材料光學(xué)性能unit4

1、4.1.基本概論1）光介質(zhì)材料能使光產(chǎn)生折射、反射或透射效應(yīng)，以改變光線的方向、強(qiáng)度和位相，使光 線按預(yù)定要求在材料中傳播，簡(jiǎn)之，光介質(zhì)材料就是傳輸光線的材料光功能材料：在電、聲、磁、熱、壓力等外場(chǎng)作用下，材料的光學(xué)性能會(huì)發(fā)生變化，或者在 光的作用下其結(jié)構(gòu)和性能會(huì)發(fā)生變化，如發(fā)光材料、激光材料、光導(dǎo)材料、磁光材料、非線 性光學(xué)材料等光波是一種波長(zhǎng)很短的電磁波，由電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量組成，兩個(gè)分量彼此互相垂直并都垂 直于波的傳播方向波動(dòng)學(xué)說(shuō)：c=1/（8 日 e =8.85x10 12 F/mR =4兀 x10 -7H/m%0000微粒學(xué)說(shuō)：E=hv2）光和固體的相互作用甲0 0T A卻R光輻射能

2、流率（單位為W/m2）:表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的能量t + a +p = 1 t為透射率（wT/甲0）； a為吸收率（wA/甲0）； p為反射率（wR/甲0）3）光和原子、電子的相互作用固體材料中出現(xiàn)的光學(xué)現(xiàn)象是電磁輻射與固體材料中原子、離子或電子之間相互作用的結(jié)果。其中最重要的兩種作用是電子極化和電子躍遷電子極化：隨著電場(chǎng)分量方向的改變，誘導(dǎo)電子云和原子核的電荷中心發(fā)生相對(duì)位移電子躍遷：電磁波的吸收和發(fā)射包含電子從一種能態(tài)躍遷到另一種能態(tài)的過(guò)程 4）金屬對(duì)可見(jiàn)光是不透明的：肉眼看到的金屬顏色不是由吸收光的波長(zhǎng)決定的，而是由反 射光的波長(zhǎng)決定的。非金屬材料對(duì)于可見(jiàn)光可能是透明的，也可能不透

3、明。折射和色散折射：n= c/uv=1/ * 日n=1/. 日 0 0大多數(shù)材料是非磁性的或磁性很弱H廣1n= 虬透明介質(zhì)的折射率是和材料的相對(duì)介電常數(shù)有關(guān)。光和介質(zhì)的相互作用主要就是介質(zhì)中的電子在光波電場(chǎng)作用下作強(qiáng)迫振動(dòng)。絕緣體：b -0 n-e 1/2a -0材料是透明的。r半導(dǎo)體：a =(1/e ,2)0 /2w0 存在吸收，不透明。金屬材料：a = b /2w匕，對(duì)光有強(qiáng)烈的吸收，不透明，反射比接近1，光主要被表面反射，產(chǎn)生金屬光澤。色散：折射率隨波長(zhǎng)改變的變化率dn/d入。色散的出現(xiàn)是由于不同波長(zhǎng)的光經(jīng)過(guò)介質(zhì)時(shí)具有 不同的速度，從而產(chǎn)生不同角度的折射而引起折射率是隨波長(zhǎng)減小(或頻率增

4、大)而增大，稱(chēng)正常色散當(dāng)共振發(fā)生時(shí)，折射率隨波長(zhǎng)變短而減小，稱(chēng)異常色散大多數(shù)透明材料的色散是正常色散，即波長(zhǎng)減小，折射率n是增大的原子或離子愈大，則電子極化程度愈高，光速就愈慢，從而折射率愈高結(jié)構(gòu)寬敞的高溫態(tài)比結(jié)構(gòu)緊密的低溫態(tài)的折射率要小對(duì)非等軸晶系，折射率是各向異性的，要產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，即通過(guò)這類(lèi)晶體觀察目標(biāo)物時(shí)會(huì) 發(fā)現(xiàn)兩個(gè)象。平行這個(gè)分子的偏振光波的傳播速度比垂直于該分子的偏振光波的傳播速度，曼這就是造成 雙折射的原因?qū)τ趯訝罱Y(jié)構(gòu)的晶體，沿原子較緊密堆積層面內(nèi)的光波速度，都比其它方向小，特別是垂直 于層面的光波速度最大 在鏈狀晶體中，最大的折射率依然出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)最緊密堆積的鏈上，雙折射率

