材料的光学性能详解演示文稿

材料的光学性能详解演示文稿当前1页，总共89页。（优选）材料的光学性能当前2页，总共89页。主要内容引言光和固体的相互作用材料的发光无机材料的红外光学性能红外光谱简介当前3页，总共89页。光学材料的发展进程：光学玻璃的生产已有200多年的历史。（光学透镜：望远镜、显微镜、照相机、眼镜、摄影机等。）高纯、高透明的光通信纤维玻璃。（对工作频率仅为普通玻璃的万分之一，实现了远距离光通信。）激光领域：钕玻璃应用最广泛的大功率激光发射介质（Nd：稀土金属）。陶瓷、橡胶、塑料对可见光不透明；陶瓷、橡胶、锗和硅对红外线透明（折射率大，做红外透镜）；许多陶瓷和塑料制品在可见光下不透明，但对微波透明（微波炉中的食品容器）；金和铝对红外线反射能力最强（用作红外辐射腔内的镀层）光学塑料被普遍用在隐形眼镜上。§4.1

引言当前4页，总共89页。§4.2

光和固体的相互作用关于光的疑惑当前5页，总共89页。

1.光的波粒二象性光的本性：（1905年，爱因斯坦提出：光的粒子性）（干涉、衍射）波动性：表现在传播过程中粒子性：表现在与物质相互作用中

（光电效应、康普顿效应）光同时具有波、粒二象性，波、粒二象性的联系：关于光的认识当前6页，总共89页。光的本性：“光波是电磁波”真空中介质中c为真空中光的速度，εr为介质的相对介电常数，μr为介质的相对磁导率。当前7页，总共89页。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。当前8页，总共89页。光色波长(nm)频率(Hz)中心波长(nm)红750~622

660橙622~597

610黄597~577

570绿577~492

540青492~470

480兰470~455

460紫455~400

430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。当前9页，总共89页。电磁波谱当前10页，总共89页。无线电波－波长比可见光长得多，不能引起人的视觉，可以引起电子的振荡。由于波长很长，一个金属网笼，甚至桥梁上的钢架就可以将其阻止。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。蛇和其他一些生物对红外线很敏感；红外线不能透过玻璃，这一特性可以解释温室效应：晴天时，经过温室玻璃的可见光被植物吸收，而红外线被再次辐射，被玻璃捕获的红外线引起温室内部的温度升高，整个宇宙充满了宇宙大爆炸时残留的冷却物质发出的红外辐射。当前11页，总共89页。紫外线（UV）：频率高于可见光的，不能引起视觉，对生命有危害，来自太阳的紫外线几乎被大气中的臭氧完全吸收，臭氧保护着地球的生命，少量透过大气的紫外线会晒黑皮肤或使进行日光浴的人体产生晒斑。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，这就是为什么在X射线照片上显现的是骨骼而不是骨骼周围的组织。其波长可与原子尺寸相比拟。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。当前12页，总共89页。

