第五章材料的光学性能2014

第五章材料的光学性能5.1光和固体的相互作用5.2材料的发光5.3无机材料的红外光学性能5.4电—光效应、光折变效应、非线性光学效应5.5光导纤维高锟，华裔物理学家，生于中国上海，祖籍江苏金山（今上海市金山区），拥有英国、美国国籍并持中国香港居民身份，目前在香港和美国加州山景城两地居住。高锟为光纤通讯、电机工程专家，华文媒体誉之为“光纤之父”、普世誉之为“光纤通讯之父”（FatherofFiberOpticCommunications），曾任香港中文大学校长。2009年，与威拉德·博伊尔和乔治·埃尔伍德·史密斯共享诺贝尔物理学奖。5.1光和固体的相互作用5.1.1光的波粒二象性爱因斯坦光电方程hchE光子源决定光的频率、波长和辐射能。原子核结构变化γ射线原子结构改变x射线、紫外、可见光原子振动晶格振动长波辐射可见光七彩颜色的波长和频率范围人眼最为敏感的光是紫青绿黄橙红中心波长(nm)频率(Hz)波长(nm)光色兰黄绿光，即555nm附近430455~400460470~455480492~470540577~492570597~577610622~597660760~6221414108.4~109.31414100.5~108.41414104.5~100.51414101.6~104.51414104.6~101.61414106.6~104.61414105.7~106.6黄绿光，即555nm附近。电磁波在真空中的传播速度：c=3×108m/s001c当光在介质中传播时，速度为：rrcv粒子性波动性反射透射折射传播衍射5.1.2光通过固体的现象•设入射到固体表面的光辐射能流率为φ0，透过、吸收、反射和散射光的光辐射能流率为φτ，φA，φR和φσ，则有10RTRA光辐射能流率：表示单位时间内通过单位面积（与光线传播方向垂直）的能量。•在固体材料中出现的光学现象的电磁辐射与固体材料中的原子、离子或电子相互作用的结果。•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、散射和反射。光与固体相互作用的本质是光子与固体材料中的原子、离子、电子等的相互作用，出现的重要结果两种：电子极化电子能态转变•电子极化–电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量；–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；–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。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另一种能态的过程；材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化∆E与电磁波频率有关：∆E=hν42受激电子不可能无限长时间地保持.在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波，即自发辐射。E1E2E3E4E5能量ν5.1.2.1材料折射率及其影响因素折射率：光在真空和在材料中的传播速度之比212121sinsinnuu光在界面处的折射与反射（1）三线共面（2）rvcn000界面入射反射折射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。材料的折射率从本质上讲，反映了材料的电磁结构（对非铁磁介质主要是电结构）在光波作用下的极化性质或介电特性。折射率的影响因素：（1）构成材料元素的离子半径PbSn=3.912SiCl4n=1.412（2）材料的结构与晶型非晶、立方晶体均匀介质其他双折射n0ne（3）内应力：垂直于主应力方向，n值大（4）同素异构高温晶型折射率低石英1.55磷石英1.47方石英1.49（5）入射光的波长色散：这种光在介质中的传播速度（或介质的折射率）随其频率（或波长）而变化的现象。