材料性能学光学性能..

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1、第五章 材料光学性能 光学材料是功能材料中的重要组成部分，尤其是激光技术出现后，光通讯及光机电一体化技术得到飞速发展，对材料的光学性能提出了更广的要求。本章简要介绍材料的折射、色散、反射、吸收、散射等线性光学性能的基本概念，线性光学材料性能在材料中的应用及影响因素；非线性光学性能产生的条件、结构与性能的关系。 第一节 光的电磁性质 了解光作为一种电磁波谱的特点。 第二节 光的波粒二象性 了解光作为一种电磁波具有波粒二相性。波动性表现为干涉、衍射现象；粒子性表现为光子具有能量与动量。 第三节 线性光学性能 掌握反射和反射率；折射和折射率；双折射、全反射；光的吸收本质；光的散射。了解线性光学材料的

2、应用，荧光材料和激光材料。 第四节 非线性光学性能 理解非线性光学性能的特点，表征、机理；了解它的应用。 （共6个学时）,第一节 光的电磁性质 光是一种电磁波，它是电磁场周期性振动的传播形成的。光是一种横波，其电场强度E和磁场强度H的振动方向互相垂直。 设光的传播方向为S，则E、H、S互相垂直。 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，所以在讨论光波时，往往只需考虑电场的作用，而将磁场忽略。所以电场强度矢量称为“光矢量”。 偏振性是横波的特有性质。如果光波的电矢量振动只限定在某一方向称为平面偏振光，亦称为线偏振光。电矢量在垂直光传播方向的平面内的轨道亦呈椭圆或圆。这种光

3、又称为圆偏振光。光波也可以由各种振动方向的波复合而成。 如果在垂直于光传播方向的平面内电矢量振动取向机会均等，这样的光称为“自然光”。,光波在不同介质中的传播速度不同，而光振动的频率不变。相同频率的光在不同的介质中有不同的波长。 电磁波在介质中的速度为,分别为介质和真空中的介电常数和磁导率。,*光的传播伴随光能量的流动。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。 S=EH 光强：能流密度的平均值。,总结： 光是一种电磁波，具有横波特性。 场矢量E和H彼此正交，且与波的前进方向垂直，其振幅大小成正比。 在光与物质相互作用时，电矢量起主导作用 光强与振幅平方成正比，沿波传

4、播方向前进。,第二节 光的波粒二相性,一、波粒二相性研究历史回顾： 牛顿认为：光是由光源飞出的粒子流，解释了反射和折射定律，但不能解释干涉和衍射 惠更斯认为：光是一种波，能够发生干涉和衍射现象 1860年：麦克斯韦创立了电磁波理论，认为电是一种电磁波即可以直线传播，又能够发生干涉和衍射现象。 在研究光与物质相互作用（光电效应），波动说遇到了新的困难。 1900年，普朗克提出了光的量子性，并解释了黑体辐射。 1905年，爱因斯坦完善了光的量子理论，解释了光电效应问题。 1924年德布罗意创立了物质波假说。波动性和粒子性统一了起来了。 1927年：锹拉克提出了电磁场的量子化理论。 二、光的波动性

5、光的波动性表现在它有干涉、衍射，偏振等特性。,三、光的粒子性 爱因斯坦提出光的能量是不连续的，可以分成一份一份最小单元（光子）,这个最小能量单元称为“光子”。电磁场由许许多多光子组成 P=,光波照射到物体上相当于一串串光子打到物体表面。 光子具有能量与动量，但没有质量，光子是电磁场能量和动量量子化的粒子。,第三节 线性光学性能,线性光学性能是指介质的电极化强度P与入射光波中的电场E成线性关系：,其中为介质的极化率。线性光学特性具有以下特点： 第一： 单一频率的光入射到非吸收的透明介质时，其频率不发生任何变化； 第二：不同频率的光入射到介质时，各光波之间不发生相互耦合，也不产生新的频率； 第三：

6、当两束光相遇时，如果是相干光，则产生干涉，如果是非相干光，则只有光的叠加，即服从线性叠加原理。 线性光学性能主要应用于普通光学器件。,一、线性光学性能的基本参数 1、折射率 当光线依次通过两种不同介质时，光的行进方向发生改变，称为“折射”。折射现象的实质是由于介质密度不同，光通过时，传播速度不同。介质对光的折射性质用折射率n表示。光从真空进入介质材料时，速度降低，二者速度之比为材料的绝对折射率。 n=真空/介质c/介质。 如果光是从材料1通过材料2，则入射角i、折射角r与两种材料的折射率n1和n2的关系为： n21=n2/n1=1/2=sini/sinr 式中1及2为光在材料1及材料2中的传播

