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1、第四章 无机材料的光学性能光的基本性质：1、波粒二象性2、光的电磁性3、光波是横波4、光的偏振性从宏观上讲，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。从微观I二看，光与固体的相互作 用，实际上是光子与固体材料中的原子、离子、电子之间的相互作用。光与固体相互作用的本质有两种方式：1电子极化a电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量；b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；c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。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
2、另一种能态的过程4.1光透过介质的现象一、折 射当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。折射本质上是由于光的速度的变化而引起的光弯曲的结果。材料 v材料前吨外 此材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。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，光的传播速度快麦克斯韦电磁理论：其中：e为介电常数；y为导磁率y = _ =扃无机材料：U =1, e A1 _ i影响折射率的因素1、离子半径：介电常数随着离子半径的增大而增大，因而折射率n随着离子半径的增大而增大。用大离子得到高折射率的材料；用小离子得到低折射率的材料。2、材料的组成和结构：3、非晶态各向同性
3、；玻璃的折射率和离子半径呈线性关系。4、内应力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、同质异构体高温时晶型的折射率较低，低温时晶型的折射率较高， 即结构敞广的高温态比结构紧密的低温态折射率小。二、色散H r 1 色散系数，/ =光在介质中的传播速度或折射率随波长改变的现象称为色散现象。注意：色散是光学玻璃的重要参数；色散造成单片透镜成像不清晰一色差；若选择不同的光学玻璃，组成复合镜头，可以消除色差，称为消色差镜头； 光学材料要求色散系数高Y,折射率n高。三、反射m一反射系数；（2i + l）四一介质2相对于介质1的相对折射率在垂直入射的情况下，光在界面上的反射多少取决于相对
4、折射率n21!注意：1透过系数为（1m）；2连续透过n块平板玻璃，透过系数为（1-m） 23水晶玻璃：含铅量大，折射率高，光泽好；4光学玻璃：采用折射率与玻璃相近的胶粘接，避免反射引起的损失；或者涂1/4波长的薄膜；5陶瓷表面的漫反射造成了光大量的损失，从而不透明。四. 吸收光透过介质时，会引起电子跃迁或者原子的振动，从而引起能量的损失，这种现象叫做光的吸收。五. 散射定义：当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通过不均匀的透明介质 时，则从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果，这种现 象称为光的散射。4.2,无机材料的透光性（1）光的吸收:
5、光通过材料时的衰减规律a为吸收系数（朗伯特定律-固体介质的吸收定律）光强度随厚度的变化符合指数衰减规律。材料越厚，光被吸收得越多，透过后光强度越小。材料对光的吸收机理：1电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒数处在同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要;2电子受激吸收光子而越过禁带；3电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光（禁带较宽的介电固体材料）；4只有当入射光了的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时，光量了才可能被吸收。同时，材料中的 电子从较低能态跃迁到高能态。光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中所表现出的能量交换过程！光吸收与光波长的关系：1、可见光
6、区：金属、半导体吸收系数很大，无机介质材料吸收系数较小，光可以透过；因为金属价电子处未满带，吸收光子后呈激发态，发生碰撞而消耗能量；无机介质材料价电子所处的能带是满带，不能吸收光子而自由运动，光子的能量不足以使之跃迁，吸收系数很小。2、紫外光区：无机电介质材料有很强的吸收；波长短、能量大，电子吸收光子能量跃迁，吸收系数大。3、红外光区：有一定的吸收离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量。选择吸收与均匀吸收选择吸收：同物质对某神波长的吸收系数很大，对另-种波长的吸收很小的现象。光的选择性吸收使透明材料呈 现不同颜色。均匀吸收：在可见光范围内对各种波长的波的吸收程度相同，称为均匀吸收。随着吸收程
