材料的光學性能

1、第十一章 材料的光學性能,11.1 光通過介質(zhì)的現(xiàn)象 11.2 無機材料的透光性 11.3 界面反射與光澤 11.4 不透明性和半透明性 11.5 其它光學性能的應(yīng)用,光學性能的應(yīng)用,基礎(chǔ), ,取之不盡的能源 信息載體 生命之源,光,引 言,透光材料,激光材料,光纖材料（導光材料）,發(fā)光材料,光調(diào)制材料（電光、磁光、聲光材料）,光電材料,光信息材料,非線性光學材料,光學材料分類,光參量,光具有波粒二象性，既有波動性，又有粒子性。,照片底片感光、眼睛的視覺作用等都是由光波電場引起，所以用圖形表示光波時，通常略去磁場不畫，只畫電場。,波長（ ）：兩相鄰波峰或波谷間的距離，亦即在周期性波動的傳播方向

2、上具有相同相位的兩相鄰點之間的距離，即波的空間周期。,Einsten光電效應(yīng)方程：,頻率（）：每秒鐘電場完成振動周期的次數(shù)（Hz）。,相位：在一個轉(zhuǎn)動周期或一個波長范圍內(nèi)，各點位置的度量，它是綜合頻率、時間、波長、距離在內(nèi)的一個角度量。是描述振動和波動狀態(tài)的一個綜合性波參量。,振幅：光波中振動著的電場的最大值。光強的大小與振幅的平方成正比，因此振幅的大小決定著光的強弱。,線性光學性能,描述普通光學現(xiàn)象的重要公式表現(xiàn)出數(shù)學上的線性特點，即介質(zhì)的電極化強度P與入射光波的電場E成簡單的線性關(guān)系。,x為介質(zhì)的極化率，0位真空介電常數(shù)。,11.1 光通過介質(zhì)的現(xiàn)象,一、折射 二、色散 三、反射 四、介質(zhì)

3、對光的吸收 五、介質(zhì)對光的散射,一、折射,1. 概念,當光線依次通過不同的介質(zhì)時，光的行進方向會發(fā)生改變，稱為“折射”。 折射現(xiàn)象的實質(zhì)：介質(zhì)的密度不同，光通過時，傳播速度也不同。,2. 折射率,介質(zhì)對光的折射性質(zhì)用材料的“折射率”n表示。,光從真空進入介質(zhì)材料時，速度降低。光在真空和材料中的速度之比即為材料的絕對折射率。,（1）絕對折射率,介質(zhì)的折射率永遠為大于1的正數(shù)。,空氣：n=1.003 固體氧化物： n= 1.32.7 硅酸鹽玻璃： n= 1.51.9,材料2相對于材料1的相對折射率為：,（2）相對折射率,2. 影響因素,（1）構(gòu)成材料元素的離子半徑,根據(jù)Maxwell電磁理論，光在

4、介質(zhì)中的傳播速度為：,對于無機材料：,c：真空中的光速； ：介質(zhì)的介電常數(shù)； ：介質(zhì)的導磁率。,介質(zhì)的折射率隨其介電常數(shù)的增大而增大。,折射率與介質(zhì)的極化現(xiàn)象有關(guān)。,介電常數(shù),外加電場作用下，介質(zhì)中的正電荷沿著電場方向移動，負電荷沿著反電場方向移動，這樣正負電荷的中心發(fā)生相對位移，這種現(xiàn)象就是介質(zhì)的極化。外加電場越強，正負電荷中心的距離越大。,介質(zhì)的離子半徑增大時，其增大，因而n也隨之增大。,大離子得到高折射率材料：PbS n=3.912 小離子得到低折射率材料： SiCl4 n=1.412,（2）材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)（離子的排列）,光學均質(zhì)介質(zhì)：非晶態(tài)（無定型體）、等軸系晶體（各向同性）

