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1、主要内容,5.1 光通过介质的现象 5.2 无机材料的透光性 5.3 界面反射与光泽 5.4 不透明性与半透明性,第5章 无机材料的光学性能,5.1 光透过介质的现象,1.光的波粒二象性,可见光是电磁辐射波谱的波长在400nm到750nm范围的一个波段。与电磁辐射波一样，可见光在传播时，存在呈周期变化的电场和磁场分量，且电场、磁场和传播方向三者之间相互垂直。,可见光七彩颜色的波长和频率范围,人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。,电磁波谱,无线电波波长比可见光长得多，不能引起人的视觉。 微波波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食物里很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加热。 红外线（IR）
2、分布在微波和可见光之间，且仅能够在它聚集热的地方探测到。,紫外线（UV）：频率高于可见光的，不能引起视觉，对生命有危害。 X射线：波长比紫外线还短的电磁波，它们很易穿过大多数物质。致密的物质、固体材料比稀疏物质容易吸收更多的X射线。,射线和宇宙射线： 波长最短，波长尺寸约为原子核大小量级 射线产生于核反应及其他特殊的激发过程 宇宙射线来自地球之外的空间。,光子与固体介质的作用,折射,入射角、折射角与材料的折射率、有下述关系：,入射束,折射束,1,2,材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。 光密介质：在折射率大的介质中，光的传播速度慢； 光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快。,影
3、响材料折射率的因素,构成材料元素的离子半径 材料的结构、晶型 材料所受的内应力 同质异构体,内因：,外因：色散,麦克斯韦电磁理论,光在介质中的传播速度为：,其中：为介电常数；为导磁率,无机材料： 1， 1,影响折射率的因素,1、离子半径：,介电常数随着离子半径的增大而增大，因而折射率n随着离子半径的增大而增大。,可以用大离子得到高折射率的材料； 可以用小离子得到低折射率的材料。,2、材料的结构和晶型：,材料的n主要由离子的堆积密度和极化率决定。,（1）均质介质（各向同性）：,经验公式：,Pi和Ki是第i组分的重量分数和折射系数，是密度。,（2）非均质介质（各向同性）：,双折射,常光：折射线在入
4、射面内，遵守各向同性材料折射定律 非常光：折射线不一定在入射面内,（3）内应力：,垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方向的n小。,（4）同质异构体：,结构敞广的高温态比结构紧密的低温态折射率小。 常温：SiO2玻璃态的折射率是1.46 石英晶体折射率1.55 高温：磷石英折射率1.47 方石英折射率1.49,倒数相对色散 ，即色散系数：,材料的折射率随入射光的频率的减小而 减小的性质，称为折射率的色散。,在给定入射光波长的情况下：,色散,nD：钠的D谱线为光源测得的折射率； nF：氢的F谱线为光源测得的折射率； nC：氢的C谱线为光源测得的折射率。,二、色 散,几种玻璃的色散,几种晶
5、体和玻璃的色散,（2）材料的反射系数和影响因素,反射系数,若介质1是空气，则,若两种介质的折射率相差越大，则反射损失越大，光的透过率越低。,5.2 无机材料的透光性,无机非金属材料对可见光可能透明，也可能不透明。,透过率除光在界面被反射外，还与光进入材料中被吸收和散射状况有关。,介质吸收光的一般规律：,为物质对光的吸收系数，取决于材料的性质和光的波长。越大，材料越厚，光就被吸收得越多，而透过后的光强度就越小。,在电磁波谱的可见光区： 金属和半导体的吸收系数很大，所以不透明； 电介质材料（如玻璃），吸收系数小，透过性较好。,介质对光的吸收与光的波长的关系,1、可见光区： 因为金属价电子处于未满带
6、，吸收光子后呈激发态，发生碰撞而消耗能量； 无机介质材料价电子所处的能带是满带，不能吸收光子而自由运动，光子的能量不足以使之跃迁，吸收系数很小。,2、紫外光区：无机电介质材料有很强的吸收； 波长短、能量大，电子吸收光子能量跃迁，吸收系数大。,选择吸收：同一物质对某种波长的吸收系数很大，对另一种波长的吸收很小的现象。光的选择性吸收使透明材料呈现不同颜色。,均匀吸收：在可见光范围内对各种波长的波的吸收程度相同，称为均匀吸收。随着吸收程度的增加，颜色从灰变为黑色。,5.2.2介质对光的散射,光波遇到不均匀结构产生的次级波，与主波方向不一致，就会出现干涉，而偏离原来方向，引起散射。,散射系数s与散射(
