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1、材料科学与工程基础,主讲人：张红鹰,4.5 材料的光学性能 （Optical Properties of Materials）,4.5.1电磁辐射及其与原子的相互作用 （Interaction of Electromagnetic Radiation and Atoms）,4.5.2 折射、反射、吸收和透射 （Rfraction、Reflection、 Absorption and Transmission）,4.5.1电磁辐射及其与原子的相互作用 （Interaction of Electromagnetic Radiation and Atoms）,光是一种电磁波，它是电磁场周期性振动的传
2、播所形成的 电磁波具有宽阔的频谱 白光是各种色光的混合光,一、光的波动性,一、光的波动性,而周期和频率的关系为波长为故光波的速度光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有不同的波长,三、光和固体的相互作用,固体材料的光学性质，取决于电磁辐射与材料表面、近表面以及材料内部的电子、原子、缺陷之间的相互作用。 光从一种介质进入另一种介质时：透射、吸收、反射、散射 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 从微观上分析 ，其实就是光子与固体材料中的原子、离子、电子之间的相互作用,电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量 在可见光范围内，电场分量与传
3、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,1、电子极化,2、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,光从一种介质进入另一种介质时，入射光通过介质界面单位 时间通过单位面积的能量。单位：W/m2 当光通过介质时会发生如下
4、的现象 1）透过介质，2）吸收，3）反射，4）散射 根据能量守恒：或,3、光辐射能流率,4.5.2 折射、反射、吸收和透射 （Rfraction、Reflection、 Absorption and Transmission）,光照射到某种材料上时，将产生光的反射与折射、光的吸收与透射。,1、光的折射,光子进人材料，其能量将受到损失，因此光子的速度将要发生改变。当光从真空进入较致密的材料时，其速度下降。光在真空和在材料中的速度之比，称为材料的折射率n。n=v真空/v材料=C/v材料 光从材料l通过界面进人材料2时，与界面法线所形成的入射角为 1，折射角为2 ，则材料2 相对材料l 的相对折射率
5、为Sin 1 /Sin 2 =n2/n1 =v1/v2=n21 材料的折射率是永远为大 于1的正数。例如空气n=1.000 3。,2、光的反射,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，如右图。这种反射和折射，可以连续发生。,镜面反射和漫反射,在材料表面，光洁度非常高的情况下，反射光线具有明确的方向性，一般称之为镜反射。 漫反射的产生是由于材料表面粗糙，在局部地方的入射角参差不一，反射光的方向也各式各样 ，致使总的反射能量分散在各个方向上。 材料表面越粗糙，镜反射所占的能量分数越小。,由于反射，使得透过部分光的强度减弱。,通常用反射率R表示被反射光强的百分数。,R=IR/
6、I0,IR为反射光的强度；I0为入射光的强度。,光线穿过介质1垂直入射介质2的情况下，光在界面上的反射率取决于两种介质的折射率n1和n2。,如果介质1为空气，可以认为n11，相对折射率n21n，则:,显然，如果两种介质折射率相差很大，因此反射损失相当大，透过系数只有(1R)。若两种介质折射率相同，则R=0。垂直入射时，光透过几乎没有损失。光透过的界面越多，且材料的折射率相差越大，界面反射就越严重。由于陶瓷等材料的折射率较空气的大，所以反射损失较严重。,3、光的吸收,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，介质中的价电子因吸收光子能量而激发，当尚未发出
7、光子退激而在运动中与其他原子或分子碰，电子的能量转变成热能，从而构成光能的衰减，即光吸收。,设有一块厚度为的平板材料，入射光的强度为I0,通过此材料后光 的强度为I (如图)。选取其中一薄层，并认为光通过此薄层的吸收损失 dI正比于在此处的光强I和薄层的厚度 dx，即 dI = Idx，积分后可得：I=I0exp（-x） 式中I为透射后的强度， 为吸收系数， 其单位为cm-1。可见，光强度随穿过介质厚度的变化 符合指数衰减规律，这一规律称为朗巴特 (Lambert)定律。,材料对光的吸收率与波长的关系,金属对光能吸收很强烈 这是因为金属的价电子处于未满带，吸收光子后呈激发态，用不着跃迁到导带即
8、能发生碰按而发热。,电介质材料（包括玻璃、陶瓷等)有良好的透过件(吸收系数很小)因为电介质材料的价电子所处的能带是填满了的，它不能吸收光子而自由运动，而光子的能量又不足以使价电子跃迁到导带，所以在一定的波长范围内，吸收系数很小。,但是在紫外区，电介质材料却出现了紫外吸收端。这是因为波长越短，光子能量越大。当光子能量达到禁带宽度时(紫外光区)，电子就会吸收光子能量从满带跃迁到导带，此时吸收系数将骤然增大。此紫外吸收端相应的波长可根据材料的能隙宽度Eg求得：,能隙大的材料，紫外吸收端的波长比较小。如果希望材料在电磁波谱的可见光区的透过范围大，就要求其紫外吸收端的波长较小，即Eg较大。如果Eg太小，