5、,光學非均質(zhì)介質(zhì)：等軸系晶體外的其它晶體材料,光通過時，光速不會因傳播方向的改變而變化，材料只有一個折射率,光通過時，一般都要分為振動方向相互垂直、傳播速度不等的兩個波，構(gòu)成兩條折射線，這種現(xiàn)象稱為雙折射。,晶體中沿密堆積方向上具有最高的折射率。,是非均質(zhì)晶體的特性，是材料各向異性的表現(xiàn)。,雙折射：當一束單色自然光在各向異性晶體的界面折射 時，一般產(chǎn)生兩束折射光（均為線偏振光）。,尋常光(o光),非常光(e光),尋常光：平行于入射面的光線的折射率n0不隨入射角的變化而變化，始終為一常數(shù)，服從折射定律。 非常光：與尋常光垂直的光線的折射率ne隨入射線方向的改變而變化,不服從折射定律。,不發(fā)生雙折

6、射的特殊方向稱為“光軸”，光沿光軸方向入射時，只有n0存在；與光軸方向垂直入射時，ne達到最大值。,（4）同質(zhì)異構(gòu)體,垂直于受拉主應(yīng)力方向的n大，平行于受拉主應(yīng)力方向的n小。對于壓應(yīng)力，具有相反的效果。,在同質(zhì)異構(gòu)材料中，高溫時的晶型折射率較低，低溫時存在的晶型折射率較高； 相同化學組成的玻璃比晶體的折射率低。 如：室溫下， 石英玻璃：n=1.46 石英晶體：n=1.55,（3）材料的內(nèi)應(yīng)力,二、色散,1. 概念,材料的折射率隨入射光頻率的減?。ɑ虿ㄩL的增加）而減小的性質(zhì)，稱為折射率的色散。,2. 色散系數(shù),nD，nF，nC分別為以鈉的D譜線、氫的F譜線和C譜線（5893， 4861， 656

7、3）為光源，測得的折射率,描述光學玻璃的色散還用平均色散（nF-nC）,實用的測量色散的方法是采用固定波長下的折射率來測量，描述材料色散的光學參量最常用的數(shù)值是倒數(shù)相對色散，即色散系數(shù)。,在自然光的透過下，在像的周圍環(huán)繞一圈色帶，克服的辦法是用不同牌號的光學玻璃，分別磨成凸、凹透鏡組成復合鏡頭，可消除色差，這種鏡頭就是消色差鏡頭。,3. 討論,由于光學玻璃一般都或多或少具有色散現(xiàn)象，因而使用這種材料制成的單片透鏡，成像不夠清晰，,三、反射,1. 反射系數(shù),反射系數(shù)m：,W，W，W分別為單位間內(nèi)通過單位面積的入射光、反射光和折射光的能量流。,W=W+ W,透射系數(shù)1-m：,根據(jù)波動理論：,S、v

8、分別為光束的橫截面積和傳播速度 A為振幅,反射波的傳播速度與橫截面積與入射波相同,Fresnel推導：,角度很小，即垂直入射時：,介質(zhì)2相對于介質(zhì)1的折射率：,反射系數(shù)m與折射率n有關(guān)，若介質(zhì)2對于介質(zhì)1的相對折射率為n21，當角度很小，即垂直入射時，則有：,2. 討論,垂直入射條件下，界面反射的多少，取決于相對折射率n21； 介質(zhì)1為空氣，可以認為n1=1，于是n21= n2； n1和n2相差很大，界面反射損失嚴重； 若n1=n2，則m=0，垂直入射時幾乎沒有反射損失； 光通過的界面越多，界面反射就越嚴重。光連續(xù)透過x塊反射率為m的介質(zhì)時，透過部分為(1-m)2x。,例：玻璃的折射率n=1.

