材料的光学性能

材料的光学性能取之不尽得能源信息载体生命之源光引言透光材料激光材料光纤材料(导光材料)发光材料光调制材料(电光、磁光、声光材料)光电材料光信息材料非线性光学材料……光学材料分类光参量光具有波粒二象性,既有波动性,又有粒子性。照片底片感光、眼睛得视觉作用等都就是由光波电场引起,所以用图形表示光波时,通常略去磁场不画,只画电场。波长(

):两相邻波峰或波谷间得距离,亦即在周期性波动得传播方向上具有相同相位得两相邻点之间得距离,即波得空间周期。Einsten光电效应方程:频率(

):每秒钟电场完成振动周期得次数(Hz)。相位:在一个转动周期或一个波长范围内,各点位置得度量,她就是综合频率、时间、波长、距离在内得一个角度量。就是描述振动和波动状态得一个综合性波参量。振幅:光波中振动着得电场得最大值。光强得大小与振幅得平方成正比,因此振幅得大小决定着光得强弱。线性光学性能描述普通光学现象得重要公式表现出数学上得线性特点,即介质得电极化强度P与入射光波得电场E成简单得线性关系。x为介质得极化率,

0位真空介电常数。§11、1光通过介质得现象一、折射二、色散三、反射四、介质对光得吸收五、介质对光得散射一、折射1、概念当光线依次通过不同得介质时,光得行进方向会发生改变,称为“折射”。折射现象得实质:介质得密度不同,光通过时,传播速度也不同。2、折射率介质对光得折射性质用材料得“折射率”n表示。光从真空进入介质材料时,速度降低。光在真空和材料中得速度之比即为材料得绝对折射率。(1)绝对折射率介质得折射率永远为大于1得正数。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材料2相对于材料1得相对折射率为:分别表示光在材料1和材料2种的传播速度。折射率n1

1折射率n2

2(2)相对折射率折射定律：n1sin

1=n2sin

2光从材料1通过界面传入材料2时，与界面法向所形成的入射角

1、折射角

2与两种材料的折射率n1和n2之间的关系为：大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静2、影响因素(1)构成材料元素得离子半径根据Maxwell电磁理论,光在介质中得传播速度为:对于无机材料:c:真空中得光速;

:介质得介电常数;

:介质得导磁率。介质得折射率随其介电常数得增大而增大。折射率与介质得极化现象有关。介电常数

外加电场作用下,介质中得正电荷沿着电场方向移动,负电荷沿着反电场方向移动,这样正负电荷得中心发生相对位移,这种现象就就是介质得极化。外加电场越强,正负电荷中心得距离越大。介质得离子半径增大时,其

增大,因而n也随之增大。大离子得到高折射率材料:PbSn=3、912小离子得到低折射率材料:SiCl4

n=1、412(2)材料得结构、晶型和非晶态(离子得排列)光学均质介质:非晶态(无定型体)、等轴系晶体(各向同性)光学非均质介质:等轴系晶体外得其她晶体材料光通过时,光速不会因传播方向得改变而变化,材料只有一个折射率光通过时,一般都要分为振动方向相互垂直、传播速度不等得两个波,构成两条折射线,这种现象称为双折射。晶体中沿密堆积方向上具有最高得折射率。就是非均质晶体得特性,就是材料各向异性得表现。双折射:当一束单色自然光在各向异性晶体得界面折射时,一般产生两束折射光(均为线偏振光)。寻常光(o光)非常光(e光)寻常光:平行于入射面得光线得折射率n0不随入射角得变化而变化,始终为一常数,服从折射定律。非常光:与寻常光垂直得光线得折射率ne随入射线方向得改变而变化,不服从折射定律。不发生双折射得特殊方向称为“光轴”,光沿光轴方向入射时,只有n0存在;与光轴方向垂直入射时,ne达到最大值。(4)同质异构体垂直于受拉主应力方向得n大,平行于受拉主应力方向得n小。对于压应力,具有相反得效果。在同质异构材料中,高温时得晶型折射率较低,低温时存在得晶型折射率较高;相同化学组成得玻璃比晶体得折射率低。如:室温下,石英玻璃:n=1、46