7、质点)的大小、数量以及散射质点与基体的相对折射率等因素有关，其单位为cm-1。,如果将吸收定律和散射定律结合起来：,质点尺寸对散射系数的影响,无机材料的透光性 光通过材料后，剩余光能所占的百分比。,光通过陶瓷片的吸收损失与反射损失,I/I0：透光率。,其中损失包括：表面上的反射损失； 通过材料后的吸收损失； 散射损失；,I=mI0,影响无机非金属材料透光性的因素分析,1.吸收系数,无机非金属材料的吸收率或吸收系数在可见光范围内是比较低的，在影响透光率的因素中不占主要地位。,材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。此外，材料表面的光洁度也影响透光性能。,2.反射系数,3.散射系数,a）材料宏
8、观及显微缺陷：材料中的夹杂物、掺杂、晶界等对光的折射性能与主晶相不同，因而在不均匀界面上形成相对折射率。此值越大则反射系数（在界面上的，不是指材料表面的）越大，因而散射系数变大。,b)晶粒排列方向影响：对于各向异性材料存在有双折射问题，这样，由多晶材料构成的无机非金属材料，晶粒与晶粒之间，可引起晶界处的反射及散射损失。,c)气孔引起的散射损失：存在于晶粒之内的以及在晶界玻璃相内的气孔、孔洞，从光学上讲构成了第二相。其折射率nl与基体材料之n2相差较大。由此引起的反射损失、散射损失远较杂质、不等向晶粒排列等因素引起的损失为大。,思考：提高无机材料透光性的措施有哪些？,提高原材料纯度,在无机材料中
9、杂质形成的异相，其折射率与基体不同，等于在基体中形成分散的散射中心，使s提高。,掺加外加剂,影响材料透光性的主要因素是材料中所含的气孔。掺加外加剂，降低材料的气孔率，特别是降低材料烧成时的闭孔，是提高透光率的有力措施。,工艺措施,用尽可能能排除气孔的工艺方法来生产，采取热压法要比普通烧结法更便于排除气孔，而用热等静压法效果更好。,5.3 界面反射与光泽,镜反射和漫反射,在光洁度非常高的材料表面上的反射，反射光线具有明确的方向性，称为镜反射。,陶瓷中大多数表面并不是十分光滑的，因此当光照射到粗糙不平的材料表面上时，发生相当的漫反射。,釉或搪瓷的镜反射和漫反射,不透明性和半透明性：,镜面反射和漫反
10、射,釉或者搪瓷（不透明）,毛玻璃或者瓷体（半透明）,不透明性（高乳浊性）：光在达到具有不同光学特性的物质的底层之前被漫反射； 半透明性：光应该在经过不同光学特性的物质的过程中，被散射，不要求最大的散射，但是要求内部散射光产生的漫透射要大，吸收要小。,二、乳浊剂的成分：,在熔制时，形成惰性产物，或者在冷却或再加热时从熔体中结晶出小颗粒； 硅酸盐玻璃的折射率为1.491.65，乳浊剂折射率必须与此不同。,适用于硅酸盐介质（n1.5）的乳浊剂,釉-无机材料的颜色,一、颜色的起因：,白光完全被物质吸收：黑色； 对所有的光吸收程度差不多（不存在选择性吸收）：灰色； 选择性吸收：显示颜色。 吸收光波长越短
11、，颜色越浅； 吸收光波长越长，颜色越深。,由于在可见光谱中存在吸收带而产生颜色。,二、电子跃迁形式：,1、电子内部跃迁： 过渡金属、稀土金属、未填满电子壳层离子。如：Cr3、Fe2、Co2、Ni2、Ca2 电子未被填满，当光照射时，电子吸收能量，由基态跃迁到激发态，呈现出不同的颜色。,2、禁带跃迁： （许多半导体出现的本征着色） 本征吸收：晶体受到光照射时，电子吸收光子能量，从价带跃迁到导带。只有当h Eg时，才能发生跃迁，半导体显示一定的颜色。 硅：灰黑色，具有金属光泽。是因为无选择性的吸收可见光，具有灰黑色。同时一部分光发生镜面反射，形成光泽。,（1）荧光：原子的外层电子受激发，从基态或低
12、能态跃迁到高能态，约经10-8 s后，又跃回基态或低能态，同时发射的光子，称为荧光。,应用： 利用荧光现象制作的原子荧光光谱仪，可应用于冶金、石化、材料、环境生物样品等的痕量元素分析测定。,（2）磷光：激发停止后一段时间发出的。延迟发射10-2 s 10s。,含有杂质和缺陷,由基体和激活剂两部分组成。基体一般为硫化物，如CaS、SrS、BaS、ZnS、CdS等；激活剂主要是金属，由基质选定。例如对于ZnS和CdS，最好的激活剂是Ag、Cu、Mn。,应用：磷光现象的应用是制作磷光体或荧光剂。如：电视机的荧光屏，公路交通中的夜间路标采用长余光的磷光体。,激光（Laser）是受激辐射光放大的简称，是一种单色性好,亮度高、相干性强、方向性好的相干光束。,激光（Laser）,激光,激光的产生条件： 能量输入系统（维持连续不断的受激辐射）； 实现粒子反转的激光器（工作物质与激活物质）。,红宝石激光器中的Cr的能级,平衡态时各能级的粒子数n1n2n3 波长为5500埃的黄绿光照射 后n2n1,粒子数反转：高能级的原子数大于低能级的原子数。,Al2O3 + Cr3+,几种常用材料激光器及其应用,