9、5 光的反射損失： 透過部分為：1-m=1-0.04=0. 96 透射光從另一界面射入空氣，透過兩個界面，透過部分為： (1-m)2=0.962=0.9216 連續(xù)透過x塊平板玻璃，透過部分為：(1-m)2x,陶瓷和玻璃等材料的折射率比空氣大，所以光從空氣進入這些材料時，反射損失嚴重。,由多塊玻璃組成的透鏡系統(tǒng)，常常用折射率和玻璃相近的膠粘起來，這樣除了最外和最內(nèi)的兩個表面是玻璃和空氣的相對折射率外，內(nèi)部各界面均是玻璃和膠的較小的相對折射率，從而大大減少了界面的反射損失。,3. 全反射,光線從光密介質(zhì)（玻璃）進入光疏介質(zhì)（空氣）中時，折射角2大于入射角1 。當1 為某值時，2可達到90，這時光

10、線平行于表面?zhèn)鞑ァ?1 繼續(xù)增大時，光線就會全部向內(nèi)反射回光密介質(zhì)內(nèi)，這種現(xiàn)象稱為全反射。,光纖通訊,四、介質(zhì)對光的吸收,1. 光吸收的一般規(guī)律,光作為一種能量流，在穿過介質(zhì)時，其能量的衰減現(xiàn)象，稱為光的吸收。,厚度為x的平板材料，入射光的強度為I0，通過該材料后光強度為I，則通過材料薄層的吸收損失-dI正比于該處的光強I和薄層的厚度dx。,能量衰減,使介質(zhì)的價電子躍遷 使介質(zhì)的原子振動 價電子激發(fā)發(fā)出光子熱能,（朗伯特定律） (Lambert),光強度隨穿過介質(zhì)厚度的變化符合指數(shù)衰減規(guī)律。,：物質(zhì)對光的吸收系數(shù)，單位為cm-1。K為吸收率。 取決于材料的性質(zhì)和光的波長。越大，材料越厚，光就被

11、吸收的越多，透過后的光強度就越小。,不同材料， 差別很大。 空氣： 10-5cm-1 玻璃： 10-2cm-1 金屬： 為幾萬幾十萬，所以金屬實際上時不透明的。,由于吸收引起的光剩余強度為：,2. 光吸收與波長的關(guān)系,(1)選擇性吸收,材料對某一波段的光具有強烈的吸收作用，而對其它波段的光吸收較弱或不吸收，這種現(xiàn)象稱為選擇性吸收。 嚴格說一切介質(zhì)都是選擇性吸收介質(zhì)。,透明材料在可見光譜內(nèi)的選擇性吸收使其呈現(xiàn)不同的顏色。,由于反射和吸收引起的光剩余強度為：,反射系數(shù),(2)均勻吸收,在可見光范圍內(nèi)，介質(zhì)對各種波長的光的吸收程度相同，這種現(xiàn)象稱為均勻吸收。,均勻吸收情況下，隨著吸收程度的增加，顏色

12、從灰變到黑。,光波在材料中遇到光學性能不均勻的結(jié)構(gòu)，如含有小粒子的透明介質(zhì)、光性能不同的晶界相、氣孔或其它夾雜物，都會引起一部分光束被散射，使光束強度降低。 本質(zhì)：光波遇到不均勻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次級波，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，引起散射。,S：散射系數(shù)單為為cm-1。,相均勻分布的材料，由于散射引起的光強減弱規(guī)律與吸收規(guī)律形式相同：,1. 光散射的一般規(guī)律,五、介質(zhì)對光的散射,由于吸收和散射引起的光剩余強度為：,由于反射、吸收和散射引起的光剩余強度為：,I0：光的原始強度； I：透過厚度為x的材料后，由于散射引起的剩余強度。,（1）質(zhì)點大小,d 時， S 最大。 d

