МЕТАЛЛООПТИКА

МЕТАЛЛООПТИКА раздел оптики,
в
к-ром изучается взаимодействие металлов с электромагнитными волнами. Осн.
оптич. особенности металлов: большой коэфф. отражения R (напр.,
у щелочных металлов R 99% ) в широком диапазоне длин волн и большой
коэфф. поглощения (электромагнитная волна внутри металла затухает, пройдя
слой толщиной 6 0,1 -т- 1-10^-5 см, см. Скин-эффект).
Эти
особенности связаны с высокой концентрацией в металле электронов проводимости
(см.
Металлы).

Взаимодействуя с электромагнитной волной,
падающей на поверхность металла, электроны проводимости одновременно взаимодействуют
с колеблющимися ионами решётки. Осн. часть энергии, приобретённой ими от
электромагнитного поля, излучается в виде вторичных волн, к-рые, складываясь,
создают отражённую волну. Часть энергии, передаваемая решётке, приводит
к затуханию волны внутри металла. Электроны проводимости могут поглощать
сколь угодно малые кванты электромагнитной энергии hw (h - Планка постоянная,
w - частота излучения). Поэтому они дают вклад в оптич. свойства металла
при всех частотах. Особенно велик их вклад в радиочастотной и инфракрасной
областях спектра. По мере увеличения со вклад электронов проводимости в
оптич. свойства металлов уменьшается, уменьшается и различие между металлами
и диэлектриками.

Остальные валентные электроны влияют на
оптич. свойства металла только когда они участвуют во внутр. фотоэффекте,
что
происходит при hw > ДE (ДE - энергетич. 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 гл. обр. в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра.
Однако для ряда поливалентных металлов наблюдаются полосы и в инфракрасной
области спектра. При частотах w >= w п, где w п - плазменная частота
валентных электронов, в металле возбуждаются плазменные колебания электронов.
Они приводят к появлению области прозрачности при w = w

В ультрафиолетовой области коэфф. отражения
R
падает
и металлы по своим свойствам приближаются к диэлектрикам. При ещё больших
частотах (рентгеновская область) оптич. свойства определяются электронами
внутренних оболочек атомов и металлы по оптич. свойствам не отличаются
от диэлектриков.

Оптич. свойства металлов описываются комплексной
диэлектрической
прони-

(и - показатель поглощения). Комплексность
показателя преломления выражает экспоненциальное затухание волны внутри
металла. При падении плоской волны на поверхность металла под углом ф не=
0 волна внутри металла будет неоднородной. Плоскость равных амплитуд параллельна
поверхности металла, плоскость равных фаз наклонена к ней под углом, величина
к-рого зависит отер. Волны, отражённые от поверхности металла, поляризованные
в плоскости падения и перпендикулярно к ней, имеют разность фаз. Благодаря
этому плоскополяризованный свет после отражения становится эллип-тически-поляризованным.
Коэфф. отражения R волн, поляризованных в плоскости падения, у металлов,
в отличие от диэлектриков, всегда не= 0, и лишь имеет минимум при
определённом ср.

Для чистых металлов при низкой темп-ре
в длинноволновой области спектра длина свободного пробега электронов i
становится >о. При этом затухание волны перестаёт быть экспоненциальным,
хотя и остаётся очень сильным (а н о-мальный скин-эффект). В этом случае
комплексный показатель преломления теряет смысл и связь между падающей
и преломлённой волной становится более сложной. Однако свойства отражённого
света при любом соотношении между i и о полностью определяются поверхностным
импедансом Z, с к-рым связывают эффективные комплексные показатели поглощения
и преломления:

Для измерения и и и массивного металлич.
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 оптич. ха-

рактеристики 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, к-рая и измеряется
(термоотражение, пьезоотра-жение и т. п.). Указанные методы позволяют с
большой точностью определить изменения R при изменении темп-ры,
при деформации и т. п. (см. табл.),

Оптические характеристики некоторых металлов

* Оптические характеристики относятся к
X=0,5893 мкм.

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.

М. позволяет по оптич. 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 применяются
в различных приборах, при конструировании к-рых необходимо знание R,
n
и % в различных областях спектра. Измерение п и х ^по
зволяет также установить наличие на поверхности металла тонких плёнок (напр.,
плёнки окиси) и определить их оптич. характеристики.

Лит.: Соколов А. В., Оптические
свойства металлов, М., 1961; Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ.,
М., 1970; Гинзбург В. Л., М о т у-л е в и ч 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;
Г о л о-вашкинА. И., Металлооптика, в кн.: физический энциклопедический
словарь, т. 3, М., 1963. Г. П. Мотулевич.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я