材料的光学性能.ppt

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 光 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 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 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2相对于材料1的相对折射率为 2 相对折射率 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 c 真空中的光速 介质的介电常数 介质的导磁率 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 nD nF nC分别为以钠的D谱线 氢的F谱线和C谱线 5893 4861 6563 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 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 根据波动理论 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 Fresnel推导 角度很小 即垂直入射时 介质2相对于介质1的折射率 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 2 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 2x 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 光纤通讯 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 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 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 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 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 1 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 由于反射 吸收和散射引起的光剩余强度为 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 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 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 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 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 透光率 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 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 两个晶粒寻常光的相对折射率相同 即n0 n0 1 无反射损失 左晶粒的寻常光折射率n0与右晶粒的非寻常光折射率ne不同 形成相对折射率n0 ne 1 造成反射系数和散射系数 引起很大的散射损失 影响多晶无机材料透光率的主要因素就是晶体的双折射率 Al2O3晶体的n0 1 76 ne 1 768 若相邻晶粒的取向互相垂直 晶界面的反射损失为 材料厚2mm 晶粒平均直径为10 m 理论晶界为200个 由于晶界的反射损失 剩余光强 透明Al2O3的原理 石英玻璃和微晶玻璃的透光率也很高 反射损失很小 应用举例 金红石型TiO2陶瓷n0 2 854 ne 2 567 反射系数为m 2 8 10 3 材料厚3mm 晶粒平均直径为3 m 理论晶界为1000个 由于晶界的反射损失 剩余光强 