无机材料光学性能

无机材料光学性能无机材料光学性能 第四章无机材料的光学性能光的基本性质 1 波粒二象性 2 光的电磁性 3 光波是横波 4 光的偏振性从宏观上讲 当光从一种介质进入另一种介质时 会 发生光的透过 吸收和反射 从微观上看 光与固体的相互作用 实际上是光子与固体材料中的 原子 离子 电子之间的相互作用 光与固体相互作用的本质有两种方式1电子极化a电磁波的分量之一 是迅速变化的电场分量 b在可见光范围内 电场分量与传播过程中 遇到的每一个原子都发生相互作用引起电子极化 即造成电子云与 原子核的电荷中心发生相对位移 c所以 当光通过介质时 一部分 能量被吸收 同时光速减小 后者导致折射 2电子能态转变电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一 种能态的过程4 1光透过介质的现象 一 折射当光从真空进入较致密的材料时 其速度降低 折射本质上是由于光的速度的变化而引起的光弯曲的结果 n材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢 光密介质在折射率大的介质中 光的传播速度慢 光疏介质在折 射率小的介质中 光的传播速度快麦克斯韦电磁理论其中 为介电 常数 为导磁率无机材料 1 1影响折射率的因素 1 离子半径介电常数随着离子半径的增大而增大 因而折射率n随 着离子半径的增大而增大 用大离子得到高折射率的材料 用小离子得到低折射率的材料 2 材料的组成和结构 3 非晶态各向同性 玻璃的折射率和离子半径呈线性关系 4 内应力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 5 同质异构体高温时晶型的折射率较低 低温时晶型的折射率较高 即结构敞广的高温态比结构紧密的低温态折射率小 二 色散光在介质中的传播速度或折射率随波长改变的现象称为色 散现象 注意色散是光学玻璃的重要参数 色散造成单片透镜成像不清晰 色差 若选择不同的光学玻璃 组成复合镜头 可以消材料材料真 空vcvv 21211221sinsinvvnnnii cv n n除色差 称为 消色差镜头 光学材料要求色散系数高 折射率n高 三 反射m 反射系数 n21 介质2相对于介质1的相对折射率在垂直入射的情况下 光在界面上 的反射多少取决于相对折射率n21 注意1透过系数为 1 m 2连 续透过n块平板玻璃 透过系数为 1 m 3水晶玻璃含铅量大 折 射率高 光泽好 4光学玻璃采用折射率与玻璃相近的胶粘接 避免 反射引起的损失 或者涂1 4波长的薄膜 5陶瓷表面的漫反射造成 了光大量的损失 从而不透明 四 吸收光透过介质时 会引起电子跃迁或者原子的振动 从而引 起能量的损失 这种现象叫做光的吸收 五 散射定义当光束通过均匀的透明介质时 从侧面是难以看到光 的 但当光束通过不均匀的透明介质时 则从各个方向都可以看到光 这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果 这种现象称 为光的散射 2n 4 2 无机材料的透光性 1 光的吸收光通过材料时的衰减规律 为吸收系数 朗伯特定律 固体介质的吸收定律 光强度随厚度的变化符合指数衰减规律 材料越厚 光被吸收得越多 透过后光强度越小 材料对光的吸收机理1电子极化只有当光的频率与电子极化时间的倒 数处在同一个数量级时 由此引起的吸收才变得比较重要 2电子受 激吸收光子而越过禁带 3电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能 级上而吸收光 禁带较宽的介电固体材料 4只有当入射光子的能 量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时 光量子才可能被吸 收 同时 材料中的电子从较低能态跃迁到高能态 光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中所表现出的能 量交换过程 光吸收与光波长的关系 1 可见光区金属 半导体吸收系数很大 无机介质材料吸收系数较 小 光可以透过 因为金属价电子处于未满带 吸收光子后呈激发 态 发生碰撞而消耗能量 无机介质材料价电子所处的能带是满带 不能吸收光子而自由运动 光子的能量不足以使之跃迁 吸收系 22122111nmn xeII 0数很小 2 紫外光区无机电介质材料有很强的吸收 波长短 能量大 电子 吸收光子能量跃迁 吸收系数大 3 红外光区有一定的吸收离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗 能量 选择吸收与均匀吸收选择吸收同一物质对某种波长的吸收系数很大 