材料物理性能测试技术讲课光学特性

1、材料光学性能的测试技术 本章知识结构体系 前言 光的透射、折射和反射 材料对光的吸收和色散 光的散射及散射光谱 材料的光发射 前言 材料的光学性能给予了极大的关注，光在高科技中的地位正在 不断提高 光集成器件和光子计算机都是人们追求的对象 不同的领域对光学性能有不同要求 金和银对红外线的反射能力最强，所以常被用来作为红外辐射腔的镀层 半导体锗和硅对可见光不透明，却对红外线透明，故被用来制造红外透镜 hc h 电磁波谱 光的透射、折射和反射 当光从一种介质进入另一种介质时，一部分透过 介质，一部分被吸收，一部分在两种介质的界面 上被反射，还有一部分被散射 假如入射到材料表面的光辐射能流率为 0，

2、透过、 吸收、反射和散射的光辐射能流率分别为 T、 A、 R、 ，则 0TAR 1T/0A/0R/0/0 从微观上分析，光子与固体材料相互作用，实际 上是光子与固体材料中的原子、离子、电子之间 的相互作用，出现的二种重要结果是： 电子极化 ：电磁辐射的电场分量，在可见光频率范 围内，电场分量与传播过程中的每个原子都发生作用， 引起电子极化，即造成电子云和原子核电荷重心发生 相对位移，其结果： 当光线通过介质时，一部分能 量被吸收，同时光波速度被减小，导致折射产生 电子能态转变: 光子被吸收和发射，都可能涉及到固 体材料中电子能态的转变 孤立原子吸收光子后电子态转变示意图 42 hE 材料的折射

3、率及影响因素 光子进入材料，其能量将受到损失，因此光子的速度将要改变。当光从真空浸入 较致密的材料时，其速度下降，光在真空和材料中的速度之比，称为材料的折射 率n，材料的折射率是永远大于1的正数 光从材料1通过界面进入材料2时，与界面法线所形成的入射角为 1,折射角为 2， 材料2相对材料1的相对折射率为： 21 1 2 1 2 2 1 21 sin sin n v v n n n 材料的折射率与下列因素有关： 材料自身因素 构成材料元素的离子半径 材料的结构、晶型 材料存在的内应力 同质异构体 还与入射光的波长有关光的色散 材料的折射率总是随着波长的增加而减小，这种性质称之为色散 ，主 要采

4、用色散系数 d（Abbe数）来表征 材料的反射系数 当一束光从介质1（折射率为n）穿过界面进入介质2（折射为n）出现一次反射；当光在介质2中经过第 二个界面时，仍要发生反射和折射。从反射定律和能量守恒定律可以推导出，当入射光线垂直或接近垂直 于介质界面时，其反射系数为 2 21 21 1 1 n n R 材料的透射及其影响因素 光学材料的应用，一般情况下都希望材料的透射系数高。除了界面反射损失外，材料对入射光的吸收及其散 射，是影响材料光透射比的二个重要方面 反射系数 材料与环境的相对折射率和材料表面光洁度是二个重要因素 散射吸收：主要反映在（1）材料的宏观及显微缺陷；（2）晶粒排列方向 材料

5、对光的吸收和色散 一束平行光照射均质的材料时，除了发生反射和折射而改变其传播方向外，进入材料之后还会发生两种变 化 随着光束的深入，一部分光的能量被材料吸收，其强度将被减弱 介质中光的传播速度比真空中小，且随波长而变化，这种现象被成为光的色散 光的吸收 dx I dI 负号表示光强随着x的增加而减弱， 为吸收系数。 对于一定波长的光波而言，吸收系数是和介质的性质有关的常数 dx I dI 积分 lII dx I dI lI I 0 0 lnln 0 l eII 0 0 0 I II l 记A l，A称为吸收率 吸收光谱 研究物质的吸收特性发现，任何物质都只对特定的波长范围表 现为透明的，而对另

