PPT 6 无机材料的光学性质 2012

1、主讲教师：李志成主讲教师：李志成无机材料物理性能无机材料物理性能无机材料的光学性质无机材料的光学性质 光与物质的相互作用光与物质的相互作用 光的反射与折射光的反射与折射 光的吸收、色散与散射光的吸收、色散与散射 无机材料的透光性无机材料的透光性 无机材料的颜色无机材料的颜色 无机材料的光学性质与应用无机材料的光学性质与应用光学材料是材料的重要成员。用作窗口、透镜、棱镜、滤光镜、激光器、光导纤维、发光等以及以光学性能为主要功能的光学材料等。在国民经济、通讯、宇航、军工等领域发挥着重要作用。如高纯、高透明光通信纤维玻璃使远距离信息传输高纯、高透明光通信纤维玻璃使远距离信息传输成为现实；成为现实；大

2、功率激光发射介质对民用与军工作用不言而喻；大功率激光发射介质对民用与军工作用不言而喻；发光材料对于信息显示技术的发展的意义；等等。发光材料对于信息显示技术的发展的意义；等等。无机材料的光学性质无机材料的光学性质无机材料的光学性质无机材料的光学性质最新发光材料最新发光材料晒一分钟太阳发光两周晒一分钟太阳发光两周美国佐治亚大学研究人员发明了一种新材料Cr3+-doped zinc gallogermanates (镓镓鍺鍺酸锌酸锌)相关论文发表在英国自然材料杂志20 November 2011，它在阳光下暴露一分钟后就可以在黑暗中持续两周以上时间的近红外光。 这一发明可望为医疗诊断带来革新，例如将

3、其与纳米粒子组配在一起附着在癌细胞上，使癌细胞的转移可视化。此外它还能为军队提供“秘密”照明源，因为它的光只能通过特殊的夜视装置才能看到。 科学家的实验证明这种磷光物质不需要直接放在阳光下，即使在多云甚至下雨的天气下它也能“充电”。 介质中的各种光学现象本质上是光和物质相互作用的结果。研究光和物质相互作用的微观过程，是讨论介质中光的折射、散射、吸收和色散等常见的线性光学现象的物理本质的基础。光波的辐射光波的辐射主要是原子最外层电子或弱束缚电子的主要是原子最外层电子或弱束缚电子的加速运动产生的，因而加速运动产生的，因而原子的电偶极矩便是这种光原子的电偶极矩便是这种光辐射的主要波源辐射的主要波源。

4、了解电偶极子辐射场的基本性质对经典理论处理光了解电偶极子辐射场的基本性质对经典理论处理光和物质相互作用的问题极为重要。和物质相互作用的问题极为重要。1 1、光与物质相互作用、光与物质相互作用当外层电子与原子核等值异号的电荷交替变化时，当外层电子与原子核等值异号的电荷交替变化时，即形成一个交变的电偶极子。电偶极矩在它周围即形成一个交变的电偶极子。电偶极矩在它周围产生交变电场，交变电场又产生交变磁场，交变产生交变电场，交变电场又产生交变磁场，交变磁场再产生交变电场，如此不断继续下去磁场再产生交变电场，如此不断继续下去.。于是，在电偶极子周围空间便产生由近及远的电于是，在电偶极子周围空间便产生由近及

5、远的电磁波动。磁波动。即交变电偶极子向空间发射电磁波即交变电偶极子向空间发射电磁波。1 1、光与物质相互作用、光与物质相互作用交变电偶极子向空间发射电磁波交变电偶极子向空间发射电磁波光和物质相互作用的过程可以看作是组成物质的原子或分子体系在入射光波电场的作用下，正负电荷发生相反方向的位移，并跟随光波的频率作受迫振动，产生感生电偶极矩，进而产生电磁波辐射的过程。这一过程也为发射次波的过程发射次波的过程。 1 1、光与物质相互作用、光与物质相互作用交变电偶极子向空间发射电磁波交变电偶极子向空间发射电磁波 原子内部电子的运动可用简谐振动规律的电偶极子原子内部电子的运动可用简谐振动规律的电偶极子（称为

6、简谐振子）描述。电子的运动方程为（称为简谐振子）描述。电子的运动方程为 (1)(1)xdtxdkxdtxdm202222 或1 1、光与物质相互作用、光与物质相互作用式中，m为电子的质量； kx为维持电子在平衡位置的弹性力； k是弹性常数；x是在时间t时电子的位移；0=(k/m)1/2为弹性偶极子的固有频率。交变电偶极子向空间发射电磁波交变电偶极子向空间发射电磁波因为交变电偶极子辐射电磁波，而辐射场必然对电子因为交变电偶极子辐射电磁波，而辐射场必然对电子产生反作用，即辐射阻尼，这种辐射阻力与位移速度产生反作用，即辐射阻尼，这种辐射阻力与位移速度dx/dt成正比成正比 ，即，即dx/dt，为阻力

7、系数。1 1、光与物质相互作用、光与物质相互作用交变电偶极子向空间发射电磁波交变电偶极子向空间发射电磁波02022xdtdxdtxd因此原子内部电子按固有频率的振动是衰减振动，因此原子内部电子按固有频率的振动是衰减振动，其振幅随时间不断减小，即为阻尼振动。其振幅随时间不断减小，即为阻尼振动。 于是电子的运动方程可写成于是电子的运动方程可写成 （2） 当光波作用到原子上时，光波使原子极化。原子中当光波作用到原子上时，光波使原子极化。原子中的电子将在光频电磁场的驱动下作受迫振动，使电的电子将在光频电磁场的驱动下作受迫振动，使电子依光波电场的步调振动。子依光波电场的步调振动。1 1、光与物质相互作用

