第四章材料的光学性能

第四章材料的光学性能第1页，课件共34页，创作于2023年2月4.1光和固体的相互作用1.光的波粒二象性

1）光电效应方程

2）光学涉及材料对电磁辐射作用的响应。

γ

射线–原子核结构改变；红外辐射，微波，无线电波-原子振动或晶格结构的改变；X射线，紫外线，可见光谱-原子结构改变第2页，课件共34页，创作于2023年2月第3页，课件共34页，创作于2023年2月4.1光和固体的相互作用

3）光的速度真空中：

在介质中传播：C：3×10-8m/s:真空介电常数:真空磁导率透射，反射，折射：光的粒子性介质中传播、衍射：光的波动性第4页，课件共34页，创作于2023年2月4.1光和固体的相互作用2.光通过固体的现象

1）宏观：光从一种介质进入另一种介质中，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反射，一部分被散射。光入射到材料表面的光辐射能量流率，单位：W/m2或J/m2s表示单位时间内通过单位面积的能量透射系数吸收系数反射系数散射系数第5页，课件共34页，创作于2023年2月4.1光和固体的相互作用第6页，课件共34页，创作于2023年2月4.1光和固体的相互作用

2）微观：光与固体中的原子、离子、电子之间的相互作用。

a)电子极化：光中电场分量与传播过程中的每一个原子都发生作用，引起电子极化。

折射的本质：一部分能量被吸收，同时光波速度减小，导致折射。

b)电子能态的改变：光子被吸收和发射，都可能涉及到固体材料中电子能态的转变。第7页，课件共34页，创作于2023年2月4.1光和固体的相互作用3.材料的折射率及其影响因素

概念折射：光遇到一种折射率不同的介质，传播速度与波长发生变化，而且光的传播方向也发生变化。折射率：光在真空和介质中的速度之比相对折射率:n>1,原因：光与原子作用导致电子极化，使光速变慢。第8页，课件共34页，创作于2023年2月4.1光和固体的相互作用一些透明材料的折射率第9页，课件共34页，创作于2023年2月4.1光和固体的相互作用2）材料折射率的影响因素a)材料元素的离子半径：由于在无机材料这样的电介质中，μ=1，ε≠l

材料的折射率随介电常数增大而增大离子半径增大时，其ε增大，因而n也随之增大

第10页，课件共34页，创作于2023年2月4.1光和固体的相互作用2）材料折射率的影响因素b)材料的结构、晶型：

非晶态和立方晶体结构：一个折射率（均质介质）其它晶型：两个折射率-寻常光折射率n0和不寻常光折射率ne

（非均质）

当光沿晶体光轴方向入射时，只有n0存在，与光轴方向垂直入射时，ne达最大值，此值是为材料特性。石英的n0=1.543，ne=1.552；方解石的n0=1.658，ne=1.486；刚玉的n0=1.760，ne=1.768。沿着晶体密堆积程度较大的方向ne较大。

C)材料的内应力：有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方向的n小。因此产生双折射。测定材料中内应力的大小，可采用测定双折射的光程差的大小。

d)同质异构体：高温时n小，低温时n大。

第11页，课件共34页，创作于2023年2月4.1光和固体的相互作用例：一束在钠钙玻璃中传播的光线到达了玻璃-空气界面：试推导用于表达折射角与入射角之间的函数关系的表达式；这个关系式是否用于所有的入射角？

第12页，课件共34页，创作于2023年2月4.1光和固体的相互作用3）色散a)定义：材料的折射率随入射光的频率的减小(或波长的增加)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，材料的色散为:

色散=dn/dλ

b)表示：色散系数νd，也叫阿贝数，这是最常用的数值。nD：是指用钠光谱中的D线（λD=589.3nm，黄色）为光源测出的折射率。nF：是指用氢光谱中的F线（λF=486.1nm，蓝色）为光源测出的折射率。nC：是指用氢光谱中的C线（λC=656.3nm，红色）为光源测出的折射率。

第13页，课件共34页，创作于2023年2月4.1光和固体的相互作用3）色散c)原理：频率不同导致介质极化强度不同；极化强度不同导致折射率不同。

d)应用：用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜组成复合镜头，可以消除色差，这叫做消色差镜头。

注：折射率的大小与入射光波长有关。材料的折射率n随入射光波长的降低而减小，所以，谈材料的折射率时必须指出所用的光的波长。一般常用nD来比较不同材料的折射率。

第14页，课件共34页，创作于2023年2月4.1光和固体的相互作用4.材料的反射系数及其影响因素

当光从二种不同介质通过时，要发生反射和折射。其中反射是电子吸收光子能量，由高能级又返回低能级时发射出的的电磁波。当一束自材料1垂直入射到材料2上的光线，产生反射光线的比例R为反射率：如果两种材料折射率相差很大，则损失很大。为了减小反射损失：a)通过介质表面镀增透膜；b)将多次透过的玻璃用折射率与之相近的胶粘起来。第15页，课件共34页，创作于2023年2月4.1光和固体的相互作用例：望远镜的透镜由多块玻璃组成，若光线沿垂直入射方向通过氧化硅玻璃(n=1.5),进入高铅钠氧化硅玻璃（n=2.5),计算被反射的光线。