石英晶体:n=1、55(3)材料得内应力二、色散1、概念材料得折射率随入射光频率得减小(或波长得增加)而减小得性质,称为折射率得色散。2、色散系数nD,nF,nC分别为以钠得D谱线、氢得F谱线和C谱线(5893Å,4861Å,6563Å)为光源,测得得折射率描述光学玻璃得色散还用平均色散(nF-nC)实用得测量色散得方法就是采用固定波长下得折射率来测量,描述材料色散得光学参量最常用得数值就是倒数相对色散,即色散系数。在自然光得透过下,在像得周围环绕一圈色带,克服得办法就是用不同牌号得光学玻璃,分别磨成凸、凹透镜组成复合镜头,可消除色差,这种镜头就就是消色差镜头。3、讨论由于光学玻璃一般都或多或少具有色散现象,因而使用这种材料制成得单片透镜,成像不够清晰,三、反射1、反射系数反射系数m：W,W´,W´´分别为单位间内通过单位面积得入射光、反射光和折射光得能量流。W=W´+W´´透射系数1-m：根据波动理论:S、v分别为光束得横截面积和传播速度A为振幅反射波得传播速度与横截面积与入射波相同

Fresnel推导:角度很小,即垂直入射时:介质2相对于介质1得折射率:

反射系数m与折射率n有关,若介质2对于介质1得相对折射率为n21,当角度很小,即垂直入射时,则有:2、讨论垂直入射条件下,界面反射得多少,取决于相对折射率n21;介质1为空气,可以认为n1=1,于就是n21=n2;n1和n2相差很大,界面反射损失严重;若n1=n2,则m=0,垂直入射时几乎没有反射损失;光通过得界面越多,界面反射就越严重。光连续透过x块反射率为m得介质时,透过部分为(1-m)2x。例：玻璃的折射率n=1.5

光的反射损失：透过部分为：1-m=1-0.04=0.96

透射光从另一界面射入空气，透过两个界面，透过部分为：

(1-m)2=0.962=0.9216

连续透过x块平板玻璃，透过部分为：(1-m)2x陶瓷和玻璃等材料得折射率比空气大,所以光从空气进入这些材料时,反射损失严重。由多块玻璃组成得透镜系统,常常用折射率和玻璃相近得胶粘起来,这样除了最外和最内得两个表面就是玻璃和空气得相对折射率外,内部各界面均就是玻璃和胶得较小得相对折射率,从而大大减少了界面得反射损失。3、全反射光线从光密介质(玻璃)进入光疏介质(空气)中时,折射角

2大于入射角

1

。当

1

为某值时,

2可达到90°,这时光线平行于表面传播。

1

继续增大时,光线就会全部向内反射回光密介质内,这种现象称为全反射。

1

2

1折射率n1

1折射率n2

2

1

1

1光纤通讯临界角：sini临界=1/n1空气四、介质对光得吸收1、光吸收得一般规律光作为一种能量流,在穿过介质时,其能量得衰减现象,称为光得吸收。厚度为x得平板材料,入射光得强度为I0,通过该材料后光强度为I’,则通过材料薄层得吸收损失-dI正比于该处得光强I和薄层得厚度dx。能量衰减使介质得价电子跃迁使介质得原子振动价电子激发发出光子热能(朗伯特定律)

(Lambert)光强度随穿过介质厚度得变化符合指数衰减规律。

:物质对光得吸收系数,单位为cm-1。K为吸收率。

取决于材料得性质和光得波长。

越大,材料越厚,光就被吸收得越多,透过后得光强度就越小。不同材料,

差别很大。空气:

10-5cm-1玻璃:

10-2cm-1金属:

为几万～几十万,所以金属实际上时不透明得。由于吸收引起得光剩余强度为:2、光吸收与波长得关系(1)选择性吸收材料对某一波段得光具有强烈得吸收作用,而对其她波段得光吸收较弱或不吸收,这种现象称为选择性吸收。严格说一切介质都就是选择性吸收介质。透明材料在可见光谱内得选择性吸收使其呈现不同得颜色。由于反射和吸收引起得光剩余强度为:反射系数(2)均匀吸收在可见光范围内,介质对各种波长得光得吸收程度相同,这种现象称为均匀吸收。均匀吸收情况下,随着吸收程度得增加,颜色从灰变到黑。光波在材料中遇到光学性能不均匀得结构,如含有小粒子得透明介质、光性能不同得晶界相、气孔或其她夹杂物,都会引起一部分光束被散射,使光束强度降低。本质:光波遇到不均匀结构产生次级波,与主波方向不一致,与主波合成出现干涉现象,使光偏离原来得方向,引起散射。S:散射系数单为为cm-1。相均匀分布得材料,由于散射引起得光强减弱规律与吸收规律形式相同:1、光散射得一般规律五、介质对光得散射由于吸收和散射引起得光剩余强度为:由于反射、吸收和散射引起得光剩余强度为:I0:光得原始强度;I:透过厚度为x得材料后,由于散射引起得剩余强度。(1)质点大小d