8、、光与物质相互作用交变电偶极子向空间发射电磁波交变电偶极子向空间发射电磁波Emexdtdxrdtxd2022对于非磁性材料，仅考虑电场力对于非磁性材料，仅考虑电场力(-eE)的作用。如果的作用。如果光场较弱，电子强迫振动的位移不大，则仍可采用光场较弱，电子强迫振动的位移不大，则仍可采用简谐振子模型，电子运动方程为简谐振子模型，电子运动方程为 (3)式中e=|e|为电子电荷的大小，E是外部光波的电场。为了简单起见，考虑简谐电场作用下的电子运动，为了简单起见，考虑简谐电场作用下的电子运动，则电子位移则电子位移x和电场和电场E分别为分别为 x=x()eit 和和 E=E()eit其中其中E()和和x

9、()表示对应于频率表示对应于频率的振幅值，有的振幅值，有 （4）1 1、光与物质相互作用、光与物质相互作用交变电偶极子向空间发射电磁波交变电偶极子向空间发射电磁波iEmex220)( )(1 1、光与物质相互作用、光与物质相互作用结论：结论：在简谐振子模型的近似下，电子受迫振动的频率与在简谐振子模型的近似下，电子受迫振动的频率与驱动光波频率相同。驱动光波频率相同。但该式右边的分母中含有虚因子但该式右边的分母中含有虚因子i ，表明受迫振动，表明受迫振动与驱动光场间存在相位差，且这个相位差对介质中与驱动光场间存在相位差，且这个相位差对介质中所有原子都是一样的。所有原子都是一样的。 交变电偶极子向空

10、间发射电磁波交变电偶极子向空间发射电磁波iEmex220)( )(在在频率频率作用过程中的特点：作用过程中的特点： （1）在）在0的情况下的情况下当过程开始时，电子吸收少量光波能量，引起受迫振动当过程开始时，电子吸收少量光波能量，引起受迫振动感生电偶极矩，并辐射次波。感生电偶极矩，并辐射次波。在达到稳定状态后，吸收的能量与辐射的能量必然达到在达到稳定状态后，吸收的能量与辐射的能量必然达到平衡，即维持稳幅振荡，这种过程称为平衡，即维持稳幅振荡，这种过程称为光的散射光的散射。1 1、光与物质相互作用、光与物质相互作用iEmex220)( )(交变电偶极子向空间发射电磁波交变电偶极子向空间发射电磁波

11、（1）在）在0的情况下的情况下这种散射过程的特点：电子的本征能量不会发生改变，这种散射过程的特点：电子的本征能量不会发生改变，形式上只是入射光波和散射光波之间的能量互相转换，形式上只是入射光波和散射光波之间的能量互相转换，吸收多少又散射多少。这一过程为光和物质的非共振相吸收多少又散射多少。这一过程为光和物质的非共振相互作用过程。互作用过程。因此，当光子的频率与电子振动的自然频率（大约因此，当光子的频率与电子振动的自然频率（大约1015/秒）不同时，电磁波在固体中自然传播而无吸收。秒）不同时，电磁波在固体中自然传播而无吸收。1 1、光与物质相互作用、光与物质相互作用iEmex220)( )(交变

12、电偶极子向空间发射电磁波交变电偶极子向空间发射电磁波在在频率频率作用过程中的特点：作用过程中的特点： （2）在）在 = 0情况下，情况下，随着入射光波频率逐渐接近原子的固有频率随着入射光波频率逐渐接近原子的固有频率 0，振子的振幅逐渐加大。振子从入射光波摄取的振子的振幅逐渐加大。振子从入射光波摄取的能量增大，相应的辐射次波能量也增大。能量增大，相应的辐射次波能量也增大。1 1、光与物质相互作用、光与物质相互作用iEmex220)( )(交变电偶极子向空间发射电磁波交变电偶极子向空间发射电磁波在在频率频率作用过程中的特点：作用过程中的特点： （2）在）在 = 0情况下情况下有辐射阻尼时，吸收的能

13、量用作散射；没有辐射阻尼有辐射阻尼时，吸收的能量用作散射；没有辐射阻尼时，吸收的能量用来不断增大振幅。时，吸收的能量用来不断增大振幅。鉴于这一特点，通常把鉴于这一特点，通常把0的过程与其他频率的过程的过程与其他频率的过程区分开来，不再称作散射，而称为区分开来，不再称作散射，而称为吸收与再放射吸收与再放射。1 1、光与物质相互作用、光与物质相互作用iEmex220)( )(交变电偶极子向空间发射电磁波交变电偶极子向空间发射电磁波在在频率频率作用过程中的特点：作用过程中的特点： （2）在）在 = 0情况下情况下实际上，在实际上，在 = 0的谐振频率处，可以认为初始态的电的谐振频率处，可以认为初始态

14、的电子吸收一个光子跃迁到高能态，而受激电子又可以放子吸收一个光子跃迁到高能态，而受激电子又可以放出一个同频率的光子回到初始的低能态。出一个同频率的光子回到初始的低能态。在这种吸收与再放射过程中，电子的本征能态将发生在这种吸收与再放射过程中，电子的本征能态将发生改变，故属于光和物质的共振相互作用过程。改变，故属于光和物质的共振相互作用过程。1 1、光与物质相互作用、光与物质相互作用iEmex220)( )(交变电偶极子向空间发射电磁波交变电偶极子向空间发射电磁波在在频率频率作用过程中的特点：作用过程中的特点： 介质材料可以看作许多线性谐振子的集合，在光波场的作用下，极化的原子或分子辐射的次波与入

