Большая Советская энциклопедия - металлооптика

раздел оптики (См. Оптика), в котором изучается взаимодействие металлов с электромагнитными волнами. Основные оптические особенности металлов: большой коэффициент отражения R (например, у щелочных металлов R Металлооптика 99%) в широком диапазоне длин волн и большой коэффициент поглощения (электромагнитная волна внутри металла затухает, пройдя слой толщиной δ Металлооптика 0,1÷1․10^-5 см, см. Скин-эффект). Эти особенности связаны с высокой концентрацией в металле электронов проводимости (См. Электрон проводимости) (см. Металлы).

Взаимодействуя с электромагнитной волной, падающей на поверхность металла. электроны проводимости одновременно взаимодействуют с колеблющимися ионами решётки. Основная часть энергии, приобретённой ими от электромагнитного поля, излучается в виде вторичных волн, которые, складываясь, создают отражённую волну. Часть энергии, передаваемая решётке, приводит к затуханию волны внутри металла. Электроны проводимости могут поглощать сколь угодно малые кванты электромагнитной энергии ћω (ћ — Планка постоянная, ω — частота излучения). Поэтому они дают вклад в оптические свойства металла при всех частотах. Особенно велик их вклад в радиочастотной и инфракрасной областях спектра. По мере увеличения ω вклад электронов проводимости в оптические свойства металлов уменьшается, уменьшается и различие между металлами и диэлектриками (См. Диэлектрики).

Остальные валентные электроны влияют на оптические свойства металла только когда они участвуют во внутреннем Фотоэффекте, что происходит при ћω ≥ ΔE (ΔE — энергетическая щель между основным и возбуждённым состояниями электронов). Возбуждение электронов приводит к аномальной дисперсии волн и к полосе поглощения с максимумом вблизи частоты резонансного поглощения. Благодаря сильному электрон-электронному и электрон-ионному взаимодействию полосы поглощения в металле значительно шире, чем в диэлектрике. Обычно у металлов наблюдается несколько полос, расположенных главным образом в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра. Однако для ряда поливалентных металлов наблюдаются полосы и в инфракрасной области спектра. При частотах ω ≥ ωп, где ωп — плазменная частота валентных электронов, в металле возбуждаются плазменные колебания электронов. Они приводят к появлению области прозрачности при ω ≈ ωп.

В ультрафиолетовой области коэффициент отражения R падает и металлы по своим свойствам приближаются к диэлектрикам. При ещё больших частотах (рентгеновская область) оптические свойства определяются электронами внутренних оболочек атомов и металлы по оптическим свойствам не отличаются от диэлектриков.

Оптические свойства металлов описываются комплексной диэлектрической проницаемостью (См. Диэлектрическая проницаемость):

где ε' — вещественная диэлектрическая проницаемость, σ — проводимость металла, или комплексным показателем преломления:

(κ — показатель поглощения). Комплексность показателя преломления выражает экспоненциальное затухание волны внутри металла. При падении плоской волны на поверхность металла под углом φ ≠ 0 волна внутри металла будет неоднородной. Плоскость равных амплитуд параллельна поверхности металла, плоскость равных фаз наклонена к ней под углом, величина которого зависит от φ. Волны, отражённые от поверхности металла, поляризованные в плоскости падения и перпендикулярно к ней, имеют разность фаз. Благодаря этому плоскополяризованный свет после отражения становится эллиптически-поляризованным. Коэффициент отражения R волн, поляризованных в плоскости падения, у металлов, в отличие от диэлектриков, всегда ≠ 0, и лишь имеет минимум при определённом φ.

Для чистых металлов при низкой температуре в длинноволновой области спектра длина свободного пробега электронов l становится > δ. При этом затухание волны перестаёт быть экспоненциальным, хотя и остаётся очень сильным (аномальный скин-эффект). В этом случае комплексный показатель преломления теряет смысл и связь между падающей и преломленной волной становится более сложной. Однако свойства отражённого света при любом соотношении между l и δ полностью определяются поверхностным импедансом Z, с которым связывают эффективные комплексные показатели поглощения и преломления:

nэф — iκэф = 4π/(cZ).

При l < δ величины n и κ в формулах заменяются на nэф и κэф.

