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1、第四章 材料的光学性能,4.1 光和固体的相互作用 4.2 无机材料的红外光学性能 4.3 材料的发光 4.4 耦合光学效应,4.1 光和固体的相互作用,光的波粒二象性,爱因斯坦光电方程,光子源决定光的频率、波长和辐射能,原子核结构变化,射线,原子结构改变,x射线、紫外、可见光,原子振动 晶格振动,长波辐射,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。,电磁波在真空中的传播速度： c=3108m/s 根据麦克斯韦电磁理论的 真空光速为：,当光在介质中传播时，速度为：,粒子性,波动性,反射、透射、折射,传播衍射,光的本质是波长很短的电磁波，可分解为与传播方向垂
2、直的电场和磁场两个分量,光通过固体的现象,设入射固体表面的光辐射能流率为0，透过、吸收和反射光的光辐射能流率为， A ， R，则有,光辐射能流率：表示单位时间内通过单位面积（与光线传播方向垂直）的能量。,在固体材料中出现的光学现象是电磁辐射与固体材料中的原子、离子或电子相互作用的结果。 从宏观上讲，当光从一种介质进入另一种介质时，会发生光的透过、吸收和反射。,电子极化 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
3、折射。,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,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=h42 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。,光子的能量吸收是量子化的 受激电子衰变途径不同，自发辐射频率不同,材料折射率及其影响因素,折射率：光在真空和在材料中的传播速度之比,光在界面处的折射与反射,（1）三线共面,（2）,材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快
4、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。,光波频率高，只有质量很小的电子位移极化才能与之共振，对极化有贡献 较重的离子只能在比较缓慢的红外波段频率范围内位移极化 综合考虑维持电子在平衡位置的弹性力、振动衰减阻力和光波电场力，可得 复折射率,折射率的影响因素：,非晶、立方晶体,双折射现象，非等轴晶系、双原子晶体、层状结构中，各方向极化能力不同，折射率不同，产生双折射，一般紧密排列方向上折射率大，而入射光也可分解为不同速度和方向的偏
5、振光 内应力：垂直于主应力方向，n值大,构成材料元素的离子半径越大，越易极化，光速更慢，折射率增大（PbS n=3.912 ；SiCl4 n=1.412） 材料的结构与晶型，结构宽敞的高温态比紧密的低温态折射率小（SiO2玻璃1.46，晶体1.55）,入射光的波长,色散：光在介质中的传播速度（或介质的折射率）随其频率（或波长）而变化的现象。,考虑局部电场： 折射率是频率的函数，色散即折射率随波长变化率 正常色散：光频远离共振频率，折射率随波长减小而增大 异常色散：共振发生时，折射率随波长减小而减小,主要是由于不同波长引起的极化机制不同,常用不同固定波长的折射率之差表示材料的色散能力 色散系数（
6、Abb数）,nd：氦的d谱线（587.56nm）； nF ：氢的F谱线（486.1nm）; nC：氢的C谱线（656.3nm）,中部色散,材料的反射系数和影响因素,反射系数（吸收比很小）：,若介质1 为空气，则：,减小反射损失的措施：,介质表面镀增透膜：光学厚度nh为1/4光学波长(可使反射为0) 用折射率相近的胶粘结，减小空气界面造成的损失,材料的透射及其影响因素,金属对可见光不透明,原因：费米能级以上存在许多空能级,临界厚度：大于0.1m,应用：大多数金属的反射系数在0.90.95之间。可用其他材料的衬底，镀上一薄金属层作为反光镜。,金属的颜色由其反光决定，白色全反射，有颜色则由于该频率光