15、射光波的相互干涉决定了光在介质中的传播规律。2 2、光的反射与折射光的反射与折射 光波除了与介质材料中的电结构作用外，还与磁光波除了与介质材料中的电结构作用外，还与磁结构作用。结构作用。正是由于材料的极化与磁化作用，使电磁波在介正是由于材料的极化与磁化作用，使电磁波在介质中的传播受到约束。质中的传播受到约束。 根据麦克斯韦电磁理论，电磁波在固体中的传播速度v与反映材料极化特性的相对介电常数r和磁化特性的相对磁导率r及真空中的光速c有如下的关系： （2.1）该式反映了材料的性质对光传播的影响。该式反映了材料的性质对光传播的影响。对于非磁性材料，对于非磁性材料， r 1.2 2、光的反射与折射光的

16、反射与折射 rrcv由于光的传播速度因材料性质不同而各由于光的传播速度因材料性质不同而各异，因此光从一种均匀介质斜射入另一异，因此光从一种均匀介质斜射入另一种均匀介质时，在两种介质的界面上一种均匀介质时，在两种介质的界面上一般都会发生般都会发生反射和折射反射和折射现象。现象。 2 2、光的反射与折射光的反射与折射 光由材料1通过界面传入材料2时，与界面法向所形成的入射角i1、折射角i2与两种材料的折射率n1、n2以及光在相应介质中的传播速度由如下关系： （2.2）2 2、光的反射与折射光的反射与折射 折射及其影响因素折射及其影响因素 12i1i2211221sinsinvvnnii结合方程式（

17、结合方程式（2.1) 和和(2.2)可以得出可以得出 r=n2 (2.3)2 2、光的反射与折射光的反射与折射 折射及其影响因素折射及其影响因素 反映了光的折射与材料的介电常数关系，此乃反映了光的折射与材料的介电常数关系，此乃麦克斯麦克斯韦关系式韦关系式。材料的极化性质又与构成材料的原子的原子量、电子分布情况、化学性质等微观因素有关。这些微观因素通过宏观量介电常数来影响光在材料中的传播速度。2 2、光的反射与折射光的反射与折射 折射及其影响因素折射及其影响因素 为了进一步说明影响介质折射率的因素，由克劳修斯-莫索蒂方程（Clausius-Mosotti equation）可知介电常数 r与极化

18、率的关系(N为阿佛伏加德罗常数)： （2.4）03N21rr2 2、光的反射与折射光的反射与折射 折射及其影响因素折射及其影响因素 022321NMnnPM结合方程式（2.3）(2.4)，可以得到可以得到分子的折射度PM为： (2.5) 式中，M为分子量，为密度。上式说明：上式说明：单位体积中原子的数目越多，或结构越单位体积中原子的数目越多，或结构越紧密，则折射率越大。紧密，则折射率越大。另外在电子的极化中，定性的简化模型中导出了电子极化率与原子半径的关系： e=40r3由于介质的折射率随组成固体的原子的电子极化率由于介质的折射率随组成固体的原子的电子极化率的增加而增加，因此材料的折射率随原子

19、半径的增的增加而增加，因此材料的折射率随原子半径的增加而增加。加而增加。2 2、光的反射与折射光的反射与折射 折射及其影响因素折射及其影响因素 因素因素1 1、构成材料元素的离子半径和电子结构 折射率是材料的组成离子的极化率总和。正负离子的极化率是由离子半径及其外层电子决定的。原子价相同的正离子，其半径越大，原子核对外层电子吸引力越弱，则离子的极化率越高。大离子高折射率。2 2、光的反射与折射光的反射与折射 影响折射率的因素有下列几方面：影响折射率的因素有下列几方面：022321NMnnPM因素因素2 2、材料的结构、晶型和非晶态 如各向同性的非晶态和立方晶体等材料，折射率不因光的传播方向而变

20、化，材料只有一个折射率，称为均质介质。对于其它非均质材料，折射率随方向而不同，折射率沿着原子或离子越密排的结晶学方向越大。对于层状结构的晶体，沿原子较紧密的堆积层面内的光波速度比其它方向小。 2 2、光的反射与折射光的反射与折射 影响折射率的因素有下列几方面：影响折射率的因素有下列几方面：因素因素3 3、同质异构体与温度 一般情况下，同质异构材料的高温晶型原子的密堆积程度低，因此高温晶型的折射率较低，低温晶型原子的密堆积程度高，因此其折射率较高。 因素因素4 4、外界因素材料在机械应力、超声波、电场等的作用下，折射率会发生改变。如有内应力存在的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主

21、应力方向的n小。2 2、光的反射与折射光的反射与折射 影响折射率的因素有下列几方面：影响折射率的因素有下列几方面：设两种介质的折射率分别为设两种介质的折射率分别为n1、n2。当。当自然光由介质自然光由介质1入射到介质入射到介质2时，光在介时，光在介质界面上分成了反射光和折射光。如图质界面上分成了反射光和折射光。如图由于光波的振动可以分解为相互独立的由于光波的振动可以分解为相互独立的s振动和振动和p振动，则入射光振动，则入射光k1 、反射光、反射光k1、折射光折射光k2三光束的电矢量三光束的电矢量E1、E1、E2都都分解成分解成p分量和分量和s分量，它们都垂直于光分量，它们都垂直于光的波矢的波矢

22、k，它们的正负都是相对于各自，它们的正负都是相对于各自的波矢方向而定的。的波矢方向而定的。2 2、光的反射与折射光的反射与折射 反射率与透射率反射率与透射率在折射和反射过程中，在折射和反射过程中，p和和s两个分量的振动是相互独两个分量的振动是相互独立的立的 。为了说明反射和折射各占多少比例，引入为了说明反射和折射各占多少比例，引入反射率和折反射率和折射率射率的概念。的概念。除了光的各分量要分别计算外，还应区别三种不同的除了光的各分量要分别计算外，还应区别三种不同的反射率和透射率，即振幅反（透）射率，光强反（透）反射率和透射率，即振幅反（透）射率，光强反（透）射率和能流反（透）射率。射率和能流反

