Металлооптика

Металлоо́птика

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 ~ 99%) в широком диапазоне длин волн и большой коэффициент поглощения (электромагнитная волна внутри металла затухает, пройдя слой толщиной δ ~ 0,1÷1․10-5см, 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 ~0,5—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

* 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 электро- и 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