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1、材料的光学性质,重庆科技学院.冶金与材料工程学院,授课对象:功能材料 2012-1、2012-2,Company Logo,概述,材料对可见光的不同吸收和反射性能使世界五光十色。 光学玻璃的应用 光通信纤维玻璃 钕玻璃 光学塑料 微波炉容器 ,Company Logo,光传播的基本理论,波粒二象性 光子是同时具有微粒和波动两种属性的特殊物质，是光的双重本性的统一。 在涉及光传播特性的场合，只要电磁波不是十分微弱，经典的电磁波理论还是完全正确的。当涉及光与物质相互作用并发生能量、动量交换的问题时，才必须把光当做具有确定能量和动量的粒子流来看待。（光波和光子),Company Logo,2. 光的
2、电磁性 光是一种电磁波，它是电磁场周期性振动的传播所形成的。在光波中，电场和磁场总是交织在一起的。变化着的电场周围会感生出变化的磁场，而变化着的磁场周围又会感生出另一个变化的电场，如此循环，电磁场就以波的形式朝着各个方向向外扩展。,Company Logo,Company Logo,可见光：人眼能感受到的，其波长大约在390770nm范围，对应的频率范围是7.710144.11015Hz。 光波是一种横波。由于人的视觉、植物的光合作用，以及绝大多数测量光波的仪器对光的反应主要由光波中的电场所引起，磁场对介质的作用远比电场要弱，而且一旦得到电场强度就可以算出磁场强度，因此实际讨论中往往只考虑电场
3、的作用，而将磁场忽略。所以电场强度矢量被直接作为“光矢量”。,Company Logo,基本公式： 光波在不同介质中的传播速度不同，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。如果不特别说明，通常使用的是真空中的波长值。,Company Logo,电磁波在介质中的速度：,Company Logo,光波的传播伴随着光能量的流动。在单位时间里流过垂直于传播方向的单位截面积的能量称为光波的能流密度。,Company Logo,3. 光的干涉和衍射（波动性） 光的波动性主要表现在它有干涉和衍射及偏振等特性。所谓双光束干涉就是指两束光相遇以后，在光的叠加区，光强重新分布，出现明暗相
4、间、稳定的干涉条纹。,Company Logo,双光束干涉的条件：两束光的频率相同、振动方向一致并且有固定的位相关系。（相干光）,Company Logo,光的衍射（绕射）：当光波传播遇到障碍物时，在一定程度上能绕过障碍物而进入几何阴影区。 只有当光遇到的障碍物或狭缝的尺寸与其波长相比可以相比拟时，衍射现象才明显地表现出来。日常所见到的一般物体与光的波长相比都可称是巨大的障碍物，所以光波通常表现直线传播性质。,Company Logo,4. 光子的能量和动量 最小的能量单元称为“光子”。 光子具有分立的动量，数值为： 光照射到物体上就相当于一串光子打到物体表面，它们对物体会产生一定的压力（光压
5、）,Company Logo,光子的能量和动量虽小，却不能再分割。最微弱的光源至少发射一个光子，要么不发射，不能发射半个光子，即光子是不可分的。 波动理论认为光强在球面上的均匀分布，在这里只能理解为球面上各个探测器接收到这个光子的概率相等。只有等这个光源发射了许多光子之后，球面上每个探测器积累接收到这个光子数才会相等。,Company Logo,总之，光既可以看作光波又可以看作光子流。光子是电磁场能量和动量量子化的粒子，而电磁波是光子的概率波。光作为波的属性可以用频率和波长来描述，而作为光子的属性则可以用能量和动量来表征。,Company Logo,光的反射和折射,反射定律和折射定律 光波入射
6、到两种媒质的分界面以后，如果不考虑吸收、散射等其他形式的能量损耗，则入射光的能量只在两种介质的界面上会发生反射和折射，能量重新分配，而总能量保持不变。,Company Logo,基本规律： （1）光在均匀介质中的直线传播定律； （2）光通过两种介质的分界面时的反射定律和折射定律； （3）光的独立传播定律和光路可逆性原理。,Company Logo,入射角、反射角、折射角含义,Company Logo,反射定律：反射线与入射线位于同一平面（即入射面）内，并分别处在法线的两侧；反射角等于入射角。 折射定律：折射线位于入射面内，并和入射线分别处在法线的两侧；对单色光而言，入射角的正弦和折射角的正弦之
