材料光学性能unit4

1、4.1.基本概论1）光介质材料能使光产生折射、反射或透射效应，以改变光线的方向、强度和位相，使光 线按预定要求在材料中传播，简之，光介质材料就是传输光线的材料光功能材料：在电、声、磁、热、压力等外场作用下，材料的光学性能会发生变化，或者在 光的作用下其结构和性能会发生变化，如发光材料、激光材料、光导材料、磁光材料、非线 性光学材料等光波是一种波长很短的电磁波，由电场分量和磁场分量组成，两个分量彼此互相垂直并都垂 直于波的传播方向波动学说：c=1/（8 日 e =8.85x10 12 F/mR =4兀 x10 -7H/m%0000微粒学说：E=hv2）光和固体的相互作用甲0 0T A却R光辐射能

2、流率（单位为W/m2）:表示单位时间内通过单位面积的能量t + a +p = 1 t为透射率（wT/甲0）； a为吸收率（wA/甲0）； p为反射率（wR/甲0）3）光和原子、电子的相互作用固体材料中出现的光学现象是电磁辐射与固体材料中原子、离子或电子之间相互作用的结果。其中最重要的两种作用是电子极化和电子跃迁电子极化：随着电场分量方向的改变，诱导电子云和原子核的电荷中心发生相对位移电子跃迁：电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态跃迁到另一种能态的过程 4）金属对可见光是不透明的：肉眼看到的金属颜色不是由吸收光的波长决定的，而是由反 射光的波长决定的。非金属材料对于可见光可能是透明的，也可能不透

3、明。折射和色散折射：n= c/uv=1/ * 日n=1/. 日 0 0大多数材料是非磁性的或磁性很弱H广1n= 虬透明介质的折射率是和材料的相对介电常数有关。光和介质的相互作用主要就是介质中的电子在光波电场作用下作强迫振动。绝缘体：b -0 n-e 1/2a -0材料是透明的。r半导体：a =(1/e ,2)0 /2w0 存在吸收，不透明。金属材料：a = b /2w匕，对光有强烈的吸收，不透明，反射比接近1，光主要被表面反射，产生金属光泽。色散：折射率随波长改变的变化率dn/d入。色散的出现是由于不同波长的光经过介质时具有 不同的速度，从而产生不同角度的折射而引起折射率是随波长减小(或频率增

4、大)而增大，称正常色散当共振发生时，折射率随波长变短而减小，称异常色散大多数透明材料的色散是正常色散，即波长减小，折射率n是增大的原子或离子愈大，则电子极化程度愈高，光速就愈慢，从而折射率愈高结构宽敞的高温态比结构紧密的低温态的折射率要小对非等轴晶系，折射率是各向异性的，要产生双折射现象，即通过这类晶体观察目标物时会 发现两个象。平行这个分子的偏振光波的传播速度比垂直于该分子的偏振光波的传播速度，曼这就是造成 双折射的原因对于层状结构的晶体，沿原子较紧密堆积层面内的光波速度，都比其它方向小，特别是垂直 于层面的光波速度最大 在链状晶体中，最大的折射率依然出现在结构质点最紧密堆积的链上，双折射率

5、也较大反射和散射p =IR/I （IR、I0分别为反射光和入射光的强度）固体材料的折射率nr愈高，反射率p也愈大常利用光的干涉方法在光学玻璃表面涂上一层四分之一光波波长的光学厚度（膜折射率1与 膜厚h的乘积nh）的介质膜，介质膜的折射率取在两相邻介质折射率之间，这种介质膜叫作 增透膜或减反射膜与减反射膜相反，如果在玻璃表面敷上一层折射率足够高的材料，则该玻璃表面的反射率将 大大增高大部分金属在阳光下表现为银白色，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，结果表面会发生向各个方向的漫反射。漫反射导致反射面 增加，反射增强，透射下降，且使透射光杂乱无章，无法成象表面光泽是和表面的

6、镜面反射和漫反射的相对量有关，归根结底是由折射率和表面光滑度决 定的若透明介质中分散有折射率不同的细小的第二相介质，光线在介质内部传播时会发生多次反 射和折射，而且反射面（或折射面）杂乱无章取向，使得光线偏离原来行进的方向而向各个 方向传播，致使透射光线变得十分弥散，这种现象叫散射当第二相介质尺寸小于光波长时，产生散射的原因是瑞利散射（Rayleigh scattering）， 散射光只有相位的变化而无频率或能量的变化，属于弹性散射散射光强度与光波波长的四次方成反比当第二相介质尺寸和光波波长差不多或更大一点时，则不遵守上述规律。散射的本质则是光 线在两相介质界面上的漫反射和漫透射，散射光的强度