13、 時， d ，S ;,散射質(zhì)點的體積分數(shù)不變：,2. 影響因素,散射系數(shù)與散射質(zhì)點的大小、數(shù)量以及其與基體的相對折射率等因素有關(guān)。,當光的波長約等于散射質(zhì)點的直徑時，出現(xiàn)散射的峰值。,反射、折射引起的總體散射起主導作用。 散射系數(shù)正比于散射質(zhì)點的投影面積。,d 時，,N：單位體積內(nèi)的散射質(zhì)點數(shù)； R：散射質(zhì)點的平均半徑； K：散射因素，取決于基體與質(zhì)點的相對折射率； V：散射質(zhì)點的體積含量。,d 時，R越小，V越大，S越大。,可近似采用瑞利（Rayleigh）散射來處理：,主要為米氏（Mie）散射，散射效果主要與粒子橫截面積成比例。,d 或d,從吸收損失考慮，在使用光的波段范圍內(nèi)，要求基體和雜

14、質(zhì)的吸收系數(shù)不能出現(xiàn)峰值。,少量MgO +Y2O3、 La2O3,應(yīng)用舉例：,Al2O3,少量MgO,新生晶粒表面形成MgOAl2O3尖晶石,細化晶粒，改善力學性能,降低氣孔率，提高透光性,Al2O3,氧化物溶于尖晶石中形成固溶體,半徑大的離子置換半徑小的離子，使尖晶石的折射率提高，接近于基體Al2O3的折射率，減少了界面反射和散射。,進一步提高Al2O3陶瓷的透光率：,離子半徑分別為0.65，0.93，1.15,工藝措施,降低氣孔率，使晶粒定向排列,熱壓燒結(jié) 熱等靜壓燒結(jié) 熱鍛法,有利于排除氣孔,使晶粒定向排列,4.3 界面反射與光澤,一、鏡反射和漫反射 二、光澤 三、顏色,一、鏡反射和漫反

15、射,（1）鏡反射,材料表面光潔度非常高時，反射光線具有明確的方向性，稱為鏡反射。,具有鏡反射現(xiàn)象的物體只能在反射光線方向才能看見。,光的反射使人們能看到自身不發(fā)光物體的存在。,材料表面粗糙不平時，局部的入射角參差不一，反射光的方向也各式各樣，稱為漫反射。,材料表面越粗糙，鏡反射所占的能量分數(shù)越小。,漫反射使人們在各個方向都能看到物體。,（2）漫反射,光反射應(yīng)用舉例：,雕花玻璃器皿：高折射率，高反射率，裝飾效果好。,寶石：強折射、高反射，耀眼。,通訊用光導纖維：光束總的內(nèi)反射高。,高折射高反射,高折射低反射,“不可見”窗戶：涂層玻璃,光澤：與鏡反射和漫反射的相對含量密切相關(guān)。表面光澤與反射影像的

16、清晰度和完整性，即與鏡反射光帶的寬度和它的強度有密切的關(guān)系。其因素主要由折射率和表面光潔度決定。,二、光澤,提高表面光澤,提高表面光潔度,增加表面粗糙度,減小表面光澤,三、顏色,由于光吸收的選擇性，導致物體吸收一定波長范圍的光，而反射或透射其它波長范圍的光，從而使物體呈現(xiàn)出不同的顏色。,如：純銅吸收可見光譜的藍或紫端的光子，而反射較長波長的可見光，所以，純銅顯紅色。,光的顏色是人眼對具有不同頻率的光的視覺生理反應(yīng)的結(jié)果。眼睛對不同光的視覺靈敏度是隨著光的頻率（或波長），即光色的不同而變化的。,大家都戴著“有色眼鏡”哦！,4.4 不透明性和半透明性,一、不透明性和半透明性 二、乳濁劑的成分 三、

17、改善乳濁性能的工藝措施 四、半透明材料及改善措施,一、不透明性和半透明性,建筑衛(wèi)生陶瓷表面常常用釉覆蓋，搪瓷盆也用釉遮蓋。,遮蓋底層或坯體的不良顏色,釉：表面光澤好、不透明,半透明的乳白玻璃使光線非常柔和,為了提高不透明性和覆蓋能力，要求光在達到具有不同光學性能的底層前被漫反射掉。,影響不透明性和半透明性的光學特性包括：,鏡反射光的分數(shù)（決定光澤）； 入射光漫反射的分數(shù)； 直接透射光的分數(shù)； 入射光漫透射的分數(shù)。,半透明性：透射的光是擴散開的，大部分入射光應(yīng)該透射過去而不是被漫反射掉，也就是說入射光中漫透射的分數(shù)對于材料的半透明性起著決定性作用。,不透明性、半透明性取決于材料的反射和透射性能。