23、（透）射率。2 2、光的反射与折射光的反射与折射 反射率与透射率反射率与透射率2 2、光的反射与折射光的反射与折射 E为电矢量；I为光强，即平均能流密度，等于光波的振幅的平方；W=IS为能流，S为光束的横截面积。211|pppprIIR211|ssssrIIR光强反射率光强反射率ppppRWW11ssssRWW11能流反射率能流反射率pppEEr11sssEEr11P分量分量S分量分量振幅反射率振幅反射率反射率与透射率反射率与透射率各种反射率的定义2 2、光的反射与折射光的反射与折射 反射率与透射率反射率与透射率pppEEt12sssEEt1221222|pppptnnIIT21222|sss

24、stnnIITppppTiiWW1212coscosssssTiiWW1212coscosP分量分量S分量分量振幅透射率振幅透射率光强透射率光强透射率能流透射率能流透射率各种透射率的定义当光束正入射时，当光束正入射时，i1=i2=0，有简化，有简化2 2、光的反射与折射光的反射与折射 sprnnnnr12121212nnnttsp1212nnnnRRspsp21221)(4nnnnTTspsp光强反射率光强反射率振幅反射率振幅反射率振幅透射率振幅透射率光强透射率光强透射率反射率与透射率反射率与透射率因此反射率和折射率是由两种介质的折射率决因此反射率和折射率是由两种介质的折射率决定的定的。如果如

25、果n1和和n2相差很大，那么界面反射损失就严重。相差很大，那么界面反射损失就严重。这意味着在光学系统中，当折射率增大时，反这意味着在光学系统中，当折射率增大时，反射损失增大。射损失增大。 2 2、光的反射与折射光的反射与折射 反射率与透射率反射率与透射率当光束从折射率n1较大的光密介质进入折射率n2较小的光疏介质时，折射角大于入射角。当入射角达到某一角度ic时，折射角可等于90，此时有一条很弱的折射光线沿界面传播。如图。 2 2、光的反射与折射光的反射与折射 icn1n2反射率与透射率反射率与透射率2 2、光的反射与折射光的反射与折射 如果入射角大于ic，就不再有折射光线，入射光的能量全部回到

26、第一介质中，这种现象称为这种现象称为全反射，全反射，i ic c角就是全反射的临界角角就是全反射的临界角。反射率与透射率反射率与透射率icn1n2根据折射定律可求得全反射全反射临界角为 ic=sin-1(n1/n2) 不同介质的临界角大小不同。例如，普通玻璃对空气的临界角为42；水对空气的临界角为48.5 ；钻石折射率很大（n=2.417），故临界角很小，容易发生全反射。2 2、光的反射与折射光的反射与折射 光的全反射率与光导纤维光的全反射率与光导纤维利用光的全反射原理，可以制作一种新型光学元件光导纤维光导纤维，简称光纤。光纤是由光学玻璃或光学石英制成的直径几微米到几十微米的细丝，在纤芯外面覆

27、盖直径 100-150微米的包层和涂覆层。如图。2 2、光的反射与折射光的反射与折射 光的全反射率与光导纤维光的全反射率与光导纤维包层与纤芯之间形成良好的光学界面。当光波以一定的角度进入纤维内部时，将在内外两层之间产生多次全反射而传播到另一端。2 2、光的反射与折射光的反射与折射 光的全反射率与光导纤维光的全反射率与光导纤维以上所分析的光的反射是以上所分析的光的反射是材料表面光洁度非常高的情况下的反射，反射光线具有明确的方向性，一般称之为镜面反射。在光学材料中利用这个性能达到各种应用目的。例如：雕花玻璃器皿，含铅量高，折射率高，因而反射率约为普通钠钙硅酸盐玻璃的两倍，达到装饰效果。宝石的高折射

28、率使之具有强折射和高反射性能。玻璃纤维作为通讯的光导管时，有赖于光束总的内反射。 2 2、光的反射与折射光的反射与折射 介质的表面漫反射介质的表面漫反射在陶瓷系统中大多数表面并不是完全光滑的，因此当光照射到粗糙不平的材料表面时，发生相当大的漫反射。介质的表面漫反射介质的表面漫反射2 2、光的反射与折射光的反射与折射 对一不透明材料，测量单一入射光束在不同方向上的反射能量。得到的反射能量分布如图所示。漫反射的原因是由于材料表面粗糙，在局部地方的入射角参差不一，反射光的方向也各式各样，致使总的反射能量分散在各个方向上，形成漫反射。材料表面越粗糙，镜反射所占的能量分数越小。2 2、光的反射与折射光的

29、反射与折射 介质的表面漫反射介质的表面漫反射由于折射率与原子紧密堆积有关，所以对于各向异性材料，在不同的方向上表现出不同的折射率值。因此，当光束通过各向异性介质的表面时，由于在各方向上的折射程度不同，折射光会分成两束沿着不同的方向传播。这种现象称为双折射。如图。3 3、光在各向异性介质中的传播、光在各向异性介质中的传播 1 1 双折射双折射 o光e光光在这种材料内成了两束：光在这种材料内成了两束：一束为寻常光（o光），对应的折射率为寻常光折射率no。不论入射光的入射角如何变化，no均为一常数，它严格服从折射定律。3 3、光在各向异性介质中的传播、光在各向异性介质中的传播 1 1 双折射双折射

