Оптические свойства твёрдого тела определяются его взаимодействием с электромагнитным излучением в видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Эти свойства зависят от электронной структуры вещества, типа химической связи, дефектов кристаллической решётки и особенностей морфологии материала.
Поглощение излучения обусловлено переходами электронов между энергетическими уровнями или зонами. Для изоляторов и полупроводников ключевую роль играет ширина запрещённой зоны:
В металлах поглощение связано с коллективными возбуждениями электронного газа и переходами между зонами.
Прозрачность твёрдых тел определяется малостью коэффициента поглощения в определённом диапазоне длин волн. Идеальные ионные кристаллы (NaCl, MgO) прозрачны в видимой области, но активно поглощают в ультрафиолете и инфракрасном диапазонах. Отражательная способность описывается через комплексный показатель преломления. Металлы характеризуются высокой отражательной способностью в широком спектре за счёт свободных электронов, тогда как диэлектрики и полупроводники могут обладать как высоким, так и низким коэффициентом отражения в зависимости от энергии падающего излучения.
Показатель преломления связан с поляризуемостью вещества и его электронной структурой. Для полупроводников характерны значения выше, чем у простых диэлектриков, что обусловлено более высокой плотностью электронов. Дисперсия показателя преломления отражает особенности зонной структуры и проявляется в изменении оптических свойств в зависимости от длины волны.
Люминесцентные свойства связаны с излучательной рекомбинацией возбуждённых состояний. В полупроводниках это может быть рекомбинация электронов и дырок, приводящая к излучению фотонов с энергией, близкой к ширине запрещённой зоны. В ионных кристаллах люминесценция возникает за счёт переходов внутри d- или f-оболочек примесных ионов (например, Eu³⁺, Mn²⁺). Выделяются несколько видов люминесценции: фотолюминесценция, катодолюминесценция, электролюминесценция.
Воздействие света на полупроводники приводит к генерации неравновесных носителей заряда, что изменяет их электропроводность. Этот эффект используется в фотодетекторах и солнечных элементах. Оптические переходы классифицируются на разрешённые и запрещённые в зависимости от симметрии волновых функций. Вероятность перехода определяется правилами отбора и матричными элементами взаимодействия с электромагнитным полем.
При взаимодействии света с твёрдым телом возможны гибридные возбуждения.
При высоких интенсивностях излучения проявляются нелинейные процессы: удвоение частоты, генерация комбинационных частот, эффект Керра. Они зависят от симметрии кристаллической решётки: в центросимметричных кристаллах запрещены процессы чётного порядка, например генерация второй гармоники.
Оптические свойства существенно зависят от точечных дефектов, дислокаций и примесей. Примесные уровни внутри запрещённой зоны создают новые каналы поглощения и люминесценции. Цвет алмаза, корунда и шпинели определяется именно присутствием примесных ионов переходных металлов. Дефекты вакансий могут приводить к окраске и изменению прозрачности (например, F-центры в щелочных галогенидах).
Любое твёрдое тело испускает тепловое излучение, спектр которого описывается законом Планка. Характеристики излучения зависят от коэффициента поглощения и отражения поверхности. В случае металлов наблюдается сильное отклонение от идеального чёрного тела.
Оптические характеристики твёрдых тел лежат в основе функционирования лазеров, оптических волокон, фотодетекторов, светоизлучающих диодов, солнечных батарей. Контроль прозрачности, поглощения и отражательной способности позволяет создавать материалы для фотоники, оптоэлектроники и энергетики.