对另一种波长的吸收很小的现象 光的选择性吸收使透明材料呈现不同颜色 均匀吸收在可见光范围内对各种波长的波的吸收程度相同 称为均 匀吸收 随着吸收程度的增加 颜色从灰变为黑色 例如 普通玻璃对可见光是透明的 但是对红外线与紫外线都有强 烈的吸收 是不透明的 因此在红外光谱仪中 棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶体和氟化 钙晶体制作 而紫外光谱仪中 棱镜常用对紫外线透明的石英制作 任何物质都有这两种形式的吸收 只是出现的波长范围不同而已 2 光的散射定义当光束通过均匀的透明介质时 从侧面是难以看 到光的 但当光束通过不均匀的透明介质时 则从各个方向都可以看到光 这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果 这种现象称 为光的散射 原因光波遇到不均匀结构产生的次级波与主波方向不一致 与主波 合成出现干涉现象 使光偏离原来的方向 引起散射 散射定律光强随传播距离的散射减弱仍符合指数衰减规律其中S为散 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 如果将吸收定律和散射定律结合起来 光强衰减为质点尺寸对散射 系数的影响d 时 随d增加 散射系数S减小 d 散射系数S最大值 光的波长不同时 散射系数达到最大时的质点的直径也有变化 计算公式d 时 Fresnel定律反射 折射引起的总散射起主导作用 其中K为散射因素V为散射质点的体积含量R为散射质点的平均半径d 时 R越小 V越大 S越大 d 光通过陶瓷片的吸收损失与反射损失包括1表面上的反射损失2通过 材料后的吸收损失3散射损失4反射损失I I0透光率 影响透光度的因素 1 吸收系数 无机材料中不占主要地位 2 反射系数 折射率与光洁度是决定因素 3 散射系数 1 宏观及显微缺陷 夹杂物 掺杂 晶界等 2 晶体排列方向 如晶体的双折射 3 气孔提高无机材料透光性的措施 1 提高原材料的纯度 2 掺加外加剂 3 优化工艺措施4 3界面反射和光泽镜反射材料表面光洁度很高的 情况下的反射 反射光线具有明确的方向性 各类雕花玻璃 需要高折射 高反射 达到装饰效果 可以通过 高含铅量 获得高折射率 宝石的高折射率使之具有强折射率 高 反射性能 玻璃纤维作为通讯的光导管 有赖于光束总的内反射 光学显微镜等许多光学系统中 需要得到强折射和低反射相结合的 玻璃产品 可以通过涂层来达到目的 漫反射光照到粗糙不平的材料表面 发生各个方向的反射 产生原因材料表面粗糙 在局部地方的入射角参差不一 反射光的 方向分布在各个方向上 致使总的反射能量分散在各个方向上 形 成漫反射 二 光泽由折射率与表面光洁度决定 1 提高表面光泽a 采用铅基釉高折射率获得高反射b 在高温下使釉 铺展获得高镜反射形成完整的光滑表面提高光洁度 2 降低表面光泽a 加入低折射率的玻璃相 b增加表面粗糙度 从 而增加漫反射 xsaemII xx 4不透明性和半透明性不透明性 高乳浊性 光 在达到具有不同光学特性的物质的底层之前被漫反射 半透明性光 应该在经过不同光学特性的物质的过程中 被散射 不要求最大的 散射 但是要求内部散射光产生的漫透射要大 吸收要小 乳浊剂的成分1在熔制时 形成惰性产物 或者在冷却或再加热时从 熔体中结晶出小颗粒 2硅酸盐玻璃的折射率为1 49 1 65 乳浊剂 折射率必须与此不同 常用乳浊剂 1 氟化物促使其他晶体在玻璃中形成 增加散射 2 含锌的釉析出了锌铝尖晶石的晶粒 但是在玻璃相中大的溶解度使烧结范围变小 因此应用较少 3 TiO2本身折射率很好 在搪瓷工业中 是一种遮盖能力很好的乳 浊剂 但是在釉中 因为其在高温还原气氛中的着色作用 而限制 了其应用 4 Sb2O5在釉和玻璃中的溶解度很大 因此在搪瓷工业中应用较多 5 CeO是很好的乳浊剂 但是价格昂贵 难于工业化 6 ZnS在高温下易于溶解在玻璃相中 在降低温度的过程中 可以 从玻璃中析出 因而应用于玻璃中 7 SnO2在釉中应用十分广泛 但是在还原气氛中易被还原为SnO 而且价格昂贵 这些缺点限制了它的应用 8 锆化物锆石英 ZrSO4 有很好的乳浊性 而且乳浊效果十分 稳定 价格低廉 应用较为广泛 改善乳浊剂性能的工艺 1 乳浊剂工艺生料釉原料湿磨而成 熔体中的析晶物基本上为乳浊 剂的残余颗粒 颗粒粗大 熔块釉部分原料制成熔块 再配其它生 料湿磨 乳浊剂的结晶颗粒全由熔体析出 尺寸细小而且均匀 控 制工艺可以得到与光波长相当的乳浊剂 2 烧成制度的控制在熔体中有晶核形成 与生料的湿磨 探索最 佳烧结温度和最佳烧结 保温 时间的控制 4 5无机材料的颜色颜色的起因由