18、,決定乳濁度的主要因素是：,第二相的顆粒尺寸； 第二相的體積分數(shù)； 第二相與基體的相對折射率n21。,為了達到最大的散射效果，提高乳濁度，降低透明性：,乳濁劑顆粒不能與基體玻璃相發(fā)生反應(yīng)； 顆粒與基體的相對折射率n21要大； 顆粒的體積分數(shù)要高； 顆粒的尺寸與入射光波長相當。,為了達到不透明或半透明性能，方法就是在基質(zhì)中引入第二相粒子乳濁劑來實現(xiàn)。,反射系數(shù),散射系數(shù),二、乳濁劑的成分（不透明性）,構(gòu)成釉及搪瓷的主要成分（基體相）是硅酸鹽玻璃，折射率限定在1.491.65。,乳濁劑的折射率和基體玻璃相的折射率要相差很大，還必須能在玻璃基體中形成小顆粒，根據(jù)乳濁劑的來源，乳濁劑可分為：,惰性添加

19、物； 反映產(chǎn)生的惰性產(chǎn)物； 玻璃溶體中成核結(jié)晶產(chǎn)物。,折射率特別高，是非常有效地乳濁劑，廣泛用于要求高乳濁度的搪瓷釉中。但是沒有被用作釉和玻璃中。,TiO2,原因：高溫，特別是還原氣氛下，使釉著色。,搪瓷燒成溫度低不會出現(xiàn)變色。,SnO2,普遍用于釉和琺瑯的優(yōu)質(zhì)乳濁劑。 缺點：還原氣氛下，被還原成SnO，乳濁效果消失。 稀少，介格昂貴，應(yīng)用受到限制。,ZrSiO4（鋯英石）,優(yōu)點：乳濁效果穩(wěn)定，不受氣氛影響，成本低。,推廣使用效果好,常用的乳濁劑：,三、改善乳濁性能（不透明性）的工藝措施,釉和琺瑯的制作工藝：,配料,細磨成漿,施于坯體,煅燒,熔融淬冷，制成熔塊,四、半透明材料及改善措施,乳白玻

20、璃：明顯的散射，吸收最小，最大的漫透射。,在玻璃中摻入和基質(zhì)材料的折射率相近的NaF和CaF2，促進其它晶體（方石英）從熔體中析出。,單相氧化物陶瓷：半透明性是其質(zhì)量標志，半透明性幾乎只取決于氣孔的含量。對于含有小氣孔的高密度單相陶瓷，半透明度是衡量殘留氣孔率的一中敏感尺度，是瓷品一種良好的質(zhì)量標志。,工藝瓷（骨灰瓷和硬瓷）：半透明性是其主要的鑒定指標。,構(gòu)成相：玻璃（折射率接近1.5），莫來石（折射率1.64）和石英。其中莫來石對于散射和降低半透明性起著主要作用。增加玻璃含量，減少莫來石的量，可提高半透明性。,改善半透明性的措施,降低氣孔含量，使焙燒溫度足夠高； 調(diào)整各相的折射率，使之匹配較

21、好，以減少散射，增加漫透射。 液相（折射率1.56）+莫來石+石英=骨灰瓷,4.5 其它光學性能的應(yīng)用,一、發(fā)光材料 二、熒光材料 三、激光材料 四、電光與聲光材料 五、光通訊材料,一、發(fā)光材料,光的發(fā)射是物體中電子從高能態(tài)到低能態(tài)的躍遷產(chǎn)生的，物體要發(fā)光，首先就得使物體中的電子處于高能態(tài)。,1. 發(fā)光,白熾燈絲2000,光與熱相伴而行,爐火純青,要靠輻射有效地產(chǎn)生可見光，物體的溫度必須足夠高！,熱輻射決定于物體的溫度，是一種普遍存在的現(xiàn)象。,太陽表面5800,冷光,不需要提高物體的溫度，是物體在某種外界條件的刺激下偏離熱平衡狀態(tài)時由激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷所產(chǎn)生的輻射。是一種非平衡輻射。,以某種方

