Оптические характеристики металлов, диэлектриков и полупроводников

Взаимодействие оптического излучения с твердым телом описывается тремя процессами: отражением, поглощением и пропусканием света. Если обозначить I ₀ как интенсивность падающего света, I_T, I_A, I_R как интенсивность прошедшего, поглощенного и отраженного света, то можно записать

I₀=I_T+I_A+I_R

При этом коэффициенты пропускания T, поглощения А и отражения R в сумме равняются единице:

T+A+R=1

Металлы являются непрозрачными в видимом диапазоне света. Это обусловлено тем, что при взаимодействии с квантом света электроны в зоне проводимости всегда могут перейти в возбужденное состояние, поскольку все состояния выше уровня Ферми свободны. Вследствие высокой концентрации свободных электронов поглощение света в металлах проходит в тонком приповерхностном слое, составляющем доли микрона. Поэтому только тонкие металлические пленки толщиной сотни ангстрем будут полупрозрачны в видимом диапазоне. Что касается высокоэнергетического рентгеновского диапазона, то в этом диапазоне металлы более прозрачны для электромагнитного излучения по сравнению с оптическим диапазоном.

Оптические свойства неметаллов – полупроводников и диэлектриков - характеризуются сложными зависимостями. Коэффициент преломления n определяется отношением скорости света в вакууме с к скорости света v в среде. Величина скорости света, в свою очередь, определяется диэлектрической проницаемостью ε и магнитной восприимчивостью μ. Поэтому коэффициент преломления n будет равен

.

Коэффициент поглощения А определяется структурой энергетических зон (гиперссылка 6.1) и наличием примесей.

Коэффициент пропускания T для неметаллических сред будет определяться коэффициентом отражения и коэффициентом поглощения. Для видимого диапазона коэффициент отражения слабо зависит от длины волны, и спектральная зависимость коэффициента пропускания в основном определяется коэффициентом поглощения (гиперссылка 6.2).

Рассмотрим такую оптическую характеристику, связанную с поглощением, как цвет. Прозрачные материалы представляются окрашенными вследствие селективного поглощения в видимом диапазоне оптического излучения, и цвет появляется как результат комбинации тех длин волн, которые прошли через этот материал (гиперссылка 6.3).