2.光通过固体现象

设：

φ0为入射到材料表面的光辐射能流率，透过、吸收、反射和散射的光辐射能流率分别为：

φτ、

φA、

φR、φσ，则：光从一种介质进入另一种介质时：一部分透过介质，一部分被吸收，一部分在两种介质的界面上被反射，一部分被散射。透射系数：；吸收系数：；反射系数：散射系数：；当前13页，总共89页。3.光子与固体材料相互作用的微观机制从微观上分析，光子与固体材料相互作用，实际上是光子与固体材料中的原子、离子或电子相互作用的结果。光与固体相互作用的本质有两种方式：①电子极化②电子能态转变当前14页，总共89页。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。正是因为介质的极化“拖住”了电磁波的步伐，使其传播速度比真空中慢，导致折射产生。①电子极化当前15页，总共89页。②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=hν受激电子不可能无限长时间地保持在激发状态，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。为了理解光子与固体作用的四种现象，应首先了解折射率、色散！当前16页，总共89页。4.材料折射率及其影响因素入射角、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。当前17页，总共89页。1）构成材料元素的离子半径由，对于非铁磁性材料，比如陶瓷，其，故原理：电磁辐射作用到介质上时，其原子受到电场作用，使原子的正、负电荷重心发生相对位移，即产生了极化，而这种相互作用同时也使光子速度减弱。又知，介电常数与介质的极化有关，从公式可知，材料的折射率随介质的介电常数的增大而增大。所以，大离子可以构成高折射率的材料。2）材料的结构、晶型均匀介质：光速不因入射方向而改变，故材料只有一个折射率。如：非晶态和立方晶体结构。非均匀介质：除了立方晶体外的其他晶型。光进入介质时产生双折射现象。4.材料折射率及其影响因素当前18页，总共89页。3）材料存在的内应力有内应力的透明材料，垂直于主应力方向的n值大，平行于主应力方向的n值小。4）同质异构体高温时的晶型折射率较低，低温时的晶型折射率较高。比如，常温下，石英晶体n=1.55；高温时，方石英n=1.49。5）色散——大多数情况下折射率总是随着波长的增加而减小，这种性质称为色散。4.材料折射率及其影响因素当前19页，总共89页。色散对于光学玻璃，主要采用色散系数(Abbe′阿贝数)表示：式中，nd、nF和nC分别为以氦的d谱线（589.3nm）、氢的F谱线（486.1nm）和C谱线（656.3nm）为光源测得的折射率。描述光学玻璃的色散还用平均色散(nF-nC）。光学玻璃或多或少都存在色散现象。因此，使用这种材料制成的单片透镜，成像不够清晰，在自然光的透过下，在像的周围环绕了一圈色带。克服的方法是：用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜组成的复合镜头，就可以消除色差——消色差镜头。当前20页，总共89页。5.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。当前21页，总共89页。6.材料的透射及其影响因素

在光束通过物质时，它的传播情况将要发生变化。首先光束越深入物质，它的光强将越减弱，这是由于一部分光的能量被物质所吸收，而另一部分光向各个方向散射所造成的，这就是光的吸收和散射现象。其次，光在物质中的速度将小于光在真空中的速度，并将随频率而改变，这就是光的色散现象，光的吸收、散射和色散这三种现象，都有是由于光与物质的相互作用引起的，实质上是由光与原子中的电子相互作用引起的。光学材料的应用，一般希望材料的透射系数（透过率）高，除界面反射损失外，材料对入射光的吸收及其散射，是影响材料光透过率的二个方面。当前22页，总共89页。以铜为镜,可以正衣冠;以史为镜,可以知兴亡;以人为镜,可以明得失.”----魏征(唐)6.1金属的光透过性质

金属对可见光是不透明的，其原因是在金属的电子能带结构中，费密能级以上存在许多空能级。当前23页，总共89页。6.1金属的光透过性质

0000能量吸收的光子000费密能空能态被电子占据的能态0000能量00费密能反射的光子a)b)图4.5金属吸收光子后电子能态的变化当金属受到光线照射时，电子容易吸收入射光子的能量而被激发到费密能级以上的空能级上。由于金属的费密能级以上有许多空能级，因而各种不同频率的可见光，即具有各种不同能量的光子都能被吸收。事实上，金属对所有低频电磁波都是不透明的。大部分被金属吸收的光又会从表面上以同样波长的光波发射出来，表面为反射光(R接近1，还有一部分能量以热的形式损失掉了）。当前24页，总共89页。6.1金属的光透过性质

结论：金属对可见光是不透明的，只有对高频电磁波X射线和γ射线是透明的。金属和可见光间的作用主要是反射，从而产生金属的光泽。应用：大多数金属的反射系数在0.9~0.95之间，利用金属对光的高反射系数，可在其他材料底上镀上金属薄层做反光镜用。金属的反射，是由吸收再反射综合造成的。当前25页，总共89页。6.2非金属材料的透过性

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：原则上，非金属材料对可见光的吸收有3种机理：（ⅰ）电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒数处在同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；（ⅱ）电子受激吸收光子而越过禁带；（ⅲ）电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光；当前26页，总共89页。

所以，只有当入射光子的能量hc/λ大于禁带宽度Eg时，才能以这种机制产生吸收。同时，材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出的能量交换过程。电子受激越过禁带，在价带中留下一个空穴；电子返回价带时与空穴结合发射出一个光子。当前27页，总共89页。可见光中波长最短的是紫光，波长最长的是红光。讨论：

