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材料的光学性质 重庆科技学院 冶金与材料工程学院 授课对象 功能材料2012 1 2012 2 1 2019 12 29 可编辑 概述 材料对可见光的不同吸收和反射性能使世界五光十色 光学玻璃的应用光通信纤维玻璃钕玻璃光学塑料微波炉容器 2 2019 12 29 可编辑 光传播的基本理论 波粒二象性光子是同时具有微粒和波动两种属性的特殊物质 是光的双重本性的统一 在涉及光传播特性的场合 只要电磁波不是十分微弱 经典的电磁波理论还是完全正确的 当涉及光与物质相互作用并发生能量 动量交换的问题时 才必须把光当做具有确定能量和动量的粒子流来看待 光波和光子 3 2019 12 29 可编辑 2 光的电磁性光是一种电磁波 它是电磁场周期性振动的传播所形成的 在光波中 电场和磁场总是交织在一起的 变化着的电场周围会感生出变化的磁场 而变化着的磁场周围又会感生出另一个变化的电场 如此循环 电磁场就以波的形式朝着各个方向向外扩展 4 2019 12 29 可编辑 5 2019 12 29 可编辑 可见光 人眼能感受到的 其波长大约在390 770nm范围 对应的频率范围是7 7 1014 4 1 1015Hz 光波是一种横波 由于人的视觉 植物的光合作用 以及绝大多数测量光波的仪器对光的反应主要由光波中的电场所引起 磁场对介质的作用远比电场要弱 而且一旦得到电场强度就可以算出磁场强度 因此实际讨论中往往只考虑电场的作用 而将磁场忽略 所以电场强度矢量被直接作为 光矢量 6 2019 12 29 可编辑 基本公式 光波在不同介质中的传播速度不同 而光振动的频率不变 因此相同频率的光波在不同介质中可有不同的波长 如果不特别说明 通常使用的是真空中的波长值 7 2019 12 29 可编辑 电磁波在介质中的速度 8 2019 12 29 可编辑 光波的传播伴随着光能量的流动 在单位时间里流过垂直于传播方向的单位截面积的能量称为光波的能流密度 9 2019 12 29 可编辑 3 光的干涉和衍射 波动性 光的波动性主要表现在它有干涉和衍射及偏振等特性 所谓双光束干涉就是指两束光相遇以后 在光的叠加区 光强重新分布 出现明暗相间 稳定的干涉条纹 10 2019 12 29 可编辑 双光束干涉的条件 两束光的频率相同 振动方向一致并且有固定的位相关系 相干光 11 2019 12 29 可编辑 光的衍射 绕射 当光波传播遇到障碍物时 在一定程度上能绕过障碍物而进入几何阴影区 只有当光遇到的障碍物或狭缝的尺寸与其波长相比可以相比拟时 衍射现象才明显地表现出来 日常所见到的一般物体与光的波长相比都可称是巨大的障碍物 所以光波通常表现直线传播性质 12 2019 12 29 可编辑 4 光子的能量和动量最小的能量单元称为 光子 光子具有分立的动量 数值为 光照射到物体上就相当于一串光子打到物体表面 它们对物体会产生一定的压力 光压 13 2019 12 29 可编辑 光子的能量和动量虽小 却不能再分割 最微弱的光源至少发射一个光子 要么不发射 不能发射半个光子 即光子是不可分的 波动理论认为光强在球面上的均匀分布 在这里只能理解为球面上各个探测器接收到这个光子的概率相等 只有等这个光源发射了许多光子之后 球面上每个探测器积累接收到这个光子数才会相等 14 2019 12 29 可编辑 总之 光既可以看作光波又可以看作光子流 光子是电磁场能量和动量量子化的粒子 而电磁波是光子的概率波 光作为波的属性可以用频率和波长来描述 而作为光子的属性则可以用能量和动量来表征 15 2019 12 29 可编辑 光的反射和折射 反射定律和折射定律光波入射到两种媒质的分界面以后 如果不考虑吸收 散射等其他形式的能量损耗 则入射光的能量只在两种介质的界面上会发生反射和折射 能量重新分配 而总能量保持不变 16 2019 12 29 可编辑 基本规律 1 光在均匀介质中的直线传播定律 2 光通过两种介质的分界面时的反射定律和折射定律 3 光的独立传播定律和光路可逆性原理 17 2019 12 29 可编辑 入射角 反射角 折射角含义 18 2019 12 29 可编辑 反射定律 反射线与入射线位于同一平面 即入射面 内 并分别处在法线的两侧 反射角等于入射角 