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1、材料的光学5.1 材料的透光性材料的透光性动画动画材料的光学材料的光学材料的光学动画动画材料的光学材料的光学材料的光学双折射双折射v两束折射线中的一束始终遵守折射定律两束折射线中的一束始终遵守折射定律这一束折射光称为这一束折射光称为寻常光寻常光，通常用，通常用o表示，表示，简称简称o光光；另一束折射光不遵守普通的折；另一束折射光不遵守普通的折射定律这束光通常称为射定律这束光通常称为非常光非常光，用，用e表示，表示，简称简称e光光。 v寻常光折射率寻常光折射率no一折射率不随入射方向而改变。一折射率不随入射方向而改变。 非寻常光折射率非寻常光折射率ne折射率随入射方向而改变。折射率随入射方向而改
2、变。v晶体光轴：晶体光轴：晶体内存在着一个特殊方向，光沿这个方晶体内存在着一个特殊方向，光沿这个方向传播时不产生双折射，即向传播时不产生双折射，即o光和光和e光重合，在该方向光重合，在该方向o光和光和e光的折射率相等，光的传播速度相等。这个特光的折射率相等，光的传播速度相等。这个特殊的方向称为殊的方向称为晶体的光轴晶体的光轴。光轴。光轴”不是指一条直线，不是指一条直线，而是强调其而是强调其“方向方向”。材料的光学v光沿晶体光沿晶体光轴入射光轴入射时，不产生双折射，只有时，不产生双折射，只有no ，当当垂直晶体光轴方向垂直晶体光轴方向入射时，入射时， no最大，最大，表现为材料特性。表现为材料特
3、性。v沿着沿着晶体密堆积程度较大的方向晶体密堆积程度较大的方向ne较大较大。v材料内应力材料内应力：垂直于拉应力垂直于拉应力方向的方向的n最大，最大，平平行于拉应力行于拉应力方向的方向的n最小。最小。v同质异构体同质异构体：高温高温晶型折射率较低；晶型折射率较低；低温低温晶晶型折射率较高。型折射率较高。材料的光学材料的光学材料的光学光的吸收：光的吸收：在光通过材料传播时，会引起材料的价电子跃迁或在光通过材料传播时，会引起材料的价电子跃迁或使原子振动，从而使使原子振动，从而使光能的一部分变成热能光能的一部分变成热能，导致光能的衰减。，导致光能的衰减。朗伯特定律朗伯特定律材料的光学材料的光学各种材
4、料对光的吸收各种材料对光的吸收v金属金属：对光的吸收强烈，可见光区吸收系数大。：对光的吸收强烈，可见光区吸收系数大。 原因原因：在于金属的价电子处于未满带，吸收光子后：在于金属的价电子处于未满带，吸收光子后 即呈激发态，不必跃迁到导带就能发生碰撞即呈激发态，不必跃迁到导带就能发生碰撞 而发热。而发热。v绝缘性材料绝缘性材料：可见光区吸收系数小。：可见光区吸收系数小。 原因原因：绝缘性材料的价电子处在价带，光子的能量：绝缘性材料的价电子处在价带，光子的能量 又不足以使价电子跃迁到导带。又不足以使价电子跃迁到导带。 材料的光学v绝缘材料在紫外光区吸收系数急剧增大绝缘材料在紫外光区吸收系数急剧增大
5、原因：紫外光的能量达到禁带宽度。原因：紫外光的能量达到禁带宽度。 若希望在可见光区的透过范围大，需紫外吸收端的波长若希望在可见光区的透过范围大，需紫外吸收端的波长要小，要求要小，要求Eg大。大。v绝缘材料在红外区的吸收：绝缘材料在红外区的吸收： 在红外区有一个由于离子弹性振动与光子辐射发生谐振在红外区有一个由于离子弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量的吸收峰，要使吸收峰远离可见光区，需选择较小消耗能量的吸收峰，要使吸收峰远离可见光区，需选择较小的材料热振动频率。的材料热振动频率。 为了有较宽的可见光透明频率范围，要求的材料的为了有较宽的可见光透明频率范围，要求的材料的禁带宽度禁带宽度大大、原子间
6、结合力小原子间结合力小及及离子质量大离子质量大。材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学动画动画材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学v分子着色剂：分子着色剂： 主要起作用的是离子。主要起作用的是离子。 着色方式：着色方式： 1）单个着色离子）单个着色离子： 次外层有未成对次外层有未成对d电子的过渡元素电子的过渡元素和和第三外层第三外层有成对有成对f电子的镧系元素电子的镧系元素，它们较不稳定，只需较少，它们较不稳定，只需较少的能量就可激发而选择性的吸收可见光。的能量就可激发而选择性的吸收可见光。 如，如，Co2+吸收橙、黄和部分绿光