Eg<1.8eV的半导体材料，是不透明的。因为所有可见光都可以通过激发价带电子向导带转移而被吸收。Eg=1.8eV3.1eV的非金属材料，是带色透明的。因为只有部分可见光通过激发价带电子向导带转移而被材料吸收。Eg＞3.1eV的非金属材料，是无色透明的（若材料纯度很高，不考虑反射和散射）。因为可见光不能越过禁带，材料不能吸收可见光。当前28页，总共89页。注意：每一种无机非金属材料对特定波长以下的电磁波不透明，其具体波长取决于禁带宽度Eg。作业：已知金刚石的Eg=5.6ev,1J=6.242×1018ev,h=6.6×10-34J·s,c=3×108m·s-1,问：金刚石对λ=0.11μm的电磁波是否透明？（假定材料处处均匀，反射及散射可忽略）。当前29页，总共89页。朗伯特定律式中：α为物质对光的吸收系数，其单位为cm-1，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。介质对光的吸收,不仅与介质的电子能带结构有关外，还与光程有关，即介质厚度和光的波长有关。设入射光的强度为I0,经过厚度为x的介质后，光的强度为:

当前30页，总共89页。介质对光的吸收与光的波长的关系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。当前31页，总共89页。除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。例如，在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象为一般吸收；但是对于波长范围为μm的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸收。换言之，石英对可见光和紫外线的吸收甚微，而对上述红外光有强烈的吸收。一般吸收和选择吸收当前32页，总共89页。

又例如，普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线主紫外线都有强烈的吸收，是不透明的。因此在红外光谱仪中，棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶体和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，棱镜常用对紫外线透明的石英制作。实际上，任何光学材料，在紫外和红外端都有一定的透光极限。

任何物质都有这两种形式的吸收只是出现的波长范围不同而已。

当前33页，总共89页。2）介质对光的散射影响光学材料透过性的第二个因素是介质对光的散射。产生散射的原因是光传播的介质不均匀。均匀介质对光是不散射的。材料中如果有光学性能不均匀的结构，如小粒子透明介质、光学性能不同的晶界相、气孔或其它夹杂物，都会引起光束被散射，从而减弱光束强度。

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。对于相分布均匀的材料，散射规律与吸收规律形式相同。

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

。散射瑞利散射：散射光波长与入射光相同。拉曼散射：散射光波长与入射光不同。当前34页，总共89页。3）影响无机非金属材料透光性的因素分析

ⅰ，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。

ⅱ，反射系数

ⅲ，散射系数

a)材料宏观及显微缺陷b)晶粒排列方向影响c)气孔引起的散射损失主要因素当前35页，总共89页。材料宏观和微观缺陷：不均匀界面存在相对折射率，散射系数增大。晶粒排列方向：非各向同性的立方晶体或玻璃态，则必然存在双折射，对于多晶体材料，结晶取向不完全一致，晶粒之间产生折射率差别，从而引起晶界处的反射和折射损失.气孔引起的反射损失：存在于晶粒之内的以及晶界玻璃相内的气孔、孔洞构成了第二相，与基体晶粒存在相对折射率，由此引起反射和散射损失.吸收系数（非主要因素。）反射系数（材料和环境的相对折射率和材料表面光洁度是重要因素。）散射系数（主要因素）3）影响无机非金属材料透光性的因素分析

当前36页，总共89页。§4.3

材料的发光Fourstagesindevelopment

oflightingapplications当前37页，总共89页。1.发光和热辐射发光是辐射能量以可见光的形式出现的。如果辐射或任何其它形式的能量，激发电子从价带进入导带，当其返回到价带时便发射出光子，如果这些光子的波长在可见光范围内，便产生了发光现象。这种光与热辐射发光不同，称为冷光。冷光包括荧光和磷光。热辐射：当材料加热时，电子被热激发到较高能级，当电子跳回正常能级时发射光子，其强度与温度有关，这种现象称为热辐射。应用：白帜灯热辐射发光。物质不是由于温度升高而发射可见光，称冷发光。冷发光由于热耗小，发光效率较高。如荧火虫发光,发光热耗几乎等于零。注意：热发光（热辐射）是由于可燃物质燃烧或物体温度升高达到红热、白热状态时的发光。热发光在能量转化中的热耗大，发光效率低。当前38页，总共89页。