折射定律 折射线位于入射面内 并和入射线分别处在法线的两侧 对单色光而言 入射角的正弦和折射角的正弦之比是一个常数 19 2019 12 29 可编辑 20 2019 12 29 可编辑 两种材料的相对折射率与它们的绝对折射率之间的关系为 n21 n2 n1折射定律 n1sin 1 n2sin 2 21 2019 12 29 可编辑 光路可逆原理 当光线从第二介质中沿着原来的折射线从相反方向入射到界面并经过折射后 在第一介质中必定逆着原入射线的方向射出 同理 根据反射定律 若光线沿反射线从相反方向入射 经过界面反射后必定逆原入射线的方向射出 介质的折射率是大于1的正数 22 2019 12 29 可编辑 不同组成 不同结构的介质的折射率是不同的 影响n值的因素有下列四方面 构成材料元素的离子半径材料的结构 晶型和非晶态材料所受的内应力同质异构体 23 2019 12 29 可编辑 构成材料元素的离子半径 介质的折射率随介质的介电常数 的增大而增大 与介质的极化现象有关 当光的电磁辐射作用到介质上时 介质的原子受到外加电场的作用而极化 正电荷沿着电场方向移动 负电荷沿着反电场方向移动 这样正负电荷的中心发生相对位移 外电场越强 原子正负电荷中心居里愈大 由于电磁辐射和原子的电子体系的相互作用 光波被减速了 24 2019 12 29 可编辑 当介质材料的离子半径增大时 其 增大 因而n也随之增大 25 2019 12 29 可编辑 材料的结构 晶型和非晶态 折射率除与离子半径有关外 还与离子的排列密切相关 对于非晶态 无定型体 和立方晶体这些各向同性的材料 当光通过时 光速不因传播方向改变而变化 材料只有一个折射率 称之为均质介质 但是除立方晶体以外的其他晶型 都是非均质介质 光进入非均质介质时 一般都要分为振动方向相互垂直 传播速度不等的两个波 它们分别构成两条折射光线 这个现象称为双折射 双折射是非均质晶体的特性 这类晶体的所有光学性能都和双折射有关 26 2019 12 29 可编辑 平行于入射面的光线的折射率 称为常光折射率n0 常光折射率严格服从折射定律 与之垂直的光线所构成的折射率 则随入射线方向的改变而变化 称为非常光折射率ne 它不遵守折射定律 随入射光的方向而变化 当光沿晶体光轴入射时 只有n0存在 与光轴方向垂直入射时 ne达最大值 此值视为材料特性 27 2019 12 29 可编辑 材料所受的内应力 有内应力的透明材料 垂直于受拉主应力方向的n大 平行于受拉主应力方向的n小 28 2019 12 29 可编辑 同质异构体 在同质异构材料中 高温时的晶型折射率较低 低温时存在的晶型折射率较高 29 2019 12 29 可编辑 2 折射率与传播速度的关系材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢 两种介质相比 折射率较大者 光的传播速度较慢 称为光密介质 折射率较小者 光的传播速度较快 称为光疏介质 30 2019 12 29 可编辑 材料表现出一定的折射率 从本质上讲 反映了材料的电磁结构 对非铁磁介质主要是电结构 在光波电磁场作用下的极化性质或介电特性 正是因为介质的极化 拖住 了电磁波的步伐 才使其传播速度变得比真空中慢 材料的极化性质又与构成材料的原子的原子量 电子分布情况 化学性质等微观因素有关 这些微观因素通过宏观量介电系数来影响光在材料中的传播速度 31 2019 12 29 可编辑 3 反射率和透射率反射光的功率对入射光的功率之比称为反射率 有时也称反射比 经过折射进入第二介质的光为透射光 透射光与入射光之比称为透射率 32 2019 12 29 可编辑 当光线由介质1入射到介质2时 光在介质面上分成了反射光和折射光 如图 这种反射和折射 可以连续发生 当光线从空气进入介质时 一部分反射出来了 另一部分折射进入介质 当遇到另一界面时 又有一部分发生反射 另一部分折射进入空气 33 2019 12 29 可编辑 布儒斯特定律 自然光在电介质界面上反射和折射时 一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光 只有当入射角为某特定角时反射光才是线偏振光 其振动方向与入射面垂直 此特定角称为布儒斯特角或起偏角 光以布儒斯特角入射时 