材料的光学性能

1、第七章 材料的光学性能第一节、光的基本性质和物理量光的产生跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。发光前发光后第一节、光的基本性质和物理量波粒二象性第一节、光的基本性质和物理量爱因斯坦 光电方程光子源决定光的频率、波长和辐射能。原子核结构变化射线原子结构改变x射线、紫外、可见光 原子振动晶格振动长波辐射光的能量第一节、光的基本性质和物理量光的传播速度r介质的介电常数；r介质的磁导率；c电磁波在真空中的速度c=3108m/s；0真空介电常数；0真空磁导率第一节、光的基本性质和物理量光和物质的交互作用第一节、光的基本性质和物理量光和物质的交互作用本质是光子与材料中的原子、离子、电子等的相

2、互作用，出现的重要结果两种：电子极化电子能态转变第一节、光的基本性质和物理量电子极化电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量；在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用引起电子极化，即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移；所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时光速减小，后者导致折射。光和物质的交互作用第一节、光的基本性质和物理量光和物质的交互作用电子能态转变电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能态的过程；材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化E与电磁波频率有关： E=h42受激电子不可能无限长时间地保持

3、.在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波，即自发辐射。E1E2E3E4E5能量第一节、光的基本性质和物理量界面入射反射折射反射系数：若介质1 为空气，则：减小反射损失的措施：（1）介质表面镀增透膜（2）用折射率相近的胶粘结，减小空气界面造成的损失光和物质的交互作用反射第一节、光的基本性质和物理量光和物质的交互作用吸收金属对可见光不透明。原因：费米能级以上存在许多空能级临界厚度：0.1m费米能EfE入射光子hE费米能EfE反射光子hE第一节、光的基本性质和物理量光和物质的交互作用吸收3）电子吸收光子进入禁带中的杂质或缺陷能级可见光 1.8eV 3.1eV第一节、光的基本

4、性质和物理量光和物质的交互作用吸收1）电子极化2）电子吸收光子越过禁带入射光子hEE价带禁带导带EE价带禁带导带反射光子h非金属介质吸收可见光三种机制：第一节、光的基本性质和物理量光和物质的交互作用吸收应用：大多数金属的反射系数在0.90.95之间。可用其他材料的衬底。镀上一薄金属层作为反光镜。金属的颜色由其反光决定。第一节、光的基本性质和物理量光和物质的交互作用散射散射产生许多有趣的现象光线通过均匀透明介质(清水、玻璃)时，从侧面很难看到光线。光线通过不均匀介质时(混浊液体)，可从侧面看到光线。白天的上空是亮的，并且天空呈湛蓝色。旭日和夕阳呈红色。产生散射的原因是光传播的介质不均匀。第一节、

5、光的基本性质和物理量光和物质的交互作用折射和透射折射率：光在真空和在材料中的传播速度之比界面入射反射折射第一节、光的基本性质和物理量材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。 光密介质：在折射率大的介质中，光的传播速度慢； 光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快。材料的折射率从本质上讲，反映了材料的电磁结构（对非铁磁介质主要是电结构）在光波作用下的极化性质或介电特性。光和物质的交互作用折射和透射第一节、光的基本性质和物理量折射率的影响因素： （1）构成材料元素的离子半径 PbS n=3.912 SiCl4 n=1.412（2）材料的结构与晶型非晶、立方晶（3）内应力：垂直于主应力方向

6、，n值大（4）同素异构高温晶型折射率低光和物质的交互作用折射和透射第一节、光的基本性质和物理量(5)、入射光的波长 （色散）光和物质的交互作用折射和透射第一节、光的基本性质和物理量影响透射比的因素：1）对于陶瓷电介质材料吸收系数较低，不是主要因素2）反射系数：材料的相对折射率和材料表面光洁度3）散射系数：、材料宏观和微观缺陷、晶粒排列方向、气孔引起的反射损失不均匀界面存在相对折射率，使散射系数增大光和物质的交互作用折射和透射第一节、光的基本性质和物理量光和物质的交互作用折射和透射双折射现象，光学现象的一种，可以用光的横波性质来解释。当光照射到各向异性晶体（单轴晶体，如方解石、石英、红宝石等）时

