МЕТАЛЛООПТИКА

МЕТАЛЛООПТИКА

       

раздел физики, в к-ром изучается вз-ствие металлов с эл.-магн. волнами оптич. диапазона (электродинамич. св-ва металлов). Для металлов характерны: большие коэфф. отражения волн R в широком диапазоне длин волн l, что связано с высокой концентрацией в металле эл-нов проводимости. Взаимодействуя с эл.-магн. волной, падающей на поверхность металла, эл-ны проводимости создают переменные токи, в результате чего большая часть энергии, приобретённой ими от эл.-магн. поля, излучается в виде вторичных волн, к-рые, складываясь, создают отражённую волну. Часть энергии, поглощённая эл-нами, передаётся ионам решётки благодаря вз-ствию их с эл-нами. Токи проводимости экранируют внешнее эл.-магн. поле и приводят к затуханию волны внутри металла (см. СКИН-ЭФФЕКТ).

Эл-ны проводимости могут поглощать сколь угодно малые кванты ћw эл.-магн. энергии (w — частота излучения). Поэтому они вносят вклад в оптич. св-ва металла, к-рый особенно велик в радиочастотной и ИК областях спектра.

Оптич. св-ва металла связаны с его комплексной диэлектрической проницаемостью

e(w)=e'(w)-i(4p/w)s(w) (e'— диэлектрич. проницаемость за вычетом вклада эл-нов проводимости, s — электропроводность металла) или показателем преломления n=n'-ic=?e (c — показатель поглощения). Комплексность n отражает экспоненциальное затухание волны внутри металла. В ИК и оптич. области частот в первом приближении e(w)=e(w)-(wп/w)2, где wп — плазменная частота эл-нов.

ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ МЕТАЛЛОВ

* Соответствует l=0,5893 мкм.

При частотах w?wп в металле возбуждаются п л а з м е н н ы е к о л е б а н и я эл-нов. Они приводят к появлению области прозрачности при w»wп.

В УФ диапазоне R падает, и металлы по своим оптич. св-вам приближаются к диэлектрикам; при ещё больших частотах (рентг. область) оптич. св-ва определяются эл-нами внутр. оболочек атомов, и металлы не отличаются от диэлектриков. Как и в диэлектриках, в металлах наблюдаются полосы поглощения, связанные с резонансным возбуждением переходов между разными энергетич. зонами эл-нов. Эти резонансы приводят к особенностям в e'(w). Благодаря сильному вз-ствию эл-нов полосы поглощения в металле значительно шире, чем в диэлектрике. Обычно у металлов наблюдается неск. полос, расположенных гл. обр. в видимой и ближней УФ, реже в ИК областях спектра.

Волны, отражённые от поверхности металла, поляризованные в плоскости падения и перпендикулярно к ней, имеют разность фаз. Поэтому плоско поляризованный свет после отражения становится эллиптически поляризованным. В отличие от диэлектриков для волн, поляризованных в плоскости падения, всегда R?0.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

МЕТАЛЛООПТИКА

- раздел физики, в к-ром 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 , 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 . В рамках классич. электродинамики оптич. свойства однородных изотропных металлов можно описать с помощью комплексного показателя преломления где h- показатель преломления, к - показатель поглощения, - диэлектрич. проницаемость.

Для анизотропных металлов - тензор. В радио диапазоне свойства металлов характеризуются связанным с п' поверхностным импедансом . 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),

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

Вид зависимостей и . определяется соотношением длины свободного пробега электронов l, длины пробега s электрона за период колебаний поля и величины скин-слоя или соотношением частот падающего излучения , плазменной частоты свободных электронов , частоты электронных столкновений g и величины характеризующей влияние на поглощение эффектов пространств, дисперсии проводимости. Здесь v - фермиевская скорость электрона, е- его заряд, - эффективная масса. Типичные для металлов значения составляют: I= 0,03-0,1 мкм,

При связь между напряжённостью электрич. поля и плотностью наведённого тока проводимости локальна, т. к. либо либо . При этом свет затухает с глубиной экспоненциально (нормальный скин-эффект), а оптич. свойства описываются комплексной диэлектрич. проницаемостью . Входящие в неё показатели преломления и поглощения выражаются через и с помощью дисперсионных ф-л классич. электронной теории металлов (ф-лы Друде - Зинера):

где - высокочастотный предел диэлектрич. проницаемости металла при В ИК-области спектра

При низких частотах область I, рис. 1) выполняются соотношения Хагена - Рубенса:

где - удельное статич. сопротивление металла. Для сплавов эти соотношения справедливы вплоть до средней ИК-области спектра (до длин волн ), пока При этом , 0,3 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.

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

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

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 при (область III, рис. 1) для всех металлов типичен переход от сильного отражения к прозрачности, вследствие изменения характера поляризуемости среды и знака . При отклик металлов на эл.-магн. воздействие связан с возбуждением излучения внутр. электронных оболочек атомов и аналогичен отклику диэлектриков.

В табл. приведены значения величин при комнатной темп-ре для нек-рых металлов в видимой и ИК-области. Оптические характеристики некоторых металлов.

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 R^s монотонно растёт с увеличением угла падения зависимость для р -поляризов. излучения имеет вид кривой с минимумом при . При и значения совпадают. Вследствие отличия R^P от и от при 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 или

Строгая теория здесь основывается на решении кинетич. ур-ния для неравновесной ф-ции 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 частот (сильно аномальный скинэффект) такой механизм поглощения является единственным, и определяемый им коэф. поглощения равен:

при зеркальном отражении электронов на поверхности и при их диффузном рассеянии. Вклад

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

В (7) P- феноменологич. коэф. Фукса зеркального отражения электронов зависящий 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 поверхностям h- среднеквадратичная высота неровностей, L- корреляц. длина. Для большинства реальных поверхностей (диффузное рассеяние электронов). В этих условиях 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.

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 Согласно существующим представлениям, в величину вносят аддитивный вклад процессы электрон-фононного , межэлектронного и электрон-примесного () рассеяния. При низких темп-pax (- 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

где - частота электрон-фононных столкновений при дебаевской темп-ре. Напр., при К на l = 10 мкм -для меди и (р = 1); 4,7*10^-3 ( р =0) - для серебра. При высоких темп-pax осн. вклад в и А вносят электрон-фононные столкновения, частота к-рых линейно растёт с T. Вследствие этого в том же частотном диапазоне

где - не зависящая от T компонента поглощения, - термооптич. коэф.

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 (с) перераспределяется между др. электронами в результате межэлектронных соударений, и возрастает темп-pa электронного газа . Далее эта энергия передаётся решётке за времена 10^-10 с, что приводит к росту решёточной темп-ры (T_i). Через время обе темп-ры выравниваются . Нагрев внутр. слоев осуществляется за счёт электронной теплопроводности. T. к. коэф. поглощения металлов увеличивается с нагревом , 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 излучения может значительно превышать а поглощение отличаться от равновесного. Помимо непосредств. роста темп-ры, 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.

Лит.: Соколов А. В., Оптические свойства металлов M., 1961; Гуров К. П., Основания кинетической теории, M. 1966; Б о r н M., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ. 2 изд., M., 1973; Действие излучения большой мощности на ме таллы, M., 1970; Лифшиц E. M., Питаевский Л. П. Физическая кинетика, M., 1979. M. H. Либенсон

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.