自然界中很多物质都可发光，但近代显示技术所用的发光材料主要是无机化合物，在固体材料中主要是采用禁带宽度较大的绝缘体，其次的半导体它们通常以多晶粉末、薄膜或单晶的形式被应用。

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，此过程中，光的发射称为荧光或磷光，取决于激发和发射之间的时间。

从应用的角度，主要关注材料的光学性能,包括：发光颜色、发光强度及延续时间等。当前39页，总共89页。（1）荧光(fluorescence)

：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10-8s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。当前40页，总共89页。2）磷光(phosphorescence)

：激发停止后一段时间发出的光。延迟发射10-2s~10s。材料发磷光的原理：材料中含有杂质并在能隙中建立施主能级（陷阱），当激发的电子从导带跳回到价带时，首先跳到施主能级并被捕获，在它跳回价带时，电子从捕获陷阱中逸出，因此延迟了光子发射时间，跳回价带的过程发射光子。发光强度公式：I0为开始发光时的强度；I为激发除去后t秒内的光的强度;τ为弛豫时间。eg:电视屏幕所用磷光体的驰豫时间不可太长，否则影像重叠。当前41页，总共89页。人眼能够感觉到余辉的长发光期间者为磷光；人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光。荧光与磷光无严格区别。极短余辉：余辉时间<1s的发光；短余辉：余辉时间1~10s的发光；中短余辉：余辉时间10-2～1ms的发光；中余辉：余辉时间1～100ms的发光；长余辉：余辉时间10-1～1s的发光；极长余辉：余辉时间>1s的发光发光持续时间特征——余辉的理解：余辉：当激发停止时，其发光亮度衰减到初始亮度的10%时所经历的时间为余辉时间，简称余辉。当前42页，总共89页。磷光体：激发停止后的一段时间内能发光的复杂晶体无机物质。工程上对磷光体材料性能的要求：1）高的发光效率；2）希望的发光色彩；3）适当的余辉时间；4）材料与基体结合力强等。激活剂（主要是金属）：Ag、Cu、Mn等。磷光体基体（常是硫化物）：如CaS、SrS、BaS、ZnS、CdS等；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：电视中使用发蓝光的[ZnS:Ag]和发黄光的[Zn，Cd]S:Cu，Al的混合材料，使荧光屏呈白色；公路交通中的夜间路标采用长余光辉的磷光体。当前43页，总共89页。磷光体的激发光源主要有：紫外激发、电子射线激发、X射线激发等。如彩电的颜色：采用电子束扫描，激发显象管内表面上不同成分的荧光粉，使它们发射红、绿、蓝三种基本光波而实现发光。当前44页，总共89页。２.激光

激光（Laser）是英文“Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation”首写字母的缩写，意为受激辐射光放大，是一种单色性好,亮度高、相干性强、方向性好的相干光束。

激光技术是20世纪60年代后发展起来的一门技术，它带动了傅里叶光学、全息术、光学信息处理、光纤通信、非线性光学和激光光谱学等学科的发展，形成了现代光学。1960年第一台红宝石激光器研制成功，标志着激光科学技术的诞生。当前45页，总共89页。激光与普通光的根本区别：激光具有极高的光子简并度

（处于同一量子态中的光子数）

普通光源-----自发辐射

激光光源-----受激辐射单色性好；亮度高，能量集中，激光传递信息的容量大；相干性好；方向性好。激光特点：当前46页，总共89页。１）单色性好单色性最好的氪灯Kr86