7、，发生两个不同方向的折射；其中一个遵守折射定律的称为o光（ordinary ray、寻常光），另一束不遵从折射定律的称为e光（extraordinary ray、非常光），这两束光都是偏振光。光线从一个特殊的角度射入晶体是不会发生双折射现象，这一角度称为晶体的光轴。 光线进入光学各向异性媒质(如方解石)后产生两条折射光线的现象，称为双折射现象。第一节、光的基本性质和物理量光和物质的交互作用折射和透射第一节、光的基本性质和物理量设具有双折射的两个相邻晶粒晶轴相互垂直，且光线沿左边晶粒光轴方向入射，则有下面情况发生：左边晶粒内，只存在寻常光的折射率no。右边晶粒内不但有寻常光，还有非寻常光。寻常光

8、折射率都相同，根据因此无反射损失。晶粒排列方向光轴方向光轴方向光和物质的交互作用折射和透射第一节、光的基本性质和物理量 寻常光对于右边晶粒的非寻常光，则存在相对折射率no/ne1，no/ne越大，反射损失和散射损失越大。 对于多晶体材料，各结晶取向不同，导致晶粒之间存在不同的折射率，故引起晶界处的反射及散射损失。损失大小与具体材料有关。晶粒排列方向光轴方向光轴方向光和物质的交互作用折射和透射第一节、光的基本性质和物理量例：金红石 金红石晶体的n0=2.854，ne=2.567,因而其反射系数m=2.810-3。如材料厚度3mm，平均晶粒直径3m，则剩余光能只剩下(1-m)1000=0.06了。

9、此外，由于n21较大，因之K较大，S大，散射损失较大，故金红石瓷不透光。例：MgO，Y2O3等立方晶系材料 没有双折射现象，本身透明度较高。如果使晶界玻璃相的折射率与主晶相的折射率相差不大，可望得支透明度较好的透明陶瓷材料。但这是相当不容易做到的。光和物质的交互作用折射和透射第一节、光的基本性质和物理量气孔含量 存在于晶粒之间的以及晶界玻璃相内的气孔、孔洞，从光学上讲构成了第二相。其折射率n1可视为1，与基体材料之n2相差较大，所以相对折射率n21= n2也较大。由此引起的反射损失、散射损失远较杂质、不等向晶粒排列等因素引起的损失为大。 气孔的体积含量V越大，散射损失越大。光和物质的交互作用折

10、射和透射第一节、光的基本性质和物理量 例：一材料含气孔0.2%（体积），平均d=4m，试验所得散射因子K=24，则散射系数 如果此材料厚为3mm，I=I0e-1.53 =0.011I0。剩余光能只为1左右，可见气孔对透光率影响之大。 气孔含量光和物质的交互作用折射和透射第一节、光的基本性质和物理量气孔尺寸 一般陶瓷材料的气孔直径大约在1m，均大于可见光的波长(=0.390.79m)，所以计算散射损失时应采用公式S=K3V/4R。散射因子K与相对折射率n21有关。而气孔与陶瓷材料的相对折射率几乎等于材料的折射率n2，数值较大，所以K值也较大。气孔尺寸小，散射损失较小。 假如上例中只剩下平均d=0

11、Olm的微小气孔，情况就有根本的变化。 此时，A12O3陶瓷的平均d/3(设为可见光的波长)，符合瑞利散射条件。此时，即使气孔体积含量高达0.63，陶瓷也是透光的。 光和物质的交互作用折射和透射第一节、光的基本性质和物理量提高材料透光性的措施 1）提高原材料纯度 2）掺加外加剂 目的：是降低材料的气孔率，特别是降低材料烧成时的闭孔。增加A1203陶瓷透明性的常用外加剂 MgO Y2O3，La2O3外加剂本身也是杂质，掺多了也会影响透光性。 3）工艺措施排除气孔使晶粒定向排列光和物质的交互作用折射和透射第一节、光的基本性质和物理量透明材料的颜色 蓝宝石是三氧化二铝单晶，在整个可见光范围内，光的波