7、和波长的关系不大，这类散射称为廷 德尔散射（Tyndall scattering）I/I0=exp（-sx）【0为入射光原始强度，I为光束在材料中传播乂距离后的剩余光强度，s为 散射系数，也叫混浊系数S随d变化有极值，当d=A时，S最大光与微粒作用，除了前面所介绍的不存在能量损失的弹性散射外，还可能伴随光子与粒子间 能量交换，结果使得散射的光子具有不同于入射光子的波长和相位，这类散射叫非弹性散射 拉曼效应（Raman effect）和康普顿效应（Compton effect）等即属于非弹性散射的例子有很多本来透明的材料可制成半透明或不透明的，其原理是设法使光线在材料内部发生多次 反射和折射（包

8、括漫反射），致使透射光线变得十分弥散，当散射作用非常强烈，以至几乎 没有光线透过时，材料看起来就不透明了乳浊釉就是利用散射效应，使光泽到达坯体前就被全部漫反射掉（呈乳白性）乳浊釉的制备 是在釉中加入乳浊剂，主要的乳浊剂有：TiO2、SnO2、ZnS、Zr化合物等乳浊剂必须具备两条件：1）在玻璃中有较低的溶解度2）相对玻璃有尽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，为了达到半透明性，不要求最大的散射，但要求内 部散射光产生的漫透射要最大，吸收要最小。这就要求分散颗粒和介质有相近的折射率吸收与颜色透过率：T=I/I0=exp(-al) a为比例系数，也叫线形吸收系数 金属在费米能级

9、以上存在许多空能级，从紫外到长波的各种不同频率的光都被金属强烈吸 收。因此，金属对光不透明，光亦无法在其中传播非金属材料对可见光可能是透明的，也可能是不透明的：非金属材料对J因电子极化而吸收光子可见光的吸收j电子受激吸收光子而越过禁带有三种机理电子受激进入杂质或缺陷能级、或电子由杂质能级激发进入导带而吸收光 禁带宽度越小，透明度越高禁带宽度较宽时，机理有：禁带中杂质能级电子吸收光子后激发进入导带电子从导带弛豫到杂质能级及从杂质能级回到基态时发射出两个光子电子从导带弛豫到杂质能级时发射声子，继续从杂质能级回到基态时发射出光子当它的前表面受到辐射能流率为W 0的入射光垂直照射时，则从其后表面透射出

10、来的辐射能流率为：WT =甲0( 1 p 2)exp(-al)有些透明材料之所以带颜色，是因为它选择性地吸收了特定波长范围的光波。所带的颜色取 决于透射光中的光波分布其它光学现象、光学材料及其应用固体发光：固体材料吸收外界能量后发射出可见光或近可见光的现象。固体发射光有两种方 式：热光和冷光1）热辐射在一定温度下，处在较高能量状态的电子，跃迁到较低的能量状态时就发射出光子光的辐射是物体中电子从高能态往低能态的跃迁产生的热光：也叫热辐射，是将物体加热到一定温度而发光2）冷光发射发光就是物体把吸收的激发能转化为光辐射的过程。发光只是在少数中心进行，不会影响物 体的温度，也不需要加热物体，因此此类发

11、光被看作“冷光”热辐射与发光（冷光）的本质区别：前者需要加热物体，而且物体内所有的原子或分子的能 量都得到提高；后者在激发时，只是物体中的个别中心从外界得到能量，被激发到高能态， 周围大量的中心仍处于未被激发的状态发光体吸收能量（激发过程）的来源：物理能、机械能、化学能、生物能，相应的有物理发 光、机械发光、化学发光及生物发光3）光致发光：用光激发材料引起的发光光致发光包括两个过程：激发过程和光子发射过程4）发光材料对于纯材料只有半导体才能制成发光材料发光材料由基质和激活剂组成光电效应：光照射到某些材料上，引起材料的电性质发生变化的现象。光电效应一般分为外 光电效应和内光电效应外光电效应：由于光照射固体而从表面逐出电子的现象，也称光电发射效应，发射的电子称 为光电子内光电效应：物体被光照射并不向外发射电子，但发生电导率的变化或产生电动势的现象。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应光电导效应：利用光子能量将电子从价带提升到导带增加电导率光生伏特效应：半导体受光照射产生电动势的现象激光：是在外来光子的微扰下诱发电子能态的转变，从而发射出与外来光子的