Для измерения n и κ массивного металлического образца исследуют свет, отражённый от его поверхности, либо поляризационными методами (измеряются характеристики эллиптической поляризации отражённого света), либо методами, основанными на измерении R (в широком спектральном диапазоне) при нормальном падении его на поверхность металла. Эти методы позволяют измерить оптические характеристики в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях с ошибкой Металлооптика0,5—2%. Для измерения тонкой структуры полос поглощения используются методы, основанные на модуляции свойств металла, приводящей к модуляции интенсивности отражённого света, которая и измеряется (термоотражение, пьезоотражение и т.п.). Указанные методы позволяют с большой точностью определить изменения R при изменении температуры, при деформации и т.п. (см. табл.), а также исследовать тонкую структуру полос поглощения. Особое внимание уделяется приготовлению поверхности исследуемых образцов. Поверхности нужного качества получаются электрополировкой или испарением металла в вакууме с последующим осаждением его на полированные подложки. Оптические характеристики некоторых металлов

--------------------------------------------------------------------------------------

| | λ = 0,5 мкм | λ = 5,0 мкм |

| |------------------------------------------------------------------------|

| | n | κ | R % | n | κ. | R %  |

|------------------------------------------------------------------------------------|

| Na* | 0,05  | 2,61  | 99,8 | —  | —  | -—  |

|------------------------------------------------------------------------------------|

| Cu | 1,06  | 2,70  | 63,2 | 3,1 | 32,8  | 98,9  |

| Ag | 0,11  | 2,94  | 95,5 | 2,4 | 34,0  | 99,2  |

| Au | 0,50  | 2,04  | 68,8 | 3,3 | 35,2  | 98,95 |

|------------------------------------------------------------------------------------|

| Zn | —  | —  | — | 3,8 | 26,2  | 97,9  |

|------------------------------------------------------------------------------------|

| Al | 0,50  | 4,59  | 91,4 | 6,7 | 37,6  | 98,2  |

| In  | —  | —  | — | 9,8 | 32,2  | 96,6  |

|------------------------------------------------------------------------------------|

| Sn | 0,78  | 3,58  | 80,5 | 8,5 | 28,5  | 96,2  |

| Pb | 1,70  | 3,30  | 62,6 | 9,0 | 24,8  | 95,0  |

|------------------------------------------------------------------------------------|

| Ti | 2,10  | 2,82  | 52,2 | 3,4 | 9,4 | 87,4  |

|------------------------------------------------------------------------------------|

| Nb | 2,13  | 3,07  | 56,0 | 8,0 | 27,7  | 96,2  |

| V | 2,65  | 3,33  | 56,6 | 6,6 | 17,5  | 92,7  |

|------------------------------------------------------------------------------------|

| Mo  | 3,15  | 3,73  | 59,5 | 4,25  | 23,9  | 97,2  |

| W | 3,31  | 2,96  | 51,6 | 3,48  | 21,2  | 97,0  |

|------------------------------------------------------------------------------------|

| Fe | 1,46  | 3,17  | 63,7 | 4,2 | 12,5  | 90,8  |

| Co | 1,56  | 3,43  | 65,9 | 4,3 | 14,6  | 92,9  |

| Ni | 1,54  | 3,10  | 61,6 | 4,95  | 18,5  | 94,8  |

|------------------------------------------------------------------------------------|

| Pt | 1,76  | 3,59  | 65,7 | 7,6 | 20,2  | 93,7  |

-------------------------------------------------------------------------------------* Оптические характеристики относятся к λ = 0,5893 мкм. М. позволяет по оптическим характеристикам, измеренным в широком спектральном диапазоне, определить основные характеристики электронов проводимости и электронов, участвующих во внутреннем фотоэффекте. М. имеет также и прикладное значение. Металлические зеркала (См. Зеркало) применяются в различных приборах, при конструировании которых необходимо знание R, n и κ в различных областях спектра. Измерение n и κ позволяет также установить наличие на поверхности металла тонких плёнок (например, плёнки окиси) и определить их оптические характеристики.

Лит.: Соколов А. В., Оптические свойства металлов, М., 1961; Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., М., 1970; Гинзбург В. Л., Мотулевич Г. П., Оптические свойства металлов, «Успехи физических наук», 1955, т. 55, в. 4, с. 489; Мотулевич Г. П., Оптические свойства поливалентных непереходных металлов, там же, 1969, т. 97, в. 2, с. 211; Кринчик Г. С., Динамические эффекты электрои пьезоотражения света кристаллами, там же, 1968, т. 94, в. 1, с. 143; Головашкин А. И., Металлооптика, в кн.: Физический энциклопедический словарь, т. 3, М., 1963.

Г. П. Мотулевич

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия

1969—1978