12、长分布很均匀，因此是无色的。 红宝石是在这种单晶氧化物加入少量的Cr2O3。在单晶氧化铝禁带中引进了Cr3+的杂质能级，造成了不同于蓝宝石的选择性吸收，即对波长约为0.4m的蓝紫色光和波长约为0.6m的黄绿光有强烈的选择性吸收，而非吸收光和重新发射的光波决定了其呈红色。光和物质的交互作用折射和透射第一节、光的基本性质和物理量电子受激跃迁导致(选择)吸收。电子从激发态回到低能态时，重新发射出光子，其波长并不一定与吸收光的波长相同。透射光的波长分布是非吸收光波和重新发射的光波的混合波。透明材料的颜色是由混合波的颜色决定的。透明材料颜色产生机制上述光与物质的相互作用在可见光范围内产生才能有颜色，否则

13、为无色。光和物质的交互作用折射和透射第二节、材料的光学性能1、荧光及应用1、荧光及应用荧光磷光激发态基态亚稳态光致荧光化学荧光X射线荧光生物荧光1、荧光及应用什么是荧光？定义：当某种物质经某种波长的入射光（通常是紫外线或X射线）照射，吸收光能后进入激发态，立即（10-910-7秒内）退激发并发出出射光（通常波长在可见光波段）；而且一旦停止入射光，发光现象也随之立即消失，这种出射光就称为荧光。1、荧光及应用荧光 or 萤光1“萤”字在古汉语中与“荧”字通假在台湾多称萤光，在中国大陆多称荧光2荧光fluorescence 光致发光萤光luminescence生物发光1、荧光及应用荧光棒通过两种化学

14、液体混合后发生化学反应发光化学发光电视机显像管的荧光屏由阴极射线（高能电子束流）所引起的发光阴极射线发光萤火虫生物体的冷发光现象生物发光荧光材料分类无机荧光材料以稀土荧光材料为代表稀土离子具有丰富的能级和 4f 电子跃迁特性吸收能力强，转换率高，且物理化学性质稳定基质碱土金属的硫化物（ZnS、CaS）铝酸盐（SrAl2O4、CaAl2O4、BaAl2O4）激活剂稀土镧系元素铕(Eu)、钐(Sm)、铒(Er)、钕(Nd)等 荧光材料分类有机小分子荧光材料有机小分子发光材料种类繁多，它们多带有共轭杂环及各种生色团，结构易于调整，通过引入各种生色团来改变其共轭长度，从而使化合物光电性质发生变化荧光材

15、料分类有机高分子荧光材料有机高分子光学材料通常分为三类：侧链型小分子发光基团挂接在高分子侧链上全共轭主链型整个分子均为一个大的共轭高分子体系部分共轭主链型发光中心在主链上，但发光中心之间相互隔开没有形成一个共轭体系1、荧光及应用LED（发光二极管）1、荧光及应用荧光粉（俗称夜光粉）光致储能在受到光照后，把光能储存起来，再缓慢地以荧光的方式释放出来，所以在夜间或者黑暗处，仍能看到发光，持续时间长达几小时至十几小时。1、荧光及应用把这种材料涂在航空仪表、钟表、窗户、机器上各种开关标志，门的把手等处，也可用各种透光塑料一起压制成各种符号、部件、用品(如电源开关、插座等)。这些发光部件经光照射后，夜间

16、或意外停电、闪电后起床等它仍在持续发光，使人们可辨别周围方向，为工作和生活带来方便把夜光材料超细粒子掺入纺织品中，使颜色更鲜艳，小孩子穿上有夜光的纺织品，可减少交通事故1、荧光及应用反光材料传统的完全反光材料1、荧光及应用荧光在反光材料中的应用不仅能反光，还能在受到光照时辐射出光子，比普通的反光材料看上去更醒目。1、荧光及应用荧光笔荧光笔有荧光剂，它遇到紫外线时会产生荧光效应，发出白光，从而使颜色看起来有亮眼的荧光感觉1、荧光及应用LED荧光板1、荧光及应用血迹检验鲁米诺试剂（3-氨基邻苯二甲酰肼与过氧化氢的混合物）可用于血迹检测血红蛋白里面的铁元素催化过氧化氢的分解分解出的氧气可以氧化鲁米诺