30、o光e光另一束成为非常光（e光），对应非常光折射率，该值随入射线方向的改变而变化，它不遵循折射定律。一束光线与细晶透明铁电陶瓷斜交并沿此方向传播时，会产生双折射，即光线被分解为两束线偏振光。这种双折射率可借助于外加电场的变化或陶瓷剩余极化强度的变化来进行控制，这便是电电控双折射效应控双折射效应。3 3、光在各向异性介质中的传播、光在各向异性介质中的传播 1 1 双折射双折射电控双折射效应电控双折射效应 在透明的电光在透明的电光PLTZ陶瓷中，其晶体陶瓷中，其晶体c轴只比轴只比a轴长轴长1%，几，几乎是立方晶系结构，因此其光学性质几乎是各向同性的。乎是立方晶系结构，因此其光学性质几乎是各向同性的

31、。当一个电场作用于陶瓷时，电畴作定向排列，导致宏观极当一个电场作用于陶瓷时，电畴作定向排列，导致宏观极化强度产生，产生单轴晶体光学性质（光学各向异性），化强度产生，产生单轴晶体光学性质（光学各向异性），光轴与极化强度一致。产生电控双折射效应。光轴与极化强度一致。产生电控双折射效应。利用透明利用透明PLTZ陶瓷的电控双折射效应可制成透过率可控陶瓷的电控双折射效应可制成透过率可控的飞行窗、防护眼镜等。在光学信息处理技术中也有着重的飞行窗、防护眼镜等。在光学信息处理技术中也有着重要的应用前景。要的应用前景。3 3、光在各向异性介质中的传播、光在各向异性介质中的传播 1 1 双折射双折射电控双折射效应

32、电控双折射效应 旋光现象旋光现象：在某一单轴晶体内沿着垂直于光轴方向切出一块平行平面晶片，并将其插入一对正交偏振片I和II之间，在单色光的照射下，从偏振片II后看去视场变亮。此时如把偏振片II向左或向右旋转一定的角度，出现消光现象。这表明，从晶片透射出来的光仍为线偏振光，但其振动面向左或向右旋转了一个角度，这种现象称为旋光旋光。3 3、光在各向异性介质中的传播、光在各向异性介质中的传播 2、旋光、旋光在某些晶体介质中，晶格上的原子和离子排列存在附加的螺旋有序性。由于按螺线周期排列的原子间的相互作用，在光场的作用下，电子的运动轨迹为一螺线如（石英晶体，在z轴方向上的原子或离子位于螺距等于晶胞长度

33、的螺线上）。电子的运动不仅产生交变的电偶极矩p(t)，还产生交变的磁偶极矩m(t)，且两者都是沿螺线方向（同向或反向取决于螺线的绕向）。3 3、光在各向异性介质中的传播、光在各向异性介质中的传播 2、旋光、旋光机理机理 如图表示右旋分子平行于入射光电场的情况。3 3、光在各向异性介质中的传播、光在各向异性介质中的传播 交变的电、磁偶极子将辐射电磁次波，而且二者辐射的次波电矢量Ep和Em互相垂直。因而螺线偶极子辐射的合成电场Es=Ep+Em将不平行于入射场Ei，总电场E=Ei+Es的偏振方向将相对于入射场Ei旋转一个角度。2、旋光、旋光机理机理 旋转的方向取决于螺线的绕向（如图），旋转角的大小则

34、随分子相对于入射场E的取向而变。3 3、光在各向异性介质中的传播、光在各向异性介质中的传播 2、旋光、旋光机理机理 菲涅耳假设菲涅耳假设：在旋光晶体中线偏振光沿光轴传播时分解成左旋和右旋圆偏振光（L光和R光），它们的传播速度vL和vR略有不同，或者二者的折射不同，而经过旋光晶片时产生不同的位相滞后。如图3 3、光在各向异性介质中的传播、光在各向异性介质中的传播 2、旋光、旋光菲涅耳解释菲涅耳解释 dndnRRLL22为真空中的波长，d为旋光晶片的厚度。为了简便，设入射的线偏振光的振动平面在竖直方向，并取它入射界面I上的初始相位为0。当光线出射界面II时，左右旋圆偏振光的速度恢复到一致，它们合成

35、为一个线偏振光，其偏振方向在EL和ER瞬时位置的分角线上，相对于原来的竖直方向转过了一个角度，其大小为3 3、光在各向异性介质中的传播、光在各向异性介质中的传播 dnnLRLR)()(21偏振转动的角度与旋光晶片偏振转动的角度与旋光晶片的厚度成正比的厚度成正比2、旋光、旋光菲涅耳解释菲涅耳解释 法拉第旋光效应法拉第旋光效应 对于给定的介质，振动面的转角对于给定的介质，振动面的转角 与样品的与样品的厚度厚度d和磁感应强度和磁感应强度M成正比：成正比：=FdM，F为为法拉第旋光系数（法拉第旋光系数（/cm）。）。旋光率的数值与波长有关。旋光率的数值与波长有关。 光的传播方向反转时，法拉第旋转的左右

36、方光的传播方向反转时，法拉第旋转的左右方向互换。向互换。3 3、光在各向异性介质中的传播、光在各向异性介质中的传播 2、旋光、旋光一束平行光照射材料时部分光的能量部分光的能量被吸收被吸收，其强度将被减弱；，其强度将被减弱；介质中光的传播速度比真空中小，且随波长而变化介质中光的传播速度比真空中小，且随波长而变化产生色散现象产生色散现象；光在传播时，遇到结构成分不均匀的微小区域，有光在传播时，遇到结构成分不均匀的微小区域，有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来，即开来，即发生散射现象发生散射现象。其中光的吸收和散射都会导致原来传播方向上的光强

