Оптические свойства материалов

Зависящая от частоты диэлектрическая проницаемость материала определяет его показатель преломления, поглощение и отражение в пределах всего спектра.

Definition

Оптические свойства материала определяются его комплексной, зависящей от частоты диэлектрической проницаемостью, действительная и мнимая части которой дают показатель преломления и поглощение; они возникают из резонансного отклика и отклика свободных носителей заряда и ограничены причинностью посредством соотношений Крамерса-Кронига.

Scope

Эта тема охватывает частотно-зависимый электромагнитный отклик материалов: комплексную диэлектрическую функцию и показатель преломления, модель Лоренца для осциллятора и модель Друде для дисперсии, полосы поглощения и окна прозрачности, соотношения Крамерса-Кронига, связывающие поглощение и дисперсию, а также оптическое поведение металлов, диэлектриков и плазмы. Объясняется, почему материалы отражают, пропускают или поглощают определенные частоты.

Core questions

• Почему отклик материала на поля зависит от частоты?
• Как поглощение и показатель преломления связаны с диэлектрической функцией?
• Почему металлы отражают, а диэлектрики прозрачны в разных диапазонах?

Key concepts

• комплексная диэлектрическая проницаемость
• диэлектрическая функция
• показатель преломления
• коэффициент поглощения
• модель осциллятора Лоренца
• модель Друде
• соотношения Крамерса-Кронига
• плазменная частота

Key theories

Модели дисперсии Лоренца и Друде

Моделирование связанных зарядов как вынужденных, затухающих осцилляторов (Лоренц) и свободных носителей как затухающих при столкновениях (Друде) воспроизводит частотную зависимость диэлектрической проницаемости, показателя преломления и поглощения.

Соотношения Крамерса-Кронига

Причинность требует, чтобы действительная и мнимая части диэлектрической функции были связаны интегральными соотношениями, поэтому дисперсия и поглощение не являются независимыми, и одно может быть получено из другого.

Clinical relevance

Эти свойства определяют конструкцию оптических покрытий, линз, лазеров и фотонных устройств, отражательную способность металлов, плазмонных датчиков и спектры поглощения, используемые для идентификации материалов и тканей в спектроскопии и визуализации.

History

Электронная теория Лоренца и модель свободных электронов Друде около 1900 года объяснили дисперсию и оптический отклик диэлектриков и металлов. Соотношения Крамерса-Кронига, сформулированные в 1920-х годах, установили причинно-следственную связь между поглощением и показателем преломления, которая лежит в основе анализа оптических констант.

Key figures

• Hendrik Lorentz
• Paul Drude
• Hendrik Kramers

Seminal works

• jackson1998
• landau1984

Frequently asked questions

Почему металлы блестящие и отражающие?

Их свободные электроны сильно реагируют на падающий свет ниже плазменной частоты, что приводит к большой отрицательной диэлектрической проницаемости, которая препятствует распространению волны внутри и отражает большую ее часть.

Что говорят нам соотношения Крамерса-Кронига?

Они показывают, что поглощение и показатель преломления материала связаны причинностью, поэтому измерение поглощения на всех частотах определяет показатель преломления и наоборот.