17、试剂用紫外线照射发出蓝色荧光1、荧光及应用人民币防伪油墨1、荧光及应用荧光增白剂为了让纸张看上去很白，部分商家会在里面添加荧光增白剂，为有机荧光材料这种增白剂吸收紫外线后发出蓝色的光，与纸张的黄色光叠加后形成白色，达到增白的效果，广泛用于纺织、洗涤剂等多个领域中1、荧光及应用2011年，蓝月亮荧光增白剂事件1、荧光及应用这类物质不会对人产生有害辐射，但应避免遭受其可能的化学毒性危险1、荧光及应用荧光蛋白1962年，日本科学家下村修在水母体内发现改造荧光蛋白，对细胞进行标记，监测细胞活动2、激光及应用普通光源，比如电灯泡发出来的光子各不同，而且会各个方向乱跑，很不团结，但是激光中的光子们则是心往

18、一处想，劲往一处使，这导致它们所向披靡，威力很大，以至于，人们过去常把激光称为“死光”。2、激光及应用2、激光及应用普通光激光2、激光及应用特点方向性好 （发散角10 -4弧度）一束激光射到38万km的月球上，光斑的直径只有2km手电筒的光射到m处，扩展成很大的光斑。 利用激光准直仪可使长为2.5km的隧道掘进偏差不超过16nm.2、激光及应用特点单色性好单色性最好的氪灯Kr86 =4.710-3 nm 稳频HeNe激光器 2、激光及应用应用能量集中脉冲瞬时功率大（可达10 14瓦）激光在屏上形成的小光斑，有极大的照度 太阳表面的亮度比白炽灯大几百倍。普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大

19、10亿倍。激光是当今世界上高亮度的光源。2、激光及应用应用 激光切割2、激光及应用应用 激光钻孔2、激光及应用应用采用激光刀的外科手术2、激光及应用应用Laser-Distanzmessungen (空间距离测量仪)2、激光及应用应用AR-15 taktisch Gewehr (AR-15步枪)2、激光及应用应用机载激光炮(U.S.A)地基激光炮(U.S.A)2、激光及应用应用2、激光及应用应用2、激光及应用应用3、光电效应与太阳能3、光电效应与太阳能 能源枯竭 石油：42年，天然气：67年，煤：200年 。环境污染 每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，造成 全球气候变暖；空气中大量

20、二氧化碳，粉尘含量己严重 影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。 CxHy + O2 H2O + CO2 + SO2 + NOx 3、光电效应与太阳能太阳能屋顶发电装置3、光电效应与太阳能太阳能与风能发电系统3、光电效应与太阳能太阳能飞机3、光电效应与太阳能太阳能在偏远地区的运用3、光电效应与太阳能太阳能在沙漠地区的运用3、光电效应与太阳能交通设施交通/铁路信号灯交通警示/标志灯高空障碍灯3、光电效应与太阳能通信方面光缆维护站小型通信机信号发射塔3、光电效应与太阳能航空航天卫星供电电池航天飞机供电探测器电池第三节、光学性能的测量及应用第三节、光学性能的测量及应用红外及拉曼光谱法荧光光谱法

21、第三节、光学性能的测量及应用光分析法的基础包括两个方面：其一：能量作用于待测物质后产生光辐射，该能量形式可以是光辐射和其他辐射能量形式，也可以是声、电、磁或热等能量形式；其二：光辐射作用于待测物质后发生某种变化，这种变化可以是待测物质物理化学特性的改变，也可以是光辐射光学特性的改变。1、吸收光谱原子吸收 原子外层电子任意两能级之间的能量差所对应的频率基本上处于紫外或可见光区，气态自由原子主要吸收紫外或可见电磁辐射。 电子能级数有限，吸收的特征频率也有限。1、吸收光谱分子吸收 当电磁辐射作用于分子时，电磁辐射也将被分子所吸收。分子除外层电子能级外，每个电子能级还存在振动能级，每个振动能级还存在转