7、比是一个常数。,Company Logo,Company Logo,两种材料的相对折射率与它们的绝对折射率之间的关系为： n21=n2/n1 折射定律： n1sin1=n2sin2,Company Logo,光路可逆原理： 当光线从第二介质中沿着原来的折射线从相反方向入射到界面并经过折射后，在第一介质中必定逆着原入射线的方向射出。同理，根据反射定律，若光线沿反射线从相反方向入射，经过界面反射后必定逆原入射线的方向射出。 介质的折射率是大于1的正数。,Company Logo,不同组成、不同结构的介质的折射率是不同的。影响n值的因素有下列四方面： 构成材料元素的离子半径 材料的结构、晶型和非晶态
8、 材料所受的内应力 同质异构体,Company Logo,构成材料元素的离子半径,介质的折射率随介质的介电常数的增大而增大。 与介质的极化现象有关。当光的电磁辐射作用到介质上时，介质的原子受到外加电场的作用而极化，正电荷沿着电场方向移动，负电荷沿着反电场方向移动，这样正负电荷的中心发生相对位移。外电场越强，原子正负电荷中心居里愈大。由于电磁辐射和原子的电子体系的相互作用，光波被减速了。,Company Logo,当介质材料的离子半径增大时，其增大，因而n也随之增大。,Company Logo,材料的结构、晶型和非晶态,折射率除与离子半径有关外，还与离子的排列密切相关。对于非晶态（无定型体）和立
9、方晶体这些各向同性的材料，当光通过时，光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折射率，称之为均质介质。但是除立方晶体以外的其他晶型，都是非均质介质。光进入非均质介质时，一般都要分为振动方向相互垂直、传播速度不等的两个波，它们分别构成两条折射光线，这个现象称为双折射。 双折射是非均质晶体的特性，这类晶体的所有光学性能都和双折射有关。,Company Logo,平行于入射面的光线的折射率，称为常光折射率n0。常光折射率严格服从折射定律。 与之垂直的光线所构成的折射率，则随入射线方向的改变而变化，称为非常光折射率ne。它不遵守折射定律，随入射光的方向而变化。 当光沿晶体光轴入射时，只有n0存在；与光
10、轴方向垂直入射时，ne达最大值，此值视为材料特性。,Company Logo,材料所受的内应力,有内应力的透明材料，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。,Company Logo,同质异构体,在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存在的晶型折射率较高。,Company Logo,2. 折射率与传播速度的关系 材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。两种介质相比，折射率较大者，光的传播速度较慢，称为光密介质；折射率较小者，光的传播速度较快，称为光疏介质。,Company Logo,材料表现出一定的折射率，从本质上讲，反映了材料的电磁结构（对非铁磁介质主要是电结
11、构)在光波电磁场作用下的极化性质或介电特性。 正是因为介质的极化，“拖住”了电磁波的步伐，才使其传播速度变得比真空中慢。材料的极化性质又与构成材料的原子的原子量、电子分布情况、化学性质等微观因素有关。这些微观因素通过宏观量介电系数来影响光在材料中的传播速度。,Company Logo,3. 反射率和透射率 反射光的功率对入射光的功率之比称为反射率（有时也称反射比）。经过折射进入第二介质的光为透射光，透射光与入射光之比称为透射率。,Company Logo,当光线由介质1入射到介质2时，光在介质面上分成了反射光和折射光，如图，这种反射和折射，可以连续发生。当光线从空气进入介质时，一部分反射出来了