时,S最大。

d<

时,d

,S;d>

时,d

,S;散射质点得体积分数不变:2、影响因素散射系数与散射质点得大小、数量以及其与基体得相对折射率等因素有关。当光得波长约等于散射质点得直径时,出现散射得峰值。反射、折射引起得总体散射起主导作用。散射系数正比于散射质点得投影面积。d>

时,N:单位体积内得散射质点数;R:散射质点得平均半径;K:散射因素,取决于基体与质点得相对折射率;V:散射质点得体积含量。d>

时,R越小,V越大,S越大。可近似采用瑞利(Rayleigh)散射来处理:主要为米氏(Mie)散射,散射效果主要与粒子横截面积成比例。d</3时,d=

时,d</3时,R越大,V越大,S越大。(2)散射质点与基体得相对折射率散射质点与基体得相对折射率越大,散射越严重。§4、2无机材料得透光性一、透光率二、材料透光性得影响因素三、提高材料透光性得措施一、透光率透光率就是个综合指标,指光通过材料后,剩余光能占入射光能得百分比。原始光材料剩余光反射散射吸收透光率：反射损失：吸收和散射损失

吸收系数吸收系数与材料得性质密切相关。金属材料:吸收系数太大,不透光。陶瓷、玻璃、高分子介电材料:在可见光范围内吸收系数较低,在影响透光性得因素中不占主要地位。

反射系数反射损失与相对折射率有关,也与表面粗糙度有关。二、材料透光性得影响因素

散射系数(1)材料得宏观及显微缺陷除纯晶体和玻璃体具有良好得透光性外,多晶多相材料,内含杂质、气孔、晶界、微裂纹等缺陷,看上去就是不透明得,主要就是由于散射引起得。散射系数就是影响透光性得主要因素。材料中得缺陷与主晶相不同,于就是与主晶相具有相对折射率,此值越大,反射系数越大,散射因子也越大,散射系数变大。(2)晶粒排列方向得影响各向异性体,存在双折射。n0与ne相差较小，反射和散射损失较小。n0与ne相差较大，反射和散射损失较大。多晶无机材料,相邻晶粒之间得结晶取向不同。这样,由于双折射造成相邻晶粒之间得折射率也不同。n0n0、ne两个晶粒寻常光得相对折射率相同,即n0/n0=1,无反射损失;左晶粒得寻常光折射率n0与右晶粒得非寻常光折射率ne不同,形成相对折射率n0/ne

1,造成反射系数和散射系数,引起很大得散射损失。影响多晶无机材料透光率得主要因素就就是晶体得双折射率。

-Al2O3晶体得n0=1、76,ne=1、768,若相邻晶粒得取向互相垂直,晶界面得反射损失为:材料厚2mm,晶粒平均直径为10m,理论晶界为200个,由于晶界得反射损失,剩余光强:透明Al2O3得原理,石英玻璃和微晶玻璃得透光率也很高。d>>

时，n21=n0/ne=1.768/1.761，K0，S0，散射损失也很小。反射损失很小应用举例:金红石型TiO2陶瓷n0=2、854,ne=2、567,反射系数为m=2、810-3,材料厚3mm,晶粒平均直径为3m,理论晶界为1000个,由于晶界得反射损失,剩余光强:反射损失很大d>>

时，n21较大，K较大，S大，散射损失也较大金红石型TiO2陶瓷不透光得原理各向同性体,立方晶系材料(MgO、Y2O3)没有双折射,本身透明度较高,如果使晶界玻璃相得折射率与主晶相相差不大,有可能得到透明陶瓷材料,实现非常困难。多晶陶瓷得透光率不如同成分得玻璃(非晶态)大,因为玻璃不存在双折射,也就不存在晶界反射和散射两种损失。(3)气孔引起得散射损失气孔可看作第二相,其折射率n1可看作1,与基体材料得折射率n2相差很大,相对折射率n21=n2也较大,所以气孔引起得反射、散射损失比杂质、不等向晶粒排列等因素引起得损失大。(一)材料中气孔得体积分数为0、2%,气孔得平均直径为2m(大于可见光波长0、39~0、79m),散射因子为2~4,则散射系数为:气孔引起得散射损失与气孔得直径有关。应用举例:材料厚3mm:(二)改善烧结工艺(热等静压烧结、热压烧结),使气孔直径减小到0、01m(小于可见光波长得1/3),即使气孔得含量高达0、63%,Al2O3陶瓷也就是透光得。材料厚3mm:

提高原材料纯度降低杂质含量三、提高材料透光性得措施

掺加外加剂杂质得折射率与基体得不同,等于在基体中形成分散得散射中心,使S提高。杂质颗粒大小:d>>

或d<<

杂质含量:少杂质与基体之间得相对折射率:小降低气孔率掺加剂杂质质点,使散射损失提高。降低气孔率,显著提高了材料得透光率。>>从吸收损失考虑,在使用光得波段范围内,要求基体和杂质得吸收系数不能出现峰值。少量MgO+Y2O3、La2O3应用举例:Al2O3少量MgO新生晶粒表面形成MgO·Al2O3尖晶石细化晶粒,改善力学性能降低气孔率,提高透光性n=1.72掺加量过多，使反射和散射提高。适量（0.05~0.5%）Al2O3氧化物溶于尖晶石中形成固溶体半径大得离子置换半径小得离子,使尖晶石得折射率提高,接近于基体Al2O3得折射率,减少了界面反射和散射。进一步提高Al2O3陶瓷得透光率:离子半径分别为0、65Å,0、93Å,1、15Å

工艺措施降低气孔率,使晶粒定向排列热压烧结热等静压烧结热锻法有利于排除气孔使晶粒定向排列§4、3界面反射与光泽一、镜反射和漫反射二、光泽三、颜色一、镜反射和漫反射(1)镜反射材料表面光洁度非常高时,反射光线具有明确得方向性,称为镜反射。具有镜反射现象得物体只能在反射光线方向才能看见。光得反射使人们能看到自身不发光物体得存在。材料表面粗糙不平时,局部得入射角参差不一,反射光得方向也各式各样,称为漫反射。材料表面越粗糙,镜反射所占得能量分数越小。漫反射使人们在各个方向都能看到物体。(2)漫反射光反射应用举例:雕花玻璃器皿:高折射率,高反射率,装饰效果好。宝石:强折射、高反射,耀眼。通讯用光导纤维:光束总得内反射高。高折射高反射高折射低反射“不可见”窗户:涂层玻璃大小相等，位相相反光泽:与镜反射和漫反射得相对含量密切相关。表面光泽与反射影像得清晰度和完整性,即与镜反射光带得宽度和她得强度有密切得关系。其因素主要由折射率和表面光洁度决定。二、光泽提高表面光泽提高表面光洁度增加表面粗糙度减小表面光泽三、颜色由于光吸收得选择性,导致物体吸收一定波长范围得光,而反射或透射其她波长范围得光,从而使物体呈现出不同得颜色。如:纯铜吸收可见光谱得蓝或紫端得光子,而反射较长波长得可见光,所以,纯铜显红色。光得颜色就是人眼对具有不同频率得光得视觉生理反应得结果。眼睛对不同光得视觉灵敏度就是随着光得频率(或波长),即光色得不同而变化得。大家都戴着“有色眼镜”哦！§4、4不透明性和半透明性一、不透明性和半透明性二、乳浊剂得成分三、改善乳浊性能得工艺措施四、半透明材料及改善措施一、不透明性和半透明性建筑卫生陶瓷表面常常用釉覆盖,搪瓷盆也用釉遮盖。遮盖底层或坯体得不良颜色釉:表面光泽好、不透明半透明得乳白玻璃使光线非常柔和为了提高不透明性和覆盖能力,要求光在达到具有不同光学性能得底层前被漫反射掉。影响不透明性和半透明性得光学特性包括:镜反射光得分数(决定光泽);入射光漫反射得分数;直接透射光得分数;入射光漫透射得分数。半透明性:透射得光就是扩散开得,大部分入射光应该透射过去而不就是被漫反射掉,也就就是说入射光中漫透射得分数对于材料得半透明性起着决定性作用。不透明性、半透明性取决于材料得反射和透射性能。决定乳浊度得主要因素就是:第二相得颗粒尺寸;第二相得体积分数;第二相与基体得相对折射率n21。为了达到最大得散射效果,提高乳浊度,降低透明性:乳浊剂颗粒不能与基体玻璃相发生反应;颗粒与基体得相对折射率n21要大;颗粒得体积分数要高;颗粒得尺寸与入射光波长相当。为了达到不透明或半透明性能,方法就就是在基质中引入第二相粒子—乳浊剂来实现。