9、光波甚至可能在可见光区也会被吸收而不透明。,电介质材料在红外区的吸收峰是离子或有机分子的各类弹性振动、转动、摆动等与光子辐射发生谐振消耗能量所致。红外吸收光谱正是根据这一原理设计的。要使谐振点的波长尽可能远离可见光区，即吸收峰处的波长尽可能大，则所选择的材料需有较低的热振频率。,材料的光吸收与再发射机制,金属具有光的反射性能，大多数金属的反射率在0.900.95。,4、光的透射,当光线垂直射向团体(或液体)表面时，入射光强度中有一定分数(R)被反射掉,设I0为入射线强度，则进入材料的光强度为(1一只) I0 。进入材料的光线在穿过材料时与电子发生相互作用，从而被全部或部分吸收(这取决于材料)，
10、光强度不断减弱。根据朗伯特定律，对于厚度为l的材料，入射到达材料底面的光强度为：,金属和合金是以高R值为特征（接近于1）。而无机玻璃的典型R值仅为0.05。,4.5.3 材料的光学性质,1、金属材料的光学性质 （1）各种入射辐射被吸收金属导带中已填充的能级上方有许多空的电子能态频率分布范围很宽的各种入射辐射都可以激发电子到能量较高的未填充态从而被吸收； （2）金属的反射，是由吸收再反射综合造成的反射率具有频率依赖性对于红外辐射则透明,银在整个可见光范围的反射率都很高，结果其颜色以白色为特征，并具有明亮的光泽。金对可见光范围短波区域的光强烈吸收，对红光和黄光完全反射，所以显示黄颜色。,（1）对红
11、外线有一定程度的吸收 （2）吸收可见辐射，且不透明（半导体） （3）绝缘体倾向于对可见辐射透明 Eg大 （4）漫透射由多次内反射造成 （5）加工过程中留下孔洞而不透明 1%陶瓷,2、无机非金属材料的光学性质,聚合物多数无色,包括高透明(transparent)到不透明。透明度的损失起源于材料内部折射指数(refraction index)不均匀性产生的光散射 聚合物透明带色，选择性吸收 结晶聚合物通常是半透明(translucent)或不透明(opaque)的 增加聚合物材料透明性的方法 加速成核或由熔体急剧冷却减少球晶大小； 拉伸球晶转变为取向微丝,3、高分子材料的光学性质,光泽：与镜反射和
12、漫反射的相对含量密切相关。表面光泽与反射影像的清晰度和完整性，即与镜反射光带的宽度和它的强度有密切的关系。其因素主要由折射率和表面光洁度决定。,提高表面光泽,提高表面光洁度,增加表面粗糙度,减小表面光泽,4.5.5、光泽,颜色,由于光吸收的选择性，导致物体吸收一定波长范围的光，而反射或透射其它波长范围的光，从而使物体呈现出不同的颜色 。,如：纯铜吸收可见光谱的蓝或紫端的光子，而反射较长波长的可见光，所以，纯铜显红色。,透明材料的颜色某种物质对光的选择性吸收，是吸收了连续光谱中的特定波长的光子。光的颜色是未被吸收的光和重新发射的光混合光的颜色。,4.5.6 发光材料,光的发射是物体中电子从高能态
13、到低能态的跃迁产生的，物体要发光，首先就得使物体中的电子处于高能态。,白炽灯丝2000,光与热相伴而行,炉火纯青,要靠辐射有效地产生可见光，物体的温度必须足够高！,热辐射决定于物体的温度，是一种普遍存在的现象。,1、发光,暖光,冷光,不需要提高物体的温度，是物体在某种外界条件的刺激下偏离热平衡状态时由激发态到基态的跃迁所产生的辐射。是一种非平衡辐射。,以某种方式将能量传递给物体使电子提升到一定高能态的过程，称为激发过程。发光就是将所吸收的激发能转化为光辐射的过程。,能量来源：物理能、机械能、化学能、生物能等; 相应地有：物理发光、机械发光、化学发光、生物发光等。,2. 自发发光与受迫发光,自发
14、发光：受激发的粒子（如电子），受粒子内部电场作用从激发态A而回到基态G时的发光。 受迫发光：受激发的电子只有在外界因素的影响下才发光。,3. 材料的发光特征,颜色特征不同的发光材料有着不同的发光颜色。 发光强度特征发光强度代表发射光的能量，是一个客观数值；发光的亮度是人眼的感觉，是主观判断的结果，其中包含了眼睛对不同颜色视觉的差别。,发光持续时间特征,当外界激发源去除，发光现象随即消失，这称为荧光。,当外界激发源去除，发光能持续一段较长的时间，称为磷光。,4. 发光材料分类（按激发方式来分）,光致发光材料,发光材料在光（紫外光、红外光、可见光等）照射下激发发光。,电致发光材料,发光材料在电场或
15、电流作用下的激发发光。,发光材料在电子束或其它射线束的轰击下的激发发光。,发光材料在热作用下的激发发光。,发光材料在等离子体的作用下的激发发光。,射线致发光材料,热致发光材料,等离子发光材料,1960年美国人maiman首先建立了世界上第一台在红光谱区发射激光的红宝石。,激光器,5、激光,自发辐射 受激辐射,（1） 自发辐射,原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激发态的高能级E2自动跃迁到低能级E1，这种跃迁称为自发跃迁. 由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.,1、材料的受激辐射和激光,自发辐射,自发辐射,（2） 光吸收,原子吸收外来光子能量hn ，并从低能级 E1 跃迁到高能级 E2，
16、且 E2 - E1 = hn ，这个过程称为光吸收.,（3） 受激辐射,由受激辐射得到的放大了的光是相干光，称之为激光.,原子中处于高能级E2 的电子，会在外来光子 (其频率恰好满足E2 - E1 = hn ) 的诱发下向低能级E1 跃迁，并发出与外来光子一样特征的光子，这叫受激辐射。,两束光在某一点相遇产生干涉的条件：频率相同、振动方向相同、位相差恒定。,受激辐射,光的自发辐射过程,光的受激吸收过程,光的受激发射过程,普通光：自发辐射激 光：受激辐射,2、 激光原理,（1） 粒子数正常分布和粒子数反转分布,处于低能级的电子数大于高能级的电子数， 这种分布叫做粒子数的正常分布，反之叫粒子数反转，简称粒子数反转。 .,
