第5章 无机材料的光学性能116

主要内容5.1光通过介质的现象5.2无机材料的透光性5.3界面反射与光泽5.4不透明性与半透明性第5章无机材料的光学性能§5.1光透过介质的现象

1.光的波粒二象性可见光是电磁辐射波谱的波长在400nm到750nm范围的一个波段。与电磁辐射波一样，可见光在传播时，存在呈周期变化的电场和磁场分量，且电场、磁场和传播方向三者之间相互垂直。光色

波长(nm)

频率(Hz)中心波长(nm)

红750~622660

橙622~597610

黄597~577570

绿577~492540

青492~470480

兰470~455460

紫455~400430可见光七彩颜色的波长和频率范围人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。电磁波谱无线电波－波长比可见光长得多，不能引起人的视觉。微波－波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食物里很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加热。红外线（IR）－分布在微波和可见光之间，且仅能够在它聚集热的地方探测到。紫外线（UV）：频率高于可见光的，不能引起视觉，对生命有危害。X射线：波长比紫外线还短的电磁波，它们很易穿过大多数物质。致密的物质、固体材料比稀疏物质容易吸收更多的X射线。γ射线和宇宙射线：波长最短，波长尺寸约为原子核大小量级γ射线产生于核反应及其他特殊的激发过程宇宙射线来自地球之外的空间。光子与固体介质的作用折射入射角、折射角与材料的折射率、有下述关系：入射束折射束12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。影响材料折射率的因素构成材料元素的离子半径材料的结构、晶型材料所受的内应力同质异构体①内因：②外因：色散麦克斯韦电磁理论

光在介质中的传播速度为：其中：ε为介电常数；μ为导磁率无机材料：μ＝1，ε≠1影响折射率的因素

1、离子半径：介电常数随着离子半径的增大而增大，因而折射率n随着离子半径的增大而增大。可以用大离子得到高折射率的材料；可以用小离子得到低折射率的材料。2、材料的结构和晶型：材料的n主要由离子的堆积密度和极化率决定。（1）均质介质（各向同性）：经验公式：Pi和Ki是第i组分的重量分数和折射系数，ρ是密度。（2）非均质介质（各向同性）：双折射常光：折射线在入射面内，遵守各向同性材料折射定律非常光：折射线不一定在入射面内（3）内应力：垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方向的n小。（4）同质异构体：结构敞广的高温态比结构紧密的低温态折射率小。常温：SiO2玻璃态的折射率是1.46石英晶体折射率1.55

高温：磷石英折射率1.47

方石英折射率1.49

倒数相对色散，即色散系数：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。

在给定入射光波长的情况下：色散nD：钠的D谱线为光源测得的折射率；nF：氢的F谱线为光源测得的折射率；nC：氢的C谱线为光源测得的折射率。二、色散几种玻璃的色散

几种晶体和玻璃的色散（2）材料的反射系数和影响因素反射系数若介质1是空气，则若两种介质的折射率相差越大，则反射损失越大，光的透过率越低。5.2无机材料的透光性无机非金属材料对可见光可能透明，也可能不透明。透过率除光在界面被反射外，还与光进入材料中被吸收和散射状况有关。①介质吸收光的一般规律：α为物质对光的吸收系数，α取决于材料的性质和光的波长。α越大，材料越厚，光就被吸收得越多，而透过后的光强度就越小。在电磁波谱的可见光区：金属和半导体的吸收系数很大，所以不透明；电介质材料（如玻璃），吸收系数小，透过性较好。介质对光的吸收与光的波长的关系1、可见光区：因为金属价电子处于未满带，吸收光子后呈激发态，发生碰撞而消耗能量；无机介质材料价电子所处的能带是满带，不能吸收光子而自由运动，光子的能量不足以使之跃迁，吸收系数很小。2、紫外光区：无机电介质材料有很强的吸收；波长短、能量大，电子吸收光子能量跃迁，吸收系数大。选择吸收：同一物质对某种波长的吸收系数很大，对另一种波长的吸收很小的现象。光的选择性吸收使透明材料呈现不同颜色。均匀吸收：在可见光范围内对各种波长的波的吸收程度相同，称为均匀吸收。随着吸收程度的增加，颜色从灰变为黑色。5.2.2介质对光的散射光波遇到不均匀结构产生的次级波，与主波方向不一致，就会出现干涉，而偏离原来方向，引起散射。

散射系数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，其单位为cm-1。如果将吸收定律和散射定律结合起来：质点尺寸对散射系数的影响无机材料的透光性光通过材料后，剩余光能所占的百分比。光通过陶瓷片的吸收损失与反射损失I/I0：透光率。其中损失包括：表面上的反射损失；通过材料后的吸收损失；散射损失；I=mI0影响无机非金属材料透光性的因素分析1.吸收系数

