к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Металлооптика

Металлооптика - раздел физики, в котором изучаются оптич. и эл--динамич. свойства металлов и взаимодействие с ними оптич. излучения.

В ИК- и видимой области оптич. диапазона металлы отражают падающее излучение (металлич. блеск). Это объясняется преимущественным рассеянием света при его взаимодействии со свободными электронами, концентрация к-рых N достигает в металлах ~1022- 1023 см-3. Электроны излучают в процессе рассеяния вторичные волны, к-рые при сложении формируют сильную отражённую волну. Поглощение квантов света непосредственно электронами проводимости возможно только при их одновременных (относительно редких) столкновениях с фононами, примесями, друг с другом, поверхностью металла, границами зёрен и кристаллитов. Столкновения и формирование из рассеянного света отражённой волны происходят в тонком приповерхностном слое (скин-слое толщиной 3021-24.jpg, в к-ром затухает проникающее в металл излучение.

Роль свободных электронов во взаимодействии эл--магн. излучения с металлами является определяющей в широком диапазоне частот (от радиодиапазона до ближнего ИК-диапазона).

В результате такого влияния оптич. и электрич. свойства металлов взаимосвязаны: чем больше статич. проводимость металла, тем сильнее он отражает свет. Отклонения возникают при низких темп-pax и на высоких частотах (видимая область спектра), когда важную роль играют квантовые эффекты, связанные с электронным рассеянием, межзонпыми переходами и др. В УФ- и более КВ-диапазонах с излучением взаимодействуют электроны внутр. оболочек атомов, и, напр., в рентг. области спектра металлы уже не отличаются от диэлектриков по оптич. свойствам.

Оптич. свойства металлов непосредственно связаны с величиной их проводимости s(w), зависящей от частоты 3021-25.jpg. В рамках классич. электродинамики оптич. свойства однородных изотропных металлов можно описать с помощью комплексного показателя преломления 3021-26.jpg где h - показатель преломления, к - показатель поглощения, 3021-27.jpg - диэлектрич. проницаемость.

Для анизотропных металлов3021-28.jpg- тензор. В радио диапазоне свойства металлов характеризуются связанным с п' поверхностным импедансом 3021-29.jpg. Оптич. постоянные h и к зависят от частоты. При таком рассмотрении формализм M. и оптики прозрачных сред совпадает (то же волновое ур-ние, ф-лы Френеля и т. п.). При этом постоянная распространения света в металле является также комплексной величиной, как e и n', что означает затухание эл--магн. волны. Глубина, на к-рой величина эл--магн. поля уменьшается в е раз (глубина скин-слоя),3021-30.jpg

Осн. представления теоретич. M. и объяснение спектральных зависимостей коэф. отражения 3021-31.jpg и поглощения 3021-32.jpg базируются на теории твёрдого тела и скин-эффекта в металле.

Вид зависимостей 3021-33.jpg и 3021-34.jpg определяется соотношением длины свободного пробега электронов l, длины пробега s электрона за период колебаний поля и величины скин-слоя 3021-35.jpg или соотношением частот падающего излучения3021-36.jpg, плазменной частоты свободных электронов 3021-37.jpg, частоты электронных столкновений g и величины3021-38.jpgхарактеризующей влияние на поглощение эффектов пространств, дисперсии проводимости. Здесь v - фермиевская скорость электрона, е - его заряд, 3021-39.jpg- эффективная масса. Типичные для металлов значения составляют: I= 0,03-0,1 мкм, 3021-41.jpg3021-40.jpg

При 3021-42.jpgсвязь между напряжённостью электрич. поля и плотностью наведённого тока проводимости локальна, т. к. либо3021-43.jpg либо 3021-44.jpg. При этом свет затухает с глубиной экспоненциально (нормальный скин-эффект), а оптич. свойства описываются комплексной диэлектрич. проницаемостью 3021-45.jpg . Входящие в неё показатели преломления 3021-46.jpg и поглощения3021-47.jpgвыражаются через3021-48.jpg и 3021-49.jpg с помощью дисперсионных ф-л классич. электронной теории металлов (ф-лы Друде - Зинера):

3021-50.jpg

где3021-51.jpg- высокочастотный предел диэлектрич. проницаемости металла при3021-52.jpg В ИК-области спектра3021-53.jpg

3021-54.jpg

При низких частотах3021-55.jpg область I, рис. 1) выполняются соотношения Хагена - Рубенса:

3021-56.jpg

где3021-57.jpg- удельное статич. сопротивление металла. Для сплавов эти соотношения справедливы вплоть до средней ИК-области спектра (до длин волн 3021-58.jpg ), пока 3021-59.jpg При этом 3021-60.jpg 3021-61.jpg , 3021-62.jpg0,3 мкм.

Рис. 1. Спектральные зависимости оптических характеристик металла n, c, d, А по теории нормального скин-эффекта: I - область соотношений Хагена - Рубенса; II- область релаксации (средний и ближний ИК-диапазон); III- область прозрачности (УФ-диа-пазои). По оси абсцисс - логарифмический масштаб частоты.


