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_п.

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.