Δ=4.7×10-3nm

稳频He—Ne激光器

激光的单色性比普通光高倍.激光的特点当前47页，总共89页。２）亮度高激光的特点

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10亿倍。激光是当今世界上高亮度的光源。激光在屏上形成的小光斑，有极大的照度激光的能量集中—脉冲瞬时功率大（可达～1014瓦），颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高。当前48页，总共89页。激光的能量在空间上、在时间上高度集中光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也可高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热。在工业上，激光打孔、切割和焊接。医学上视网膜凝结和进行外科手术。在测绘方面，可以进行地球到月球之间距离的测量和卫星大地测量。在军事领域，可以制成摧毁敌机和导弹的激光武器。当前49页，总共89页。３）相干性好激光的特点空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。时间相干性好（～10-8埃），相干长度可达几十公里。当前50页，总共89页。４）方向性好激光的特点一束激光射到~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.当前51页，总共89页。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）。激光的产生条件：粒子数反转：高能级的原子数大于低能级的原子数。

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红宝石激光器中的Cr的能级工作物质：Al2O3

单晶；激活物质:Cr3+离子（提供亚稳态能级，以实现泵浦作用而激发震荡产生激光。）当前52页，总共89页。粒子数反转是激光产生的前提。一个原子可以在不同的能级之间跃迁。在通常情况下，因为热力学的平衡态服从波尔兹曼分布律，使得处于基态（最低能级）的原子数远远多于处于激发态（较高能级）的原子数，这种情况得不到激光。为了形成足够的激发辐射，得到激光，就必须用一定的方法去激发原子群体，使亚稳态上的原子数目超过基态上的。该过程称为粒子数的反转。各种激发方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了使激光持续输出，必须不断地“泵浦”以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。例如，氦氖激光器中，通过氦原子的协助，使氖原子中的两个能级实现粒子数反转而获得激光。laser亚稳态当前53页，总共89页。常见的激光材料及其应用：红宝石CrAl2O3激光器：激光加工、激光测距、激光医疗器械。掺w(Nd)1%的钇铝石榴石单晶（Y3Al5O15）掺Nd3＋离子的激光玻璃：光通讯的光纤放大器、医学。当前54页，总共89页。作业：激光具有什么特点？举出生活中应用激光的事例。当前55页，总共89页。§4.４无机材料的红外光学性能1.红外技术的起源和应用

红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种。1800年，英国天文学家赫胥尔(F.W.Herschel)用温度计测量太阳光可见光区内外温度时，发现红色光以外“黑暗”部分的温度比可见光部分高，从而意识到在红色光以外还存在一种肉眼看不见的“光”，因此称之为红外光，而对应的这段光区便称为红外光区（0.75~1000m)。赫胥尔实验表明：物质对红外光具有选择性吸收。（1）起源当前56页，总共89页。（2）应用20世纪30年代以前主要用来做学术研究；其后发现，每种处于0K以上的物体均发射特征电磁波辐射，并主要位于电磁波谱的红外区域——这个特征对于军事观察和测定肉眼看不见的物体具有特殊意义。红外线照射体表后，一部分被反射，另一部分被皮肤吸收。皮肤对红外线的反射程度与色素沉着的状况有关。由于眼球含有较多的液体，对红外线吸收较强，因而一定强度的红外线直接照射眼睛时可引起白内障。当前57页，总共89页。红外探测技术在现代国防技术中占有十分重要的地位，各种导弹的制造，红外预警（包括探测、识别和跟踪、预警卫星、预测飞机、各种侦察机等）、观察瞄准（高能束拦截武器等）都离不开红外探测技术。海湾战争中被美国击落的飞机，40%左右是由红外制导的空/空导弹击中的.红外制导:是利用红外探测器捕获和跟踪目标自身辐射的能量来实现寻地制导的技术。红外制导技术是精确制导武器一个十分重要的技术手段。国外红外技术的发展，都是以红外探测器，特别是红外探测器材料（简称红外材料）的发展为先导和标志的。红外材料是红外光电探测技术的基础，在红外技术的研究中有举足轻重的地位。当前58页，总共89页。红外光学材料是指在红外成像与制导技术中用于制造透镜、棱镜、窗口、滤光片、整流罩等的一类材料。这些材料具备满足需要的物理及化学性质，即主要指标为：良好的红外透明性与较宽的透射波段。红外材料技术与微电子技术的结合，极大地推动了红外成像与红外制导技术的发展。红外技术应用与发展，又促进了红外材料技术的发展及进步。当前59页，总共89页。红外技术的应用主要概括为以下四个方面：总结1）辐射测量和光谱辐射测量；2）对能量辐射物的搜索和跟踪；3）制造红外成像器件；4）通信和遥控。当前60页，总共89页。（3）红外光学仪器组成：红外光学系统——接收外来红外辐射，进行光学过程处理（透过、折射、吸收等）。“眼睛”“视网膜”探测器——把接收到的红外辐射转换成人们便于测量和观察的电能、热能等形式。当前61页，总共89页。2.红外透过材料