7、而呈现带紫的吸收橙、黄和部分绿光而呈现带紫的蓝色；蓝色；U6+吸收紫、蓝光而显带绿荧光的黄绿色。吸收紫、蓝光而显带绿荧光的黄绿色。材料的光学 2）复色离子含有可着色的简单离子）复色离子含有可着色的简单离子： 3）无色离子）无色离子： 相互作用强烈，产生极大的极化，使电相互作用强烈，产生极大的极化，使电子轨道变形而激发并吸收可见光。子轨道变形而激发并吸收可见光。 如，如，Cr6+、Mn7+、O2-均无色，均无色，CrO42-呈呈黄色、黄色、MnO4-呈紫色。呈紫色。材料的光学v胶态着色剂：胶态着色剂： 如胶体金（红色）、银（黄色）、铜（红色）如胶体金（红色）、银（黄色）、铜（红色）及硫硒化镉）等
8、：及硫硒化镉）等： 1) 金属胶体着色剂的颜色决定于粒子的大小金属胶体着色剂的颜色决定于粒子的大小 如胶态金的水溶液，如胶态金的水溶液， d = 2050nm 强烈红色强烈红色 d 20nm 弱黄色弱黄色 d = 100150nm 透射呈蓝色，反射呈棕色透射呈蓝色，反射呈棕色 2) 非金属胶体着色剂非金属胶体着色剂 颗粒尺寸对颜色影响很小颗粒尺寸对颜色影响很小，如硫硒化镉胶体着，如硫硒化镉胶体着色玻璃时，总能得到色调相同、颜色鲜艳的大红玻色玻璃时，总能得到色调相同、颜色鲜艳的大红玻璃，只有当粒径大于璃，只有当粒径大于10nm时玻璃才开始失去透明。时玻璃才开始失去透明。材料的光学材料的光学材料的
9、光学材料的光学材料的光学（动画）（动画）激光及其材料激光及其材料材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学动画动画材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学光沿光沿x轴方向传播轴方向传播材料的光学材料的光学光学纤维材料光学纤维材料-光的传输光的传输材料的光学材料的光学（动画）（动画）材料的光学（动画）（动画）（动画）（动画）材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学光纤分类：光纤分类： 按折射率剖面分布和传输方式按折射率剖面分布和传输方式v单模光纤单模光纤 直径只有几个直径只有几个m，只，只传输单模光束模光束v阶跃型多模光纤阶跃型多模光纤 由低折射率玻璃外层包覆高折射率玻璃芯子由低折射率玻
10、璃外层包覆高折射率玻璃芯子v渐变型多模光纤渐变型多模光纤 折射率沿光纤径向由中央向四周连续减小折射率沿光纤径向由中央向四周连续减小图图5.10材料的光学 一般光纤在一般光纤在传输轴方向的断面传输轴方向的断面中，中，光波的电场强光波的电场强度分布度分布是周期地重复波峰和波谷，是周期地重复波峰和波谷，传输模式传输模式近似为峰近似为峰-峰的间隔。峰的间隔。v光纤内传输模式的总数目光纤内传输模式的总数目其中，其中， a-芯子半径；芯子半径；-光波长；光波长； n1、n2分别为光纤芯子和包层的折射率分别为光纤芯子和包层的折射率。材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的
11、光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学o材料的光学动画动画材料的光学玻璃光纤中光损耗与波长的关系玻璃光纤中光损耗与波长的关系（传输窗口）（传输窗口）材料的光学图图5.11材料的光学材料的光学图图5.10（b）（r/a)a材料的光学图图5.12材料的光学材料的光学图图5.16图图5.17材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学图图5.25材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学材料的光学