37、减弱。4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 光作为一种能量流，在穿过介质时，1 引起介质的价电子跃迁，或使原子振动而消耗能量；2同时，介质中的价电子吸收光子能量而激发，在运动中与其它分子碰撞，电子能量转变成分子的动能（即热能），从而构成光能的衰减。导致光的能量损失，这是产生光吸收的原因。 4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 1 1 光的吸收光的吸收如图，设有一块厚度为x的平板均匀介质材料，入射光的强度为I0。光通过某薄层前的强度为I，通过后的吸收损失为-dI，它与薄层厚度dx有以下关系。 4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 1 1 光的吸收光的吸收吸收系数吸收系数II0 xI0IId

38、x -dI=Idx (1) 为与光强无关的比例系数，即介质对光的吸收系数。对（1）式进行积分，可得 （2）xIIxeIIdxIdI0004 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 （2）该式表明，光强随厚度的变化符合指数衰减规律，这是朗伯特定律。 越大、材料越厚，光就被吸收的越多，透过后的光强就越小。(薄膜往往具有很好的光学透过性)当光的传播距离达到1/时，强度衰减到入射时的1/e。但是对于光强非常大的入射光（如激光）来说，朗伯特定律就不再成立。xeII01 1 光的吸收光的吸收吸收系数吸收系数4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 1 1 光的吸收光的吸收材料吸收的选择性材料吸收的选择性任何介质

39、只对特定的波长范围表现为透明（吸收少），而对其任何介质只对特定的波长范围表现为透明（吸收少），而对其它波长范围则不透明（吸收多）。它波长范围则不透明（吸收多）。1、金属对光吸收强烈：因低频光子能量足于激发电子跃迁引起能量的吸收2、在可见光区，金属与半导体的吸收系数都很大。不同类型的材料对不同频率光的吸收率4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 1 1 光的吸收光的吸收材料吸收的选择性材料吸收的选择性3、绝缘体有三个吸收峰： 在红外区，它是由于红外频率的光波光子与材料中的离子或分子的共振消耗能量而发生的； 在紫外范围一个，是由于紫外线引起原子中的电子发生共振，即紫外光的光子足于使电子从价带跃迁到

40、导带或其他能级，因而发生吸收； X射线的吸收，是由于X射线使原子内层电子跃迁到导带而引起的。4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 1 1 光的吸收光的吸收材料吸收的选择性材料吸收的选择性对于某些应用如透镜（或隐身），希望材料能够透过（或吸收）波长范围越广越好，最好能找到透过（或吸收）紫外线、可见光和红外光的材料。难！因为 1、短波侧受材料的禁带宽度、短波侧受材料的禁带宽度Eg限制。限制。如紫外吸收段相应的波长为 Eg= h =hc/ = hc/Eg 式中，式中，h为普朗克常数，为普朗克常数，c为光速。为光速。由此可见，禁带宽度大的材料，紫外吸收端的波长比较小。如由此可见，禁带宽度大的材料，紫

41、外吸收端的波长比较小。如果果Eg足够小（如半导体），可能在可见光区也会被吸收。足够小（如半导体），可能在可见光区也会被吸收。4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 1 1 光的吸收光的吸收材料吸收的选择性材料吸收的选择性2、对于长波长段，波长的透过是受到晶格热振动的限制。、对于长波长段，波长的透过是受到晶格热振动的限制。晶体共振频率：式中，是与力学有关的常数，由离子间结合力决定；Mc和Ma分别为阳离子和阴离子质量。所以，为了有较宽的透明频率范围，最好有高的电子能隙值和弱的原子间结合力以及大的离子质量。如高原子量的一价碱金属卤化物是最好的相关材料。)11(220aMMc光通过介质时，遇到气孔、夹

42、杂物、晶界相等结构或成分不均匀的微小区域（称为散射中心），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，这种现象称为散射。由于散射，光在前进方向上的强度减弱了，对于相分布均匀的材料，其减弱的规律与吸收规律具有相同的规律： (1)式中，I0为光的原始强度；I光束通过厚度为x的材料后剩余强度；S散射系数（单位cm-1）。SxeII02 2 光的散射光的散射4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 将吸收规律与散射规律统一起来，则可得 (2)因此，光的衰减系数由吸收系数和散射系数两部分组成。xSeII)(02 2 光的散射光的散射4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 散射可分为弹性散射：光

43、子与散射中心发生弹性碰撞，散射前后，光子只改变方向，没有能量的变化；非弹性散射：散射前后，光子有能量的变化。2 2 光的散射光的散射4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 弹性散射的规律：波长不变，散射光的强度与波长和散射中心尺度有关。以Is表示散射强度，表示入射光的波长，则 参量与散射中心尺度大小a0有关。1当a0时，0，则散射强度与入射光的波长无关廷德尔（Tyndall）散射。如粉笔灰颗粒的尺寸对所有光波长满足该条件，对各波段光散射能力相同，体现为白色。2 2 光的散射光的散射弹性散射弹性散射4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 1sI2当a0时，在04之间，具体数值与散射中心尺寸有关，

44、这个范围光散射比较复杂，例如存在散射光强度随a0/比值的变化而波动，散射光呈白色。米氏（Mie）散射3当a0时，=4，散射强度与波长的4次方成反比。瑞利（Rayleigh）散射。2 2 光的散射光的散射弹性散射弹性散射4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 1sI如图，当光束通过介质时，从侧向接受到的散射光主要是频率如图，当光束通过介质时，从侧向接受到的散射光主要是频率0 0的瑞利散射光，属于弹性散射。在此之外两侧还有其它频率的瑞利散射光，属于弹性散射。在此之外两侧还有其它频率的散射线存在，这种现象称为的散射线存在，这种现象称为拉曼散射拉曼散射。2 2 光的散射光的散射非非弹性散射弹性散射4