红外光学系统对红外透过材料的基本要求是：透过率高，透过的短波限低，频带宽。自身辐射小，热稳定性好。目前实用的红外透过材料包括：玻璃、晶体、透明陶瓷、塑料等4类。主要指红外光学系统中的窗口、整流罩、透镜、棱镜、滤光片、调制盘等。当前62页，总共89页。①玻璃优点：光学均匀性好，易于加工成型，便宜。缺点：透过波长较短，使用温度低于500℃。主要材料：硅酸盐玻璃、铝酸盐、硫属化合物玻璃、镓酸盐玻璃等。②晶体优点：与玻璃相比，其透过长波限较长，折射率和色散范围较大，而且许多晶体熔点高，硬度高，热稳定性好，具有独特的双折射性能。缺点：与玻璃相比，制备晶体生长较慢，且不易长成大尺寸，价格较贵。主要材料：单晶体：Ge、Si、CsI、MgF2；多晶体：ZnS、ZnSe当前63页，总共89页。③红外透明陶瓷和金刚石性能较稳定、熔点高。主要材料：Al2O3、金刚石、Y2O3④塑料近红外性能不如其他材料，多用于远红外。主要材料：PP、PTFE当前64页，总共89页。3.红外探测材料

简介：到目前为止，红外探测材料基本上已经历了三代。第一代材料硫化铅适用于红外波长1~3μm，只能用来检测飞机的尾喷口，因此，只有在敌机背后才能攻击目标，其他部位红外光电检测系统无效。第二代材料锑化铟适用于红外波长3~5μm，或用来检测飞机的尾流，但处于对向时无法进行攻击。第三代材料碲镉汞（HgCdTe,缩写MCT）适用于红外波长8~14μm

，因此，可以实施全方位攻击。可见，只有碲镉汞材料才有可能满足全方位的要求。又由于红外光谱中的3～5μm、8～14μm两个波段的光可以穿透大气层,工作在此温度的红外探测仪可以不受天气影响,广泛应用于天文、海上救助等,可以昼夜作业,特别在晚上发挥作用,故也被称为夜视仪。当前65页，总共89页。红外探测仪自从研制出来，就被广泛应用于军事侦察，以及后来的弹道导弹和远程巡航导弹、航空母舰上的战斗机都有红外探测仪的应用。天文上，红外探测仪用于天文望远镜来观察天体运行，安装在卫星上红外探测仪可以让人类看到遥远的星球间发生的奇观。此外红外探测仪还可用于气象观测天气。因此红外探测仪具有广泛的用途。当前66页，总共89页。红外探测器探测到红外光的本质——光子与材料的相互作用。按光子与材料的相互作用将红外探测器分为两类：1）光子与材料相互作用无选择性，即无选择辐射探测器材料，包括热释电材料、超导材料、光声材料。2）有选择性，即选择性辐射探测器。又分为外光电效应材料、内光电效应材料、光生伏打光电材料、光磁效益材料。当前67页，总共89页。§4.5红外吸收光谱简介1.概述红外吸收光谱法（InfraredAbsorptionSpectometry,IR）

红外吸收光谱法是依据物质对红外辐射的特征吸收建立起来的光谱分析方法。分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁，故红外光谱又称分子振动－转动光谱。红外光谱波长范围约为0.75~1000µm。当前68页，总共89页。（1）红外吸收光谱法的特点①红外光谱是分子振-转光谱，涉及振动能级的跃迁，分子不产生电子能级的跃迁。②红外光谱法最重要和最广泛的用途是对有机化合物进行结构分析。③红外光谱可用于定量分析，但干扰较大。④可测定气体、液体、固体样品，并且试样用量少，分析速度快。当前69页，总共89页。（2）原理：当分子中某个基团的振动频率和红外光的频率一致时，分子就吸收红外光的能量，从原来的基态振动能级跃迁到能量较高的振动能级。物质对红外光的吸收曲线称为红外吸收光谱。根据试样的红外吸收光谱进行定性、定量分析和确定分子结构等分析的方法，称为红外吸收光谱法。当前70页，总共89页。（3）红外光谱图表示方法：

