Металооптика, розділ оптики, в якому вивчається взаємодія металів з електромагнітними хвилями. Основні оптичні особливості металів: великий коефіцієнт віддзеркалення R (наприклад, в лужних металів R ~ 99%) в широкому діапазоні довжин хвиль і великий коефіцієнт поглинання (електромагнітна хвиля усередині металу затухає, пройдя шар товщиною d ~ 0,1¸1×10 -5 см, див. Ськин-ефект ) . Ці особливості пов'язані з високою концентрацією в металі електронів провідності (див. Метали ) .
Взаємодіючи з електромагнітною хвилею, падаючою на поверхню металу. електрони провідності одночасно взаємодіють з іонами грат, що коливаються. Основна частина енергії, придбаної ними від електромагнітного поля, випромінюється у вигляді вторинних хвиль, які, складаючись, створюють відбиту хвилю. Частина енергії, передавана гратам, приводить до загасання хвилі усередині металу. Електрони провідності можуть поглинати скільки завгодно малі кванти електромагнітної енергії ћw (ћ — Планка постійна, w — частота випромінювання). Тому вони дають вклад в оптичні властивості металу при всіх частотах. Особливо великий їх вклад в радіочастотній і інфрачервоній областях спектру. У міру збільшення w вклад електронів провідності в оптичні властивості металів зменшується, зменшується і відмінність між металами і діелектриками .
Останні валентні електрони впливають на оптичні властивості металу лише коли вони беруть участь у внутрішньому фотоефекті, що відбувається при ћw ³ DE (DE — енергетична щілина між основним і збудженим станами електронів). Збудження електронів приводить до аномальної дисперсії хвиль і до смуги поглинання з максимумом поблизу частоти резонансного поглинання. Завдяки сильному електронному для електрона і іонній для електрона взаємодії смуги поглинання в металі значно ширше, ніж в діелектриці. Зазвичай в металів спостерігається декілька смуг, розташованих головним чином у видимій і ближній ультрафіолетовій областях спектру. Проте для ряду полівалентних металів спостерігаються смуги і в інфрачервоної області спектру. При частотах w ³ w п , де w п — плазмова частота валентних електронів, в металі збуджуються плазмові коливання електронів. Вони приводять до появи області прозорості при w » w п .
В ультрафіолетової області коефіцієнт віддзеркалення R падає і метали по своїх властивостях наближаються до діелектриків. При ще більших частотах (рентгенівська область) оптичні властивості визначаються електронами внутрішніх оболонок атомів і метали по оптичних властивостях не відрізняються від діелектриків.
де e'' — речова діелектрична проникність, s — провідність металу, або комплексним показником заломлення:
(до — показник поглинання). Комплексність показника заломлення виражає експоненціальне загасання хвилі усередині металу. При падінні плоскої хвилі на поверхню металу під кутом j ¹ 0 хвиля усередині металу буде неоднорідною. Плоскість рівних амплітуд паралельна поверхні металу, плоскість рівних фаз нахилена до неї під кутом, величина якого залежить від j. Хвилі, відбиті від поверхні металу, поляризовані в плоскості падіння і перпендикулярно до неї, мають різницю фаз. Завдяки цьому плоскополяризоване світло після віддзеркалення стає еліптично-поляризованим. Коефіцієнт віддзеркалення R хвиль, поляризованих в плоскості падіння, в металів, на відміну від діелектриків, завжди ¹ 0, і лише має мінімум при певному j.
Для чистих металів при низькій температурі в довгохвильової області спектру довжина вільного пробігу електронів l стає > d. При цьому загасання хвилі перестає бути експоненціальним, хоча і залишається дуже сильним (аномальний скін-ефект). В цьому випадку комплексний показник заломлення втрачає сенс і зв'язок між падаючою і заломленою хвилею стає складнішою. Проте властивості відбитого світла при будь-якому співвідношенні між l і d повністю визначаються поверхневим імпедансом Z , з яким зв'язують ефективні комплексні показники поглинання і заломлення:
n еф — i k еф = 4p/( cz ).
При l < d величини n і до у формулах замінюються на n еф і k еф .
Для виміру n і до масивного металевого зразка досліджують світло, відбите від його поверхні, або поляризаційними методами (вимірюються характеристики еліптичної поляризації відбитого світла), або методами, заснованими на вимірі R (у широкому спектральному діапазоні) при нормальному падінні його на поверхню металу. Ці методи дозволяють виміряти оптичні характеристики в інфрачервоній, видимій і ультрафіолетовій областях з помилкою ~0,5—2%. Для виміру тонкої структури смуг поглинання використовуються методи, засновані на модуляції властивостей металу, інтенсивності відбитого світла, що приводить до модуляції, яка і вимірюється (термоотраженіє пьезоотраженіє і т.п.). Вказані методи дозволяють з великою точністю визначити зміни R при зміні температури, при деформації і т.п. (див. таблиці.), а також досліджувати тонку структуру смуг поглинання. Особлива увага приділяється приготуванню поверхні досліджуваних зразків. Поверхні потрібної якості виходять електрополіруванням або випаром металу у вакуумі з подальшим осадженням його на поліровані підкладки.
Оптичні характеристики деяких металів
l = 0,5 мкм
l = 5,0 мкм
n
до
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
Мо
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
* Оптичні характеристики відносяться до l = 0,5893 мкм.
М. дозволяє по оптичних характеристиках, виміряних в широкому спектральному діапазоні, визначити основні характеристики електронів провідності і електронів, що беруть участь у внутрішньому фотоефекті. М. має також і прикладне значення. Металеві дзеркала застосовуються в різних приладах, при конструюванні яких необхідне знання R , n і до в різних областях спектру. Вимір n і до дозволяє також встановити наявність на поверхні металу тонких плівок (наприклад, плівки окислу) і визначити їх оптичні характеристики.
Літ.: Соколів А. Ст, Оптичні властивості металів, М., 1961; Борн М., Вольф Е., Основи оптики, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1970; Гинзбург Ст Л., Мотульовіч Р. П., Оптичні властивості металів, «Успіхи фізичних наук», 1955, т. 55, ст 4, с. 489; Мотульовіч Р. П., Оптичні властивості полівалентних неперехідних металів, там же, 1969, т. 97, ст 2, с. 211; Крінчик Р. С., Динамічні ефекти електро- і пьезоотраженія світла кристалами, там же, 1968, т. 94, ст 1, с. 143; Головашкин А. І., Металооптика, в кн.: Фізичний енциклопедичний словник, т. 3, М., 1963.
