材料光学性能课件

1、界面的反射和光泽不透明性和半透明性无机材料的颜色其他光学性能及应用第1页/共27页 1.镜反射 1）概念 材料表面光洁度非常高的情况下，反射光线具有明确的方向性，一般称之为镜反射。 2）应用 镜反射在光学材料中得到各种应用，雕花玻璃器皿、宝石、镜子等。界面反射和光泽一、镜反射和漫反射第2页/共27页 2. 漫反射 当光照射到粗糙不平的表面上时，发生的反射为漫反射。图1 粗糙度增加的镜反射、漫反射能量图第3页/共27页 光泽主要由折射率和表面光洁度决定。要获得高的表面光泽，需提高材料表面的光洁度，形成完整的光滑表面。要减小光泽度，需增加表面的粗糙度。光泽度与镜反射和漫反射的相对程度有关二、光泽第

2、4页/共27页 1）要获得高度乳浊和覆盖能力，就要求光在达到具有不同光学特性的底层之前被漫反射掉。 2）要获得高的半透明性，光应该被散射掉。不透明性（乳浊）和半透明性一、不透明性1、材料的乳浊和半透明性图2 镜面反射和漫反射(a)釉或搪瓷 (b)毛玻璃或瓷体第5页/共27页2、影响材料乳浊的主要因素颗粒尺寸；颗粒与机体的相对折射率；第二相颗粒的体积百分比3、散射效果 为了得到最大的散射效果：颗粒及基体的折射率数值应当有较大的差别；颗粒尺寸应当和入射波长相当；颗粒的体积分数要高第6页/共27页氟化物磷灰石TiO2Sb2O5ZnSSnO2锆英石（ZrSiO4)二、乳浊剂能够在玻璃基体中形成折射率与

3、基体显著不同的小颗粒常用乳浊剂：第7页/共27页三、乳浊机理 入射光被反射、吸收和透射所占的分数取决于釉层的厚度、釉的散射和吸收特性。第8页/共27页实际釉层的m下面分两种情况分析：釉层与底材之间的反射率m=0,则釉层表面的反射率为m0；与反射率为m的底材相接触的釉层的表面光反射率mR为： 上式表明，当底材的反射率、散射系数、釉层厚度以及釉层反射率增加时，实际反射率也增加。第9页/共27页 用高的反射率、厚的釉层和高的散射系数,可得到良好的乳浊效果第10页/共27页四、半透明性 乳白玻璃和半透明瓷器(包括半透明釉)的一个重要光学性质是半透明性。漫反射和漫透射的分数对于材料的半透明性起着决定作用

4、。 对于乳白玻璃来说，达到漫透射的方法是：具有明显的散射而吸收最小 Al2O3瓷与气相的相对折射率n211.80。气孔的尺寸通常和原料的原始颗粒尺寸相当，一般是0.52.0m，接近于入射光的波长，所以散射最大。如图，当气孔率增加到3左右时，透射率将降低到0.01；当气孔率降低到0.3时，透射率仍然只有完全致密试件的10。 半透明性几乎只取决于气孔的含量 含有小气孔率的高密度单相陶瓷，半透明度是衡量残留气孔率的一种敏感的尺度第11页/共27页图3 含有少量气孔的多晶Al2O3瓷的透射率第12页/共27页 一般瓷体由折射率接近1.5的玻璃、莫来石和石英构成。莫来石在陶瓷体内对于散射和降低半透明性起

5、着主要的作用。 提高半透明性的主要方法： 增加玻璃含量，减少莫来石的量。提高长石对粘土的比例可实现此要求。 把制品加热到足够高的温度, 因而致密化过程得以充分进行，这样可得到半透明瓷。 调整各个相的折射率使之有较好的匹配。半透明性是一些实用陶瓷的主要的鉴定指标。第13页/共27页无机材料的颜色 从本质上说，某种物质对光的选择性吸收，是吸收了连续光谱中特定波长的光量子，以激发吸收物质本身原子的电子跃迁。显色的原因是由于着色剂对光的选择性吸收而引起选择性反射或选择性透射，从而显现颜色。第14页/共27页物质的颜色与光的关系完全吸收完全透过吸收黄色光光谱示意表观现象示意复合光第15页/共27页1)简

6、单离子着色-选择吸收紫外光-无色2）过渡金属离子-选择吸收可见光3）稀土元素（镧系元素）-选择吸收可见光4）复合离子第16页/共27页第17页/共27页其他光学性能 电子从激发能级向较低能级的衰变可能伴随有热量向周围传递，或者产生辐射，在此过程中，光的发射称为荧光或磷光。 广泛地用在荧光灯、阴极射线管及电视的荧光屏以及闪烁计数器中。 荧光灯的工作是由于在汞蒸气和情性气体的混合气体中的放电作用，使得大部分电能转变成汞谱线的单色光的辐射(2537埃)。这种辐射激发了涂在放电管壁上的荧光剂，造成在可见光范围的宽频带发射。第18页/共27页 指电流通过物质时或物质处于强电场下发光的现象。通过电子在材料

7、内部的多次散射碰撞，使材料中多种发光中心被激发或电离而发光的过程。在消费品生产中有时被称为冷光。 电致发光物料的例子包括掺杂了铜和银的硫化锌和蓝色钻石. 第19页/共27页激光（Laser）是受激辐射光放大的简称。Light Amplified by Stimulated Emission of Radiation激光受激辐射相干光波。特点： 1）辐射能量在空间和时间高度集中； 2）发射的光子具有频率相同、位相相同、传输方向相同、偏振态相同相干光波。第20页/共27页1）激光器基质材料红宝石 在蓝宝石（Al2O3单晶）中0.05% Cr3+ 呈红色；是提供产生激光所需要的电子能态2）激活能量：

8、氙气闪光（波长560nm）3）光学谐振腔 使受激辐射在频率、方向和偏振状态集中。红宝石激光器1、红宝石激光器第21页/共27页（1）气体激光器特点：单色性好、工作波段覆盖广、易获得、输出功率低应用：彩色激光电视、大气监测、激光手术、精密测量 。（2）液体激光器特点：激光波长谐振范围宽、线宽小（1kHZ连续激光）应用：高分辨的光谱研究、瞬态变化测量（3）固体激光器特点：高能脉冲、超短光脉冲、体积小应用：发光二极管、医疗手术、工业加工 、光纤通信、 加工打孔、测距（4）半导体激光器特点：可调制、体积小应用：光纤通信、光盘读写、激光印刷、激光雷达2、激光器的应用第22页/共27页 当光线在玻璃纤维内

9、部传播时，遇到纤维的表面，出射到空气中时，产生光的折射。改变光的入射角i，折射角r也跟着改变。当r大于90时，光线全部向玻璃内部反射回来。 对于典型玻璃临界入射角为42。也就是说，在光导纤维内传播的光线，其方向与纤维表面的法向所成夹角，如果大于42,则光线全部内反射，无折射能量损失。第23页/共27页光的全反射有效降低光在传播过程中的能量损耗光纤结构示意图第24页/共27页 某些各向同性的透明物质，在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象为电光效益。1、电光效益 电光效应包括泡克耳斯(Pockels)效应和克尔(Kerr)效应。折射率与所加电场强度的一次方成正比改变的为Pockels效应或线性电光效应，折射率与所加电场强度的二次方成正比改变的为Kerr效应或二次电光效应。2、电光材料 重要的电光材料有LiNbO3、LiTaO3、Ca2Nb2O7等。由于折射率随电场而变，电光晶体可以应用在光学震荡器、频率倍增管、激光频震腔中的电压控制开