45、4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 0由于非弹性散射中的散射光频率与散射物质的能态结构有关，可以通过研究材料的这一特性分析固体结构、点阵振动、分子的能级等信息。粒度对散射系数粒度对散射系数S的影响的影响光的波长不同时，散射系数达到最大值时的质点直径也有所变化。由于粒度的不同，散射规律也不同。2 2 光的散射光的散射非非弹性散射弹性散射4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 粒度对散射系数粒度对散射系数S的影响的影响若散射质点的体积浓度不变，当d ，则随着d的增加，S反而减小；当d ，S达到最大值。所以，可以根据散射中心尺寸和波长的相对大小，分别用不同的散射机理和规律进行处理，可求出S与其他因素

46、的关系。 2 2 光的散射光的散射非非弹性散射弹性散射4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 粒度对散射系数粒度对散射系数S的影响的影响当d 时，利用菲涅耳（Fresnel）规律（反射、折射引起的总体散射起主要作用）。由于散射质点和基体的折射率的差别，当光碰到质点与基体的界面时，就要产生界面反射与折射。同时，由于连续的反射与折射，总的效果相当于光线被散射了，光束强度衰减。 2 2 光的散射光的散射非非弹性散射弹性散射4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 粒度对散射系数粒度对散射系数S的影响的影响当d 时，对于投影面积为R2的单个粒子，光束强度损失的分数为 (1) 式中，R为粒子半径；A为光束

47、界面积；K为散射因子，它取决于基体与质点的相对折射率，其值在0-4之间变化。 2 2 光的散射光的散射非非弹性散射弹性散射4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 ARKII2粒度对散射系数粒度对散射系数S的影响的影响当d 时，如果忽略多级散射，则散射系数正比于散射质点的投影面积： （2）N为单位体积内的散射质点数。由于N不容易得到，常用第二相粒子的体积数Vp=(4/3)NR3, 则（2）式变为 （3）所以，散射系数所以，散射系数S与粒子大小成反比、与粒子浓度成正比与粒子大小成反比、与粒子浓度成正比。 2 2 光的散射光的散射非非弹性散射弹性散射4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 2RKNS

48、RKVSp43粒度对散射系数粒度对散射系数S的影响的影响当d S2-Se2-Te2-，故能量较，故能量较小的光就能激发它们的价电子到激发态，使其短波极小的光就能激发它们的价电子到激发态，使其短波极限进入可见光区，而导致着色。短波极限波长的位置限进入可见光区，而导致着色。短波极限波长的位置随它们的亲电子势减小逐渐向长波转移。故随着随它们的亲电子势减小逐渐向长波转移。故随着CdS/CdSe比值的减小，吸收波向长波方向移动。比值的减小，吸收波向长波方向移动。6 6、无机材料的颜色、无机材料的颜色胶态粒子着色剂胶态粒子着色剂7 7、 无机材料的光学性质及应用无机材料的光学性质及应用1、红外性质的应用每

49、种处于0 K以上的物体均发射特征电磁波辐射，并位于电磁波谱的红外区域。这种特征对于军事和测定肉眼看不见的物体具有特殊意义。应用领域： 辐射测量和光谱辐射测量：非接触温度测量、各种热流过程测量、损伤探测； 对能量辐射物的搜索与跟踪：宇航导航、火箭、飞机预警、遥控引爆等； 制造红外成像器件：夜视仪、红外显微镜，可用于火山、地震、中风早期、军事的伪装识别、电子电路检测；通信与遥控：宇宙飞船之间进行视频和音频传播，海洋、陆地、空中目标的距离与速度测量。一、红外光学性质与应用一、红外光学性质与应用2、红外透过材料一般红外波段位于0.720 m。对于材料要求：对于材料要求：光学性质：透过率高（低于50%则

50、认为截止）；频带要宽；折射率低（减少反射）；散射和吸收系数小（这点在CO2激光器红外窗口尤为重要）；自辐射小（避免造成假信号）；力学性质（弹性模量，扭转刚度，泊松比，强度与硬度）； 化学性质（稳定性，耐蚀等）； 物理性能（熔点，热导率，膨胀系数，可成型性）。一、红外光学性质与应用一、红外光学性质与应用7 7、 无机材料的光学性质及应用无机材料的光学性质及应用 目前实际应用的红外透过材料各有优缺点：2、红外透过材料一、红外光学性质与应用一、红外光学性质与应用7 7、 无机材料的光学性质及应用无机材料的光学性质及应用玻璃：玻璃：光学均匀性好，易加工成型，便宜，但透过波长较短，高温稳定性差（一般低于

51、500度使用）。硫族化合物玻璃透过（如Ge30As30Se40玻璃）红外波长较宽，但加工工艺复杂，且含毒元素；一、红外光学性质与应用一、红外光学性质与应用晶体晶体：透过波长较宽，折射率的色散范围也较大，硬度高，熔点高，热稳定性好；缺点：制备晶体生长较慢，且不易获得大尺寸，价格高。有锗、硅单晶，ZnS、ZnSe单晶体等；2、红外透过材料7 7、 无机材料的光学性质及应用无机材料的光学性质及应用 目前实际应用的红外透过材料各有优缺点：一、红外光学性质与应用一、红外光学性质与应用透明陶瓷透明陶瓷：产品性能稳定，目前已有十多种红外透明陶瓷材料可供选择，如Al2O3，蓝宝石是高速导弹首选的中红外透过材料

52、。2、红外透过材料7 7、 无机材料的光学性质及应用无机材料的光学性质及应用 目前实际应用的红外透过材料各有优缺点：二、光发射材料二、光发射材料材料的发光材料的发光是材料以某种方式吸收能量之后，将其转化为光能即发射光子的过程。激发的能量可以是光、电子束、射线、射线或其他。光致发光物质的晶体构造：A为激活剂，多边形代表基质；EXC-激发；EM-发射（辐射回基态）；HEAT-非辐射回基态7 7、 无机材料的光学性质及应用无机材料的光学性质及应用二、光发射材料二、光发射材料任何固体物质加热到一定温度以上都会发光，这叫热辐射；热辐射；有些发光材料在常温下发光，所以叫冷光冷光。根据发光材料余晖的长短可分