色散系数（Abbé数）CFddnnn1nd：氦的d谱线（587.56nm）；nF：氢的F谱线（486.1nm）;nC：氢的C谱线（656.3nm）中部色散5.1.2.2材料的反射系数和影响因素界面入射反射折射反射系数：212122212111nnnnnnR若介质1为空气，则：22211nnR减小反射损失的措施：（1）介质表面镀增透膜（2）用折射率相近的胶粘结，减小空气界面造成的损失5.1.3材料的透射及其影响因素5.1.3.1金属的光透过性质金属对可见光不透明。原因：费米能级以上存在许多空能级临界厚度：0.1μm费米能EfΔE入射光子hυE费米能EfΔE反射光子hυE应用：大多数金属的反射系数在0.9~0.95之间。可用其他材料的衬底。镀上一薄金属层作为反光镜。金属的颜色由其反光决定。5.1.3.2非金属材料的透过性（1）介质吸光的一般规律非金属介质吸收可见光三种机制：1）电子极化2）电子吸收光子越过禁带入射光子hυΔEE价带禁带导带ΔEE价带禁带导带反射光子hυ3）电子吸收光子进入禁带中的杂质或缺陷能级可见光：1.8eV~3.1eV朗伯特定律xeII0α：介质对光的吸收系数，cm-1α的影响因素1）材料。空气：10-5cm-1，玻璃10-2cm-1金属：104cm-12)入射波波长光程对介质透过率的影响吸收—影响可见光透过的第一类因素影响可见光透过的第二类因素—散射散射产生许多有趣的现象光线通过均匀透明介质(清水、玻璃)时，从侧面很难看到光线。光线通过不均匀介质时(混浊液体)，可从侧面看到光线。白天的上空是亮的，并且天空呈湛蓝色。旭日和夕阳呈红色。产生散射的原因是光传播的介质不均匀。（2）介质对光的散射光在介质内传播时，介质中的束缚电子(或者偶极子)在光波电场的作用下受迫振动发出次波。这些次波与入射波具有相同的频率。次波与入射波叠加成折射光波而射出介质。光在均匀介质中传播只能沿介质折射率确定的方向前进。介质中偶极子发出的次波具有与入射光波相同的频率，并且由于偶极子之间有一定相位关系，因而它们是相干光。介质均匀时，次波相干叠加结果，只剩下遵循折射定律的光线，而其余方向的振动相互抵消。杂质所产生的次级波与主波方向不一致，并合成产生干涉现象，使光偏离原来的折射方向，从而引起散射。光的散射主要是次波叠加不能在偏离折射方向完全抵消的结果。非均匀介质SxeII0xSeII)(0S：散射系数布格尔Bouguer定律瑞利散射：散射光波长与入射光波长相等。联合散射（喇曼散射）：散射光波长与入射光波长不相等。瑞利散射：散射光强与λ4成反比。米氏散射：散射强度与波长的依赖关系不明显。散射使光在前进方向上的强度减弱。介质对入射光的散射不但与入射光波长有关，也与散射颗粒的大小、分布、数量及散射相与基体的相对折射率大小有关。相对折射率愈大，其散射愈严重。I0（1-R）e-(α+S)xI0（3）陶瓷材料透光性的影响因素设陶瓷片厚度为x，入射光强度为I0，陶瓷片与介质之间的相对折射率为n21。RI0I0（1-R）I0R（1-R）e-(α+S)xI0（1-R）2e-(α+S)x22211nnRxSeRII)(20)1(实验结果比理论计算的透射比要高。I0（1-R）e-(α+S)xI0RI0I0（1-R）I0R（1-R）e-(α+S)x这部分光能的大小与材料的吸收系数、散射系数密切相关，也和材料表面的光洁度、材料厚度以及光的入射角有关，十分复杂。影响透射比的因素：1）对于陶瓷电介质材料吸收系数较低，不是主要因素2）反射系数：材料的相对折射率和材料表面光洁度3）散射系数：ａ、材料宏观和微观缺陷ｂ、晶粒排列方向ｃ、气孔引起的反射损失不均匀界面存在相对折射率，使散射系数增大设具有双折射的两个相邻晶粒晶轴相互垂直，且光线沿左边晶粒光轴方向入射，则有下面情况发生：􀂙左边晶粒内，只存在寻常光的折射率no。