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1、材料的光学性能,4.1光和固体的相互作用,1.光的波粒二相性 爱因斯坦的光电方程把光的波动性和粒子性结合起来 E=h=hc/ 讨论光与材料相互作用产生的反射、折射、投射现象-光的粒子性 讨论光波在介质中的传播、衍射等-光的波动性 2.光通过固体现象,可见光：0.38-0.76m,0=R +A+,光和固体介质的作用,0=R +A+ 1=T+R+ T:透射系数 R：反射系数 ：吸收系数 ：散射系数,光子与固体材料的相互作用，其实质上就是光子与固体材料中的原子、离子、电子等的相互作用。其中： 1）电子极化：电磁辐射的电场分量在传播的过程中，与每一个原子都发生作用，引起电子云与核外电荷重心发生相对位移
2、引起电子极化。结果是光的部分能量被吸收，光速减慢。,2）电子能态转变：光子被材料吸收后，材料中的原子吸收了光子能量（E=h42）后，将E2能级上的电子激发到E4空能级上,注： 原子中电子能级是分立的，即能级间存在特定的E，只有能量为E的光子才能被原子通过能态转变而吸收。 受激电子不可能长时间保持在激发态，短时间后又衰变回基态，同时发出电磁波。,4.1.1折射 当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。光在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率。,如果光从材料1，通过界面传入材料2时，与界面法向所形成的入射角i1，折射角i2与两种材料的折射率n1和n2有下述关系：,式中:V1和V2分别表示光在材
3、料1及2中的传播速度， n21为材料2相对于材料1的相对折射率。,介质的n总是大于1的正数 例如 空气n=1.0003，固体氧化物n=1.32.7，硅酸盐玻璃 n=1.51.9 。,影响 n 值的因素： 1构成材料元素的离子半径 马克斯威尔电磁波理论认为光在介质中的传播速度为：,式中：C真空中光速， 介质介电常数， 介质导磁率,当离子半径增大时，其增大，因而n也增大。因此，可以用大离子得到高n的材料， ，用小离子得到低n的材料，如 。 2材料的结构、晶型 根据光线通过材料的表现，介质分为均质介质和非均质介质。 对于均质介质，光通过时，光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折射率。 对于非均质
4、介质，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，它们分别构成两条折射光线，这个现象称为双折射。,中南大学材料科学与工程学院,平行于入射面的光线的折射率，称为常光折射率n0，不论入射光的入射角如何变化，n0始终为一常数，因而常光折射率严格服从折射定律。另一条与之垂直的光线所构成的折射率，则随入射线方向的改变而变化，称为非常光折射率ne，它不遵守折射定律，随入射光的方向而变化。当光沿晶体光轴方向入射时，只有n0存在，与光轴方向垂直入射时，ne达最大值。,中南大学材料科学与工程学院,3材料所受的内应力 有内应力的透明材料，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。
5、4同质异构体 在同质异构材料中，高温时的晶型折射率n较低，低温时存在的晶型折射率n较高。 下表列出了部分玻璃和晶体的折射率。,中南大学材料科学与工程学院,4.1.2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。,设光的总能量流W为W=W+W 式中W、W和W分别为单位时间通过单位面积的入射光、反射光和折射光的能量流，根据波动理论,因介质2对于介质1的相对折射 ，故,m反射系数,根据能量守恒定律 （1-m）称为透射系数。,例如：设一块折射率为 n=1.5 的玻璃，光反射损失m=0.04 透 过部分为1-m=0.96 。如果透射光又从另一界面射入空 气，即透过两个界面，此时透
6、过部分为 (1-m)2=0.922 如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分为,由于陶瓷，玻璃等材料的折射率较空气大，所以反射损失严重。如果透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失更可观，为了减少这种界面损失，常常采用折射率和玻璃相近的胶将它们粘起来，这样，除了最外和最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面都是和胶的较小的相对折射率，从而大大减少界面的反射损失。,4.1.3材料的透光性 一、介质对光的吸收 1吸收的一般规律 设有一块厚度为x的平板材料，入射光的强度为I0，通过此材料后光强度为I。选取其中一薄层dx，并认为光通过此层的吸收损失-dx正比于在此处的光强度 I 和薄层的厚度dx，,光
7、强度随厚度的变化符合指数衰减规律，即朗伯特定律。 式中为物质对光的吸收系数，其单位为cm-1。 取决于材料的性质和光的波长。,即:,图4.5所示在电磁波谱的可见光区，金属和半导体的吸收系数都是很大的，但是电介质材料，包括玻璃、陶瓷等无机材料的大部分在这个波谱区内都有良好的透过性，即吸收系数很小。这是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电子跃迁到导带，所以在一定的波长范围内，吸收系数很小。,2光吸收与光波长的关系,二、介质对光的散射 光波遇到不均匀结构产生的次级波，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，从而引起散射。
8、 对于相分布均匀的材料，由于散射而光强度减弱的规律与吸收规律具有相同的形式： 式中 I0为光的原始强度，,I 为光束通过厚度为x的试件后，由于散射在光前进方向上的剩余强度， S 散射系数，与散射质点的大小、数量以及散射质点与基体的相对折射率等因素有关，见图4.6。其单位为 。,从图4.6中可以看出，曲线由左右两条不同形状的曲线所组成，各自有着不同的规律。当 d 时，则随着d的增加，s 反而减小，当 d= 时，s 达最大值，即 当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。 。,如果将吸收定律与散射规律的式子统一起来，则:,三、材料的透光性 光通过厚度为x的透明陶瓷片时，各种光能的损失见图4
9、.7所示。强度为I0的光束垂直地入射到陶瓷左表面，由于陶瓷片与左侧介质之间存在相对折射 ，因而在表面上有反射损失: L= 透进材料中的光强度为:,这一部分光能穿过厚度为x的材料后，又消耗于吸收损失和散射损失。到达材料后表面时，光强度剩下 。 再经过表面，一部分光能反射进材料内部，其数量为 L= 另一部分传至右侧空间，其光强度为 显然 才是真正的透光率。 影响材料透过率的因素有：,1吸收系数 对于陶瓷、玻璃等电介质材料，其吸收率或吸收系 数在可见光范围内是比较低的，见图4.4所示。 2反射系数 材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。 3散射系数 这一因素最影响陶瓷材料的透光率。 材料宏观及
10、显微缺陷 晶粒排列方向 气孔引起的散射损失,四、提高材料透光性的措施 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，气孔由于相对折射率的 关系，其影响程度远大于杂质等其它结构因素。 3工艺措施 采取热压法比普通烧结法更便于排除气孔，因而是获得透明陶瓷较为有效的工艺，热等静压法效果更好。,第三节 界面反射和光泽 一、镜反射和漫反射 当光的反射是指材料表面光洁度非常高的情况下的反射，反射光线具有明确的方向性，一般称之为镜反射。 陶瓷中大多数表面并不是十分光滑的，因此当光照射到粗糙不平的材料表面上时，发生相当的漫反射，其原因是材料表面粗糙，在局部地方的入射角参差不一，反射光的方向也各式各样。材料表面愈粗糙，镜反射所占的能量分数愈小。如图4.8,