6、一些波长范围则不透明。 假如物质对某个波长范围的光很透明，且吸收系数几乎不变， 这种现象称为“一般吸收”。而对在某个波长区域内的光表现 出强烈吸收，且吸收率随波长剧烈变化，这种现象称为“选择 吸收”。 任何物质都有这两种形式的吸收，只是出现的波长范围不同而 已。 金刚石的吸收光谱 光的色散 介质中光速或折射率随波长改变的现象称为光的色散现象 若将一束白光斜射到两种均匀介质的分界面上，就可以看到折射光束分散成按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫 的顺序排列而成的彩色光带，这是在介质中不同波长的光有不同速度的直接结果。 石英等透明材料在红外区的反常色散 石英之类透明材料，把测量波长延伸到红外区域，这时所得

7、到的色散曲 线在吸收带的附近出现明显偏离。 色散曲线的PQ段可以准确的符合科希公式，但从R点起折射率开始急剧 下降 ，而不是随 的增加缓慢下降并趋近于极限A 在接近吸收带的短波测，折射率n愈降愈快，直到进入完全不透光的吸 收区。在吸收带的长波侧测得的n值很高，离开吸收区后，n先是迅速下 降，距离渐远再缓慢降低。在S点到T点的范围内，n值回复正常，但数 值较大 光的散射及散射光谱 光的散射 光在通过气体、液体、固体等介质时，遇到烟尘、微粒、悬浮液滴或者结构成分不均匀的微笑区域，都会 有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来，这种现象称为光的散射 光的散射分为弹性散射、非弹性散射 弹性散

8、射 散射前后，光的波长（或光子能量）不发生变化的散射称为弹性散射 散射的结果只是把光子碰到不同的方向上去，并没有改变光子的能量 弹性散射的规律除了波长（或频率）不变之外，散射光的强度和波长的关系 可因散射中心尺度的大小具有不同的规律 廷德尔（Tyndall）散射 米氏（Mie）散射 瑞利（Rayleigh）散射 弹性散射的规律 假如以Is表示散射光强度， 表示入射光的波长，一般有如下关系 1 s I参量 与散射中心尺度大小a0有关 当a0 时，0，即当散射中心的尺度远大于光波的波 长时，散射光强与入射光波长无关。 粉笔灰颗粒的尺寸对所有可见光波长均满足这一条件， 所以，粉笔灰对白光中所有单色成

9、分均有相同的散射 能力，看起来是白色的 天上的白云，是由水蒸气凝成较大的水滴而组成的， 线度也在此范围，所以散射光也呈白色 当a0时，即散射中心尺度与入射光波长可以 比拟时， 在04之间，具体数值与散射中心尺 寸有关 当a0 nn 光源单色器样品室检测器放大器计 算机及输出装置 KCLIIA)/log( 0 在拉曼散射中，若光子把一部分能量给样品分子，得到的散射光能量较少，在垂 直方向测量到的散射光中，可以检测频率为（ 0 E/h）的线，称为斯托克斯 （stokes）线 如果它是红外活性的话， E/h的测量值与激发该振动的红外频率一致。 若光子从样品分子中获得能量，在大于入射光频率处接收到散射

10、光线，则称为反 斯托克斯线。 激光拉曼光谱与红外光谱的比较 拉曼效应产生于入射光子与分子振动能级的能量交换。在很多情况下，拉曼频率位移 的程度正好相当于红外吸收频率红外测量能够得到的信息，同样也出现在拉曼光 谱中 两种光谱的分析机制不同，在提供信息上也有差异 一般来说，分子的对称性越高，红外与拉曼光谱的区别就越大，非极性官能团的拉曼 散射谱带较为强烈，极性官能团的红外谱带较强烈 金刚石的吸收光谱 石英等透明材料在红外区的反常色散 石英之类透明材料，把测量波长延伸到红外区域，这时所得到的色散曲 线在吸收带的附近出现明显偏离。 色散曲线的PQ段可以准确的符合科希公式，但从R点起折射率开始急剧 下降 ，而不是随 的增加缓慢下降并趋近于极限A 在接近吸收带的短波测，折射率n愈降愈快，直到进入完全不透光的吸 收区。在吸收带的长波侧测得的n值很高，离开吸收区后，n