􀂙右边晶粒内不但有寻常光，还有非寻常光。寻常光折射率都相同，根据因此无反射损失。晶粒排列方向光轴方向光轴方向寻常光对于右边晶粒的非寻常光，则存在相对折射率no/ne≠1，no/ne越大，反射损失和散射损失越大。对于多晶体材料，各结晶取向不同，导致晶粒之间存在不同的折射率，故引起晶界处的反射及散射损失。损失大小与具体材料有关。晶粒排列方向光轴方向光轴方向晶粒排列方向例如：对于α-Al2O3，no=1.760，ne=1.768则界面反射系数：61014.521760.1768.11760.1768.1R2mm厚的Al2O3陶瓷，平均晶粒直径10μm，则界面反射损失0.00103另一方面，晶粒直径远大于可见光波长，故散射也很小。结论：Al2O3可以成为透明陶瓷。光轴方向光轴方向例2：金红石金红石晶体的n0=2.854，ne=2.567,因而其反射系数m=2.8×10-3。如材料厚度3mm，平均晶粒直径3μm，则剩余光能只剩下(1-m)1000=0.06了。此外，由于n21较大，因之K较大，S大，散射损失较大，故金红石瓷不透光。例3：MgO，Y2O3等立方晶系材料没有双折射现象，本身透明度较高。如果使晶界玻璃相的折射率与主晶相的折射率相差不大，可望得支透明度较好的透明陶瓷材料。但这是相当不容易做到的。（3）气孔引起的散射损失①气孔含量存在于晶粒之间的以及晶界玻璃相内的气孔、孔洞，从光学上讲构成了第二相。其折射率n1可视为1，与基体材料之n2相差较大，所以相对折射率n21=n2也较大。由此引起的反射损失、散射损失远较杂质、不等向晶粒排列等因素引起的损失为大。气孔的体积含量V越大，散射损失越大。例：一材料含气孔0.2%（体积），平均d=4μm，试验所得散射因子K=2～4，则散射系数如果此材料厚为3mm，I=I0e-1.5×3=0.011I0。剩余光能只为1％左右，可见气孔对透光率影响之大。②气孔尺寸一般陶瓷材料的气孔直径大约在1μm，均大于可见光的波长(λ=0.39～0.79μm)，所以计算散射损失时应采用公式S=K×3V/4R。散射因子K与相对折射率n21有关。而气孔与陶瓷材料的相对折射率几乎等于材料的折射率n2，数值较大，所以K值也较大。气孔尺寸小，散射损失较小。假如上例中只剩下平均d=0．Olμm的微小气孔，情况就有根本的变化。此时，A12O3陶瓷的平均dλ/3(λ设为可见光的波长)，符合瑞利散射条件。此时，即使气孔体积含量高达0.63％，陶瓷也是透光的。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，特别是降低材料烧成时的闭孔。增加A1203陶瓷透明性的常用外加剂MgOY2O3，La2O3外加剂本身也是杂质，掺多了也会影响透光性。3）工艺措施排除气孔使晶粒定向排列（4）透明材料的颜色和着色原理1）透明材料的颜色蓝宝石红宝石无色红色蓝宝石是三氧化二铝单晶，在整个可见光范围内，光的波长分布很均匀，因此是无色的。红宝石是在这种单晶氧化物加入少量的Cr2O3。在单晶氧化铝禁带中引进了Cr3+的杂质能级，造成了不同于蓝宝石的选择性吸收，即对波长约为0.4μm的蓝紫色光和波长约为0.6μm的黄绿光有强烈的选择性吸收，而非吸收光和重新发射的光波决定了其呈红色。电子受激跃迁导致(选择)吸收。电子从激发态回到低能态时，重新发射出光子，其波长并不一定与吸收光的波长相同。透射光的波长分布是非吸收光波和重新发射的光波的混合波。透明材料的颜色是由混合波的颜色决定的。透明材料颜色产生机制上述光与物质的相互作用在可见光范围内产生才能有颜色，否则为无色。Co2+吸收橙、黄和部分绿光，呈带紫的蓝色。Cu2+吸收红、橙、黄及紫光，让蓝、绿光通过；Cr2+着黄色；Cr3+吸收橙、黄，着成鲜艳的紫色。锕系和镧系相同，属放射性元素，例如铀U6+吸收紫、蓝光，着成绿黄光的黄绿色。2）无机非金属材料的着色颜料有两大类：分子(离子)着色