反射光与折射光相互垂直 34 2019 12 29 可编辑 35 2019 12 29 可编辑 利用布儒斯特角可以产生偏振光 介质的折射率与波长有关 因此同一材料对不同波长有不同的反射率 如 金对绿光的垂直反射率为50 而对红外线的反射率可达96 以上 36 2019 12 29 可编辑 W 光的总能量W 反射光的总能量W 折射光的总能量m 反射系数 根据能量守恒定律 其中1 m称为透射系数 37 2019 12 29 可编辑 由于陶瓷 玻璃等材料的折射率较空气的大 所以反射损失严重 如果透镜系统由许多块玻璃组成 则反射损失更可观 为了减少这种界面损失 常常采用折射率和玻璃相近的胶将它们粘起来 这样 除了最外和最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外 内部各界面都是玻璃和胶的较小的相对折射率 从而大大减小了界面的反射损失 38 2019 12 29 可编辑 常用的光学窗口材料 玻璃和熔石英是最常见的非金属光学材料 它们在可见光区是透明的 但光线正入射时 每个表面仍约有4 的反射 高分子材料中有机玻璃在可见光波段与普通玻璃一样透明 在红外区也有相当的透射率 可作为各种装置的光学窗口 聚乙烯在可见光波段不透明 但在远红外区透明 可作远红外波段的窗口和保护膜 39 2019 12 29 可编辑 4 光的全反射和光导纤维当光束从折射率n1较大的光密介质进入折射率n2较小的光疏介质 即n2 n1时 则折射角大于入射角 因此入射角达到某一角度 c时 折射角可等于90 此时有一条很弱的折射光线沿界面传播 如果入射角大于 c 就不再有折射光线 入射光的能量全部回到第一介质中 这种现象称为全反射 c就称为全反射的临界角 40 2019 12 29 可编辑 不同介质的临界角大小不同 普通玻璃对空气 42 水对空气 48 5 钻石因折射率很大 n 2 417 故临界角很小 容易发生全反射 切割钻石时 利用特殊的角度选择 可使进入的光线全反射并经色散后向其顶部射出 看起来就会光彩夺目 41 2019 12 29 可编辑 利用光的全反射原理 可以制作一种新型光学元件 光导纤维 光纤 光纤是由光学玻璃 光学石英或塑料制成的直径为几微米至几十微米的细丝 纤芯 在纤芯外面覆盖直径100 150 m的包层和涂敷层 包层的折射率比纤芯略低 在内外两层之间产生多次全反射而传播到另一端 在光导纤维内传播的光线 其方向与纤维表面的法向所成夹角如果大于42 则光线全部内反射 无折射能量损失 目前常用的光纤材料有石英系玻璃 多成分玻璃和复合材料 42 2019 12 29 可编辑 43 2019 12 29 可编辑 44 2019 12 29 45 2019 12 29 可编辑 5 棱镜 透镜和反射镜利用材料的折射性质可以制成有用的光学元件 应用最外广泛的是棱镜和透镜 46 2019 12 29 可编辑 材料对光的吸收和色散 一束平行光照射各向同性的材料时 除了可能发生反射和折射而改变其传播方向之外 进入材料之后还会发生两种变化 光吸收光的色散 47 2019 12 29 可编辑 1 光的吸收 1 吸收系数与吸收率入射光强减少量dI I应与吸收层的厚度dl成正比 即为吸收系数 其单位为cm 1 它取决于材料的性质和光的波长 48 2019 12 29 可编辑 朗伯特 Lambert 定律 它表明 在介质中光强随传播距离呈指数式衰减 光作为一种能量流 在穿过介质时 引起介质的价电子跃迁 或使原子振动而消耗能量 此外 介质中的价电子吸收光子能量而激发 当尚未退激时 在运动中与其他分子碰撞 电子的能量转变为分子的动能亦即热能 从而构成光能的衰减 即使对光不发生散射的透明介质 光也会有能量的损失 这就是产生光吸收的原因 49 2019 12 29 可编辑 2 光吸收与波长的关系任何物质只对特定的波长范围表现为透明 而对另一些波长范围则不透明 金属对光能吸收很强烈 这是因为金属的价电子处于未满带 吸收光子后即呈激发态 用不着跃迁到导带即能发生碰撞而发热 在电磁波谱的可见光区 金属和半导体的吸收系数都是很大的 但是电介质材料 包括玻璃 陶瓷等无机材料的大部分在这个波谱区内都有良好的透过性 也就是说吸收系数很小 这是因为电介质材料的价电子所处的能带是填满了的 它不能吸收光子而自由运动 