材料的光学性能

第十一章材料的光学性能§11.1光通过介质的现象§11.2无机材料的透光性§11.3界面反射与光泽§11.4不透明性和半透明性§11.5其它光学性能的应用光学性能的应用基础※※取之不尽的能源信息载体生命之源引言透光材料激光材料光纤材料（导光材料）发光材料光调制材料（电光、磁光、声光材料）光电材料光信息材料非线性光学材料……光学材料分类光参量光具有波粒二象性，既有波动性，又有粒子性。照片底片感光、眼睛的视觉作用等都是由光波电场引起，所以用图形表示光波时，通常略去磁场不画，只画电场。波长（）：两相邻波峰或波谷间的距离，亦即在周期性波动的传播方向上具有相同相位的两相邻点之间的距离，即波的空间周期。hEhcEinsten光电效应方程：频率（）：每秒钟电场完成振动周期的次数（Hz）。相位：在一个转动周期或一个波长范围内，各点位置的度量，它是综合频率、时间、波长、距离在内的一个角度量。是描述振动和波动状态的一个综合性波参量。振幅：光波中振动着的电场的最大值。光强的大小与振幅的平方成正比，因此振幅的大小决定着光的强弱。线性光学性能描述普通光学现象的重要公式表现出数学上的线性特点，即介质的电极化强度P与入射光波的电场E成简单的线性关系。xEP0x为介质的极化率，0位真空介电常数。§11.1光通过介质的现象一、折射二、色散三、反射四、介质对光的吸收五、介质对光的散射一、折射1.概念当光线依次通过不同的介质时，光的行进方向会发生改变，称为“折射”。折射现象的实质：介质的密度不同，光通过时，传播速度也不同。2.折射率介质对光的折射性质用材料的“折射率”n表示。光从真空进入介质材料时，速度降低。光在真空和材料中的速度之比即为材料的绝对折射率。（1）绝对折射率介质的折射率永远为大于1的正数。空气：n=1.003固体氧化物：n=1.3~2.7硅酸盐玻璃：n=1.5~1.9材料cn材料2相对于材料1的相对折射率为：21211221sinsinvvnnn分别表示光在材料1和材料2种的传播速度。折射率n11折射率n22（2）相对折射率折射定律：n1sin1=n2sin2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1、折射角2与两种材料的折射率n1和n2之间的关系为：2.影响因素（1）构成材料元素的离子半径根据Maxwell电磁理论，光在介质中的传播速度为：对于无机材料：cvnc：真空中的光速；：介质的介电常数；：介质的导磁率。1,1n介质的折射率随其介电常数的增大而增大。折射率与介质的极化现象有关。介电常数外加电场作用下，介质中的正电荷沿着电场方向移动，负电荷沿着反电场方向移动，这样正负电荷的中心发生相对位移，这种现象就是介质的极化。外加电场越强，正负电荷中心的距离越大。介质的离子半径增大时，其增大，因而n也随之增大。大离子得到高折射率材料：PbSn=3.912小离子得到低折射率材料：SiCl4n=1.412（2）材料的结构、晶型和非晶态（离子的排列）光学均质介质：非晶态（无定型体）、等轴系晶体（各向同性）光学非均质介质：等轴系晶体外的其它晶体材料光通过时，光速不会因传播方向的改变而变化，材料只有一个折射率光通过时，一般都要分为振动方向相互垂直、传播速度不等的两个波，构成两条折射线，这种现象称为双折射。晶体中沿密堆积方向上具有最高的折射率。是非均质晶体的特性，是材料各向异性的表现。双折射：当一束单色自然光在各向异性晶体的界面折射时，一般产生两束折射光（均为线偏振光）。寻常光(o光)非常光(e光)寻常光：平行于入射面的光线的折射率n0不随入射角的变化而变化，始终为一常数，服从折射定律。非常光：与寻常光垂直的光线的折射率ne随入射线方向的改变而变化,不服从折射定律。不发生双折射的特殊方向称为“光轴”，光沿光轴方向入射时，只有n0存在；与光轴方向垂直入射时，ne达到最大值。