材料物理性能 (第四章 材料的光學(xué)性能)課件

第四章材料的光學(xué)性能第一節(jié)光通過介質(zhì)的現(xiàn)象第二節(jié)材料的透光性第三節(jié)界面反射和光澤第四節(jié)不透明性（乳濁）和半透明性

第一節(jié)光通過介質(zhì)的現(xiàn)象

一、折射當(dāng)光從真空進(jìn)入較致密的材料時，其速度降低。光在真空和材料中的速度之比即為材料的折射率。如果光從材料1，通過界面?zhèn)魅氩牧?時，與界面法向所形成的入射角i1，折射角i2與兩種材料的折射率n1和n2有下述關(guān)系：

式中：和分別表示光在材料1及2中的傳播速度，為材料2相對于材料1的相對折射率。介質(zhì)的n總是大于1的正數(shù)，例如空氣，固體氧化物n=1.3~2.7，硅酸鹽玻璃。

對于無機(jī)材料電介質(zhì)，故當(dāng)離子半徑增大時，其ε增大，因而n也增大。因此，可以用大離子得到高n的材料，，用小離子得到低n的材料，如。

2．材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)

象非晶態(tài)和立方晶體這些各向同性材料，當(dāng)光通過時，光速不因傳播方向改變而變化，材料只有一個折射率，稱為均質(zhì)介質(zhì)。但是除立方晶體以外的其他晶型，都是非均質(zhì)介質(zhì)。光進(jìn)入非均質(zhì)介質(zhì)時，一般都要分為振動方向相互垂直、傳播速度不等的兩個波，它們分別構(gòu)成兩條折射光線，這個現(xiàn)象稱為雙折射。雙折射是非均質(zhì)晶體的特性，這類晶體的所有光學(xué)性能都和雙折射有關(guān)。上述兩條折射光線，平行于入射面的光線的折射率，稱為常光折射率n0，不論入射光的入射角如何變化，n0始終為一常數(shù)，因而常光折射率嚴(yán)格服從折射定律。另一條與之垂直的光線所構(gòu)成的折射率，則隨入射線方向的改變而變化，稱為非常光折射率ne，它不遵守折射定律，隨入射光的方向而變化。當(dāng)光沿晶體光軸方向入射時，只有n0存在，與光軸方向垂直入射時，ne達(dá)最大值，此值是材料的特性。表4.1各種玻璃和晶體的折射率

二、色散材料的折射率n隨入射光的頻率的減小（或波長的增加）而減小的性質(zhì)，稱為折射率的色散。色散=，幾種材料的色散見圖4.1和4.2。色散值可以直接由圖4.1確定。常用的色散系數(shù)為式中nD、nF和nC分別為以鈉的D譜線，氫的F譜線和C譜線（5893?、4861?和6563?）為光源，測得的拆射率。式中與A分別為反射波與入射波的振幅。把光波振動分為垂直于入射面的振動和平行于入射面的振動，F(xiàn)resnel推導(dǎo)出自然光在各方向振動的機(jī)會均等，可以認(rèn)為一半能量屬于同入射面平行的振動，另一半屬于同入射面垂直的振動，所以總的能量流之比為：當(dāng)角度很小時，即垂直入射因介質(zhì)2對于介質(zhì)1的相對折射率，故m——反射系數(shù)，根據(jù)能量守恒定律（1-m）稱為透射系數(shù)。由上式可知，在垂直入射的情況下，光在界面上的反射的多少取決于兩種介質(zhì)的相對折射率。

由于陶瓷，玻璃等材料的折射率較空氣大，所以反射損失嚴(yán)重。如果透鏡系統(tǒng)由許多塊玻璃組成，則反射損失更可觀，為了減少這種界面損失，常常采用折射率和玻璃相近的膠將它們粘起來，這樣，除了最外和最內(nèi)的表面是玻璃和空氣的相對折射率外，內(nèi)部各界面都是和膠的較小的相對折射率，從而大大減少界面的反射損失。第二節(jié)材料的透光性

