สมบัติทางแสงของวัสดุ

ค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าที่ขึ้นกับความถี่ของวัสดุเป็นตัวกำหนดดัชนีหักเห การดูดกลืน และการสะท้อนของวัสดุนั้นตลอดทั้งสเปกตรัม

Definition

สมบัติทางแสงของวัสดุถูกควบคุมโดยค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าเชิงซ้อนที่ขึ้นกับความถี่ ซึ่งส่วนจริงและส่วนจินตภาพให้ค่าดัชนีหักเหและการดูดกลืน สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นจากการตอบสนองแบบเรโซแนนซ์และแบบพาหะอิสระของประจุ และถูกจำกัดโดยหลักความเป็นเหตุเป็นผลผ่านความสัมพันธ์ Kramers-Kronig

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการตอบสนองทางแม่เหล็กไฟฟ้าของวัสดุที่ขึ้นกับความถี่: ฟังก์ชันไดอิเล็กตริกเชิงซ้อนและดัชนีหักเห, แบบจำลองออสซิลเลเตอร์ของ Lorentz และ Drude สำหรับการกระจาย, แถบการดูดกลืนและหน้าต่างความโปร่งใส, ความสัมพันธ์ Kramers-Kronig ที่เชื่อมโยงการดูดกลืนและการกระจาย, และพฤติกรรมทางแสงของโลหะ, ไดอิเล็กตริก, และพลาสมา โดยจะอธิบายว่าทำไมวัสดุจึงสะท้อน, ส่งผ่าน, หรือดูดกลืนความถี่เฉพาะ

Core questions

• เหตุใดการตอบสนองของวัสดุต่อสนามจึงขึ้นอยู่กับความถี่?
• การดูดกลืนและดัชนีหักเหมีความสัมพันธ์กับฟังก์ชันไดอิเล็กตริกอย่างไร?
• เหตุใดโลหะจึงสะท้อนแสงและไดอิเล็กตริกจึงโปร่งใสในช่วงความถี่ที่แตกต่างกัน?

Key concepts

• สภาพยอมทางไฟฟ้าเชิงซ้อน
• ฟังก์ชันไดอิเล็กตริก
• ดัชนีหักเห
• สัมประสิทธิ์การดูดกลืน
• แบบจำลองออสซิลเลเตอร์ของ Lorentz
• แบบจำลอง Drude
• ความสัมพันธ์ Kramers-Kronig
• ความถี่พลาสมา

Key theories

แบบจำลองการกระจายของ Lorentz และ Drude

การจำลองประจุที่ถูกผูกไว้เป็นออสซิลเลเตอร์ที่ถูกขับเคลื่อนและมีการหน่วง (Lorentz) และพาหะอิสระที่มีการหน่วงจากการชน (Drude) สามารถสร้างการขึ้นกับความถี่ของสภาพยอมทางไฟฟ้า, ดัชนีหักเห, และการดูดกลืนได้

ความสัมพันธ์ Kramers-Kronig

หลักความเป็นเหตุเป็นผลกำหนดให้ส่วนจริงและส่วนจินตภาพของฟังก์ชันไดอิเล็กตริกเชื่อมโยงกันด้วยความสัมพันธ์เชิงปริพันธ์ ดังนั้นการกระจายและการดูดกลืนจึงไม่เป็นอิสระต่อกัน และสามารถหาค่าหนึ่งได้จากอีกค่าหนึ่ง

Clinical relevance

คุณสมบัติเหล่านี้เป็นตัวกำหนดการออกแบบสารเคลือบผิวทางแสง, เลนส์, เลเซอร์, และอุปกรณ์โฟโตนิก, การสะท้อนแสงของโลหะ, เซ็นเซอร์พลาสมอนิก, และสเปกตรัมการดูดกลืนที่ใช้ในการระบุวัสดุและเนื้อเยื่อในการตรวจวัดด้วยสเปกโทรสโกปีและการถ่ายภาพ

History

ทฤษฎีอิเล็กตรอนของ Lorentz และแบบจำลองอิเล็กตรอนอิสระของ Drude ในช่วงปี ค.ศ. 1900 ได้อธิบายการกระจายและการตอบสนองทางแสงของไดอิเล็กตริกและโลหะ ความสัมพันธ์ Kramers-Kronig ซึ่งถูกกำหนดขึ้นในทศวรรษ 1920 ได้สร้างความเชื่อมโยงเชิงสาเหตุระหว่างการดูดกลืนและดัชนีหักเหซึ่งเป็นพื้นฐานของการวิเคราะห์ค่าคงที่ทางแสง

Key figures

• Hendrik Lorentz
• Paul Drude
• Hendrik Kramers

Seminal works

• jackson1998
• landau1984

Frequently asked questions

เหตุใดโลหะจึงมีความมันวาวและสะท้อนแสง?

อิเล็กตรอนอิสระของโลหะตอบสนองอย่างมากต่อแสงที่ตกกระทบที่ความถี่ต่ำกว่าความถี่พลาสมา ทำให้เกิดค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าที่เป็นลบมาก ซึ่งป้องกันไม่ให้คลื่นแพร่กระจายภายในและสะท้อนแสงส่วนใหญ่กลับออกไป

ความสัมพันธ์ Kramers-Kronig บอกอะไรเรา?

ความสัมพันธ์นี้แสดงให้เห็นว่าการดูดกลืนและดัชนีหักเหของวัสดุเชื่อมโยงกันด้วยหลักความเป็นเหตุเป็นผล ดังนั้นการวัดการดูดกลืนตลอดทุกความถี่จะกำหนดดัชนีหักเหและในทางกลับกัน