（4）同质异构体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。对于压应力，具有相反的效果。在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存在的晶型折射率较高；相同化学组成的玻璃比晶体的折射率低。如：室温下，石英玻璃：n=1.46石英晶体：n=1.55（3）材料的内应力二、色散1.概念材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为折射率的色散。2.色散系数CFDnnn1nD，nF，nC分别为以钠的D谱线、氢的F谱线和C谱线（5893Å，4861Å，6563Å）为光源，测得的折射率描述光学玻璃的色散还用平均色散（nF-nC）实用的测量色散的方法是采用固定波长下的折射率来测量，描述材料色散的光学参量最常用的数值是倒数相对色散，即色散系数。在自然光的透过下，在像的周围环绕一圈色带，克服的办法是用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸、凹透镜组成复合镜头，可消除色差，这种镜头就是消色差镜头。3.讨论由于光学玻璃一般都或多或少具有色散现象，因而使用这种材料制成的单片透镜，成像不够清晰，三、反射1.反射系数反射系数m：WWm'W，W´，W´´分别为单位间内通过单位面积的入射光、反射光和折射光的能量流。W=W´+W´´透射系数1-m：WWmWW'11''根据波动理论：vSAW2S、v分别为光束的横截面积和传播速度A为振幅反射波的传播速度与横截面积与入射波相同2''AAWWFresnel推导：)()()(sin)(sin212222'ritgritgririWW角度很小，即垂直入射时：2222222211)()()()()(sin)(sinririririritgritgririririnsinsin21介质2相对于介质1的折射率：mnnWW22121'11反射系数m与折射率n有关，若介质2对于介质1的相对折射率为n21，当角度很小，即垂直入射时，则有：2212111nnm2.讨论垂直入射条件下，界面反射的多少，取决于相对折射率n21；介质1为空气，可以认为n1=1，于是n21=n2；n1和n2相差很大，界面反射损失严重；若n1=n2，则m=0，垂直入射时几乎没有反射损失；光通过的界面越多，界面反射就越严重。光连续透过x块反射率为m的介质时，透过部分为(1-m)2x。例：玻璃的折射率n=1.5光的反射损失：透过部分为：1-m=1-0.04=0.96透射光从另一界面射入空气，透过两个界面，透过部分为：(1-m)2=0.962=0.9216连续透过x块平板玻璃，透过部分为：(1-m)2x04.015.115.111222121nnm陶瓷和玻璃等材料的折射率比空气大，所以光从空气进入这些材料时，反射损失严重。由多块玻璃组成的透镜系统，常常用折射率和玻璃相近的胶粘起来，这样除了最外和最内的两个表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面均是玻璃和胶的较小的相对折射率，从而大大减少了界面的反射损失。3.全反射光线从光密介质（玻璃）进入光疏介质（空气）中时，折射角2大于入射角1。当1为某值时，2可达到90°，这时光线平行于表面传播。1继续增大时，光线就会全部向内反射回光密介质内，这种现象称为全反射。121折射率n11折射率n22111光纤通讯临界角：sini临界=1/n1空气四、介质对光的吸收1.光吸收的一般规律光作为一种能量流，在穿过介质时，其能量的衰减现象，称为光的吸收。厚度为x的平板材料，入射光的强度为I0，通过该材料后光强度为I’，则通过材料薄层的吸收损失-dI正比于该处的光强I和薄层的厚度dx。能量衰减使介质的价电子跃迁使介质的原子振动价电子激发发出光子热能xeII0（朗伯特定律）(Lambert)光强度随穿过介质厚度的变化符合指数衰减规律。