反射损失很大 金红石型TiO2陶瓷不透光的原理 各向同性体 立方晶系材料 MgO Y2O3 没有双折射 本身透明度较高 如果使晶界玻璃相的折射率与主晶相相差不大 有可能得到透明陶瓷材料 实现非常困难 多晶陶瓷的透光率不如同成分的玻璃 非晶态 大 因为玻璃不存在双折射 也就不存在晶界反射和散射两种损失 3 气孔引起的散射损失 气孔可看作第二相 其折射率n1可看作1 与基体材料的折射率n2相差很大 相对折射率n21 n2也较大 所以气孔引起的反射 散射损失比杂质 不等向晶粒排列等因素引起的损失大 一 材料中气孔的体积分数为0 2 气孔的平均直径为2 m 大于可见光波长0 39 0 79 m 散射因子为2 4 则散射系数为 气孔引起的散射损失与气孔的直径有关 应用举例 材料厚3mm 二 改善烧结工艺 热等静压烧结 热压烧结 使气孔直径减小到0 01 m 小于可见光波长的1 3 即使气孔的含量高达0 63 Al2O3陶瓷也是透光的 材料厚3mm 提高原材料纯度 降低杂质含量 三 提高材料透光性的措施 掺加外加剂 杂质的折射率与基体的不同 等于在基体中形成分散的散射中心 使S提高 杂质颗粒大小 d 或d 杂质含量 少杂质与基体之间的相对折射率 小 降低气孔率 掺加剂 杂质质点 使散射损失提高 降低气孔率 显著提高了材料的透光率 从吸收损失考虑 在使用光的波段范围内 要求基体和杂质的吸收系数不能出现峰值 少量MgO Y2O3 La2O3 应用举例 Al2O3 少量MgO 新生晶粒表面形成MgO Al2O3尖晶石 细化晶粒 改善力学性能 降低气孔率 提高透光性 Al2O3 氧化物溶于尖晶石中形成固溶体 半径大的离子置换半径小的离子 使尖晶石的折射率提高 接近于基体Al2O3的折射率 减少了界面反射和散射 进一步提高Al2O3陶瓷的透光率 离子半径分别为0 65 0 93 1 15 工艺措施 降低气孔率 使晶粒定向排列 热压烧结热等静压烧结热锻法 有利于排除气孔 使晶粒定向排列 4 3界面反射与光泽 一 镜反射和漫反射二 光泽三 颜色 一 镜反射和漫反射 1 镜反射 材料表面光洁度非常高时 反射光线具有明确的方向性 称为镜反射 具有镜反射现象的物体只能在反射光线方向才能看见 光的反射使人们能看到自身不发光物体的存在 材料表面粗糙不平时 局部的入射角参差不一 反射光的方向也各式各样 称为漫反射 材料表面越粗糙 镜反射所占的能量分数越小 漫反射使人们在各个方向都能看到物体 2 漫反射 光反射应用举例 雕花玻璃器皿 高折射率 高反射率 装饰效果好 宝石 强折射 高反射 耀眼 通讯用光导纤维 光束总的内反射高 高折射高反射 高折射低反射 不可见 窗户 涂层玻璃 光泽 与镜反射和漫反射的相对含量密切相关 表面光泽与反射影像的清晰度和完整性 即与镜反射光带的宽度和它的强度有密切的关系 其因素主要由折射率和表面光洁度决定 二 光泽 提高表面光泽 提高表面光洁度 增加表面粗糙度 减小表面光泽 三 颜色 由于光吸收的选择性 导致物体吸收一定波长范围的光 而反射或透射其它波长范围的光 从而使物体呈现出不同的颜色 如 纯铜吸收可见光谱的蓝或紫端的光子 而反射较长波长的可见光 所以 纯铜显红色 光的颜色是人眼对具有不同频率的光的视觉生理反应的结果 眼睛对不同光的视觉灵敏度是随着光的频率 或波长 即光色的不同而变化的 大家都戴着 有色眼镜 哦 4 4不透明性和半透明性 一 不透明性和半透明性二 乳浊剂的成分三 改善乳浊性能的工艺措施四 半透明材料及改善措施 一 不透明性和半透明性 建筑卫生陶瓷表面常常用釉覆盖 搪瓷盆也用釉遮盖 遮盖底层或坯体的不良颜色 釉 表面光泽好 不透明 半透明的乳白玻璃使光线非常柔和 为了提高不透明性和覆盖能力 要求光在达到具有不同光学性能的底层前被漫反射掉 影响不透明性和半透明性的光学特性包括 镜反射光的分数 决定光泽 入射光漫反射的分数 直接透射光的分数 入射光漫透射的分数 半透明性 透射的光是扩散开的 大部分入射光应该透射过去而不是被漫反射掉 也就是说入射光中漫透射的分数对于材料的半透明性起着决定性作用 不透明性 半透明性取决于材料的反射和透射性能 决定乳浊度的主要因素是 第二相的颗粒尺寸 第二相的体积分数 第二相与基体的相对折射率n21 为了达到最大的散射效果 提高乳浊度 降低透明性 乳浊剂颗粒不能与基体玻璃相发生反应 颗粒与基体的相对折射率n21要大 颗粒的体积分数要高 颗粒的尺寸与入射光波长相当 