而光子的能量又不足以使价电子跃迁到导带 所以在一定的波长范围内 吸收系数很小 50 2019 12 29 可编辑 51 2019 12 29 可编辑 但电介质材料在紫外区出现了紫外吸收端 这是因为波长越短 光子能量越大 当光子能量达到禁带宽度时 电子就会吸收光子能量从满带跃迁到导带 此时吸收系数将骤然增大 此紫外吸收端相应的波长可根据材料的禁带狂度Eg求得 即 52 2019 12 29 可编辑 另外 在红外区的吸收峰是因为离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致 53 2019 12 29 可编辑 吸收分为选择吸收和均匀吸收 如石英在整个可见光波段都很透明 且吸收系数几乎不变 这种现象称为 一般吸收 但是在3 5 5 0 m的红外线区 石英表现为强烈吸收 且吸收率随波长剧烈变化 这种同一物质对某一种波长的吸收系数可以非常大 而对另一种波长的吸收系数可以非常小的现象称为 选择吸收 任何物质都有两种形式的吸收 只是出现的波长范围不同而已 透明材料的选择吸收使其呈不同的颜色 54 2019 12 29 可编辑 55 2019 12 29 可编辑 2 光的色散材料的折射率随入射光的频率的减小 或波长的增加 而减小的性质 称为折射率的色散 在给定入射光波长的情况下 材料的色散为色散 dn d 56 2019 12 29 可编辑 色散值可以由色散曲线确定 但最实用的方法是用固定波长下的折射率来表达 而不是去确定完整的色散曲线 最常用的数值是倒数相对色散 即色散系数 57 2019 12 29 可编辑 经典色散理论采用了阻尼受迫振子的模型 根据这个模型 介质原子的电结构 正负电荷之间由一根无形的弹簧束缚在一起的振子 在光波电磁场的作用下 正负电荷发生相反方向的位移 并跟随光波的频率作受迫振动 受迫振动的位相既与光波电矢量振动的频率有关 又和振子的固有频率有关 光波引起介质中束缚电荷的受迫振动 这只是光与介质相互作用的一个方面 另一方面是作受迫振动的振子 束缚电荷 也可以作为电磁波的波源 向外发射 电磁次波 或称为散射波 58 2019 12 29 可编辑 晶体的双折射 1 双折射当光束通过平整光滑的表面入射到各向同性介质中去时 它将按照折射定律沿某一方向折射 这是常见的折射现象 当光束通过各向异性介质表面时 折射光会分成两束沿着不同的方向传播 这种由一束入射光折射后分成两束光的现象称为双折射 双折射的两束光中有一束光的偏折方向符合折射定律 称为寻常光 或o光 另一束光的折射方向不符合折射定律 称为非常光 或e光 59 2019 12 29 可编辑 60 2019 12 29 可编辑 通过改变入射光束的方向 可以找到晶体中存在一些特殊的方向 沿着这些方向传播的光并不发生双折射 这些特殊的方向称为晶体的光轴 光轴所标志的是一定的方向 而不限于一条具体的直线 单轴晶体 只有一个光轴 双轴晶体 具有两个光轴 61 2019 12 29 可编辑 2 双折射现象的解释在介质中的光波是入射波与介质中振子 原子 分子 离子等微观粒子的抽象概念 受迫振动所发射的次波的合成波 合成波的频率与入射光波相同 但其位相却因受到振子固有振动频率的制约而滞后 因此 波合成的结果使介质中的光束比真空中慢 位相滞后的程度与振子固有频率和入射光波频率的差值有关 因此介质中的光速又与入射光的频率 或波长 有关 62 2019 12 29 可编辑 晶体结构的各向异性决定了晶体中振子固有振动的各向异性 所以 一般认为晶体中的振子 在三个独立的空间方向上有不同的固有振动频率 63 2019 12 29 可编辑 介质的光散射 1 散射与其他光学现象的关系光在通过气体 液体 固体等介质时 遇到烟尘 微粒 悬浮液滴或者结构不均匀的微小区域 都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来 这种现象称为光的散射 64 2019 12 29 可编辑 光的散射导致原来传播方向上光强的减弱 光在均匀介质中的吸收符合朗伯特定律 同时计及各种散射因素 光强随传播距离的减弱仍符合指数衰减规律 只是比单一吸收时衰减得更快 关系为 65 2019 12 29 可编辑 散射系数与散射 质点 的大小 数量以及散射质点与基体的相对折射率等因素有关 当光的波长约等于散射质点的直径时 