材料的光学性能剖析

《材料的光学性能剖析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料的光学性能剖析（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第四章 材料的光学性能,光的本性 光与固体介质的相互作用 材料的光发射,第四章 材料的光学性能,第一节 光的本质,对光本质的认识：,牛顿 光是粒子流,惠更斯 光是一种波,麦克斯韦 光是一种电磁波,普朗克 光量子假说,爱因斯坦 波粒二象性,4.1.1 光是电磁波,第四章 材料的光学性能,第一节 光的本质,光是一种电磁波，它是电磁场周期性振动的传播所形成的。,线偏振光波中电振动、磁振动及光传播的方向,第四章 材料的光学性能,第一节 光的本质,光波的传播速度：,光波在不同介质中的传播速度不同，然而光振动的频率不变，因此相同频率的光波在不同介质中可有不同的波长。,电磁波在介质中的速度:,式中c为电磁波

2、在真空中的速度,r r 分别为介质中的介电常数和磁导率,第四章 材料的光学性能,第一节 光的本质,4.1.2 光波的干涉和衍射,干涉和衍射是波动的基本特性。,双缝干涉示意图,第四章 材料的光学性能,第一节 光的本质,4.1.3 波粒二象性,爱因斯坦的光电效应方程把光的粒子性和波动性联系起来，即,光的频率、波长和辐射能都是由光子源决定的。,第四章 材料的光学性能,第二节 光与固体介质的相互作用,设入射到材料表面的光辐射能流率为0，透过、吸收、反射和散射的光辐射能流率分别为T、 A、 R、 。则,两边除以0得：,T为透射系数；为吸收系数；R为反射系数；称为散射系数,第四章 材料的光学性能,第二节

3、光与固体介质的相互作用,第四章 材料的光学性能,第二节 光与固体介质的相互作用,微观上，光子与固体材料中的原子、离子、电子之间的相互作用主要表现在以下两个方面：,(1)电子极化 电磁辐射的电场分量，在可见光频率范围内电场分量与传播过程中的每个原子都发生作用，引起电子极化，即造成电子云和原子核电荷重心发生相对位移。,(2)电子能态转变 光子被吸收和发射，都可能涉及到固体材料中电子能态的转变。,折射,第四章 材料的光学性能,第二节 光与固体介质的相互作用,孤立原子吸收光子后电子态转变示意图,第四章 材料的光学性能,第二节 光与固体介质的相互作用,4.2.1 材料折射率及影响因素,光的反射与折射,材

4、料的折射率：,第四章 材料的光学性能,第二节 光与固体介质的相互作用,影响材料折射率的因素：,构成材料元素的离子半径,材料的折射率随介电常数增大而增大，而介电常数与介质的极化有关。,大离子可以构成高折射率的材料，小离子可以构成低折射率的材料,第四章 材料的光学性能,第二节 光与固体介质的相互作用,双折射现象,双折射：,均质介质,非均质介质,当光束通过各向异性介质表面时，折射光会分成两束沿着不同的方向传播，这种由一束入射光折射后分成两束的现象称为双折射。,通过改变入射光束的方向，可以找到在晶体中存 在一些特殊的方向，沿着这些方向传播的光并不发生双折射，这些特殊的方向称为晶体的光轴。,2)材料的结

5、构、晶型,第四章 材料的光学性能,第二节 光与固体介质的相互作用,材料存在的内应力 同质异构体 入射波的波长,介质中光速（折射率）随波长改变的现象称为色散。 介质的折射率随着波长的增加而减小其数值大小为：,外部因素,第四章 材料的光学性能,第二节 光与固体介质的相互作用,4.2.2 材料的反射率及影响因素,当入射光线垂直或接近垂直于介质界面时，其反射率为：,R,两种介质的折射率差别越大，反射率也越大,介质的反射率与波长有关，因此同一材料对不同波长有不同的反射率,第四章 材料的光学性能,第二节 光与固体介质的相互作用,光的全反射和光导纤维：,光的全反射,光在光导纤维中的传播,第四章 材料的光学性

6、能,第二节 光与固体介质的相互作用,4.2.3材料的透射及影响因素,一、金属的光透过性质,第四章 材料的光学性能,第二节 光与固体介质的相互作用,二、非金属材料的光透过性质,1、介质吸收光的一般规律,非金属材料对可见光的吸收有三种机理： 电子极化，但只有光的频率与电子极化时间的倒数处于同一数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要； 电子受激吸收光子而越过禁带； 电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级而吸收光子。,2、影响介质吸收光的因素,第四章 材料的光学性能,第二节 光与固体介质的相互作用,非金属材料吸收光子后电子能态的变化,（1）介质的电子能带结构：,第四章 材料的光学性能,第二节 光与固体

7、介质的相互作用,介电材料吸收光子后电子能态的变化,第四章 材料的光学性能,第二节 光与固体介质的相互作用,（2）光要穿过的介质厚度（光程）：,设入射光的强度为I0。那么经过x厚度的介质。其光强度将下降。可以证明，光的强度将变为I，且有,式中：为介质对光的吸收系数。,郎伯特定律,第四章 材料的光学性能,第二节 光与固体介质的相互作用,（3）光的波长：,材料吸收系数与电磁波长的关系,第四章 材料的光学性能,第二节 光与固体介质的相互作用,3、介质对光的散射,产生原因：光传播的介质不均匀。,散射有二种情况： 一种是散射光波长和入射光相同，称瑞利散射；另一种与入射光波长不同，称联合散射(亦称喇曼散射)