22、式將能量傳遞給物體使電子提升到一定高能態(tài)的過程，稱為激發(fā)過程。發(fā)光就是將所吸收的激發(fā)能轉(zhuǎn)化為光輻射的過程。,能量來源：物理能、機械能、化學能、生物能等; 相應(yīng)地有：物理發(fā)光、機械發(fā)光、化學發(fā)光、生物發(fā)光等。,2. 自發(fā)發(fā)光與受迫發(fā)光,自發(fā)發(fā)光：受激發(fā)的粒子（如電子），受粒子內(nèi)部電場作用從激發(fā)態(tài)A而回到基態(tài)G時的發(fā)光。 受迫發(fā)光：受激發(fā)的電子只有在外界因素的影響下才發(fā)光。,3. 材料的發(fā)光特征,顏色特征 不同的發(fā)光材料有著不同的發(fā)光顏色。 發(fā)光強度特征 發(fā)光強度代表發(fā)射光的能量，是一個客觀數(shù)值；發(fā)光的亮度是人眼的感覺，是主觀判斷的結(jié)果，其中包含了眼睛對不同顏色視覺的差別。,發(fā)光持續(xù)時間特征 規(guī)定

23、當激發(fā)停止時，其發(fā)光亮度L衰減到初始亮度L0的10%時所經(jīng)歷的時間為余輝時間，簡稱余輝。,人眼能夠感覺到余輝的長發(fā)光期間者為磷光； 人眼感覺不到余輝的短發(fā)光期間者為熒光。 熒光與磷光無嚴格區(qū)別。,4. 發(fā)光材料分類（按激發(fā)方式來分）,光致發(fā)光材料,發(fā)光材料在光（紫外光、紅外光、可見光等）照射下激發(fā)發(fā)光。,電致發(fā)光材料,發(fā)光材料在電場或電流作用下的激發(fā)發(fā)光。,發(fā)光材料在電子束或其它射線束的轟擊下的激發(fā)發(fā)光。,發(fā)光材料在熱作用下的激發(fā)發(fā)光。,發(fā)光材料在等離子體的作用下的激發(fā)發(fā)光。,射線致發(fā)光材料,熱致發(fā)光材料,等離子發(fā)光材料,二、熒光材料,電子從激發(fā)態(tài)向低能態(tài)的躍遷時，若伴隨有熱量向周圍的傳遞或輻

24、射，此過程中發(fā)射的光為熒光或磷光，取決于激發(fā)和發(fā)射之間的時間。,熒光材料的光發(fā)射主要受其中的雜質(zhì)影響，低濃度的雜質(zhì)就可起到激活劑的作用。,應(yīng)用：,熒光燈,工作原理：汞蒸氣和惰性氣體混合氣體中的放電電能光輻射,激發(fā)放電管壁上的熒光劑,陰極射線管,熒光屏,閃爍計數(shù)器,工作原理：電子束激發(fā)熒光劑,彩色電視：采用不同的熒光劑，電子束激發(fā)，產(chǎn)生不同頻率范圍的光的發(fā)射，這樣不同的顏色就形成彩色。對于這種電子掃描顯示屏幕，熒光劑的衰減時間是個重要的性能參數(shù)。,三、激光材料,激光材料由基質(zhì)和激活離子組成，基質(zhì)的作用主要是為激活離子（發(fā)光中心）提供一個合適的晶格場，使其產(chǎn)生受激發(fā)射。,基質(zhì)：氧化物及氟化物晶體 Al2O3、Y3Al5O15、YAlO3 BaF、SrF、YLiF,激活離子