一、介質(zhì)對光的吸收

1．吸收的一般規(guī)律設(shè)有一塊厚度為x的平板材料，如圖4.4，入射光的強(qiáng)度為I0，通過此材料后光強(qiáng)度為。選取其中一薄層，并認(rèn)為光通過此層的吸收損失正比于在此處的光強(qiáng)度I和薄層的厚度， 圖4.5所示在電磁波譜的可見光區(qū)，金屬和半導(dǎo)體的吸收系數(shù)都是很大的，但是電介質(zhì)材料，包括玻璃、陶瓷等無機(jī)材料的大部分在這個波譜區(qū)內(nèi)都有良好的透過性，即吸收系數(shù)很小。這是因?yàn)殡娊橘|(zhì)材料的價電子所處的能帶是填滿了的,它不能吸收光子而自由運(yùn)動，而光子的能量又不足以使電子躍遷到導(dǎo)帶，所以在一定的波長范圍內(nèi)，吸收系數(shù)很小。2．光吸收與光波長的關(guān)系 在紫外區(qū)出現(xiàn)紫外吸收端，當(dāng)光子能量達(dá)到禁帶寬度時，電子就會吸收光子能量從滿帶躍遷到導(dǎo)帶，此時吸收系數(shù)將驟然增大。此紫外吸收端相應(yīng)的波長可根據(jù)材料的禁帶寬度求得：式中，普朗克常數(shù)，C——光速。

二、介質(zhì)對光的散射光波遇到不均勻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次級波，與主波方向不一致，與主波合成出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，使光偏離原來的方向，從而引起散射。對于相分布均勻的材料，由于散射而光強(qiáng)度減弱的規(guī)律與吸收規(guī)律具有相同的形式：式中I0為光的原始強(qiáng)度，I—為光束通過厚度為x的試件后，由于散射在光前進(jìn)方向上的剩余強(qiáng)度，S—散射系數(shù)，與散射質(zhì)點(diǎn)的大小、數(shù)量以及散射質(zhì)點(diǎn)與基體的相對折射率等因素有關(guān)，見圖4.6。其單位為。當(dāng)光的波長約等于散射質(zhì)點(diǎn)的直徑時，出現(xiàn)散射的峰值。如果將吸收定律與散射規(guī)律的式子統(tǒng)一起來，則:從圖4.6中可以看出，曲線由左右兩條不同形狀的曲線所組成，各自有著不同的規(guī)律。當(dāng)時，則隨著d的增加，散射系數(shù)S也隨之增大；當(dāng)時，則隨著d的增加，s反而減小，當(dāng)時，s達(dá)最大值。故由上式可知，時，R越小，V越大，則S愈大，這符合實(shí)驗(yàn)規(guī)律。當(dāng)時，此時散射系數(shù)?？傊还茉谏鲜瞿姆N情況下，散射質(zhì)點(diǎn)的折射率與基體的折射率相差越大，將產(chǎn)生越嚴(yán)重的散射。

三、材料的透光性光通過厚度為x的透明陶瓷片時，各種光能的損失見圖4.7所示。強(qiáng)度為I0的光束垂直地入射到陶瓷左表面，由于陶瓷片與左側(cè)介質(zhì)之間存在相對折射，因而在表面上有反射損失①:

L①=透進(jìn)材料中的光強(qiáng)度為:這一部分光能穿過厚度為x的材料后，又消耗于吸收損失②和散射損失③。到達(dá)材料后表面時，光強(qiáng)度剩下。再經(jīng)過表面，一部分光能反射進(jìn)材料內(nèi)部，其數(shù)量為L④=另一部分傳至右側(cè)空間，其光強(qiáng)度為顯然才是真正的透光率。影響材料透過率的因素有：

