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, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 01.10.2019 - 05:20: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вячеслава Осиевского - Карим_Хайдаров.
30.09.2019 - 12:51: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Дэйвида Дюка - Карим_Хайдаров.
30.09.2019 - 11:53: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Владимира Васильевича Квачкова - Карим_Хайдаров.
29.09.2019 - 19:30: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
29.09.2019 - 09:21: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС МИРОВОЙ ФИНАНСОВОЙ СИСТЕМЫ - Карим_Хайдаров.
29.09.2019 - 07:41: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Михаила Делягина - Карим_Хайдаров.
26.09.2019 - 17:35: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Пешехонова - Карим_Хайдаров.
26.09.2019 - 16:35: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
26.09.2019 - 08:33: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от О.Н. Четвериковой - Карим_Хайдаров.
26.09.2019 - 06:29: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Ю.Ю. Болдырева - Карим_Хайдаров.
24.09.2019 - 03:34: ТЕОРЕТИЗИРОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ - Theorizing and Mathematical Design -> ФУТУРОЛОГИЯ - прогнозы на будущее - Карим_Хайдаров.
24.09.2019 - 03:32: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> "Зенит"ы с "Протон"ами будут падать - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution