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1、第四章 材料的光学性能,4.1 光通过介质的现象 4.2 无机材料的透光性 4.3 界面反射与光泽 4.4 不透明性和半透明性 4.5 其它光学性能的应用,光学性能的应用,基础, ,取之不尽的能源 信息载体 生命之源,光,引 言,透光材料,激光材料,光纤材料（导光材料）,发光材料,光调制材料（电光、磁光、声光材料）,光电材料,光信息材料,非线性光学材料,光学材料分类,光参量,光具有波粒二象性，既有波动性，又有粒子性。,照片底片感光、眼睛的视觉作用等都是由光波电场引起，所以用图形表示光波时，通常略去磁场不画，只画电场。,波长（ ）：两相邻波峰或波谷间的距离，亦即在周期性波动的传播方向上具有相同相
2、位的两相邻点之间的距离，即波的空间周期。,Einsten光电效应方程：,频率（）：每秒钟电场完成振动周期的次数（Hz）。,相位：在一个转动周期或一个波长范围内，各点位置的度量，它是综合频率、时间、波长、距离在内的一个角度量。是描述振动和波动状态的一个综合性波参量。,振幅：光波中振动着的电场的最大值。光强的大小与振幅的平方成正比，因此振幅的大小决定着光的强弱。,线性光学性能,描述普通光学现象的重要公式表现出数学上的线性特点，即介质的电极化强度P与入射光波的电场E成简单的线性关系。,x为介质的极化率，0位真空介电常数。,4.1 光通过介质的现象,一、折射 二、色散 三、反射 四、介质对光的吸收 五
3、、介质对光的散射,一、折射,1. 概念,当光线依次通过不同的介质时，光的行进方向会发生改变，称为“折射”。 折射现象的实质：介质的密度不同，光通过时，传播速度也不同。,2. 折射率,介质对光的折射性质用材料的“折射率”n表示。,光从真空进入介质材料时，速度降低。光在真空和材料中的速度之比即为材料的绝对折射率。,（1）绝对折射率,介质的折射率永远为大于1的正数。,空气：n=1.003 固体氧化物： n= 1.32.7 硅酸盐玻璃： n= 1.51.9,材料2相对于材料1的相对折射率为：,（2）相对折射率,2. 影响因素,（1）构成材料元素的离子半径,根据Maxwell电磁理论，光在介质中的传播速
4、度为：,对于无机材料：,c：真空中的光速； ：介质的介电常数； ：介质的导磁率。,介质的折射率随其介电常数的增大而增大。,折射率与介质的极化现象有关。,介电常数,外加电场作用下，介质中的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，这种现象就是介质的极化。外加电场越强，正负电荷中心的距离越大。,介质的离子半径增大时，其增大，因而n也随之增大。,大离子得到高折射率材料：PbS n=3.912 小离子得到低折射率材料： SiCl4 n=1.412,（2）材料的结构、晶型和非晶态（离子的排列）,光学均质介质：非晶态（无定型体）、等轴系晶体（各向同性）,光学非均质介
5、质：等轴系晶体外的其它晶体材料,光通过时，光速不会因传播方向的改变而变化，材料只有一个折射率,光通过时，一般都要分为振动方向相互垂直、传播速度不等的两个波，构成两条折射线，这种现象称为双折射。,晶体中沿密堆积方向上具有最高的折射率。,是非均质晶体的特性，是材料各向异性的表现。,双折射：当一束单色自然光在各向异性晶体的界面折射 时，一般产生两束折射光（均为线偏振光）。,寻常光(o光),非常光(e光),寻常光：平行于入射面的光线的折射率n0不随入射角的变化而变化，始终为一常数，服从折射定律。 非常光：与寻常光垂直的光线的折射率ne随入射线方向的改变而变化,不服从折射定律。,不发生双折射的特殊方向称
6、为“光轴”，光沿光轴方向入射时，只有n0存在；与光轴方向垂直入射时，ne达到最大值。,（4）同质异构体,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。对于压应力，具有相反的效果。,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； 相同化学组成的玻璃比晶体的折射率低。 如：室温下， 石英玻璃：n=1.46 石英晶体：n=1.55,（3）材料的内应力,二、色散,1. 概念,材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为折射率的色散。,2. 色散系数,nD，nF，nC分别为以钠的D谱线、氢的F谱线和C谱线（5893， 4861， 6563）为光源，测
7、得的折射率,描述光学玻璃的色散还用平均色散（nF-nC）,实用的测量色散的方法是采用固定波长下的折射率来测量，描述材料色散的光学参量最常用的数值是倒数相对色散，即色散系数。,在自然光的透过下，在像的周围环绕一圈色带，克服的办法是用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸、凹透镜组成复合镜头，可消除色差，这种镜头就是消色差镜头。,3. 讨论,由于光学玻璃一般都或多或少具有色散现象，因而使用这种材料制成的单片透镜，成像不够清晰，,三、反射,1. 反射系数,反射系数m：,W，W，W分别为单位间内通过单位面积的入射光、反射光和折射光的能量流。,W=W+ W,透射系数1-m：,根据波动理论：,S、v分别为光束的横
8、截面积和传播速度 A为振幅,反射波的传播速度与横截面积与入射波相同,Fresnel推导：,角度很小，即垂直入射时：,介质2相对于介质1的折射率：,反射系数m与折射率n有关，若介质2对于介质1的相对折射率为n21，当角度很小，即垂直入射时，则有：,2. 讨论,垂直入射条件下，界面反射的多少，取决于相对折射率n21； 介质1为空气，可以认为n1=1，于是n21= n2； n1和n2相差很大，界面反射损失严重； 若n1=n2，则m=0，垂直入射时几乎没有反射损失； 光通过的界面越多，界面反射就越严重。光连续透过x块反射率为m的介质时，透过部分为(1-m)2x。,例：玻璃的折射率n=1.5 光的反射损
9、失： 透过部分为：1-m=1-0.04=0. 96 透射光从另一界面射入空气，透过两个界面，透过部分为： (1-m)2=0.962=0.9216 连续透过x块平板玻璃，透过部分为：(1-m)2x,陶瓷和玻璃等材料的折射率比空气大，所以光从空气进入这些材料时，反射损失严重。,由多块玻璃组成的透镜系统，常常用折射率和玻璃相近的胶粘起来，这样除了最外和最内的两个表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面均是玻璃和胶的较小的相对折射率，从而大大减少了界面的反射损失。,3. 全反射,光线从光密介质（玻璃）进入光疏介质（空气）中时，折射角2大于入射角1 。当1 为某值时，2可达到90，这时光线平行于表面传
10、播。 1 继续增大时，光线就会全部向内反射回光密介质内，这种现象称为全反射。,光纤通讯,四、介质对光的吸收,1. 光吸收的一般规律,光作为一种能量流，在穿过介质时，其能量的衰减现象，称为光的吸收。,厚度为x的平板材料，入射光的强度为I0，通过该材料后光强度为I，则通过材料薄层的吸收损失-dI正比于该处的光强I和薄层的厚度dx。,能量衰减,使介质的价电子跃迁 使介质的原子振动 价电子激发发出光子热能,（朗伯特定律） (Lambert),光强度随穿过介质厚度的变化符合指数衰减规律。,：物质对光的吸收系数，单位为cm-1。K为吸收率。 取决于材料的性质和光的波长。越大，材料越厚，光就被吸收的越多，透
11、过后的光强度就越小。,不同材料， 差别很大。 空气： 10-5cm-1 玻璃： 10-2cm-1 金属： 为几万几十万，所以金属实际上时不透明的。,由于吸收引起的光剩余强度为：,2. 光吸收与波长的关系,(1)选择性吸收,材料对某一波段的光具有强烈的吸收作用，而对其它波段的光吸收较弱或不吸收，这种现象称为选择性吸收。 严格说一切介质都是选择性吸收介质。,透明材料在可见光谱内的选择性吸收使其呈现不同的颜色。,由于反射和吸收引起的光剩余强度为：,反射系数,(2)均匀吸收,在可见光范围内，介质对各种波长的光的吸收程度相同，这种现象称为均匀吸收。,均匀吸收情况下，随着吸收程度的增加，颜色从灰变到黑。,
12、光波在材料中遇到光学性能不均匀的结构，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，使光束强度降低。 本质：光波遇到不均匀结构产生次级波，与主波方向不一致，与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向，引起散射。,S：散射系数单为为cm-1。,相均匀分布的材料，由于散射引起的光强减弱规律与吸收规律形式相同：,1. 光散射的一般规律,五、介质对光的散射,由于吸收和散射引起的光剩余强度为：,由于反射、吸收和散射引起的光剩余强度为：,I0：光的原始强度； I：透过厚度为x的材料后，由于散射引起的剩余强度。,（1）质点大小,d 时， S 最大。 d 时， d ，
13、S ;,散射质点的体积分数不变：,2. 影响因素,散射系数与散射质点的大小、数量以及其与基体的相对折射率等因素有关。,当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。,反射、折射引起的总体散射起主导作用。 散射系数正比于散射质点的投影面积。,d 时，,N：单位体积内的散射质点数； R：散射质点的平均半径； K：散射因素，取决于基体与质点的相对折射率； V：散射质点的体积含量。,d 时，R越小，V越大，S越大。,可近似采用瑞利（Rayleigh）散射来处理：,主要为米氏（Mie）散射，散射效果主要与粒子横截面积成比例。,d /3时，,d=时，,d /3时，R越大，V越大，S越大。,（2）散射质
14、点与基体的相对折射率,散射质点与基体的相对折射率越大，散射越严重。,4.2 无机材料的透光性,一、透光率 二、材料透光性的影响因素 三、提高材料透光性的措施,一、透光率,透光率是个综合指标，指光通过材料后，剩余光能占入射光能的百分比。,原始光,材料,剩余光,透光率：,吸收系数,吸收系数与材料的性质密切相关。,金属材料：吸收系数太大，不透光。 陶瓷、玻璃、高分子介电材料： 在可见光范围内吸收系数较低，在影响透光性的因素中不占主要地位。,反射系数,反射损失与相对折射率有关，也与表面粗糙度有关。,二、材料透光性的影响因素,散射系数,（1）材料的宏观及显微缺陷,除纯晶体和玻璃体具有良好的透光性外，多晶
15、多相材料，内含杂质、气孔、晶界、微裂纹等缺陷，看上去是不透明的，主要是由于散射引起的。 散射系数是影响透光性的主要因素。,材料中的缺陷与主晶相不同，于是与主晶相具有相对折射率，此值越大，反射系数越大，散射因子也越大，散射系数变大。,（2）晶粒排列方向的影响,各向异性体，存在双折射。,多晶无机材料，相邻晶粒之间的结晶取向不同。这样，由于双折射造成相邻晶粒之间的折射率也不同。,两个晶粒寻常光的相对折射率相同，即n0/n0=1，无反射损失； 左晶粒的寻常光折射率n0与右晶粒的非寻常光折射率ne不同，形成相对折射率n0/ne1 ，造成反射系数和散射系数，引起很大的散射损失。,影响多晶无机材料透光率的主
16、要因素就是晶体的双折射率。,-Al2O3晶体的n0=1.76，ne=1.768，若相邻晶粒的取向互相垂直，晶界面的反射损失为：,材料厚2mm，晶粒平均直径为10m，理论晶界为200个，由于晶界的反射损失，剩余光强：,透明Al2O3的原理，石英玻璃和微晶玻璃的透光率也很高。,反射损失很小,应用举例：,金红石型TiO2陶瓷n0=2.854，ne=2.567，反射系数为m=2.810-3，材料厚3mm，晶粒平均直径为3m，理论晶界为1000个，由于晶界的反射损失，剩余光强：,反射损失很大,金红石型TiO2陶瓷不透光的原理,各向同性体，立方晶系材料（MgO、Y2O3）没有双折射，本身透明度较高，如果使晶界玻璃相的折射率与主晶相相差不大，有可能得到透明陶瓷材料，实现非常困难。 多晶陶瓷的透光率不如同成分的玻璃（非晶态）大，因为玻璃不存在双折射，也就不存在晶界反射和散射两种损失。,（3）气孔引起的散射损失,气孔可看作第二相，其折射率n1可看作1，与基体材料的折