1．吸收系數(shù)對于陶瓷、玻璃等電介質(zhì)材料，其吸收率或吸收系數(shù)α在可見光范圍內(nèi)是比較低的，見圖4.4所示。

2．反射系數(shù)材料對周圍環(huán)境的相對折射率大，反射損失也大。

3．散射系數(shù)這一因素最影響陶瓷材料的透光率。①材料宏觀及顯微缺陷②晶粒排列方向③氣孔引起的散射損失

四、提高材料透光性的措施

1．提高原材料純度

2．摻加外加劑目的是降低材料的氣孔率，氣孔由于相對折射率的關(guān)系，其影響程度遠(yuǎn)大于雜質(zhì)等其它結(jié)構(gòu)因素。

3．工藝措施采取熱壓法比普通燒結(jié)法更便于排除氣孔，因而是獲得透明陶瓷較為有效的工藝，熱等靜壓法效果更好。

第三節(jié)界面反射和光澤一、鏡反射和漫反射當(dāng)光的反射是指材料表面光潔度非常高的情況下的反射，反射光線具有明確的方向性，一般稱之為鏡反射。陶瓷中大多數(shù)表面并不是十分光滑的，因此當(dāng)光照射到粗糙不平的材料表面上時，發(fā)生相當(dāng)?shù)穆瓷?，其原因是材料表面粗糙，在局部地方的入射角參差不一，反射光的方向也各式各樣。材料表面愈粗糙，鏡反射所占的能量分?jǐn)?shù)愈小。如圖4.8二、光澤要對光澤下個精確定義是很困難的，但它與鏡反射和漫反射的相對含量密切相關(guān)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)表面光澤與鏡反射光帶的寬度和它的強(qiáng)度有密切關(guān)系。這些因素主要由折射率和表面光潔度決定。為了獲得高的表面光澤，需要材料表面形成完整的光滑表面。為了減少表面光澤，可以采取低折射率的玻璃相或增加表面粗糙度，例如采用研磨或噴砂的方法，表面化學(xué)腐蝕的方法以及由懸浮液或氣相沉淀一層細(xì)粒材料的方法產(chǎn)生粗糙表面。

第四節(jié)不透明性（乳濁）和半透明性

一、不透明性圖4.9所示為釉和玻璃板中小顆粒散射的總效果圖。影響該效果的光學(xué)特性有：a．鏡反射光的分?jǐn)?shù)（它決定光澤）；b．直接透射光的分?jǐn)?shù)；c．入射光漫反射的分?jǐn)?shù)；d．入射光漫透射的分?jǐn)?shù)。要獲得高度乳濁（不透明性），就要求光在達(dá)到具有不同光學(xué)特性底層之前被漫反射掉。為了有高的半透明性，光應(yīng)該被散射掉。決定總散射系數(shù)從而影響兩相系統(tǒng)乳濁度的主要因素有：顆粒尺寸，相對折射率以及第二相顆粒的體積含量。

二、乳濁劑的成分和常用乳濁劑構(gòu)成釉的主要成分的硅酸鹽玻璃，其。作為一種有效的散射劑，加進(jìn)玻璃內(nèi)的乳濁劑必須滿足以下條件：a．具有與玻璃顯著不同的折射率；b．能夠在玻璃基體中形成小顆粒。

因此，滿足以上條件的最有效的乳濁劑有TiO2、ZrO2和SnO2。TiO2的n雖很高，但在釉和玻璃中都沒有用作乳濁劑，這是由于高溫，特別是在還原氣氛下，會使釉著色。SnO2是另一種優(yōu)質(zhì)乳濁劑，其特點(diǎn)是燒成時，如遇還原氣氛，還原成SnO而溶于釉中，乳濁效果消失，并且資源稀少、價格昂貴。ZrO2或ZrSiO4不僅乳濁效果穩(wěn)定，不受氣氛影響，而且ZrSiO4易得且價格低。因此常用乳濁劑是天然鋯英石（ZrSiO4）。三、乳濁機(jī)理入射光被反射、吸收和透射所占的分?jǐn)?shù)取決于釉層的厚度、釉的散射和吸收特性。對于無限厚的釉層，其反射率m∞等于釉層的總反射（入射光被漫反射和鏡面反射）的分?jǐn)?shù)。m∞取決于吸收系數(shù)和散射系數(shù)之比:但是實(shí)際上釉層厚度是有限的，釉層底部與基底材料的界面，也會有反射上來的光線增加到總反射率中去。下面分兩種情況分析：（1）設(shè)釉層與底材之間的反射率m=0（底材為一種完全吸收或完全透過入射光的材料），則釉層表面的反射為m0；（2）與反射率為的底材相接觸的釉層的表面光反射率，釉層的覆蓋能力和m0與的比值有關(guān)，稱為對比度或乳濁能力。

取基底的反射率

=0.80比較方便，即上式變?yōu)槭街惺侵富追瓷渎蕿?.80時，釉層表面的反射率。用高反射率、厚釉層和高的散射系數(shù)，可以得到良好的乳濁效果。

四、半透明性乳白玻璃和半透明瓷器及釉的一個重要光學(xué)性質(zhì)是半透明性，即除了由玻璃內(nèi)部散射所引起的漫反射以外，入射光中漫透射的分?jǐn)?shù)對于材料的半透明性起著決定作用。對于乳白玻璃最好是具有明顯的散射而吸收最小，這樣就會有最大的漫透射。最好的方法是在這種玻璃中摻入和基質(zhì)材料的折射率相近的NaF和CaF2。單相氧化物陶瓷的半透明性是它的質(zhì)量標(biāo)志，在這類陶瓷中存在的氣孔往往具有固定的尺寸，因而半透明性幾乎只取決于氣孔的含量。例如，Al2O3陶瓷的折射率比較高，而氣相