3021-63.jpg


В ВЧ-области 3021-64.jpg охватывающей для хорошо отражающих металлов ближний и средний ИК-диапазон (3021-65.jpg), оптич. характеристики определяются преим. недиссипативным затуханием света в электронной плазме металла (область II, рис. 1). Из (2) следует, что


3021-66.jpg

Глубина скин-слоя здесь составляет ~ 0,02-0,05 мкм, а коэф. поглощения не зависит от частоты и определяется эффективностью столкновений электронов (A =V 3022-1.jpg . Скин-эффект близок к нормальному, т. к. 3022-2.jpg.

В видимой области спектра, наряду с внутризонным поглощением света свободными электронами, на оптич. характеристики ряда металлов влияет межзонное поглощение, не описываемое теорией Друде - Зинера. Коэф. поглощения при этом возрастает до 0,2-0,5. В УФ-области при3022-3.jpg(область III, рис. 1) для всех металлов типичен переход от сильного отражения к прозрачности, вследствие изменения характера поляризуемости среды и знака3022-4.jpg. При3022-5.jpgотклик металлов на эл--магн. воздействие связан с возбуждением излучения внутр. электронных оболочек атомов и аналогичен отклику диэлектриков.

В табл. приведены значения величин3022-6.jpgпри комнатной температуре для нек-рых металлов в видимой и ИК-области. Оптические характеристики некоторых металлов.

3022-7.jpg

Для наклонно падающего света коэф. отражения и поглощения, а также фазовые сдвиги f при отражении зависят от состояния поляризации света. Для s-поля-ризов. излучения величина коэф. отражения Rs монотонно растёт с увеличением угла падения 3022-8.jpg зависимость3022-9.jpgдля р-поляризов. излучения имеет вид кривой с минимумом при 3022-10.jpg. При 3022-11.jpg и 3022-12.jpg значения3022-13.jpgсовпадают. Вследствие отличия RP от3022-14.jpg и 3022-15.jpg от 3022-16.jpgпри отражении от металла наклонно падающей линейно поляризов. волны она становится эллиптически поляризованной. Это используется для определения оптич. параметров n и c (см. Френеля формулы).

Особенности в оптич. поглощении появляются при аномальном скин-эффекте, когда 3022-17.jpg или 3022-18.jpg

3022-19.jpg Строгая теория здесь основывается на решении кинетич. ур-ния для неравновесной функции распределения электронов по энергиям в поле световой волны. Из теории следует, что существует особое, поверхностное поглощение, к-рое зависит от типа рассеяния свободных электронов на поверхности металла и возникает вследствие пространств, дисперсии проводимости. В области частот3022-20.jpg(сильно аномальный скинэффект) такой механизм поглощения является единственным, и определяемый им коэф. поглощения равен:

3022-21.jpg

при зеркальном отражении электронов на поверхности и 3022-22.jpgпри их диффузном рассеянии. Вклад

механизма существен и на более высоких частотах 3022-23.jpg область слабо аномального скин-эффекта), когда обусловленное им дополнительное [по отношению к (5)] поверхностное поглощение равно:

3022-24.jpg

В (7) P - феноменологич. коэф. Фукса зеркального отражения электронов3022-25.jpgзависящий от микрогеометрии поверхности. Хотя влияние шероховатой поверхности на рассеяние электронов, строго говоря, не описывается одним параметром р, его удобно использовать как подгоночный. При этом чисто зеркальное отражение (р = 1) свойственно локально гладким поверхностям3022-26.jpg h - среднеквадратичная высота неровностей, L - корреляц. длина. Для большинства реальных поверхностей 3022-27.jpg (диффузное рассеяние электронов). В этих условиях3022-28.jpg3022-29.jpg Аномальный скин-эффект наиб, заметно влияет на ИК-поглощение благородных металлов (рис. 2).


Рис. 2. Зависимости коэффициента поглощения серебра от длины волны при комнатной температуре: 1,3 - расчёт по теории аномального скин-эффекта при р = 0 и р = 1 соответственно; 2 - эксперимент.


3022-30.jpg


В видимой области спектра существует дополнит, поглощение, связанное с возбуждением на шероховатостях локализов. и бегущих поверхностных эл--магн. мод (см. Поверхностные оптические волны), к-рые диссипативно затухают при распространении вдоль поверхности металла.


Оптич. характеристики металла изменяются при нагревании вследствие температурной зависимости частоты электронных столкновений 3022-31.jpg Согласно существующим представлениям, в величину3022-32.jpgвносят аддитивный вклад процессы электрон-фононного 3022-33.jpg, межэлектронного3022-34.jpg и электрон-примесного (3022-35.jpg) рассеяния. При низких темп-pax (3022-36.jpg- дебаевская темп-pa) коэф. поглощения минимален и определяется электронным рассеянием на поверхности и примесях, а также квантовыми эффектами в электрон-фононном взаимодействии. В среднем и ближнем ИК-диапазоне