7、速度；n1和n2分别为材料1和材料2的绝对折射率；n21为材料2相对材料1的相对折射率。,空气的折射率为1.0003，介质的折射率总大于1，固体氧化物的折射率为1.3 2.7，玻璃的折射率为1.51.9。 折射率n与介质的极化现象有关。离子的极化率越大，n也越大，大离子得到高的折射率；晶体中沿密堆方向上具有最高的折射率；在同质异构材料中，高温时的晶型的折射率较低，低温时的折射率高；相同化学组成的玻璃比晶型的折射率低；对各向同性的材料施加应力时，垂直于应力方向折射率增加，而沿应力方向的折射率变小。,2、色散及色散系数 材料的折射率随入射光波长的增加而减少的现象称为材料的色散。材料的色散表示为：

8、色散dn/d。实用的测量色散的方法是固定波长时的折射率来测量的，而不是去确定完整的色散曲线。色散系数=(nd-1)/(nf-nc) nd、nf和nc分别为钠的D谱线、氢的F谱线和C谱线(5893、4861和6563)测得的折射率。,3、双折射和非常光折射率 光学材料分为光学均匀介质和非均匀介质两类。对于非晶态和等轴晶系晶体物质，光通过时光速不随传播方向改变而改变，即介质只有一个折射率，称为“均匀介质”。 自然光通过非均匀介质时，一般要分为振动方向相互垂直、传播速度不同的两种波，分别构成两条折射光线，称为双折射。双折射是非均匀晶体的特性，是材料各向异性的表现。 两条光线中平行于入射面的光线的折射

9、率称为常光折射率n0，始终为一常数，遵循折射定律；另一条与之垂直的光线，其折射率随入射方向的改变而改变，称为非常光折射率ne，它不遵循折射定律。把不发生双折射现象的特殊方向称为”光轴“，当光沿光轴方向入射时只有n0存在；与光轴垂直方向入射时ne达到最大，此值为材料的特征参数。,4、反射和反射系数 当光由介质1入射到介质2时，光在界面上分成了反射光和入射光。设入射光的单位能量为W时：W=W1+W2 W1和W2分别为单位时间通过单位面积的反射光和折射光的能量流。根据波动理论：,由于反射波的传播速度和横截面积S都与入射波相同，所以W1/W=(A1/A)2 A1和A分别为反射波和入射波的振幅。当把光波

10、振动分为垂直于入射面的振动和平行于入射面的振动，根据Fresnel定律得到：,自然光在各个方向振动机会均等，可以认为一半能量属于入射面平行的振动，另一半属于同入射面，所以总能流之比为： W1/W=1/2sin2(i-r)/sin2(i+r)+tan2(i-r)/tan2(i+r),当角度很小时，即垂直入射时,W1/W=(n21-1)/(n21+1)2=R 1R为透射系数。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。,5、全反射 当光从光密介质进入光疏介质时，折射角r大于入射角I。当I为某值时，r可达到90,相当于光线平行于表面传播。；对于更大的I值，光线全部反射回光密介质。全反

11、射的临界角为 sini临界1/n1 大于临界角，光线全反射，无折射能量损失。光纤通讯正是利用这个特性。,6、吸收系数 光线通过介质时，引起介质的价电子跃迁，或使原子振动而消耗能量。此外，介质中的价电子还可以吸收能量而激活，当未跃迁而发出光子时，在运动中与其它分子碰撞，电子的能量转变为分子的动能，从而造成光衰减，即材料的光吸收。,dI=-Idx,I=I0e-x,光强度随介质厚度变化而不断衰减，这一规律称为Lambert定律。I0未初始光强，I未透射后的强度；x为材料厚度；为吸收系数，单位为cm-1. 透射率为T=I/I0=e-x,一般表示为T=(1-R)2 e-x 不同材料的吸收系数有很大不同，

