材料的光学性能与检测

会计学1材料的光学性能与检测孔雀蓝色玻璃长颈瓶第1页/共70页神光I装置（2×1012）(1986～1994年)

第2页/共70页新型光学和光电子器件的各种应用

第3页/共70页主要内容光的物理本质光通过介质的现象材料的透光性界面反射与光泽光学性能检测第4页/共70页光的物理本质第5页/共70页光速与真空中的电导率ε0和导磁率μ0的关系：光子（Photon）的能量：光速与波长λ和频率ν的关系：第6页/共70页第7页/共70页光色波长(nm)频率(Hz)中心波长(nm)红760~6223.9×1014～4.8×1014

660橙622~5974.8×1014～5.0×1014

610黄597~5775.0×1014～5.4×1014

570绿577~4925.4×1014～6.1×1014

540青492~4706.1×1014～6.4×1014

480兰470~4556.4×1014～6.6×1014

460紫455~4006.6×1014～7.5×1014

430人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。可见光七彩颜色的波长和频率范围第8页/共70页①光在均匀介质中的直线传播定律；②光通过两种介质的分界面时的反射定律和折射定律；③光的独立传播定律和光路可逆性原理。反射定律指出，反射线的方向遵从：①反射线和入射线位于同一平面（即入射面）内，并分别处在法线的两侧；②反射角等于入射角。光通过介质的现象一、介质对光的反射与折射第9页/共70页折射定律指出，折射线的方向满足：①折射线位于入射面内，并和入射线分别处在法线的两侧；②对单色光而言，入射角i的正弦和折射角r的正弦之比是一个常数，即

sini/sinr=n2/n1=n21

n21称为第二介质相对于第一介质的相对折射率。它与光波的波长及界面两侧介质的性质有关，而与入射角无关。

第10页/共70页如果第一介质为真空，则上式可写为

sini/sinr=n2式中n2为第一介质相对于真空的相对折射率，或第二介质的绝对折射率，简称折射率。第11页/共70页n=v真空/v材料=c/v材料介质的折射率永远是大于1的正数。如空气n=1.003，固体氧化物n=1.3～2.7，硅酸盐玻璃n=1.5~1.9。折射率n的定义：

光在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率。第12页/共70页n1n2i1入射束i2折射束

入射角、折射角、材料的折射率、光在材料中的传播速度有下述关系：第13页/共70页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。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：折射率大的介质，光的传播速度慢；光疏介质：折射率小的介质，光的传播速度快。第14页/共70页

影响折射率的因素构成材料元素的离子半径一般大离子得到高折射率的材料，小离子得到低折射率的材料，如：PbS的n=3.912SiCl4n=1.412材料的结构、晶型和非晶态

折射率和离子的排列密切相关

均质介质：对于非晶态（无定性体）和立方晶体各方向同性材料，光速不因传播方向改变而变化，材料只存在一个折射率。

非均质介质：除立方晶体外的晶体，光进入后分为两相垂直而传播速度不同的两个波，构成两条折射光线，此现象称为双折射。平行于入射面的光线折射率称为常光折射率no，始终为一常数，不随入射方向而改变；另一与之垂直的光线的折射率为非常光折射率ne，随入射方向改变。如石英no=1.543，ne=1.552

方解石no=1.658，ne=1.486刚玉no=1.760.，ne=1.768第15页/共70页材料所受的内应力

有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于主应力方向的n小。同质异构体在同质异构体材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存在的晶型折射率高。如：常温下的石英玻璃n=1.46，最小常温下的石英晶体n=1.55，最大

高温时磷石英n=1.47

高温时方石英n=1.49第16页/共70页反射率与透射率

当光线由介质1入射到介质2时，光在介质面上分成了反射光和折射光。这种反射和折射可以连续发生。由于反射，使得透过部分的强度减弱。第17页/共70页光的连续反射和折射第18页/共70页光的总能量流W为：W＝W'＋W"波动理论有

W、W’、W”分别为单位时间通过单位面积的入射光，反射光和折射光的能量流。第19页/共70页把光波振动分为垂直于入射面的振动和平行于入射面的振动，Fresnel推导出：第20页/共70页自然光在各方向振动的机会均等，可以认为一半能量属于同入射面平行的振动，另一半属于同入射面垂直的振动，所以有：第21页/共70页当角度很小时，即垂直入射：介质2对于介质1的相对折射率：

第22页/共70页m称为反射系数(1-m)称为透射系数第23页/共70页由反射系数的公式可以看出：光在界面的反射取决两种介质的相对折射率，n21愈大，m愈大，反射损失愈大如果介质１为空气，可以认为n1=1,则n21=n2。如果n1和n2相差大，那么界面反射损失就严重；