无机非金属材料的吸收率或吸收系数在可见光范围内是比较低的，在影响透光率的因素中不占主要地位。

材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。此外，材料表面的光洁度也影响透光性能。

2.反射系数

3.散射系数

a）材料宏观及显微缺陷：材料中的夹杂物、掺杂、晶界等对光的折射性能与主晶相不同，因而在不均匀界面上形成相对折射率。此值越大则反射系数（在界面上的，不是指材料表面的）越大，因而散射系数变大。

b)晶粒排列方向影响：对于各向异性材料存在有双折射问题，这样，由多晶材料构成的无机非金属材料，晶粒与晶粒之间，可引起晶界处的反射及散射损失。c)气孔引起的散射损失：存在于晶粒之内的以及在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nl与基体材料之n2相差较大。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。

思考：提高无机材料透光性的措施有哪些？①提高原材料纯度在无机材料中杂质形成的异相，其折射率与基体不同，等于在基体中形成分散的散射中心，使s提高。②掺加外加剂

影响材料透光性的主要因素是材料中所含的气孔。掺加外加剂，降低材料的气孔率，特别是降低材料烧成时的闭孔，是提高透光率的有力措施。③工艺措施

用尽可能能排除气孔的工艺方法来生产，采取热压法要比普通烧结法更便于排除气孔，而用热等静压法效果更好。§5.3界面反射与光泽

镜反射和漫反射

在光洁度非常高的材料表面上的反射，反射光线具有明确的方向性，称为镜反射。

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上时，发生相当的漫反射。釉或搪瓷的镜反射和漫反射不透明性和半透明性：镜面反射和漫反射釉或者搪瓷（不透明）毛玻璃或者瓷体（半透明）不透明性（高乳浊性）：光在达到具有不同光学特性的物质的底层之前被漫反射；半透明性：光应该在经过不同光学特性的物质的过程中，被散射，不要求最大的散射，但是要求内部散射光产生的漫透射要大，吸收要小。二、乳浊剂的成分：

在熔制时，形成惰性产物，或者在冷却或再加热时从熔体中结晶出小颗粒；硅酸盐玻璃的折射率为1.49－1.65，乳浊剂折射率必须与此不同。适用于硅酸盐介质（n＝1.5）的乳浊剂素烧陶瓷釉瓷釉-无机材料的颜色一、颜色的起因：

白光完全被物质吸收：黑色；对所有的光吸收程度差不多（不存在选择性吸收）：灰色；选择性吸收：显示颜色。吸收光波长越短，颜色越浅；吸收光波长越长，颜色越深。由于在可见光谱中存在吸收带而产生颜色。引起电子跃迁光的吸收颜色二、电子跃迁形式：

1、电子内部跃迁：

过渡金属、稀土金属、未填满电子壳层离子。如：Cr3＋、Fe2＋、Co2＋、Ni2＋、Ca2＋……

电子未被填满，当光照射时，电子吸收能量，由基态跃迁到激发态，呈现出不同的颜色。

2、禁带跃迁：（许多半导体出现的本征着色）

本征吸收：晶体受到光照射时，电子吸收光子能量，从价带跃迁到导带。只有当hυ≥Eg时，才能发生跃迁，半导体显示一定的颜色。硅：灰黑色，具有金属光泽。是因为无选择性的吸收可见光，具有灰黑色。同时一部分光发生镜面反射，形成光泽。（1）荧光：原子的外层电子受激发，从基态或低能态跃迁到高能态，约经10-8

s后，又跃回基态或低能态，同时发射的光子，称为荧光。应用：利用荧光现象制作的原子荧光光谱仪，可应用于冶金、石化、材料、环境生物样品等的痕量元素分析测定。（2）磷光：激发停止后一段时间发出的。延迟发射10-2s~10s。含有杂质和缺陷由基体和激活剂两部分组成。基体一般为硫化物，如CaS、SrS、BaS、ZnS、CdS等；激活剂主要是金属，由基质选定。例如对于ZnS和CdS，最好的激活剂是Ag、Cu、Mn。应用：磷光现象的应用是制作磷光体或荧光剂。如：电视机的荧光屏，公路交通中的夜间路标采用长余光的磷光体。

激光（Laser）是受激辐射光放大的简称，是一种单色性好,亮度高、相干性强、方向性好的相干光束。激光（Laser）激光激光的产生条件：①能量输入系统（维持连续不断的受激辐射）；②实现粒子反转的激光器（工作物质与激活物质）。红宝石激光器中的Cr的能级

平衡态时各能级的粒子数n1>n2>n3

波长为5500埃的黄绿光照射后n2>n1

粒子数反转：高能级的原子数大于低能级的原子数。Al