7、度的增加，颜色从灰变为 黑色。* 例如，普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线与紫外线都有强烈的吸收，是不透明的。因此在红外光 谱仪中，棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶体和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，棱镜常用对紫外线透 明的石英制作。任何物质都有这两种形式的吸收，只是出现的波长范围不同而已。(2)光的散射定义：当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向 都可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为光的散射。原因：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，引 起散
8、射。散射定律：光强随传播距离的散射减弱仍符合指数衰减规律1 =其中：s为散射系数，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。如果将吸收定律和散射定律结合起来，光强衰减为: 质点尺寸对散射系数的影响16014121(.d久时,舷d增加，散射系数S增大；/ 粒于*/岫d久时,圈d增加，散射系数S减小。d= A ,散射系数S最大值。光的波长不同时，散射系数达到最大时的质点的直径也有变化。d入时，Rayleigh (瑞利)定律:计算公式：dX时，Fresnel定律：反射、折射引起的总散射起主导作用。5 = 其中：K为散射因素V为散射质点的体积含量R为散射质点的平均半径 d X时，
9、R越小，V越大，S越大。/r-1后+2d A时，Rayleigh (瑞利)定律：324/? V ( nS =:A 顷 散射质点的折射率与基体的折射率相差越大，散射越严重!4. 2无机材料的透光性透光性：光通过材料后，剩余光能所占的百分比。光通过陶瓷片的吸收损失与反射损失包括：1表面上的反射损失：2通过材料后的吸收损失3散射损失 4反射损失I = I.（i-mYe-（a+s）xi/io：透光率。7影响透光度的因素1、吸收系数 （无机材料中不占主要地位）2、反射系数（折射率与光洁度是决定因素）3、散射系数（1）、宏观及显微缺陷（夹杂物、掺杂、晶界等）（2）、晶体排列方向（如晶体的双折射）（3）、气
10、孔提高无机材料透光性的措施：1、提高原材料的纯度2、掺加外加剂 3、优化工艺措施4.3界面反射和光泽镜反射：材料表面光洁度很高的情况卜的反射，反射光线具有明确的方向性。:各类雕花玻璃，需要高折射，高反射，达到装饰效果；（可以通过高含铅量，获得高折射率）宝石的高折射率使之具有强折射率，高反射性能；:玻璃纤维作为通讯的光导管，有赖于光束总的内反射；:光学显微镜等许多光学系统中，需要得到强折射和低反射相结合的玻璃产品，可以通过涂层来达到目的。漫反射：光照到粗糙不平的材料表面，发生各个方向的反射。产生原因：材料表面粗糙，在局部地方的入射角参差不一，反射光的方向分布在各个方向上，致使总的反射能量分 散在
11、各个方向上，形成漫反射。度堵加的恤反射、漫反射俺图二、光泽：由折射率与表面光洁度决定1、提高表面光泽采用铅基釉高折射率获得高反射a, 在高温卜.使釉铺展形成完整的光滑表面提高光洁度获得高镜反射2、降低表而光泽a.加入低折射率的玻璃相；b增加表面粗糙度，从而增加漫反射。4.4不透明性和半透明性不透明性（高乳浊性）：光在达到具有不同光学特性的物质的底层之前被漫反射；半透明性：光应该在经过不同光学特性的物质的过程中，被散射，不要求最大的散射，但是要求内部散射光产生的 漫透射要大，吸收要小。乳浊剂的成分：1在熔制时，形成惰性产物，或者在冷却或再加热时从熔体中结品出小颗粒；2硅酸盐玻璃的折射率为1.49
12、-1.65,乳浊剂折射率必须与此不同。常用乳浊剂1、氟化物：促使其他晶体在玻璃中形成，增加散射；2、含锌的利I：析出了锌铝尖晶石的晶粒。但是在玻璃相中大的溶解度使烧结范围变小，因此应用较少；3、Ti（L：木身折射率很好，在搪瓷工业中，是一种遮盖能力很好的乳浊剂，但是在釉中，因为其在高温还原气氛中 的着色作用，而限制了其应用；4、Sb205：在釉和玻璃中的溶解度很大，因此在搪瓷工业中应用较多；5、CeO：是很好的乳浊剂，但是价格昂贵，难于工业化；6、ZnS：在高温下易于溶解在玻璃相中，在降低温度的过程中，可以从玻璃中析出，因而应川于玻璃中；7、SnO,：在釉中应用十分广泛，但是在还原气氛中易被还
13、原为SnO,而且价格昂贵，这些缺点限制了它的应用：8、错化物：错石英（ZrSOO,有很好的乳浊性，而且乳浊效果I分稳定，价格低廉，应用较为广泛。改善乳浊剂性能的工艺1、乳浊剂工艺：生料釉：原料湿磨而成，熔体中的析晶物基本上为乳浊剂的残余颗粒，颗粒粗大；熔块釉：部分原料制成熔块，再配其它生料湿磨，乳浊剂的结晶颗粒全由熔体析出，尺寸细小而目.均匀，控制 工艺可以得到与光波长相当的乳浊剂。2、烧成制度的控制：在熔体中有晶核形成（与生料的湿磨）；探索最佳烧结温度和最佳烧结（保温）时间的控制。4. 5无机材料的颜色颜色的起因：由于在可见光谱中存在吸收带而产生颜色白光完全被物质吸收：黑色；对所有的光吸收程度差不多（不存在选择性吸收）：灰色；选择性吸收：显示颜色。吸收光波氏越短，颜色越浅；吸收光波长越长，颜色越深。电子跃迁形式：1电子内部跃迁（过渡金属、稀土金属、未填满电子壳层离子。）2、电荷转移（电子由一个离子转移到另一个原子。）3、禁带跃迁：（许多半导体出现的本征着色）4、晶体结构缺陷引起的电子跃迁