12、，另一部分折射进入介质。当遇到另一界面时，又有一部分发生反射，另一部分折射进入空气。,Company Logo,布儒斯特定律： 自然光在电介质界面上反射和折射时，一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光，只有当入射角为某特定角时反射光才是线偏振光，其振动方向与入射面垂直，此特定角称为布儒斯特角或起偏角。 光以布儒斯特角入射时，反射光与折射光相互垂直。,Company Logo,Company Logo,利用布儒斯特角可以产生偏振光。介质的折射率与波长有关，因此同一材料对不同波长有不同的反射率。如，金对绿光的垂直反射率为50%，而对红外线的反射率可达96%以上。,Company Logo,W-光的
13、总能量 W-反射光的总能量 W-折射光的总能量 m-反射系数，根据能量守恒定律，其中1-m称为透射系数,Company Logo,由于陶瓷、玻璃等材料的折射率较空气的大，所以反射损失严重。如果透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失更可观。为了减少这种界面损失，常常采用折射率和玻璃相近的胶将它们粘起来，这样，除了最外和最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面都是玻璃和胶的较小的相对折射率，从而大大减小了界面的反射损失。,Company Logo,常用的光学窗口材料：玻璃和熔石英是最常见的非金属光学材料，它们在可见光区是透明的，但光线正入射时，每个表面仍约有4%的反射。高分子材料中有机玻璃在
14、可见光波段与普通玻璃一样透明，在红外区也有相当的透射率，可作为各种装置的光学窗口。聚乙烯在可见光波段不透明，但在远红外区透明，可作远红外波段的窗口和保护膜。,Company Logo,4. 光的全反射和光导纤维 当光束从折射率n1较大的光密介质进入折射率n2较小的光疏介质，即n2n1时，则折射角大于入射角。因此入射角达到某一角度c时，折射角可等于90，此时有一条很弱的折射光线沿界面传播。如果入射角大于c，就不再有折射光线，入射光的能量全部回到第一介质中。这种现象称为全反射， c就称为全反射的临界角。,Company Logo,不同介质的临界角大小不同。 普通玻璃对空气42 水对空气48.5 钻
15、石因折射率很大（n=2.417），故临界角很小，容易发生全反射。切割钻石时，利用特殊的角度选择，可使进入的光线全反射并经色散后向其顶部射出，看起来就会光彩夺目。,Company Logo,利用光的全反射原理，可以制作一种新型光学元件光导纤维（光纤）。 光纤是由光学玻璃、光学石英或塑料制成的直径为几微米至几十微米的细丝（纤芯），在纤芯外面覆盖直径100150m的包层和涂敷层。包层的折射率比纤芯略低，在内外两层之间产生多次全反射而传播到另一端。在光导纤维内传播的光线，其方向与纤维表面的法向所成夹角如果大于42，则光线全部内反射，无折射能量损失。 目前常用的光纤材料有石英系玻璃、多成分玻璃和复合材料
16、。,Company Logo,Company Logo,Company Logo,5. 棱镜、透镜和反射镜 利用材料的折射性质可以制成有用的光学元件，应用最外广泛的是棱镜和透镜。,Company Logo,材料对光的吸收和色散,一束平行光照射各向同性的材料时，除了可能发生反射和折射而改变其传播方向之外，进入材料之后还会发生两种变化。 光吸收 光的色散,Company Logo,1. 光的吸收 （1）吸收系数与吸收率 入射光强减少量dI/I应与吸收层的厚度dl成正比。即为吸收系数，其单位为cm-1，它取决于材料的性质和光的波长。,Company Logo,朗伯特（Lambert)定律： 它表明，在介质中光强随传播距离呈指数式衰减。 光作为一种能量流，在穿过介质时，引起介质的价电子跃迁，或使原子振动而消耗能量。此外，介质中的价电子吸收光