3022-37.jpg


где3022-38.jpg- частота электрон-фононных столкновений при дебаевской температуре. Напр., при 3022-39.jpg К на l = 10 мкм3022-40.jpg-для меди и 3022-41.jpg(р = 1); 4,7*10-3 (р = 0) - для серебра. При высоких темп-pax 3022-42.jpg осн. вклад в 3022-43.jpg и А вносят электрон-фононные столкновения, частота к-рых линейно растёт с T. Вследствие этого в том же частотном диапазоне


3022-44.jpg


где3022-45.jpg- не зависящая от T компонента поглощения, 3022-46.jpg- термооптич. коэф.3022-47.jpg

С появлением лазеров сформировался новый раздел физ. M., в к-ром изучается взаимодействие с металлами интенсивного лазерного излучения. В теории лазерного воздействия развиты осн. представления физ. M. о механизмах поглощения света и передачи поглощённой энергии. При поглощении квантов возрастает кинетич. энергия отд. электронов, к-рая за короткое время (3022-48.jpgс) перераспределяется между др. электронами в результате межэлектронных соударений, и возрастает темп-pa электронного газа 3022-49.jpg. Далее эта энергия передаётся решётке за времена 3022-50.jpg10-10 с, что приводит к росту решёточной температуры (Ti). Через время 3022-51.jpgобе температуры выравниваются 3022-52.jpg . Нагрев внутр. слоев осуществляется за счёт электронной теплопроводности. T. к. коэф. поглощения металлов увеличивается с нагревом 3022-53.jpg , то это ведёт к постепенному ускорению темпа разогрева металла лазерным излучением пост, плотности, вплоть до перехода к тепловой неустойчивости. При высоких интенсивностях и коротких воздействиях лазерного излучения3022-54.jpgможет значительно превышать 3022-55.jpg а поглощение отличаться от равновесного. Помимо непосредств. роста температуры, к изменению коэф. поглощения А при лазерном нагреве на воздухе приводит окисление поверхности металла, сопровождающееся образованием поглощающих и интерференционных окисных плёнок, а также диффузией кислорода в скин-слой металла. Эти механизмы существенны при воздействии непрерывного интенсивного излучения. К росту А ведёт также образование на поверхности периодич. рельефа при нагреве металла в интерференц. поле падающего излучения и возбуждаемых им поверхностных эл--магн. волн. Лазерное воздействие меняет также индикатрису отражения первоначально зеркальной металлич. поверхности в результате появления заметного диффузного рассеяния света.

Отд. область M. составляют магнитооптич. явления в ферромагнетиках, заключающиеся во влиянии намагниченности на состояние поляризации при отражении света от металла или прохождении его через тонкие плёнки (см. Керра эффект магнитооптический) и объясняемые в рамках квантовой теории взаимодействия внеш. и внутр. электронов ферромагнетика и влияния спин-орбитального взаимодействия на поглощение света.

В связи с развитием техн. оптики термин "М." приобрёл ещё один смысл. Под M. понимаются также оп-тич. элементы и системы (в первую очередь зеркала), выполненные из металлов. Они используются в оптич. приборах разл. назначения (микроскопах, телескопах) в качестве экранов, отражателей и др. Широкое распространение получила M. в криовакуумных системах, и в особенности в лазерной технике, где используются металлич. зеркала в резонаторах С02-лазеров. Методами алмазного точения удаётся получать гладкие металлич. поверхности с коэф. отражения 98-99%, обладающие малым рассеянием

Литература по металлооптике

  1. Соколов А. В., Оптические свойства металлов M., 1961;
  2. Гуров К. П., Основания кинетической теории, M. 1966;
  3. Борн M., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ. 2 изд., M., 1973;
  4. Действие излучения большой мощности на ме таллы, M., 1970;
  5. Лифшиц E. M., Питаевский Л. П. Физическая кинетика, M., 1979.

M. H. Либенсон

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

(время поиска примерно 20 секунд)


Знаете ли Вы, что, как и всякая идолопоклонническая религия, релятивизм представляет собой инструмент идеологического подчинения одних людей другим с помощью абсолютно бессовестной манипуляции их психикой для достижения интересов определенных групп людей, стоящих у руля этой воровской машины? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Форум Рыцари теории эфира


Рыцари теории эфира
 04.08.2020 - 18:46: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров.
04.08.2020 - 18:45: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> Момент истины от Андрея Караулова - Карим_Хайдаров.
04.08.2020 - 18:43: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС МИРОВОЙ ФИНАНСОВОЙ СИСТЕМЫ - Карим_Хайдаров.
04.08.2020 - 18:41: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от проф. В.Ю. Катасонова - Карим_Хайдаров.
04.08.2020 - 12:20: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров.
04.08.2020 - 09:14: ПЕРСОНАЛИИ - Personalias -> WHO IS WHO - КТО ЕСТЬ КТО - Карим_Хайдаров.
04.08.2020 - 09:13: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Константина Сёмина - Карим_Хайдаров.
04.08.2020 - 09:09: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
04.08.2020 - 08:13: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Владимира Николаевича Боглаева - Карим_Хайдаров.
04.08.2020 - 05:33: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
04.08.2020 - 05:33: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> КОМПЬЮТЕРНО-СЕТЕВАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
03.08.2020 - 10:05: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Галины Царёвой - Карим_Хайдаров.

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution