МЕТАЛЛОО́ПТИКА

МЕТАЛЛОО́ПТИКА, изу­ча­ет оп­тич. свой­ст­ва ме­тал­лов и взаи­мо­дей­ст­вие элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния с ме­тал­ла­ми. Ин­тен­сив­ное раз­ви­тие М. на­ча­лось в кон. 19 – нач. 20 вв. пос­ле соз­да­ния элек­тро­маг­нит­ной тео­рии Макс­вел­ла и тео­рии ме­тал­лов Зом­мер­фель­да.

Ос­нов­ные оп­тич. осо­бен­но­сти ме­тал­лов – боль­шой ко­эф. от­ра­же­ния $R$ (напр., у ще­лоч­ных ме­тал­лов $\approx$99%) в ши­ро­ком диа­па­зо­не длин волн и боль­шой ко­эф. по­гло­ще­ния (элек­тро­маг­нит­ная вол­на внут­ри ме­тал­ла за­ту­ха­ет на глу­би­не по­ряд­ка 0,1÷1·10^–7 м, см. Скин-эф­фект). Осо­бен­но­сти от­ра­же­ния све­та от ме­тал­лич. по­верх­но­сти обу­слов­ле­ны на­ли­чи­ем в ме­тал­лах боль­шо­го чис­ла элек­тро­нов, сла­бо свя­зан­ных с ато­ма­ми ме­тал­ла (сво­бод­ных элек­тро­нов). Вто­рич­ные вол­ны, вы­зван­ные ко­ле­ба­ния­ми сво­бод­ных элек­тро­нов, по­ро­ж­да­ют силь­ную от­ра­жён­ную вол­ну, ин­тен­сив­ность ко­то­рой мо­жет дос­ти­гать бо­лее 95% ин­тен­сив­но­сти па­даю­щей вол­ны, и срав­ни­тель­но сла­бую вол­ну, иду­щую внутрь ме­тал­ла. Т. к. плот­ность сво­бод­ных элек­тро­нов зна­чи­тель­на (по­ряд­ка 10²²–10²³ см^–3), то да­же очень тон­кие слои ме­тал­ла от­ра­жа­ют б. ч. па­даю­ще­го све­та и яв­ля­ют­ся, как пра­ви­ло, не­про­зрач­ны­ми. Фор­ми­ро­ва­ние от­ра­жён­ной вол­ны про­ис­хо­дит в тон­ком при­по­верх­но­ст­ном слое, в ко­то­ром за­ту­ха­ет про­ни­каю­щее в ме­талл из­лу­че­ние. Сво­бод­ные элек­тро­ны, при­хо­дя в ко­ле­ба­ние под дей­ст­ви­ем элек­тро­маг­нит­ной вол­ны, взаи­мо­дей­ст­ву­ют с ио­на­ми ме­тал­ла, в ре­зуль­та­те че­го энер­гия, за­им­ст­во­ван­ная у элек­тро­маг­нит­ной вол­ны, пре­вра­ща­ет­ся в те­п­ло­ту.

В ви­ди­мой об­лас­ти спек­тра при низ­ких темп-pax важ­ную роль иг­ра­ют кван­то­вые эф­фек­ты, свя­зан­ные с элек­трон­ным рас­сея­ни­ем, меж­зон­ны­ми пе­ре­хо­да­ми и др. В УФ-диа­па­зо­не и бо­лее ко­рот­ко­вол­но­вых диа­па­зо­нах с из­лу­че­ни­ем взаи­мо­дей­ст­ву­ют элек­тро­ны внутр. обо­ло­чек ато­мов, и, напр., в рент­ге­нов­ской об­лас­ти спек­тра ме­тал­лы по сво­им оп­тич. свой­ст­вам уже не от­ли­ча­ют­ся от ди­элек­три­ков.

При изу­че­нии оп­тич. свойств ме­тал­лов в рам­ках тео­рии элек­тро­маг­нит­но­го по­ля Мак­свел­ла не­об­хо­ди­мо учи­ты­вать элек­трич. про­во­ди­мость ме­тал­ла $σ(ω)$, за­ви­ся­щую от час­то­ты $ω$ элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния. Оп­тич. свой­ст­ва од­нород­ных изо­троп­ных ме­тал­лов мож­но опи­сать с по­мо­щью ком­плекс­но­го по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния $n'=\sqrt{ɛ}=n+iϰ$, где $n$ – по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния, $ϰ$ – по­ка­за­тель по­гло­ще­ния, $ɛ=ɛ'+i(4πσ/ω)$ – ди­элек­трич. про­ни­цае­мость. Для ани­зо­троп­ных ме­тал­лов $ɛ$ – тен­зор. При та­ком рас­смот­ре­нии фор­ма­лизм M. и оп­ти­ки про­зрач­ных сред сов­па­да­ет (оди­на­ко­вые вол­но­вое урав­не­ние, фор­му­лы Фре­не­ля и т. п.).

Для на­клон­но па­даю­ще­го све­та ко­эф­фи­ци­ен­ты от­ра­же­ния и по­гло­ще­ния, а так­же фа­зо­вые сдви­ги $φ$ при от­ра­же­нии за­ви­сят от со­стоя­ния по­ля­ри­за­ции све­та. Вслед­ст­вие раз­ли­чия ко­эф­фи­ци­ен­тов от­ра­же­ния волн, по­ля­ри­зо­ван­ных в плос­ко­сти па­де­ния и пер­пен­ди­ку­ляр­но к ней, на­клон­но па­даю­щая ли­ней­но по­ля­ри­зо­ван­ная вол­на ста­но­вит­ся эл­лип­ти­че­ски по­ля­ри­зо­ван­ной. Это ис­поль­зу­ет­ся для оп­ре­де­ле­ния ко­эф­фи­ци­ен­тов $n$ и $ϰ$ (см. Фре­не­ля фор­му­лы).

Осн. пред­став­ле­ния тео­ре­тич. M. и объ­яс­не­ние спек­траль­ных за­ви­си­мо­стей ко­эф­фи­ци­ен­тов от­ра­же­ния и по­гло­ще­ния ба­зи­ру­ют­ся на тео­риях твёр­до­го те­ла и скин-эф­фек­та в ме­тал­ле.

Ко­эф­фи­ци­ен­ты $n$ и $ϰ$ ха­рак­те­ри­зу­ют оп­тич. свой­ст­ва ме­тал­лов. Для из­ме­ре­ния $n$ и $ϰ$ мас­сив­но­го ме­тал­лич. об­раз­ца ис­сле­ду­ют свет, от­ра­жён­ный от его по­верх­но­сти, по­ля­ри­за­ци­он­ны­ми ме­то­да­ми (из­ме­ря­ют­ся ха­рак­те­ри­сти­ки эл­лип­тич. по­ля­ри­за­ции от­ра­жён­но­го све­та) ли­бо ме­то­да­ми, ос­но­ван­ны­ми на из­ме­ре­нии ко­эф. от­ра­же­ния R(ω) (в ши­ро­ком спек­траль­ном диа­па­зо­не) при па­де­нии све­та на ме­талл по нор­ма­ли к его по­верх­но­сти. Эти ме­то­ды по­зво­ля­ют из­ме­рить оп­тич. ха­рак­те­ри­сти­ки ме­тал­ла в ИК-, ви­ди­мой и УФ-об­лас­тях с ошиб­кой 0,5–2%. Для из­ме­ре­ния тон­кой струк­ту­ры по­лос по­гло­ще­ния ис­поль­зу­ют ме­то­ды, ос­но­ван­ные на из­ме­не­нии ин­тен­сив­но­сти от­ра­жён­но­го све­та, ко­то­рое воз­ни­ка­ет при на­ло­же­нии на об­ра­зец пе­рио­ди­че­ски из­ме­няю­ще­го­ся маг­нит­но­го по­ля, элек­трич. по­ля или уп­ру­гих на­пря­же­ний. По­верх­но­сти нуж­но­го ка­че­ст­ва по­лу­ча­ют элек­тро­по­ли­ров­кой или ис­па­ре­ни­ем ме­тал­ла в ва­куу­ме с по­сле­дую­щим оса­ж­де­ни­ем его на по­ли­ро­ван­ные под­лож­ки.

Отд. об­ласть M. со­став­ля­ют маг­ни­то­оп­тич. яв­ле­ния в фер­ро­маг­не­ти­ках, за­клю­чаю­щие­ся во влия­нии на­маг­ни­чен­но­сти на по­ля­ри­за­цию све­та при его от­ра­же­нии от ме­тал­ла или про­хо­ж­де­нии че­рез тон­кие плён­ки (см. Маг­ни­то­оп­ти­ка, Кер­ра эф­фек­ты).

В М. по оп­тич. ха­рак­те­ри­сти­кам, из­ме­рен­ным в ши­ро­ком спек­траль­ном диа­па­зо­не, оп­ре­де­ля­ют осн. ха­рак­те­ри­сти­ки элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти и элек­тро­нов, уча­ст­вую­щих во внутр. фо­то­эф­фек­те.

С по­яв­ле­ни­ем ла­зе­ров сфор­ми­ро­вал­ся но­вый раз­дел M., в ко­то­ром изу­ча­ет­ся взаи­мо­дей­ст­вие с ме­тал­ла­ми ин­тен­сив­но­го ла­зер­но­го из­лу­че­ния. Раз­ви­ты осн. пред­став­ле­ния о ме­ха­низ­мах по­гло­ще­ния све­та ме­тал­ла­ми и пе­ре­да­чи по­гло­щён­ной энер­гии.

М. име­ет и при­клад­ное зна­че­ние. Ме­тал­лич. зер­ка­ла при­ме­ня­ют­ся в при­бо­рах, при кон­ст­руи­ро­ва­нии ко­то­рых не­об­хо­ди­мо зна­ние $R$, $n$ и $ϰ$ в разл. об­лас­тях спек­тра. Из­ме­ре­ние $n$ и ϰ// по­зво­ля­ет так­же ус­та­но­вить на­ли­чие на по­верх­но­сти ме­тал­ла тон­ких плё­нок (напр., плё­нок ок­си­дов) и оп­ре­де­лить их оп­тич. ха­рак­те­ри­сти­ки.

С раз­ви­ти­ем тех­нич. оп­ти­ки тер­мин «М.» при­об­рёл ещё один смысл. Под M. по­ни­ма­ют­ся так­же оп­тич. эле­мен­ты и их сис­те­мы (в пер­вую оче­редь зер­ка­ла), вы­пол­нен­ные из ме­тал­лов. Их ис­поль­зу­ют в оп­тич. при­бо­рах разл. на­зна­че­ния (мик­ро­ско­пах, те­ле­ско­пах) в ка­че­ст­ве эк­ра­нов, от­ра­жа­те­лей и др. Ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ла M. в крио­ва­ку­ум­ных сис­те­мах и ла­зер­ной тех­ни­ке, где ме­тал­лич. зер­ка­ла ис­поль­зу­ют в ре­зо­на­то­рах СО₂-ла­зе­ров. Ме­то­да­ми ал­маз­но­го то­че­ния уда­ёт­ся по­лу­чать глад­кие ме­тал­лич. по­верх­но­сти с ко­эф. от­ра­же­ния 98–99%, об­ла­даю­щие ма­лым рас­сея­ни­ем.