金属材料的光学性质

4-5材料的光学性能opticalpropertiesofmaterials•Basicprinciplesandconceptsrelatingtointeractionsofelectromagneticradiation(visiblelight)withsolidmaterials(atoms).•Refraction,reflection,absorption,andtransmissionofincidentlight,andtheirrelationship.•mechanismofabsorptionandemissionofelectromagneticradiationinmaterials•transparency,translucencyandopacityofmaterials•indexofrefractionanditsapplication•luminescence,photoconductivity,andlightamplification(lasers)4-5材料的光学性能(opticalproperties)4-5-1电磁辐射及其与原子的相互作用Interactionsofelectromagneticradiationandatoms1、光和物质的相互作用——取决于物质电磁性质的基本参数。电导率、介电常数和磁导率2、相互作用是由电子跃迁和极化效应实现的3、光子能量energyEofaphotonE＝hc／λ＝hνelectrontransitionsandelectronicpolarizationFIGURE19.24、固体材料的光学性质，取决于电磁辐射与材料表面、近表面以及材料内部的电子、原子、缺陷之间的相互作用4-5-2吸收、反射和透射1、光的吸收(photonabsorption)（1）光吸收的一般规律朗伯特定律I＝I0e－αxAbsorbedintensity空气:≈10-5cm-1玻璃:＝10-2cm-1金属:则达几万到几十万---吸收系数Absorptioncoefficient（2）光吸收与光波长radiationabsorptionandwavelength在电磁波谱的可见光区：金属和半导体的吸收系数很大；电介质材料吸收系数小。在紫外吸收端：禁带宽度大的材料，紫外吸收端的波长较小在红外区：离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致选择吸收均匀吸收λ=hc/Eg2、光的反射(reflection)镜反射、漫反射吸收----发射折射(refractionindex)n21=sini/sinrmnnWW2212111m:反射系数R:反射率（1-m）：透射系数FIGURE19.4FIGURE19.5Figure19.6.3、光的透射(transmission)透射率：T＝（1－R）2e－αl透射率T(transmissivity)、反射率R(reflectivity)、吸收率A(absorptivity)三者之和为1I＝I0e－αxR=(n-1)2/(n+1)2FIGURE19.84、折射指数RefractionIndex折射来源于光线通过透明材料时，由于介质的电子极化使得光速降低，光线在界面弯曲的现象。折射指数的大小与介质的性质（原子或离子的尺寸、介电常数、磁导率等）和波长相关表4-5-2各种材料在室温对可见光的折射率物质n（折射率）物质n（折射率）空气Al2O3CaF2Cl2（气体）Cl2（液体）金刚石H2O（水）H2O（冰）聚四氟乙烯醋酸纤维素聚甲基丙烯酸甲酯聚丙烯酚醛树脂环氧树脂低密度聚乙烯聚碳酸酯1.0002771.63-1.681.431.0007681.3852.4171.331.301.351.48-1.501.491.491.50-1.701.5-1.61.511.59玻璃（重燧石）玻璃（锌牌）KClKFNaCl石英熔融石英SrO聚丙烯腈天然橡胶聚酰胺高密度聚乙烯聚氯乙烯氯丁橡胶聚苯乙烯1.651.521.491.361.541.541.471.871.511.521.53-1.551.541.54-1.561.551.59例题19.21ThetransmissivityTofatransparentmaterial20mmthicktonormallyincidentlightis0.85.Iftheindexofrefractionofthismaterialis1.6,computethethicknessofmaterialthatwillyieldatransmissivityof0.75.Allreflectionlossesshouldbeconsidered.Solution5、金属材料的光学性质（1）各种入射辐射被吸收金属导带中已填充的能级上方有许多空的电子能态——频率分布范围很宽的各种入射辐射都可以激发电子到能量较高的未填充态从而被吸收；（2）金属的反射，是由吸收再反射综合造成的反射率具有频率依赖性对于红外辐射则透明6、无机非金属材料的光学性质（1）对红外线有一定程度的吸收（2）吸收可见辐射，且不透明（半导体）（3）绝缘体倾向于对可见辐射透明Eg大（4）漫透射——由多次内反射造成（5）加工过程中留下孔洞而不透明1%陶瓷7、高分子材料的光学性质聚合物多数无色,包括高透明(transparent)到不透明。透明度的损失起源于材料内部折射指数(refractionindex)不均匀性产生的光散射聚合物透明带色，选择性吸收结晶聚合物通常是半透明(translucent)或不透明(opaque)的增加聚合物材料透明性的方法加速成核或由熔体急剧冷却——减少球晶大小；拉伸——球晶转变为取向微丝4-5-3旋光性及非线性光学性(nonlinearopticalperformance)1、旋光性不对称碳原子——手性分子2、非线性光学性质（1）非线性光学效应——分子（介质）受强光场（激光）作用时会产生极化，诱导极化强度=0++2+3+…0---分子永久偶极矩；---为局域电场强度；---分子线性极化率；和---二阶和三阶分子超极化率宏观物质，极化强度P=（1）E十（2）E2十（3）E3十···E----入射光电场强度（1）----物质的线性极化率（2）和（3）----物质的二阶和三阶非线性极化率二阶或三阶非线性光学材料（2）功能变频、增幅、开关、记忆等元件功能（3）结构特点（有机材料）二阶：具有A-π-D结构三阶：具有容易移动的非定域电子体系A：拉电子基，D：供电子基：共轭结构4-5-4光泽：取决于材料的表面反射状态4-5-5发光luminescence荧光(fluorescence)：延迟发射10-8s磷光(phosphorescence)：延迟发射10-2s~10s含有杂质和缺陷价带与导带重叠没有能隙，发射光波长长于可见光价带与导带间有能隙为Eg激光(laser)------材料发光性能的重要应用必要条件维持连续不断的受激辐射，粒子数反转：高能级的原子数大于低能级的原子数红宝石激光器中的Cr的能级平衡态时各能级的粒子数n1n2n3波长为5500埃的黄绿光照射后n2n1Al2O3+CrFIGURE19.124-5-6光敏性（物理）(photosensitivity)在光的作用下，材料的某些性能发生可逆变化的性质光敏物质智能材料光致变色器光力学现象光敏凝胶高聚物4-5-7光纤OPTICALFIBERSINCOMMUNICATIONS•Guidetheselightpulsesoverlongdistanceswithoutsignificantsignalpowerloss(i.e.,attenuation)andpulsedistortion.•Fibercomponentsarethecore,cladding,andcoating;•Thesignalpassesthroughthecore,whereasthesurroundingcladdingconstrainsthelightraystotravelwithinthecore;theoutercoatingprotectscoreandcladding•Anylightraystravelingatobliqueanglestothefiberaxisarereflectedbackintothecore.•Internalreflectionisaccomplishedbyvaryingtheindexofrefractionofthecoreandcladdingglassmaterials.•StepindexgradedindexFigure19Figure20