如果n1=n2，则m=0，因此，在垂直入射的情况下，几乎没有反射损失。

光连续透过x块平板玻璃，则透过部分应为

(1－m)2x在垂直入射的情况下，第24页/共70页由于陶瓷、玻璃等材料的折射率较空气的大，所以反射损失严重。如果透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失更可观。为了减小这种界面损失，常常采用折射率和玻璃相近的胶将它们粘起来，这样，除了最外和最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面都是玻璃和胶的较小的相对折射率，从而大大减小了界面的反射损失。第25页/共70页光的全反射全反射：当光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于临界角时，光线被100%反射的现象。此时不再有折射光线，入射光的能量全部回到第一介质中。临界角：第26页/共70页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的速度的直接结果。所以，介质中光速或折射率随波长改变的现象称为色散现象。研究色散最方便的实验可以通过棱镜来进行。测量不同波长的光线经棱镜折射的偏转角，就可以得到折射率随波长变化的曲线。二、色散第27页/共70页几种玻璃的色散曲线材料的折射率随入射光的频率的减小而减小的性质，称为折射率的色散第28页/共70页几种晶体和玻璃的色散曲线第29页/共70页

在给定入射光波长的情况下：色散值可以直接由色散图确定，然而最实用的方法是用固定波长下的折射率来表达，而不是去确定完整的色散曲线。第30页/共70页式中nD、nF、nC分别以钠的D谱线、氢的F谱线和C谱线（5893A,4861A和6563A）为光源测得的折射率。

倒数相对色散，即色散系数：描述光学玻璃的色散还用平均色散（=nF-nC）第31页/共70页①对于同一材料而言，波长愈短则折射率愈大②波长愈短色散率愈大（一般不考虑负号）③不同材料，对同一波长，折射率大者色散率dn／dλ也大④不同材料的色散曲线没有简单的数量关系第32页/共70页第33页/共70页材料的透光性一、介质对光的吸收光在介质中传播时会有能量的损失，使透过介质的光强度减弱的现象，这就是光的吸收。1、定义

第34页/共70页2、光吸收的一般规律—朗伯特定律光通过材料时的衰减规律第35页/共70页二、介质对光的散射光通过介质时光能被发散而使通过光的强度减弱的现象叫光的散射材料中如果有光学性能不均匀的结构，例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，从而减弱光束强度。1、定义第36页/共70页2、散射与吸收的区别吸收是由能量转化为内能而使透射强度减弱；散射是由某些幅射的方向改变成与原来光束不同的方向而引起。第37页/共70页3、散射规律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形式：

I0—光的原始强度；I—剩余强度（厚度x）

S—散射系数（单位为cm-1）

S与散射（质点）的大小、数量以及散射质点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，出现散射峰值。

第38页/共70页

吸收定律与散射规律的式子统一起来：

散射最强时，质点的直径为：第39页/共70页质点尺寸对散射系数的影响第40页/共70页

当d<λ时，则随着d的增加，S也随之增大；若散射质点的体积浓度不变，则

当d>λ时，则随d的增加，S反而减小；

当d≈λ时，S达到最大值。第41页/共70页当d>λ时，反射、折射引起的总体散射起主导作用遵循Fresnel规律当d<1/3时，采用Rayleigh散射来处理K:散射因素R:散射质点的平均半径V:散射质点的体积含量第42页/共70页三、无机材料的透光性无机材料是一种多晶多相体系，内含杂质、气孔、晶界、微裂纹等缺陷，光通过无机材料时会遇到一系列的阻碍，所以无机材料并不象晶体、玻璃体那样透光。多数无机材料是不透明的，这主要是由于散射引起的。透光性是个综合指标，即光通过无机材料后，剩余光能所占的百分比。第43页/共70页光通过陶瓷片的吸收、散射损失与反射损失第44页/共70页第45页/共70页陶瓷含气孔0·2%,d=2μm试验散射因子K=2

S=K×（3V/4R）=1·5（mm-1）材料厚为3mm则

I=I0e

-1·5×3=0·011I0（1）

气孔率和材料缺陷影响透光性的因素第46页/共70页（2）

晶粒排列方法的影响

如果晶体不是各向同性的立方晶体或玻璃态，则存在双折射问题，与晶轴成不同角度的方向上的折射率均不相同，这样，由多晶材料组成的无机材料，晶粒与晶粒之间，结晶的取向不见得都一致。因此，晶粒之间产生折射率的差别，引起晶界处的反射及散射损失。第47页/共70页晶粒排列方向的影响对于常光n0/n0=1，m=0,无反射损失。但左晶粒的n0与右晶粒ne的则形成相对折射率n0/ne≠1。此值则导致反射系数和散射系数，亦即引起相当可观的散射损失。因此，对多晶无机材料说，影响透光性的主要因素在于组成材料的晶体的双折射率。