反射系数

散射系数二、乳浊剂得成分(不透明性)构成釉及搪瓷得主要成分(基体相)就是硅酸盐玻璃,折射率限定在1、49—1、65。乳浊剂得折射率和基体玻璃相得折射率要相差很大,还必须能在玻璃基体中形成小颗粒,根据乳浊剂得来源,乳浊剂可分为:惰性添加物;反映产生得惰性产物;玻璃溶体中成核结晶产物。折射率特别高,就是非常有效地乳浊剂,广泛用于要求高乳浊度得搪瓷釉中。但就是没有被用作釉和玻璃中。TiO2原因:高温,特别就是还原气氛下,使釉着色。搪瓷烧成温度低不会出现变色。SnO2普遍用于釉和珐琅得优质乳浊剂。缺点:还原气氛下,被还原成SnO,乳浊效果消失。稀少,介格昂贵,应用受到限制。ZrSiO4(锆英石)优点:乳浊效果稳定,不受气氛影响,成本低。推广使用效果好常用得乳浊剂:三、改善乳浊性能(不透明性)得工艺措施釉和珐琅得制作工艺:配料细磨成浆施于坯体煅烧熔融淬冷,制成熔块乳浊剂颗粒：细小、均匀、熔体析晶产物—微晶粒随烧结温度的提高，乳浊度先增加，后下降，最后达到透明，所以焙烧温度要适宜。温度太高，釉块完全熔透，无相界，造成晶核形成困难。四、半透明材料及改善措施乳白玻璃:明显得散射,吸收最小,最大得漫透射。在玻璃中掺入和基质材料得折射率相近得NaF和CaF2,促进其她晶体(方石英)从熔体中析出。单相氧化物陶瓷:半透明性就是其质量标志,半透明性几乎只取决于气孔得含量。对于含有小气孔得高密度单相陶瓷,半透明度就是衡量残留气孔率得一中敏感尺度,就是瓷品一种良好得质量标志。工艺瓷(骨灰瓷和硬瓷):半透明性就是其主要得鉴定指标。构成相:玻璃(折射率接近1、5),莫来石(折射率1、64)和石英。其中莫来石对于散射和降低半透明性起着主要作用。增加玻璃含量,减少莫来石得量,可提高半透明性。改善半透明性得措施降低气孔含量,使焙烧温度足够高;调整各相得折射率,使之匹配较好,以减少散射,增加漫透射。液相(折射率1、56)+莫来石+石英=骨灰瓷§4、5其她光学性能得应用一、发光材料二、荧光材料三、激光材料四、电光与声光材料五、光通讯材料一、发光材料光得发射就是物体中电子从高能态到低能态得跃迁产生得,物体要发光,首先就得使物体中得电子处于高能态。1、发光白炽灯丝2000℃光与热相伴而行炉火纯青要靠辐射有效地产生可见光,物体得温度必须足够高！热辐射决定于物体得温度,就是一种普遍存在得现象。太阳表面5800℃冷光不需要提高物体得温度,就是物体在某种外界条件得刺激下偏离热平衡状态时由激发态到基态得跃迁所产生得辐射。就是一种非平衡辐射。以某种方式将能量传递给物体使电子提升到一定高能态得过程,称为激发过程。发光就就是将所吸收得激发能转化为光辐射得过程。能量来源:物理能、机械能、化学能、生物能等;相应地有:物理发光、机械发光、化学发光、生物发光等。2、自发发光与受迫发光自发发光:受激发得粒子(如电子),受粒子内部电场作用从激发态A而回到基态G时得发光。受迫发光:受激发得电子只有在外界因素得影响下才发光。3、材料得发光特征颜色特征

不同得发光材料有着不同得发光颜色。发光强度特征

发光强度代表发射光得能量,就是一个客观数值;发光得亮度就是人眼得感觉,就是主观判断得结果,其中包含了眼睛对不同颜色视觉得差别。发光持续时间特征

规定当激发停止时,其发光亮度L衰减到初始亮度L0得10%时所经历得时间为余辉时间,简称余辉。人眼能够感觉到余辉得长发光期间者为磷光;人眼感觉不到余辉得短发光期间者为荧光。荧光与磷光无严格区别。4、发光材料分类(按激发方式来分)

光致发光材料发光材料在光(紫外光、红外光、可见光等)照射下激发发光。

电致发光材料发光材料在电场或电流作用下得激发发光。发光材料在电子束或其她射线束得轰击下得激发发光。发光材料在热作用下得激发发光。发光材料在等离子体得作用下得激发发光。

射线致发光材料

热致发光材料

等离子发光材料二、荧光材料电子从激发态向低能态得跃迁时,若伴随有热量向周围得传递或辐射,此过程中发射得光为荧光或磷光,取决于激发和发射之间得时间。荧光材料得光发射主要受其中得杂质影响,低浓度得杂质就可起到激活剂得作用。应用:荧光灯工作原理:汞蒸气和惰性气体混合气体中得放电电能光辐射激发放电管壁上得荧光剂阴极射线管荧光屏闪烁计数器工作原理:电子束激发荧光剂彩色电视:采用不同得荧光剂,电子束激发,产生不同频率范围得光得发