为了达到不透明或半透明性能 方法就是在基质中引入第二相粒子 乳浊剂来实现 反射系数 散射系数 二 乳浊剂的成分 不透明性 构成釉及搪瓷的主要成分 基体相 是硅酸盐玻璃 折射率限定在1 49 1 65 乳浊剂的折射率和基体玻璃相的折射率要相差很大 还必须能在玻璃基体中形成小颗粒 根据乳浊剂的来源 乳浊剂可分为 惰性添加物 反映产生的惰性产物 玻璃溶体中成核结晶产物 折射率特别高 是非常有效地乳浊剂 广泛用于要求高乳浊度的搪瓷釉中 但是没有被用作釉和玻璃中 TiO2 原因 高温 特别是还原气氛下 使釉着色 搪瓷烧成温度低不会出现变色 SnO2 普遍用于釉和珐琅的优质乳浊剂 缺点 还原气氛下 被还原成SnO 乳浊效果消失 稀少 介格昂贵 应用受到限制 ZrSiO4 锆英石 优点 乳浊效果稳定 不受气氛影响 成本低 推广使用效果好 常用的乳浊剂 三 改善乳浊性能 不透明性 的工艺措施 釉和珐琅的制作工艺 配料 细磨成浆 施于坯体 煅烧 熔融淬冷 制成熔块 四 半透明材料及改善措施 乳白玻璃 明显的散射 吸收最小 最大的漫透射 在玻璃中掺入和基质材料的折射率相近的NaF和CaF2 促进其它晶体 方石英 从熔体中析出 单相氧化物陶瓷 半透明性是其质量标志 半透明性几乎只取决于气孔的含量 对于含有小气孔的高密度单相陶瓷 半透明度是衡量残留气孔率的一中敏感尺度 是瓷品一种良好的质量标志 工艺瓷 骨灰瓷和硬瓷 半透明性是其主要的鉴定指标 构成相 玻璃 折射率接近1 5 莫来石 折射率1 64 和石英 其中莫来石对于散射和降低半透明性起着主要作用 增加玻璃含量 减少莫来石的量 可提高半透明性 改善半透明性的措施 降低气孔含量 使焙烧温度足够高 调整各相的折射率 使之匹配较好 以减少散射 增加漫透射 液相 折射率1 56 莫来石 石英 骨灰瓷 4 5其它光学性能的应用 一 发光材料二 荧光材料三 激光材料四 电光与声光材料五 光通讯材料 一 发光材料 光的发射是物体中电子从高能态到低能态的跃迁产生的 物体要发光 首先就得使物体中的电子处于高能态 1 发光 白炽灯丝2000 光与热相伴而行 炉火纯青 要靠辐射有效地产生可见光 物体的温度必须足够高 热辐射决定于物体的温度 是一种普遍存在的现象 太阳表面5800 冷光 不需要提高物体的温度 是物体在某种外界条件的刺激下偏离热平衡状态时由激发态到基态的跃迁所产生的辐射 是一种非平衡辐射 以某种方式将能量传递给物体使电子提升到一定高能态的过程 称为激发过程 发光就是将所吸收的激发能转化为光辐射的过程 能量来源 物理能 机械能 化学能 生物能等 相应地有 物理发光 机械发光 化学发光 生物发光等 2 自发发光与受迫发光 自发发光 受激发的粒子 如电子 受粒子内部电场作用从激发态A而回到基态G时的发光 受迫发光 受激发的电子只有在外界因素的影响下才发光 3 材料的发光特征 颜色特征不同的发光材料有着不同的发光颜色 发光强度特征发光强度代表发射光的能量 是一个客观数值 发光的亮度是人眼的感觉 是主观判断的结果 其中包含了眼睛对不同颜色视觉的差别 发光持续时间特征规定当激发停止时 其发光亮度L衰减到初始亮度L0的10 时所经历的时间为余辉时间 简称余辉 人眼能够感觉到余辉的长发光期间者为磷光 人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光 荧光与磷光无严格区别 4 发光材料分类 按激发方式来分 光致发光材料 发光材料在光 紫外光 红外光 可见光等 照射下激发发光 电致发光材料 发光材料在电场或电流作用下的激发发光 发光材料在电子束或其它射线束的轰击下的激发发光 发光材料在热作用下的激发发光 发光材料在等离子体的作用下的激发发光 射线致发光材料 热致发光材料 等离子发光材料 二 荧光材料 电子从激发态向低能态的跃迁时 若伴随有热量向周围的传递或辐射 此过程中发射的光为荧光或磷光 取决于激发和发射之间的时间 荧光材料的光发射主要受其中的杂质影响 低浓度的杂质就可起到激活剂的作用 应用 荧光灯 工作原理 汞蒸气和惰性气体混合气体中的放电电能 光辐射 激发放电管壁上的荧光剂 阴极射线管 荧光屏 闪烁计数器 工作原理 电子束激发荧光剂 彩色电视 采用不同的荧光剂 电子束激发 产生不同频率范围的光的发射 这样不同的颜色就形成彩色 对于这种电子扫描显示屏幕 荧光剂的衰减时间是个重要的性能参数 三 激光材料 激光材料由基质和激活离子