22、动能级，因此分子吸收光谱较原子吸收光谱要复杂得多。分子的任意两能级之间的能量差所对应的频率基本上处于紫外、可见和红外光区，因此, 分子主要吸收紫外、可见和红外电磁辐射，表现为紫外-可见吸收光谱和红外吸收光谱。1、吸收光谱1、吸收光谱 由于振动能级相同但转动能级不同的两个能级之间的能量差很小，由同一能级跃迁到该振动能级相同但转动能级不同的两个跃迁的能量差也很小，因此对应的吸收频率或波长很接近，通常的检测系统很难分辨出来，而分子能量相近的振动能级又很多，因此，表观上分子吸收的量子特性表现不出来，而表现为对特定波长段的电磁辐射的吸收，光谱上表现为连续光谱。 分子的总能量分子通常包括三个部分： 分子电

23、子振动转动1、吸收光谱磁场诱导吸收 将某些元素原子放入磁场，其电子和核受到强磁场的作用后，它们具有磁性质的简并能级将发生分裂，并产生具有微小能量差的不同量子化的能级，进而可以吸收低频率的电磁辐射。 以自旋量子数为1/2的常见原子核1H、13C、19F及31P等为例，自旋量子数为1/2的能级实际上是磁量子数分别为+1/2和-1/2但自旋量子数均为1/2的两个能级的简并能级，该两个能级在通常情况下能量相同，只有在外磁场作用下，由于不同磁量子数的能级在磁场中取向不同，因而与磁场的相互作用也不同，最终导致能级的分裂。1、吸收光谱 这种磁场诱导产生的不同能级间的能量差很小，对于原子核，一般吸收30500

24、MHz（=100060 cm）的射频无线电波，而对于电子来讲，则吸收频率为9500 MHz（=3 cm）左右的微波，据此分别建立了核磁共振波谱法（NMR）和电子自旋共振波谱法（ESR）。1、吸收光谱核磁共振是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。核磁共振波谱学是光谱学的一个分支，其共振频率在射频波段，相应的跃迁是核自旋在核塞曼能级上的跃迁。 2、发射光谱 当原子、分子和离子等处于较高能态时，可以以光子形式释放多余的能量而回到较低能态，产生电磁辐射，这一过程叫做发射跃迁。2、发射光谱原子发射 当气态自由原子处于激发态时，将发射电磁波而回到

25、基态，所发射的电磁波处于紫外或可见光区。通常采用的电、热或激光的形式使样品原子化并激发原子，一般将原子激发到以第一激发态为主的有限的几个激发态，致使原子发射具有限的特征频率辐射，即特定原子只发射少数几个具有特征频率的电磁波。2、发射光谱分子发射 与分子外层电子能级、振动能级和转动能级相关。 激发不能采用电热等极端形式，而采用光激发或化学能激发。 基本上处于紫外、可见和红外光区，因此, 分子主要发射紫外、可见电磁辐射，据此建立了荧光光谱法、磷光光谱法和化学发光法。2、发射光谱分子发射 通过光激发而处于高能态的原子和分子的寿命很短，它们一般通过不同的弛豫过程返回到基态，这些弛豫过程分为辐射弛豫和非辐射弛豫。 辐射弛豫通过分子发射电磁波的形式释放能量，而非辐射弛豫通过其他形式释放能量。3、光谱分析1.发射光谱法 物质通过电致激发、热致激发或光致激发等过程获取能量，变成为激发态的原子或分子M*，激发态的原子或分子是极不稳定的，它们可能以不同形式释放出能量从激发态跃迁至基态或低能态，如果这种跃迁是以辐射形式释放多余的能量就产生发射光谱。 通过测量物质发射光谱的波长和强度来进行定性、定量分析的方法叫做发射光谱法。 依据光谱区域和激发方式不同，发射光谱有以下几种：