Металлооптика

Определение "Металлооптика" в Большой Советской Энциклопедии


Металлооптика, 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 решётки. Основная часть энергии, приобретённой ими от электромагнитного поля, излучается в виде вторичных волн, которые, складываясь, создают отражённую волну. Часть энергии, передаваемая решётке, 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 возбуждённым 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 ещё больших частотах (рентгеновская область) оптические свойства определяются электронами внутренних оболочек атомов 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, отражённые 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 определённом j.


Для чистых металлов при низкой температуре в длинноволновой области спектра длина свободного пробега электронов l становится > d. При этом затухание волны перестаёт быть экспоненциальным, хотя и остаётся 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 отражённого света при любом соотношении между l и d полностью определяются поверхностным импедансом Z, с которым связывают эффективные комплексные показатели поглощения и преломления:
nэфikэф = 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, отражённый от его поверхности, либо поляризационными методами (измеряются характеристики эллиптической поляризации отражённого 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 отражённого 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 %

Na*

0,05

2,61

99,8





-

Cu
Ag


Au


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


Zn







3,8

26,2

97,9

Al


In


0,50


4,59




91,4


6,7


9,8


37,6
32,2

98,2


96,6


Sn


Pb


0,78


1,70


3,58


3,30


80,5


62,6


8,5


9,0


28,5
24,8

96,2


95,0


Ti

2,10

2,82

52,2

3,4

9,4

87,4

Nb


V


2,13


2,65


3,07


3,33


56,0


56,6


8,0


6,6


27,7
17,5

96,2


92,7


Mo


W


3,15


3,31


3,73


2,96


59,5


51,6


4,25


3,48


23,9
21,2

97,2


97,0


Fe
Co


Ni


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


Pt

1,76

3,59

65,7

7,6

20,2

93,7

  * Оптические характеристики относятся к l = 0,5893 мкм.


Металлооптика позволяет по оптическим характеристикам, измеренным в широком спектральном диапазоне, определить основные характеристики электронов проводимости и электронов, участвующих во внутреннем фотоэффекте. Металлооптика 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 плёнок (например, плёнки окиси) и определить их оптические характеристики.
 


Лит.: Соколов А. В., Оптические свойства металлов, Металлооптика, 1961; Борн Металлооптика, Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., Металлооптика, 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 кристаллами, там же, 1968, т. 94, в. 1, с. 143; Головашкин А. И., Металлооптика, в кн.: Физический энциклопедический словарь, т. 3, Металлооптика, 1963.
  Г. П. Мотулевич




"БСЭ" >> "М" >> "МЕ" >> "МЕТ" >> "МЕТА"

Статья про "Металлооптика" в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 241 раз
Пицца в сковороде
Кукурузный крем суп со скатом

TOP 20