金属光学

学科名称

金属光学（metal, optics of）是研究金属的光学性质及其与金属物质结构关系的学科。金属最显著的光学特性是反射高，吸收强，要薄到300—400埃才开始透光。这同金属具有良好的导电性有关。

理论诠释

光波是电磁波，在金属中传播时会因热损耗而衰减，造成金属媒质对光的吸收。吸收媒质中的光波是单色平面波，金属最主要的光学性质是它对光的吸收和反射，而反射率和吸收率均由其复折射率：

n=n－iχ

决定。式中n为实折射率，χ是消光系数，决定波的衰减。二者常称为金属的光学常数。复折射率n的引入，使透明媒质情况的各项公式（如折射定律、菲涅耳公式等）在吸收情况下形式仍然有效（见光的吸收）。

光由空气正入射到金属表面时，根据菲涅耳公式反射率为：

R=[(n－n0)2+χ2]/[(n+n0)2+χ2]

式中n0为空气的折射率。而吸收率为：

A=1－R=4n0n/[(n+n0)2+χ2]

光在金属中传播时其强度I的衰减规律则满足比尔定律：

I=I0e－αZ

式中I0为波长为λ的入射光的强度，α为总极化率，Z是光的传导深度，称为吸收系数。

金属的光学常数n和χ随光波长λ而变。从近红外向长波方向，二者随λ单调增大，这是由于在此波长范围内金属中的自由电子与光的相互作用起主要作用。从可见光向短波方向，因光子能量较高，金属电子的带间跃迁开始参与作用，使n和χ都与金属结构直接有关。金属光学研究电磁波与金属的相互作用，也属于固体物理学范畴。

发展简史

金属光学的发展历史可追溯到19世纪中叶提倡光的弹性以太理论时期，透明媒质的菲涅耳公式（见光在分界面上的折射和反射）那时已建立起来。人们开始注意研究金属的反射性能，并测量了它的折射率和吸收系数。但是金属光学的重大进展是在麦克斯韦光的电磁理论问世之后。特别是20世纪初，P.德鲁德将经典电子论应用于金属媒质，使金属的光学常数同其自由电子参量建立起关系。但理论和实验不尽一致。此后的研究工作主要在实验方面。例如，在高真空中制备样品，提高光学量的测量准确度，进行低温测量以观测温度效应等等。随着固体物理学的发展，金属光学到50年代便完全纳入固体物理学的研究领域，以量子理论为理论基础了。但由于历史原因，一些光学教本现仍辟有“金属光学”章节，主要讨论金属的宏观光学性质及其经典色散理论（其他可参见固体的能带等）。

学科简介

下面主要讨论金属的光学性质和根据经典电子理论（见金属电子论）来简单分析金属的光学性质。

金属对光的反射，同样可根据菲涅耳公式来计算有关各量。线偏振光经金属界面反射一般成为椭圆偏振光。

在金属的强吸收区，光波仅能进入其界面内极薄一层地区。按照交流电输送技术用语，人们亦称此为趋肤效应。

金属的光学常数n、χ随波长改变，即二者有色散。按照固体理论，红外区以远是金属中传导电子（经典自由电子）同光相互作用起主导的波段，即色散机制来自导带电子的带内运动；而紫外一端，光子能量较高，金属电子的带间跃迁开始参与作用。

金属光学常数的色散特性，主要是长波部分，可用经典电子模型来说明。按照这一模型，金属中存在大量脱离原子束缚的自由电子，金属的导电性、导热性等均归于其自由电子的行为。

在静电场下，金属中的自由电子获得附加定向速度，形成传导电流。严格计算需借助统计理论。

反常趋肤效应。电磁场的趋肤深度与金属的电导率成反比。降低金属温度T，可减小趋肤深度。当趋肤深度接近甚至小于金属中传导电子的平均自由程时，就必须考虑电磁场的空间衰减对电子运动的影响。这时通常的欧姆定律和以此为基础的经典理论均告失效，结果产生反常趋肤效应。这主要是一个高频和低温效应，显然这时传导电子在金属内表面上的散射机理和能量损失决定吸收率。

1940年，由于雷达研究的需要，A.皮帕德在测量Sn的高频低温电导率时发现了这一效应。随后有人给出了详细的理论分析。

光学现象的量子理论涉及金属的微观结构，已归入固体物理学。在金属光学的经典理论中，出发点是麦克斯韦方程组，在麦克斯韦方程中只需加入与金属电导率有关的项，并引入复电容率，就可以把金属中遵守的电磁方程组简化成与在普通透明介质中的完全相同的形式，对透明介质适用的所有结论均可在形式上用于金属。光在金属表面反射及在金属中传播时表现出来的特殊行为都起因于消光系数χ的存在。

经典金属光学研究的问题包括：光在金属表面反射时的能量分配和偏振结构、n和χ的实验测量、经典色散理论、正常趋肤效应和反常趋肤效应等。

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