出现散射的峰值 66 2019 12 29 可编辑 光的波长不同时散射系数达最大时的质点直径也有所变化 若散射质点的体积浓度不变 当d 时 则随着d的增加 散射系数反而减小 当d 时 散射系数达最大值 67 2019 12 29 可编辑 材料对光的散射是光与物质相互作用的基本过程之一 原则上 当光波的电磁场作用于物质中具有电结构的原子 分子等微观粒子时将激起粒子的受迫振动 这些受迫振动就会成为发光中心 向各个方向发射球面次波 与散射现象不同 光的衍射是由个别不均匀的介质小区域 如小孔 狭缝 小障碍物等 所形成的 这些区域的尺度一般可与光的波长相比拟 由于介质分子的振动产生次波并叠加 使所形成的波面上出现不同强度分布的衍射特性 一般空气中微粒的散射是由大量排列无序的小区集合形成的 因此散射波在总体上观察不到衍射现象 68 2019 12 29 可编辑 光的散射现象有多种多样的表现 然而 根据散射前后光子能量 或光波波长 变化与否 可以区分为弹性散射和非弹性散射两大类 与弹性散射相比 通常非弹性散射要弱几个数量级 69 2019 12 29 可编辑 2 弹性散射散射前后 光的波长 或光子能量 不发生变化的散射称为弹性散射 从经典力学的观点 这个过程被看成光子和散射中心的弹性碰撞 散射结果只是把光子碰到不同的方向上去 并没有改变光子的能量 弹性散射的规律除了波长 或频率 不变之外 散射光的强度与波长的关系可因散射中心尺度的大小而具有不同的规律 参量 与散射中心尺度大小a0有关 按a0与 的大小比较 弹性散射可分为三种情况 70 2019 12 29 可编辑 1 廷德尔 Tyndall 散射当a0远远大于 时 趋于0 即当散射中心的尺度远大于光波的波长时 散射光强与入射光波长无关 2 米氏 Mie 散射当a0 时 即散射中心尺度与入射光波长可以比拟时 在0 4之间 具体数值与散射中心尺寸有关 71 2019 12 29 可编辑 3 瑞利 Rayleidl 散射当a0远小于 时 4 即当散射中心的线度远小于入射光的波长时 散射强度与波长的4次方成正比 此为瑞利散射定律 72 2019 12 29 可编辑 73 2019 12 29 可编辑 瑞利散射并非气体介质所特有 固体光学材料在制备过程中形成的气泡 条纹 杂质颗粒 位错等等都可成为散射中心 在许多情况下 当线度满足a0远小于 的条件 也可引起瑞利散射 人们通过根据散射光的强弱判断材料光学均匀性的好坏 对各种介质弹性光散射性质的测量和分析 可以获取胶体溶液 浑浊介质 晶体和玻璃等光学材料的物理化学性质 确定流体中散射微粒的大小和运动速率 利用激光在大气中的散射可以测量大气中悬浮微粒的密度和监测大气污染的程度等 激光粒度分析仪 74 2019 12 29 可编辑 3 非弹性散射当光束通过介质时 从侧向接收到的散射光主要是波长 或频率 不发生变化的瑞利散射光 属于弹性散射 除此之外 还可以发现散射光中还有其他光谱成分 它们在频率坐标上对称分布在弹性散射光的低频和高频侧 强度一般比弹性散射微弱得多 这些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果 称为 非弹性散射 75 2019 12 29 可编辑 76 2019 12 29 可编辑 从波动观点来看 光的非弹性散射机制 乃是光波电磁场与介质内微观粒子固有振动之间的耦合 可激发介质微观结构的振动或导致振动的淬灭 以致散射光波频率相应出现 红移 频率降低 或 蓝移 频率增高 通常能产生拉曼散射的介质多由相互束缚的正负离子所组成 正负离子的周期性振动导致偶极矩的周期性变化 这种振动偶极矩与光波电磁场的相互作用引起能量变化 发生光波的非弹性散射 77 2019 12 29 可编辑 拉曼散射过程用能级跃迁图来说明 瑞利散射过程拉曼散射的斯托克斯过程拉曼散射的反斯托克斯过程 78 2019 12 29 可编辑 由于拉曼散射和布里渊散射中散射光的频率与散射物质的能态结构有关 研究非弹性光散射已经成为获得固体结构 点阵振动 声学动力学以及分子的能级特征信息的有效手段 材料测试方法 拉曼散射光谱 79 2019 12 29 可编辑 材料的光发射 材料的光发射是材料以某种方式吸收能量之后 将其转化为光能即发射光子的过程 物体发光分为平衡辐射和非平衡辐射两大类 平衡辐