5、也較大反射和散射p =IR/I （IR、I0分別為反射光和入射光的強(qiáng)度）固體材料的折射率nr愈高，反射率p也愈大常利用光的干涉方法在光學(xué)玻璃表面涂上一層四分之一光波波長(zhǎng)的光學(xué)厚度（膜折射率1與 膜厚h的乘積nh）的介質(zhì)膜，介質(zhì)膜的折射率取在兩相鄰介質(zhì)折射率之間，這種介質(zhì)膜叫作 增透膜或減反射膜與減反射膜相反，如果在玻璃表面敷上一層折射率足夠高的材料，則該玻璃表面的反射率將 大大增高大部分金屬在陽(yáng)光下表現(xiàn)為銀白色，表明入射光基本上都被其反射了。陶瓷材料，界面不是完全光滑的，結(jié)果表面會(huì)發(fā)生向各個(gè)方向的漫反射。漫反射導(dǎo)致反射面 增加，反射增強(qiáng)，透射下降，且使透射光雜亂無(wú)章，無(wú)法成象表面光澤是和表面的

6、鏡面反射和漫反射的相對(duì)量有關(guān)，歸根結(jié)底是由折射率和表面光滑度決 定的若透明介質(zhì)中分散有折射率不同的細(xì)小的第二相介質(zhì)，光線在介質(zhì)內(nèi)部傳播時(shí)會(huì)發(fā)生多次反 射和折射，而且反射面（或折射面）雜亂無(wú)章取向，使得光線偏離原來(lái)行進(jìn)的方向而向各個(gè) 方向傳播，致使透射光線變得十分彌散，這種現(xiàn)象叫散射當(dāng)?shù)诙嘟橘|(zhì)尺寸小于光波長(zhǎng)時(shí)，產(chǎn)生散射的原因是瑞利散射（Rayleigh scattering）， 散射光只有相位的變化而無(wú)頻率或能量的變化，屬于彈性散射散射光強(qiáng)度與光波波長(zhǎng)的四次方成反比當(dāng)?shù)诙嘟橘|(zhì)尺寸和光波波長(zhǎng)差不多或更大一點(diǎn)時(shí)，則不遵守上述規(guī)律。散射的本質(zhì)則是光 線在兩相介質(zhì)界面上的漫反射和漫透射，散射光的強(qiáng)度

7、和波長(zhǎng)的關(guān)系不大，這類(lèi)散射稱(chēng)為廷 德?tīng)柹⑸洌═yndall scattering）I/I0=exp（-sx）【0為入射光原始強(qiáng)度，I為光束在材料中傳播乂距離后的剩余光強(qiáng)度，s為 散射系數(shù)，也叫混濁系數(shù)S隨d變化有極值，當(dāng)d=A時(shí)，S最大光與微粒作用，除了前面所介紹的不存在能量損失的彈性散射外，還可能伴隨光子與粒子間 能量交換，結(jié)果使得散射的光子具有不同于入射光子的波長(zhǎng)和相位，這類(lèi)散射叫非彈性散射 拉曼效應(yīng)（Raman effect）和康普頓效應(yīng)（Compton effect）等即屬于非彈性散射的例子有很多本來(lái)透明的材料可制成半透明或不透明的，其原理是設(shè)法使光線在材料內(nèi)部發(fā)生多次 反射和折射（包

8、括漫反射），致使透射光線變得十分彌散，當(dāng)散射作用非常強(qiáng)烈，以至幾乎 沒(méi)有光線透過(guò)時(shí)，材料看起來(lái)就不透明了乳濁釉就是利用散射效應(yīng)，使光澤到達(dá)坯體前就被全部漫反射掉（呈乳白性）乳濁釉的制備 是在釉中加入乳濁劑，主要的乳濁劑有：TiO2、SnO2、ZnS、Zr化合物等乳濁劑必須具備兩條件：1）在玻璃中有較低的溶解度2）相對(duì)玻璃有盡可能高或低的折射率 半透明性：半透明性和乳白性要求不同，為了達(dá)到半透明性，不要求最大的散射，但要求內(nèi) 部散射光產(chǎn)生的漫透射要最大，吸收要最小。這就要求分散顆粒和介質(zhì)有相近的折射率吸收與顏色透過(guò)率：T=I/I0=exp(-al) a為比例系數(shù)，也叫線形吸收系數(shù) 金屬在費(fèi)米能級(jí)

