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1、材料物理基础,宋 晔,5 材料的光学,光学现象是材料的一个重要特性，材料的光学性能被人们极为广泛地利用。材料对可见光的不同吸收和发射性能使世界缤纷多彩。玻璃、塑料、金属、晶体和陶瓷都可以成为光学材料。,对人眼睛敏感的可见光(visible light)谱的波长= 380760 nm，仅是电磁波谱(=10-5l0-15 m)中的一小部分，其颜色决定于光的波长。,5.1 材料的透光性,光与固体材料的相互作用,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。,光与固体相互作用的本质有两种方式： 电子极化 电子能态转变,电子极化 电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量；
2、在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用引起电子极化，即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移； 所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时光速减小，后者导致折射。,电子能态转变 电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能态的过程； 材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化E与电磁波频率有关： E=h 受激电子不可能无限长时间地保持在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波，即自发辐射。,光的折射与反射,光子进入材料，其能量将受到损失，故光子的速度将发生改变。当光从真空进入较致密的材料时
3、，其传播速度降低，光在真空中的速度v真空与材料的速度v材料之比，称为材料的折射率n,材料2相对于材料1的相对折射率,反射定律 三线共面；反射角等于入射角 折射定律 三线共面；,根据Maxwell电磁场理论，光在介质中的传播速度：,因此,而一般材料（非铁磁性材料）,则,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。 材料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构）在光波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，才使得其传播速度变得比真空中慢。,构
4、成材料元素的离子半径。大离子可提高n，小离子可构成低n的材料。如：PbS n=3.912, SiCl4 n=1.412。 材料的结构、晶型。 根据光线通过材料的表现，把介质分为均质介质和非均质介质。非晶态(无定型体)和立方晶体结构，当光线通过时，光速不因入射方向而改变，故材料只有一个折射率，称为均质介质。除立方晶体外的其他晶型都属于非均质介质，其特点是光进入介质时产生双折射现象。,折射率的影响因素,双折射现象使晶体有两个折射率：其一是服从折射定律的寻常光的折射率。不论入射方向怎样变化，始终为一常数；而另一折射光的折射率随入射方向而改变，称为非寻常光的折射率。,材料存在的内应力 有内应力的透明材
5、料，垂直于存在的主应力方向的n值大，平行于主应力方向的n值小。 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。例如：常温下的石英玻璃n1.46,常温下的石英晶体n1.55；高温时，鳞石英n1.47，方石英n1.49。可见，常温下的石英晶体n最大。,光的反射与折射图,根据麦克斯韦方程组和电磁场的边界条件可以得到光波在反射前后和折射前后的能量变化规律。反射光的功率对入射光的功率之比称为反射系数(反射比)。经过折射进入第二介质的光为透射光，透射光与入射光功率之比称为透射系数。,反射系数和透射系数,设光的总能量流为,式中，W，W， W分别为单位时间通过单位面积的入射
6、光、反射光和折射光的能量流。,反射系数 m,接近垂直入射,根据能量守恒定律, 透射系数为：,设一块n=1.5的玻璃m=0.04，1-m=0.96，其折射光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，则透过部分为(1-m)2=0.922；若连续透过x块平板玻璃，则透过部分为(1-m) 2x。由于一般玻璃、陶瓷的折射率比空气大，故反射显著。 若透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失更大，为减小这种界面反射损失，常采用折射率与玻璃相近的胶将它们粘起来，使得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，从而大大减小界面的反射损失。,由于光是一种能量流，在光通过材料传
7、播时，会引起材料的价电子跃迁或使原子振动，从而使光能的一部分变成热能，导致光能的衰减。这种现象称为光的吸收。,光的吸收,大量实验证明：入射光强减少的相对量dI/I与吸收层的厚度dx 成正比:,两边积分,则有,朗伯特(Lambert)定律，表明光强度随厚度的增大而指数地衰减。,材料对光的吸收系数，取决于材料的性质和光的波长。,例如：,金属实际上是不透明的,金属、半导体和电介质材料吸收系数与电磁波长的关系,上图所示是材料的光吸收系数与电磁波波长的关系。由图可见，在电磁波可见光区，金属和半导体介质对其吸收都是很大的，但电介质材料，包括玻璃、陶瓷、高聚物等材料在可见光波谱区吸收系数很小，具有良好的透过
8、性。,金属对光能吸收强烈，原因在于金属的价电子处于未满带，吸收光子后即呈激发态。在可见光区，金属和半导体的吸收系数都很大。由于绝缘性材料的价电子所处的能带是满的，光子的能量又不足以使价电子跃迁到导带，故在可见光波长范围内的吸收系数很小。在紫外光波长时，光子能量越来越大，直到光子能量达到禁带宽度时，绝缘性材料的电子就会吸收光子能量从满带跃迁到导带，导致吸收系数在紫外光区急剧增大。,图中所示的红外区的吸收峰产生的原因与可见光及紫外端吸收产生的原因不同。红外吸收与晶格振动有关。具体说是离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致，即声子吸收。研究表明此吸收与材料的热振频率有关。,对于光学元件（如光窗
9、、棱镜、透镜等）需要的材料能透过波长范围愈广愈好，最好是能找到透过紫外线、可见光和红外光的材料，但是这种材料是很难找到，因为短波侧受材料的禁带宽度Eg限制，其紫外吸收端相应的波长可根据材料的禁带宽度Eg求得。,另一端受晶格热振动的限制，它决定最长波长的透过。因为晶体共振频率为,决定透过的最长波长，原子的质量及键强是十分重要的。质量愈大，键强愈弱，透过的波长愈长。,除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。 任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。,例如，光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸
10、收系数不变；但是对于波长范围为3.55.0m的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸收。换言之，石英对可见光和紫外线的吸收甚微，而对红外光有强烈的吸收。,又如，普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线和紫外线都有强烈的吸收，是不透明的。 因此在红外光谱仪中，棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶体和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，棱镜常用对紫外线透明的石英制作。 实际上，任何光学材料，在紫外和红外端都有一定的透光极限。 任何物质都有这两种形式的吸收只是出现的波长范围不同而已。,若材料在可见光范围对各种波长的吸收程度相同，则称为均匀吸收，它随吸收程度的增加使颜色从灰变到黑； 若材料
11、对某一波长吸收系数很大而对另一波长吸收系数很小，则称为选择吸收，透明材料的选择吸收使其呈不同的颜色。,均匀吸收和选择吸收,光的色散和散射,在真空中，光以恒定的速度传播，与光的频率无关。然而，在通过任何材料时，光的传播速度要发生变化，而且不同频率的光在同物质中的传播速度也不同； 这一事实在折射现象中最明显地反映了出来，即物质的折射率与光的频率有关，折射率n取决于真空中光速c和物质中光速v之比； 材料的折射率n随入射光的频率减小(或波长增大)而减小的现象，称为光的折射率的色散。,在给定入射光波长的情况下，材料的折射率随波长的变化率称为色散率 。,一些无机固体的折射率与波长的关系,对于同一材料而言，
12、波长愈短则折射率愈大； 波长愈短色散率愈大； 不同材料，对同一波长，折射率大者色散率也大； 不同材料的色散曲线间没有简单的数量关系。,分析这些曲线可得如下规律：,色散（率）对于光学玻璃是重要参量，因为色散严重造成单片透镜成像不够清晰，在自然光的透过下，像的周围环绕了一圈色带。克服的方法是用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜组成复合镜头，以消除色差，这被称之为消色差镜头。,式中，nD、nF、nC分别为以钠的D谱线(589.3nm)、氢的F谱线(486.1nm)和C谱线(656.3nm)为光源测定的折射率。,判断光学玻璃色散的方法并不一定要测定色散曲线，最常用的是倒数相对色散，即色散系数(
13、Abb数)：,当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为光的散射。 例如，当一束太阳光从窗外射进室外内时，我们从侧面可以看到光线的径迹，就是因为太阳光被空气中的灰尘散射的缘故。,光的散射,光的散射,散射的一般规律 在材料中如果有光学性能不均匀的微小结构区域，例如含有小粒子的透明介质、光性能不同的晶界相、气孔或其它夹杂物，都会引起一部分光束被散射，由于散射，光在前进方向上的强度减弱了，对于相分布均匀的材料，其减弱的规律与吸收规律具有相同的形式,散射系数,S不但与入射光波长
14、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。,当散射点尺寸约等于光的波长时，出现散射峰值。散射点与基体的相对折射率愈大，则散射系数愈大，将产生严重的散射。,一般测量得到的“吸收系数”实际包含两部分，一部分是真正的吸收系数，一部分是散射系数S。在很多情况下其中一个往往比另一个小得多，小的一个可以忽略不计。当然也有两种作用是同等重要的。两式结合称为Bouguer定律：,光散射分类,根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，分为弹性散射与非弹性散射 弹性散射：散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化，只改变方向的散射。 非弹性散射：当光通过介质时，从侧向接受到的散射光
15、主要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散射。当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪，可发现散射光中还有其它光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱得多。这些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果，称为非弹性散射。,瑞利散射 Rayleigh scattering 通常我们把线度小于光的波长的微粒对入射光的散射，称为瑞利散射（Rayleigh scattering）。 瑞利散射不改变原入射光的频率。,为了解释天空为什么呈蔚蓝色，瑞利（L. Rayleigh，1842-1919）研究了线度比光的波长小的微粒的散射问题，在187
16、1年提出了散射光强与波长的四次方成反比的关系，即 这就是瑞利散射定律。,按照瑞利散射定律，我们不难理解晴天时晨阳与午阳的颜色不同。 入射波长越长，散射光强越小，即长波散射要小于短波散射。 因为大气及尘埃对光谱上蓝紫色光的散射比红橙色光为甚，阳光透过大气层越厚，其中蓝紫色光成分损失越多，太阳显得越红。,Global,早晨,中午,太阳光,透光率是指光能通过材料后剩余光能所占的百分比。,材料的透光性和颜色,从左侧传入右侧空间中的光强为,透光率,影响材料透光性的主要因素有： 吸收系数、反射系数m 、散射系数S以及材料的厚度。透光率随着这四个因素的增大而减小。,有许多材料本来是透明的，也可被制成半透明或不透明的。其基本原理是设法使光线在材料内部发生多次反射(包括漫反射)和折射，致使透射光线变得十分弥散，当散射作用非常强烈，以致几乎没有光线透过时，材料看起来就不透明了。本应是透明的，但由于各种原因或人为造成的不透明往往称为乳浊。,引起内部散射的原因是多方面的。一般地说，由折射率
