелинейности поведения носителей заряда в полупроводниках, которая не проявляется в видимом диапазоне длин волн.

С взаимодействием оптического излучения со средой связаны явления отражения и преломления лучей. При падении лучей из первой среды на границу раздела со второй возникает излучение, распространяющееся от границы раздела обратно в первую среду. На характер отражения влияют размеры неровностей на границе раздела и степень упорядоченности в их расположении.

Если неровности малы по сравнению с длиной волны λ, то имеет место зеркальное отражение. Если они соизмеримы или размер неровностей больше λ (шероховатая поверхность) и неровности расположены беспорядочно, то отражение носит диффузный (рассеянный) характер. Если же неровности расположены упорядоченно, то характер отражения близок к отражению от дифракционной решетки. Отражение сопровождается преломлением света.

Важной характеристикой среды, используемой в диагностике ряда материалов, в том числе полупроводников, является прозрачность. Под прозрачностью понимают отношение потока излучения, прошедшего без изменения направления путь, равный единице, к потоку, вошедшему в эту среду в виде параллельного пучка. Прозрачность зависит от длины волны излучения.

Многие вещества, прозрачные для видимого света, оказываются непрозрачными для инфракрасного излучения (ИК) и наоборот. Пластинки германия и кремния, не прозрачные в видимом диапазоне, прозрачны для ИК излучения (германия для λ > 1,8 мкм, кремния для λ > 1,0 мкм).

Различные характеристики оптического излучения – интенсивность, частоту фазы, поляризованность и др. можно изменять во времени по заданному закону. Модуляцию света можно осуществлять разными способами, например, при помощи использования различного вида механических прерывателей. Наибольший интерес и возможности дает использование физических эффектов – электрооптических, магнитооптических, упругооптических, сопровождающих распространение световых потоков в разных условиях и средах.