8、。,介质列入射光的散射大小不但与入射光波长有关，也与散射颗粒的大小、分布、数量以及散射相与基体的相对折射率大小有关。,4、陶瓷材料透光性的影响因素,第四章 材料的光学性能,第二节 光与固体介质的相互作用,光通过陶瓷片时的能量损失,(1)吸收系数,(2)反射系数：,(3)散射系数：,固体发光的微观过程可以分为两个步骤： 第一步，对材料进行激励，即以各种方式输入能量，将固体中的电子的能量提高到一个非平衡态，称为“激发态”. 第二步，处于激发态的电子自发地向低能态跃迁，同时发射光子。,第四章 材料的光学性能,第三节 材料的发光,激励方式:,光致发光-通过光的辐照将材科中的电子激发到高能态从而导致的发

9、光.光激励可以采用光频波段，也可以采用x射线和Y射线波段,第四章 材料的光学性能,第三节 材料的发光,阴极射线发光-利用高能量的电子来轰击材料，通过电子在材料内部的多次散射碰撞，使材料中多种发光中心被激发或电离而发光的过程。,电致发光-通过对绝缘发光体施加强电场导致发光，或者从外电路将电子(空穴)注入到半导体的导带(价带)导致载流子复合而发光。,第四章 材料的光学性能,第三节 材料的发光,4.3.1 发光和热辐射,一、荧光和磷光,根据材料从吸收能量到发光之间延迟时间的长短，把冷光分为荧光和磷光两类，延迟时间10-8s者称为磷光。,第四章 材料的光学性能,第三节 材料的发光,二、热辐射,4.3.

10、2 激光,普通光源发出的光是向各个方向辐射并随着传播距离的增加而衰减。主要原因是这些光源发的光是组成光源的大量分子或原子在自发辐射过程中 “各自为政”辐射光子。,一激光特点,激光是入射光子经受激辐射过程被放大。由于激光产生的机理与普通光源的发光不同，这就使激光具有不同于普通光的一系列性质。,1. 方向性好,激光不像普通光源向四面八方传播，几乎在一条直线上传播，我们称激光的准直性好。因为激光要在谐振腔内来回反射，若光线偏离轴线，则多次反射后终将逸出腔外，因此从部分透明的反射镜射出的激光方向性好。良好的方向性使激光是射得最远的光，应用于测距、通讯、定位方面。,第四章 材料的光学性能,第三节 材料的

11、发光,第四章 材料的光学性能,第三节 材料的发光,2. 亮度高,一般光源发光是向很大的角度范围内辐射，如电灯泡不加约束是向四面八方辐射。激光的辐射范围在110-3rad（0.06）左右，因此既使普通光源与激光光源的辐射功率相同，激光的亮度将是普通光源的上百万倍。1962年人类第一次从地球上发出激光束射向月球，由于激光的方向性好、亮度高，加上颜色鲜红，所以能见到月球上有一红色光斑。激光的高亮度在激光切割、手术、军事上有重要应用，现正研究用高亮度的激光引发热核反应。,第四章 材料的光学性能,第三节 材料的发光,激光能量在时间和空间上高度集中，能在极 小区域产生几百万度的高温。,激光加工、激光手术、

12、激光武器等就利用 了高亮度的特点。,激光打孔,激光切割,3. 单色性好,光的颜色取决于光的波长，通常把亮度为最大亮度一半的两个波长间的宽度定义为这条光谱线的宽度，谱线宽度越小，光的单色性越好。,可见光部分的颜色有七色，每种颜色的谱线宽度为40-50nm，激光的单色性远远好于普通光源，如氦-氖激光器输出的红色激光谱线宽度只有10-8nm。,激光良好的单色性使激光在测量上优势极为明显。,第四章 材料的光学性能,第三节 材料的发光,光缆,第四章 材料的光学性能,第三节 材料的发光,激光具有很好的相干性。,普通光源的相干长度约为1毫米 至几十厘米，激光可达几十公里。,全息照相、全息 存储等就利用了相干

13、 性好的特点。,全息照相,4. 相干性好,当激光束分成两束进行迭加时，产生的干涉条纹非常清晰。,第四章 材料的光学性能,第三节 材料的发光,过程前 过程后 E2 E2 E1 E1 受激辐射,h,2h,1917年爱因斯坦指出，除自发辐射之外，当频率为=（E2-E1）/h的光子入射时，粒子也会以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向等都相同的光子，这个过程称为受激辐射。,第四章 材料的光学性能,第三节 材料的发光,二受激辐射,可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率 =（E2-E1）/h的光子入射，从而激励E2上的原子产生受激辐

14、射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子又激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光，就是激光。,第四章 材料的光学性能,第三节 材料的发光,必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转，如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。,第四章 材料的光学性能,第三节 材料的发光,三粒子数反转,受激辐射的概念爱因斯坦1917提出，激光器却在1960年问世，相隔43年，为什么？主要原因是普通光源中的粒子，产生受激辐射的概率极小。,四激光工作原理,第四章 材料的光学性能,第三节 材料的发光,梅曼和第一只激光器,红宝石激光器,小结,光的本性,光是电磁波,光的干涉和衍射,光具有波粒二象性,光与固体的相互作用,折射率及影响因素,反射系数及影响因素,材料的透射及影响因素,金属,非金属,材料的发光,冷光,荧光,磷光,热辐射,激光,