双折射晶体在晶粒界面产生连续的反射和折射第48页/共70页数值虽不大，但许多晶粒之间经多次反射损失之后，光能仍有积累起来的可观损失。а-Al2O3晶体，n0=1.760,ne=1.768。假如相邻晶粒的取向彼此重复，则晶界面的反射系数第49页/共70页假设材料厚2mm，晶粒平均直径10μm，理论上具有200个晶界，则除去晶界反射损失后，剩余光强占(1一m)200＝0.99897从散射损失分析，n21=1.768/1.760≈1，K≈0，S≈0，散射损失也小，因此，氧化铝陶瓷就有可能制成高透光率的灯管。第50页/共70页无论是石英玻璃还是微晶玻璃，透光率都是很高的。但是，金红石瓷那样的陶瓷材料则不能制成透明陶瓷。金红石晶体的n0与ne相差较大，反射和散射损失均很大。多晶陶瓷的透光率远不如同成分的玻璃大。第51页/共70页提高无机材料透光性的措施1．提高原材料纯度2．掺加外加剂

3．工艺措施采取热压法要比普通烧结法更便于排除气孔，因而是获得透明陶瓷较为有效的工艺（热等静压法效果更好）。第52页/共70页界面反射与光泽1

镜反射和漫反射

镜反射：反射光线具有明确的方向性a.

雕花玻璃器皿、含铅量高，折射率高，达到装饰效果；b.

宝石的高折射率使之具有强折射和高反射性能；c.玻璃纤维作为通讯的光导管时，有赖于光束总的内反射，这是用一种可变折射率的玻璃或用涂层来实现的。

第53页/共70页

陶瓷中大多数表面并不是十分光滑的，因此当光照射到粗糙、不平的材料表面时，发生相当的漫反射。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，镜反射所占的百分数越小。第54页/共70页釉或搪瓷镜面反射和漫反射第55页/共70页毛玻璃或瓷体镜面反射和漫反射第56页/共70页2

光泽

对光泽下个精确的定义很困难，但它与镜反射和漫反射的相对含量密切相关。表面光泽与反射影象的清晰度和完整性，即与镜反射光带的宽度和它的强度有密切的关系。这些因素主要由折射率和表面光洁度决定。

光泽是物体表面定向选择反射的性质

第57页/共70页获得高的表面光泽，需要采用铅基的釉或搪瓷组分，烧到足够高的温度，使釉铺展形成完整的光滑表面。减少表面光泽，可以采用低折射率玻璃相或增加表面粗糙度

第58页/共70页一、材料光泽度检测光学性能检测1光泽度的定义光泽是物体表面定向选择反射的性质，表现于在表面上呈现不同的亮斑或形成重叠于表面的物体的像。光泽度是物体受光照时表面反射光的能力，通常以试样在镜面（正反射）方向的相对于标准表面的反射率乘以100来表示，即第59页/共70页

G=100R/Ro

式中：R—试样表面的反射率%；

Ro—标准板的反射率。以抛光完善的黑玻璃作为参照标准板，其钠D射线的折射率为1.567，对于每一个几何光学条件的镜向光泽度定标为100光泽度单位。第60页/共70页2测试原理

１光轴；2光源；3透镜：4试样；5光圈；

6受光器光圈；７受光器；8光源影像仪器的测量头由发射器和接受器组成。发射器由白炽光源和一组透镜组成，它产生一定要求的入射光束。接受器由透镜和光敏元件组成，用于接受从样品表面反射回来的锥体光束。第61页/共70页第62页/共70页式中的n是材料表面的折射率。这样，根据标准光泽板的折射率和确定的入射角，就可计算标准板的镜面反射率。将这个值定为100个光泽单位，在光泽度计的刻度盘上刻出，就可对待测试样进行测定。第63页/共70页二、材料白度检测1．白度的定义白度是指物体对白色光的反射能力。它是以45°角度照射到物体试件平面上的白光反射强度（I）对于以同样角度投射于化学纯BaSO4标准板的白光所反射的强度（I0）之百分比表示。

白度WB=I/I0×100%第64页/共70页2．测试原理

白度仪测定R457白度，测量系统有效光谱特征：主峰波长为457nm，半宽度55nm。仪器利用光电效应原理，采用双光路和模数转换电路，测量试样表面漫反射的幅亮度与同一幅射条件下完全漫反射的幅亮度之比，来达到白度的测量目的。第65页/共70页1．光源2．聚光透镜3．滤光器4．样品5．滤光片6．测量光电池7．补偿光电池8．射管9．滤色镜低功率的钨卤素灯1作为光源，入射光射到