Металооптика
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Металооптика

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 ) .

загрузка...

  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.

  Оптичні властивості металів описуються комплексною діелектричною проникністю :

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.

  Г. П. Мотульовіч