12、空气一般为10-5cm-1；玻璃为10-2cm-1；而金属达到几十万，所以金属实际上是不透明的。 材料对可见光的吸收强弱取决于电磁波的波长。金属对可见光吸收强烈是因为金属中价电子处于未满带，吸收光子后为激活态，而不用跃迁到导带，在电磁波谱的可见光区内，金属和半导体的吸收系数都很大；对于电介质材料，吸收系数很小，这是因为电介质中的价电子是填满的，不能吸收可见光的能量而自由运动，而光子的能量不足以使价电子跃迁到导带，所以这一波谱吸收系数很小。 吸收分为选择性吸收和均匀吸收。,7、散射 当光遇到不均匀结构时产生与主波方向不一致的次级波，与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来传播方向，从而引起散射。例如

13、含有较小粒子的透明介质、光性能不同的晶界相、气孔或夹杂物，都会引起一部分光束散射，从而减弱光束强度，减弱规律为I=I0e-Sx,S为散射系数。 质点的尺寸对散射系数有很大影响，当光的波长等于散射质点直径时，出现散射的峰值。 光的波长不同时散射系数达到最大时的直径也不同。Dmax4.12(n-1) 若散射质点的体积分数不变，当d时，则随d的增加，S反而减小，d时，达到最大值。 当d，反射折射引起的总体散射起主导作用，此时，由于散射质点和基体折射率的差别，当光线碰到质点与基体的界面时，就要产生界面反射和折射，由于连续的反射和折射，总的效果相当于光线被散射了。,二、线性光学性能的应用及影响因素 1、

14、透光性,材料可以使光透过的特性称为材料的透光性。当光透光厚度为x的介质时，各种光能损失为：,I1为透进材料中的强度，I1=I0(1-R) R=(n21-1)/(n21+1)2 进入材料后的光能消耗于吸收损失和散射损失， 到达材料表面的光强为I0(1-R)e-(+S)x,一部分再次反射到 材料内部；另一部分则传到右空间，其强度为 I4=I0(1-R)2 e-(+S)x . I4/I0才是真正的透光率。由于反射光还有第二第三次反射，依然有部分光强通过表面，因此，考虑这部分透光，将会使总透光率提高。 影响材料透光率的因素主要有材料的吸收系数、反射系数及散射系数、吸收系数与材料的性质密切相关；反射系数

15、与相对折射率有关，也与表面粗糙度有关；散射系数则与杂质、气孔、晶界和微裂纹有关，光线通过时会遇到一系列阻碍。散射系数是影响材料透光性的主要因素，表现为以下几个方面：,1）材料的宏观和微观结构 材料的夹杂物、掺杂、晶界等对光的折射性能与主晶相不同，从而形成相对折射率n21,此值越大，则界面的反射系数越大，散射因子越大，散射系数也越大。 2）晶粒排列方向的影响 如果不是各向同性的材料则存在双折射问题，与晶轴成不同角度，折射率不同。对于多晶材料，晶粒的不同取向均产生反射和散射损失。 3）气孔引起的损失 存在于晶粒之间以及晶界玻璃相的气孔，从光学上相当于第二相，折射率为1，引起的损失较杂质、不等向晶粒

16、排列等因素引起的损失大。,2、界面反射与光泽 材料对光的反射取决于材料的反射系数，而反射系数与反射界面的表面粗糙度有关，表面粗糙度很低的情况下，反射光线具有较高的方向性，一般称为镜面；如果反射线没有方向性则称为漫反射。 一般来说，含铅量高的玻璃器皿，折射率高，反射率为硅酸盐玻璃的两倍，可以达到很好的妆饰效果。光泽主要是由折射率和表面粗糙度决定的。普通玻璃为了获得高的表面光泽，采用铅基釉，在足够高的烧成温度下，使釉铺展成光滑的表面。,3、不透明和半透明性 建筑卫生陶瓷要求光不能通过。要获得高度乳浊和覆盖能力，要求光在达到具有不同光学性能的底层之前被漫反射掉，这可以在基质中引入第二相乳浊剂来实现。决定乳浊度的主要因素釉：第二相颗粒尺寸、体积分数和相对折射率。常用的乳浊剂有TiO2、SnO2及ZrSiO4等，为了得到最大的散射效果，乳浊剂颗粒不能与玻璃反应、体积分数要高、尺寸应与入射光波长相当，相对折射率要大。 乳白玻璃和细陶瓷一个重要光学特性是半透明性。即除了玻璃内部散射引起的漫反射以外，