7、被吸收而以声子形式放热,非金属材料的透过性,介质吸光的一般规律,非金属介质吸收可见光三种机制：,1）电子极化 2）电子吸收光子越过禁带,入射光子h,E,E,价带,禁带,导带,反射光子h,可见光： 1.8eV 3.1eV,3）电子吸收光子进入禁带中的杂质或缺陷能级,朗伯特定律,：介质对光的吸收系数，cm-1,的影响因素,空气：10-5cm-1，玻璃10-2cm-1 金属： 104cm-1,入射波波长,可见光区，金属和半导体可跃迁，吸收多，透过性差,离子和分子共振,电子共振,内层电子跃迁,吸收影响可见光透过的第一类因素 影响可见光透过的第二类因素散射,光在介质中传播，遇到折射率不同的介质发生多次反
8、射和折射，且反/折射面杂乱无章，使光线偏离原来方向而向各个方向传播，透射光线变得弥散的现象称为散射。,光线通过均匀透明介质(清水、玻璃)时，从侧面很难看到光线。 光线通过不均匀介质时(混浊液体)，可从侧面看到光线。 白天的上空是亮的，并且天空呈湛蓝色。 旭日和夕阳呈红色。 产生散射的原因是光传播的介质不均匀。,介质对光的散射,光在介质内传播时，介质中的束缚电子(或者偶极子)在光波电场的作用下受迫振动发出次波，这些次波与入射波具有相同的频率，次波与入射波叠加成折射光波而射出介质。,光在均匀介质中传播只能沿介质折射率确定的方向前进。 介质中偶极子发出的次波具有与入射光波相同的频率，并且由于偶极子之
9、间有一定相位关系，因而它们是相干光。介质均匀时，次波相干叠加结果，只剩下遵循折射定律的光线，而其余方向的振动相互抵消。,杂质所产生的次级波与主波方向不一致，并合成产生干涉现象，使光偏离原来的折射方向，从而引起散射。这种现象为瑞利散射。,光的散射主要是次波叠加不能在偏离折射方向完全抵消的结果。,非均匀介质,S：散射系数,透射光强的布格尔Bouguer定律,散射使光在前进方向上的强度减弱。,瑞利散射：散射光波长与入射光波长相等。 联合散射（喇曼散射）：散射强度与波长的依赖关系不明显。,瑞利散射：散射光强与4成反比。 米氏散射：散射强度与波长的依赖关系不明显。,介质对入射光的散射不但与入射光波长有关
10、，也与散射颗粒的大小、分布、数量及散射相与基体的相对折射率大小有关。 相对折射率愈大，其散射愈严重。,I0（1-R）e-(+S)x,I0,陶瓷材料透光性的影响因素,设陶瓷片厚度为x，入射光强度为I0，陶瓷片与介质之间的相对折射率为n21。,RI0,I0（1-R）,I0R（1-R）e-(+S)x,I0（1-R）2e-(+S)x,实验结果比理论计算的透射比要高。,I0（1-R）e-(+S)x,I0,RI0,I0（1-R）,I0R（1-R）e-(+S)x,这部分光能的大小与材料的吸收系数、散射系数密切相关，也和材料表面的光洁度、材料厚度以及光的入射角有关，十分复杂。,影响透射比的因素：,1）吸收系数
11、，不是主要因素,2）反射系数：材料的相对折射率和材料表面光洁度,3）散射系数：,、材料宏观和微观缺陷,、晶粒排列方向,、气孔引起的反射损失,晶粒排列方向,例如：对于-Al2O3，no=1.760，ne=1.768 则界面反射系数：,2mm厚的Al2O3陶瓷，平均晶粒直径10m，则界面反射损失0.00103,另一方面，晶粒直径远大于可见光波长，故散射也很小。,结论：Al2O3可以成为透明陶瓷。,例2：金红石,金红石晶体的n0=2.854，ne=2.567,因而其反射系数R=2.810-3。如材料厚度3mm，平均晶粒直径3m，则剩余光能只剩下(1-R)1000=0.06了。此外，由于n21较大，因