第16页，课件共34页，创作于2023年2月4.1光和固体的相互作用5.材料的透射系数及其影响因素

材料对入射光的吸收及其散射，是影响材料光透射比的的主要因素。第17页，课件共34页，创作于2023年2月4.1光和固体的相互作用1）金属的光透过性质

金属对所有的低频电磁波（从无线电到紫外光）都是不透明的，只有对高频电磁波X射线和γ射线才是透明的。（高频时，电子来不及做出响应）导体的价带特征是部分填满，电子易吸收入射光子的能量后激发到空能级上。金属材料吸收的光又从表面上以同样波长的光波反射出来。还有一小部分以热的形式损失了。第18页，课件共34页，创作于2023年2月4.1光和固体的相互作用2）非金属材料的透过性

介质吸收光的一般规律：

电子极化：只有光的频率与电子极化时间的倒数处于同一数量级电子受激吸收光子而越过禁带电子吸收光子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级第19页，课件共34页，创作于2023年2月对于第二种机制:吸收光子的能量把电子从填满的价带激发到导带的空能级上，导带中出一个电子，而在价带留下一个空穴。只有光子的能量满足下列条件才会被吸收：或可见光最短波长0.4um，电子受激后跃迁的非金属材料的禁带宽度最大为3.1eV；若禁带宽度大于3.1eV，则这种材料不可能吸收可见光，纯度很高的绝缘体材料是无色透明的。可见光的最大波长约0.7um,吸收光子后电子能越过的最小的禁带宽度Egmin=1.8eV.对于禁带宽度小于1.8eV的半导体材料，可见光被吸收，是不透明的。对于禁带宽度处于1.8-3.1eV的非金属材料，只有部分可见光补吸收，因而是带色透明的。第20页，课件共34页，创作于2023年2月

每一种非金属材料对特定波长以下的的电磁波是不透明，其具体波长取决于禁带Eg对于第三种机制:对于禁带较宽的介电材料可能吸收光子，借助于禁带中引入的杂质或缺陷能级，使吸收光子的电子进入其中。4.1光和固体的相互作用第21页，课件共34页，创作于2023年2月小结：材料的吸收系数与电磁波长密切相关。对于电介质材料，由于禁带要在高频下光子才能提供足够的能量。但在红外区，也显示吸收峰，由于入射电磁波与正负离子的振动发生共振，光子能量被吸收转化为晶格的弹性振动，即声子吸收。

第22页，课件共34页，创作于2023年2月吸收系数：介质吸收的光谱能量不仅与介质的电子能带结构有关，还与光程有关。I=I0e-αx为吸收系数，取决于材料性质与波长。第23页，课件共34页，创作于2023年2月4.1光和固体的相互作用2）非金属材料的透过性

b)介质对光的散射：散射：由于光传播的介质不同，介质中含有小粒子，晶界面相，气孔或杂质，由这些产生的次级波与主波方向不一致，并合成产生干涉现象，引起散射。（一部分能量偏离原来的方向向四面八方弥散开来）I=I0-SxS:散射系数，或称为内反射现象。散射：与波长有关，也与散射颗粒的大小，分布，数量以及散射相与基体的相对折射率大小有关。

第24页，课件共34页，创作于2023年2月4.4材料的发光1.发光和热辐射

1）荧光和磷光：

发光：由于受温度之外的其它因素导致的固体向外发射可见光的现象。如果外来能量使激发电子从价带进入导带，当电子返回时便发射光子，如果这种光子的波长处于可见光范围内，有上述现象。

荧光：受激发在大约10-8s以内发射的电磁波。

其发光是被激发的电子跳回价带时，发射的光子第25页，课件共34页，创作于2023年2月4.4材料的发光磷光：激发事件已经结束之后的一段时间内持续发生的电磁辐射。

材料往往含有杂质，并在能隙附近建立了施主能级，激发的电子从导带回价带时，首先回到施主能级补被捕获，回价带时，电子首先从陷阱内逸出。因此延迟了光子发射的时间。第26页，课件共34页，创作于2023年2月4.4材料的发光磷光体：激发停止后的一段时间内能发光的复杂晶体无机物质

应用:电视机屏幕使用的材料；LED（发光二极管）技术第27页，课件共34页，创作于2023年2月4.4材料的发光1.发光和热辐射

2）热辐射：

利用高温将电子激发到较高能级上去的过程，一些电子回落到空穴位置，此过程放出光子，随温度升高，获得呈连续谱的发射光线。辐射的最短波长和强度信赖于温度。材料的颜色随温度而改变。例：700度以下，材料呈淡红色1500度以下，材料呈桔黄色非常高的温度下，材料呈白热状态应用：陶瓷学家用一个光学温度计获得正加热的陶瓷件的温度。用高温计测量辐射光的频带范围，便可以估计材料的温度第28页，课件共34页，创作于2023年2月4.4材料的发光2.激光

激光：LASER-LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation“受激辐射的光放大”特点：用来瞄准特定区域并产生很高密度的热能；实质是荧光材料的一个例子，一个被激发的原子簇的荧光发射光线激发其它的原子簇，使它们发射同相位的光线。定向发光亮度极高颜色极纯能量密度极大

第29页，课件共34页，创作于2023年2月4.4材料的发光例：红宝石激光器

蓝宝石（Al2O3单晶)+0.05%Cr第3