53、为荧光材料和磷光材料荧光材料和磷光材料。前者当移去激发源则立即停止发光，后者激发源移去后仍能保持发光。发光材料应用甚广发光材料应用甚广：日光灯、荧光屏、XRD显像、激光器等。7 7、 无机材料的光学性质及应用无机材料的光学性质及应用二、光发射材料二、光发射材料材料光发射的性质与它们的能量结构紧密相关，固体的基本能量结构是能带。杂质离子具有分离的能级，它们常出现在禁带中。固体发光的微观机理可分为两步：一、对材料进行激励，即以各种方式输入能量，将固体中电子的能量提高到一个非平衡态，即“激发态”；二、处于激发态的电子自发地向低能态跃迁，同时发射光子。7 7、 无机材料的光学性质及应用无机材料的光学性

54、质及应用二、光发射材料二、光发射材料基本性质基本性质发光材料除了要有合适的基质为主体外，还要选择掺入微量杂质作为“激活剂”，用来充当发光中心。如ZnS: (Ag, Cu)表示ZnS基质中掺入Ag、Cu杂质，这种材料发出525 nm中心波长的黄绿光，可用于示波器。从应用角度来看，感兴趣的光学性能通常是发光的颜色、强度、延续时间。所以，材料的发光特性主要从发射光谱、发光寿命和发光效率等性能进行评价。7 7、 无机材料的光学性质及应用无机材料的光学性质及应用 发射光谱：发射光谱：处于高能级的原子或分子在向较低能级跃迁时产生辐射，将多余的能量发射出去形成的光谱；是指在一定的激发条件下发射光强按波长的分

55、布。二、光发射材料二、光发射材料基本性质基本性质7 7、 无机材料的光学性质及应用无机材料的光学性质及应用 发射光谱：发射光谱：二、光发射材料二、光发射材料基本性质基本性质发射光谱的形状与材料的能量结构有关，有些材料呈现宽谱带，甚至宽谱带交叠而形成连续谱带；有些材料的发射光谱则是线状结构。7 7、 无机材料的光学性质及应用无机材料的光学性质及应用 激发光谱：激发光谱：指材料发射某一特定谱线（或谱带）的发光强度随激发光的波长而变化的曲线。二、光发射材料二、光发射材料基本性质基本性质7 7、 无机材料的光学性质及应用无机材料的光学性质及应用 激发光谱：激发光谱：二、光发射材料二、光发射材料基本性质

56、基本性质激发光谱与吸收光谱的异同：同同：能够引起材料发光的激发波长也一定是材料可以吸收的波长；均反映材料中从基态始发的向上迁移的通道，都能反映有关材料的能级和能带。异异：材料吸收光之后不一定会发射光，可能把吸收的光转化成热能而耗散掉，7 7、 无机材料的光学性质及应用无机材料的光学性质及应用激发光谱与发射光谱的区别：激发光谱，就是反应一个物质收到激发以后的情况，反映出该物质对于外来激发光的响应。反映材料中从基态始发的向上迁移的通道。发射光谱，是该物质发射的光的性质，就是它发的光，某个谱段强、某个谱段弱，反映材料中从搞能级始发的向下迁移。二、光发射材料二、光发射材料基本性质基本性质7 7、 无机

57、材料的光学性质及应用无机材料的光学性质及应用 激发光谱：激发光谱： 发光寿命：发光寿命：发光体在激发停止之后持续发光时间的指长短（荧光寿命或余辉时间）。二、光发射材料二、光发射材料基本性质基本性质在应用中往往约定在应用中往往约定：从激发停止时的发光强度I0衰减到1/10时的时间称为余辉时间。超短余辉（1s）。 不同应用目的对材料的发光寿命要求不同：短余辉材料常应用于计算机的终端显示器；长余辉和超长余辉材料应用于夜光钟表字盘、夜间节能告示板、紧急照明等场合。7 7、 无机材料的光学性质及应用无机材料的光学性质及应用二、光发射材料二、光发射材料荧光与磷光荧光与磷光价带导带Ege激发光子价带导带Eg

58、e激发Ed光子e-荧光荧光磷光磷光发光是辐射能量以可见光的形式出现，受激发的电子从价带进入导带，当其返回价带时便发射出光子。如果这些光子的波长在可见光范围，便产生了发光现象。以区别热辐射发光，这种发光称为冷发光。包括荧光和磷光。如图两种发光原理图。7 7、 无机材料的光学性质及应用无机材料的光学性质及应用二、光发射材料二、光发射材料荧光与磷光荧光与磷光价带导带Ege激发光子价带导带Ege激发Ed光子e-荧光荧光磷光磷光荧光：荧光：当激发出去后10-8s内发出的光称为荧光，它是被激发的电子跳回价带时发射的光子磷光：磷光：发磷光的材料往往含有杂质并在能隙中建立施主能级，当激发的电子从导带跳回价带时，首先跳到施主能级并被捕获，电子先从捕获陷阱中逸出，因此延迟了光子发射时间。7 7、 无机材料的光学性质及应用无机材料的光学性质及应用二、光发射材料二、光发射材料荧光与磷光荧光与磷光磷光体一般由基体和激活剂组成。基体常是硫化物(如CaS、SrS、BaS、ZnS等)，激发剂主要是金属，又基质选定，如ZnS最好的激活剂是Ag、Cu、Mn。如：黑白显示器中使用发蓝光的ZnS:Ag和发黄光的 (Z