9、以上存在許多空能級(jí)，從紫外到長(zhǎng)波的各種不同頻率的光都被金屬?gòu)?qiáng)烈吸 收。因此，金屬對(duì)光不透明，光亦無(wú)法在其中傳播非金屬材料對(duì)可見(jiàn)光可能是透明的，也可能是不透明的：非金屬材料對(duì)J因電子極化而吸收光子可見(jiàn)光的吸收j電子受激吸收光子而越過(guò)禁帶有三種機(jī)理電子受激進(jìn)入雜質(zhì)或缺陷能級(jí)、或電子由雜質(zhì)能級(jí)激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶而吸收光 禁帶寬度越小，透明度越高禁帶寬度較寬時(shí)，機(jī)理有：禁帶中雜質(zhì)能級(jí)電子吸收光子后激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶電子從導(dǎo)帶弛豫到雜質(zhì)能級(jí)及從雜質(zhì)能級(jí)回到基態(tài)時(shí)發(fā)射出兩個(gè)光子電子從導(dǎo)帶弛豫到雜質(zhì)能級(jí)時(shí)發(fā)射聲子，繼續(xù)從雜質(zhì)能級(jí)回到基態(tài)時(shí)發(fā)射出光子當(dāng)它的前表面受到輻射能流率為W 0的入射光垂直照射時(shí)，則從其后表面透射出

10、來(lái)的輻射能流率為：WT =甲0( 1 p 2)exp(-al)有些透明材料之所以帶顏色，是因?yàn)樗x擇性地吸收了特定波長(zhǎng)范圍的光波。所帶的顏色取 決于透射光中的光波分布其它光學(xué)現(xiàn)象、光學(xué)材料及其應(yīng)用固體發(fā)光：固體材料吸收外界能量后發(fā)射出可見(jiàn)光或近可見(jiàn)光的現(xiàn)象。固體發(fā)射光有兩種方 式：熱光和冷光1）熱輻射在一定溫度下，處在較高能量狀態(tài)的電子，躍遷到較低的能量狀態(tài)時(shí)就發(fā)射出光子光的輻射是物體中電子從高能態(tài)往低能態(tài)的躍遷產(chǎn)生的熱光：也叫熱輻射，是將物體加熱到一定溫度而發(fā)光2）冷光發(fā)射發(fā)光就是物體把吸收的激發(fā)能轉(zhuǎn)化為光輻射的過(guò)程。發(fā)光只是在少數(shù)中心進(jìn)行，不會(huì)影響物 體的溫度，也不需要加熱物體，因此此類(lèi)發(fā)

11、光被看作“冷光”熱輻射與發(fā)光（冷光）的本質(zhì)區(qū)別：前者需要加熱物體，而且物體內(nèi)所有的原子或分子的能 量都得到提高；后者在激發(fā)時(shí)，只是物體中的個(gè)別中心從外界得到能量，被激發(fā)到高能態(tài)， 周?chē)罅康闹行娜蕴幱谖幢患ぐl(fā)的狀態(tài)發(fā)光體吸收能量（激發(fā)過(guò)程）的來(lái)源：物理能、機(jī)械能、化學(xué)能、生物能，相應(yīng)的有物理發(fā) 光、機(jī)械發(fā)光、化學(xué)發(fā)光及生物發(fā)光3）光致發(fā)光：用光激發(fā)材料引起的發(fā)光光致發(fā)光包括兩個(gè)過(guò)程：激發(fā)過(guò)程和光子發(fā)射過(guò)程4）發(fā)光材料對(duì)于純材料只有半導(dǎo)體才能制成發(fā)光材料發(fā)光材料由基質(zhì)和激活劑組成光電效應(yīng)：光照射到某些材料上，引起材料的電性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。光電效應(yīng)一般分為外 光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：由于光照射固體而從表面逐出電子的現(xiàn)象，也稱(chēng)光電發(fā)射效應(yīng)，發(fā)射的電子稱(chēng) 為光電子內(nèi)光電效應(yīng)：物體被光照射并不向外發(fā)射電子，但發(fā)生電導(dǎo)率的變化或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：利用光子能量將電子從價(jià)帶提升到導(dǎo)帶增加電導(dǎo)率光生伏特效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象激光：是在外來(lái)光子的微擾下誘發(fā)電子能態(tài)的轉(zhuǎn)變，從而發(fā)射出與外來(lái)光子的