12、之K较大，S大，散射损失较大，故金红石瓷不透光。,例3：MgO，Y2O3等立方晶系材料,没有双折射现象，本身透明度较高。如果使晶界玻璃相的折射率与主晶相的折射率相差不大，可望得到透明度较好的透明陶瓷材料。但这是相当不容易做到的。,气孔引起的散射损失,气孔含量,存在于晶粒之间的以及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n1可视为1，与基体材料之n2相差较大，所以相对折射率n21= n2也较大。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。,气孔的体积含量V越大，散射损失越大。,例：一材料含气孔0.2%（体积），平均d=4m，试验所得散射因子K=24
13、，则散射系数,如果此材料厚为3mm，I=I0e-1.53 =0.011I0。剩余光能只为1左右，可见气孔对透光率影响之大。,气孔尺寸,一般陶瓷材料的气孔直径大约在1m，均大于可见光的波长(=0.390.79m)，所以计算散射损失时应采用公式S=K3V/4R。,散射因子K与相对折射率n21有关。而气孔与陶瓷材料的相对折射率几乎等于材料的折射率n2，数值较大，所以K值也较大。气孔尺寸小，散射损失较小。,假如上例中只剩下平均d=0Olm的微小气孔， 情况就有根本的变化。,此时，A12O3陶瓷的平均d/3(设为可见光的波长)，符合瑞利散射条件。此时，即使气孔体积含量高达0.63，陶瓷也是透光的。,提高
14、材料透光性的措施,1）提高原材料纯度,2）掺加外加剂,目的：是降低材料的气孔率，特别是降低材料烧成时的闭孔。,增加A1203陶瓷透明性的常用外加剂,MgO ，Y2O3，La2O3,外加剂本身也是杂质，掺多了也会影响透光性。,3）工艺措旋,排除气孔,使晶粒定向排列,透明材料的颜色和着色原理,1）透明材料的颜色,蓝宝石 红宝石,无色,红色,蓝宝石是三氧化二铝单晶，在整个可见光范围内，光的波长分布很均匀，因此是无色的。 红宝石是在这种单晶氧化物加入少量的Cr2O3。在单晶氧化铝禁带中引进了Cr3+的杂质能级，造成了不同于蓝宝石的选择性吸收，即对波长约为0.4m的蓝紫色光和波长约为0.6m的黄绿光有强
15、烈的选择性吸收，而非吸收光和重新发射的光波决定了其呈红色。,电子受激跃迁导致(选择)吸收。 电子从激发态回到低能态时，重新发射出光子，其波长并不一定与吸收光的波长相同。 透射光的波长分布是非吸收光波和重新发射的光波的混合波。 透明材料的颜色是由混合波的颜色决定的。,透明材料颜色产生机制,上述光与物质的相互作用在可见光范围内产生才能有颜色，否则为无色。,2）无机非金属材料的着色,颜料有两大类：分子(离子)着色剂和胶态着色剂。,显色机制就是由于着色剂对光的选择性吸收而引起的选择性反射或选择性透射，从而显现特定的颜色,离子着色,根据材料中离子的光吸收，价态等与电子层结构的关系，可把常见离子大致划分为
16、四种类型。,1）惰性气体阳离子,其电子层结构与周期表中邻近的惰性气体相似。,这一类离子中的电子自旋总和等于零。量子力学表明，这类离子中电子状态比较稳定，因此需要较大的能量才能激发电子进上层轨道，可见光的能量不足以使其激发，这就需要吸收波长较短的量子来激发外层电子，因而造成了紫外区的选择性吸收，对可见光则无影响，因此往往是无色的。,2）过渡金属离子,过渡元素的次外层有未成对的d电子，即具有dxs0p0或d10s0p0结构的离子，外层电子充满，次外层不饱和。其中x=1-5或6-9时，在3d亚层上都有未配对的电子，所以不稳定。电子跃迁所需要的能量Eg较小，可见光谱范围内的能量足够，故显色。当x=5时，半充满，色弱；x=0，10，全空，或全充满时，无色。,3）稀土元素（镧系元素）,镧系元素的第三外层含未成对的f电子，即具有fxd0s0p0结构，在4f层有未充满（即不配对）的电子，所以也是着
