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 w_п, где w_п — плазменная частота валентных электронов, в металле возбуждаются плазменные колебания электронов. Они приводят к появлению области прозрачности при w » w_п.

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:
n_эф — ik_эф = 4p/(cZ).
При l < d величины n и k в формулах заменяются на n_эф и k_эф.

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