红外光谱图一般用T-曲线（或T-λ曲线）、A-曲线，来表示。聚乙烯的红外光谱图(a)透过光谱图(b)吸收光谱图当前71页，总共89页。式中:I0—入射光强度；I—入射光被样品吸收后透过的光强度。透光度吸光度当前72页，总共89页。红外光谱区在可见光区与微波区之间，其波长范围一般为0.75μm~1000μm。红外光谱区的划分名称λ/μmσ/cm-1

能级跃迁类型近红外区0.75~2.513333~4000O-H、N-H、

C-H键的倍频吸收

中红外区2.5~504000~200

分子中原子的振动及分子转动远红外区50~1000200~10分子转动晶格振动(4)红外光谱区的分类当前73页，总共89页。如果波长以μm为单位，而1μm＝10-4cm，波长与波数的关系为：例如λ＝50μm的红外光，用波数表示为：波数是波长的倒数，常用单位是cm-1，它表示1cm的距离内光波的数目。即在1cm的长度内，波长为50μm的红外光波的数量为200个。(5)波长与波数的关系当前74页，总共89页。(6)红外光谱产生的条件①红外光的能量应恰好能满足振动能级跃迁所需要的能量，当红外光的频率与分子中某基团的振动频率相同时，红外光的能量才能被吸收。②红外光与物质之间有耦合作用。分子必须有偶极矩的变化。只有能够引起偶极矩变化的振动，才能产生共振吸收。像N2，O2，Cl2等对称分子，由于两原子核外电子云的密度相同，正、负电荷中心重合，等于0，故振动时没有偶极矩的变化，不吸收红外辐射，不能产生红外吸收光谱。H2O和HCl分子的偶极矩当前75页，总共89页。IR峰出现的频率位置由振动能级差决定。吸收峰的个数与分子振动自由度的数目有关。吸收峰的强度则主要取决于振动过程中偶极矩变化的大小和能级跃迁的几率。

C=O、Si－O、C－Cl、C－F等基团极性较强，其吸收较强；

C－N，C－H等极性较弱的基团，吸收谱带的强度较弱。（7）IR的特点：IR频率范围小、吸收峰数目多、吸收曲线复杂、吸收强度弱。当前76页，总共89页。（8）基团振动与红外光谱区域物质的红外光谱是其分子结构的反映，谱图中的吸收峰与分子中各基团的振动形式相对应。通常把能代表基团存在、并有较高强度的吸收谱带称为基团频率，其所在的位置一般又称为特征吸收峰。

Example：28003000cm-1

－CH3

特征峰；

16001850cm-1

－C=O特征峰当前77页，总共89页。

(1)40002500cm-1X－H伸缩振动区（X=O，N，C，S）；

(2)25001900cm-1

三键，累积双键伸缩振动区；

(3)19001200cm-1

双键伸缩振动区；

(4)16501350cm-1X－H弯曲振动区。

①官能团区(基频区)（40001350cm-1

）当前78页，总共89页。(1)X－H伸缩振动区（40002500cm-1）

a.－O－H36503200cm-1

确定醇、酚、酸在非极性溶剂中，浓度较小（稀溶液）时，峰形尖锐，强吸收；当浓度较大时，发生缔合作用，峰形较宽。注意区分－NH伸缩振动：35003100cm-1

当前79页，总共89页。c.不饱和碳原子上的=C－H（C－H

）

苯环上的－C－H3030cm-1

=C－H

30102260cm-1

C－H

3300

cm-1b.饱和碳原子上的－C－H3000cm-1以上－CH3

2960

cm-1

反对称伸缩振动

2870

cm-1

对称伸缩振动－CH2－2930

cm-1反对称伸缩振动2850

cm-1

对称伸缩振动－C－H2890cm-1

弱吸收3000