IdxdIxIIdxIdI00xII0ln：物质对光的吸收系数，单位为cm-1。K为吸收率。取决于材料的性质和光的波长。越大，材料越厚，光就被吸收的越多，透过后的光强度就越小。不同材料，差别很大。空气：10-5cm-1玻璃：10-2cm-1金属：为几万～几十万，所以金属实际上时不透明的。/4KxeII0由于吸收引起的光剩余强度为：2.光吸收与波长的关系(1)选择性吸收材料对某一波段的光具有强烈的吸收作用，而对其它波段的光吸收较弱或不吸收，这种现象称为选择性吸收。严格说一切介质都是选择性吸收介质。透明材料在可见光谱内的选择性吸收使其呈现不同的颜色。由于反射和吸收引起的光剩余强度为：xemII20)1(反射系数(2)均匀吸收在可见光范围内，介质对各种波长的光的吸收程度相同，这种现象称为均匀吸收。均匀吸收情况下，随着吸收程度的增加，颜色从灰变到黑。光波在材料中遇到光学性能不均匀的结构，如含有小粒子的透明介质、光性能不同的晶界相、气孔或其它夹杂物，都会引起一部分光束被散射，使光束强度降低。本质：光波遇到不均匀结构产生次级波，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，引起散射。S：散射系数单为为cm-1。相均匀分布的材料，由于散射引起的光强减弱规律与吸收规律形式相同：SxeII01.光散射的一般规律五、介质对光的散射由于吸收和散射引起的光剩余强度为：xSeII)(0由于反射、吸收和散射引起的光剩余强度为：xSemII)(20)1(I0：光的原始强度；I：透过厚度为x的材料后，由于散射引起的剩余强度。（1）质点大小d时，S最大。d时，d，S;d时，d，S;散射质点的体积分数不变：2.影响因素散射系数与散射质点的大小、数量以及其与基体的相对折射率等因素有关。当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。反射、折射引起的总体散射起主导作用。散射系数正比于散射质点的投影面积。d时，2RKNSN：单位体积内的散射质点数；R：散射质点的平均半径；K：散射因素，取决于基体与质点的相对折射率；V：散射质点的体积含量。NRV331RKVS43RxKVSxeIeII4300d时，R越小，V越大，S越大。可近似采用瑞利（Rayleigh）散射来处理：主要为米氏（Mie）散射，散射效果主要与粒子横截面积成比例。d/3时，2224342132nnVRSd=时，d/3时，R越大，V越大，S越大。（2）散射质点与基体的相对折射率散射质点与基体的相对折射率越大，散射越严重。§4.2无机材料的透光性一、透光率二、材料透光性的影响因素三、提高材料透光性的措施一、透光率透光率是个综合指标，指光通过材料后，剩余光能占入射光能的百分比。原始光材料剩余光反射散射吸收xSemII)(20)1(透光率：反射损失：02212111Inn吸收和散射损失吸收系数吸收系数与材料的性质密切相关。金属材料：吸收系数太大，不透光。陶瓷、玻璃、高分子介电材料：在可见光范围内吸收系数较低，在影响透光性的因素中不占主要地位。反射系数反射损失与相对折射率有关，也与表面粗糙度有关。二、材料透光性的影响因素散射系数（1）材料的宏观及显微缺陷除纯晶体和玻璃体具有良好的透光性外，多晶多相材料，内含杂质、气孔、晶界、微裂纹等缺陷，看上去是不透明的，主要是由于散射引起的。散射系数是影响透光性的主要因素。材料中的缺陷与主晶相不同，于是与主晶相具有相对折射率，此值越大，反射系数越大，散射因子也越大，散射系数变大。（2）晶粒排列方向的影响各向异性体，存在双折射。n0与ne相差较小，反射和散射损失较小。n0与ne相差较大，反射和散射损失较大。多晶无机材料，相邻晶粒之间的结晶取向不同。这样，由于双折射造成相邻晶粒之间的折射率也不同。n0n0、ne两个晶粒寻常光的相对折射率相同，即n0/n