材料的光学性能范文

材料的光学性能范文材料的光学性能范文 材料的光学性能材料的光学性能利用材料的光学性能和各种不同的 用途有关 其中比较重要的是那些用作窗口 透镜 棱镜 滤光镜 激光器 光导纤维等的以光学性能为主要功能的光学玻璃 晶体等 有些特殊用途的光学零件 例如高温窗口 高温透镜等 不宜采用 玻璃材料 需采用透明陶瓷材料 例如成功地应用在高压钠灯灯管 上的透明陶瓷 因为它需要能承受上千度的高温 以及钠蒸气的腐蚀 对它的主要 光学性能要求是透光性 4 1光通过介质的现象一 折射1 折射率的定义1 定义光是具有 一定波长的电磁波 光的折射可理解为光在介质中传播速度的降低 而产生的 以真空中的光速为基础 当光从真空进入较致密的材料时 其速度是降低的 定义为光在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率n v真空 v材 料 c v材料 4 1 2 绝对折射率与相对折射率 1 绝对折射率材料相对于真空中的折射率称为绝对折射率 即式 4 1 一般将真空中的折射率定为1 2 相对折射率由于在实际工作中使用绝对折射率不方便 因此使 用相对折射率的概念 相对于空气的折射率称为相对折射率n va v材料 3 绝对折射率与相对折射率的关系 n c v材料则v材料 c n又 空气的绝对折射率为na c va 则va c na 因此 n na n 1 000 23n 由此可知 通常情况下 采用相对折射率来代替绝对折射率 是可行的 2 两种材料间的相对折射率如果光从材料1 通过界面传入材料2时 与界面法向所形成的入射角i 1 折射角i2与两种材料的折射率n1和n2现有下述关系 4 2 式中v1 及v2分别表示光在材料l及2中的传播速度 n21为材料2相对于材料l 的相对折射率 介质的折射率永远是大于l的正数 如空气的n 1 0003 固体氧化物n 1 3 2 7 硅酸盐玻璃n 1 5 1 9 3 影响折射率的因素不同组成 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1 构成材料元素的离子半径 1 折射率n与极化率的关系由于光是一种电磁波 所以根据马克 斯威尔电磁波理论 光在介质中的传播速度应为 4 3 式中c为真空 中的光速 为介质的介电常数 为介质的导磁率 根据 4 1 式和 4 3 式可得 4 4 由于在无机材料这样的电介质 中 1 l 4 5 亦即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 2 极化率与离子半径的关系由于材料内部有着各种带电的质点 如离子 离子团和电子 而光是一种电磁波 对于材料而言 光波是一个外加的交变电场 因此 当光通过材料 时 必然引起内部质点的极化 变形 在可见光范围内 这种变 化表现为离子或核外电子云的变形 而且 随着光波电场的交变 电子云也反复来回变形 如下图当光的电磁幅射作用到介质上时 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 原子正负电荷中心距离愈大 由于电磁幅射和原子的电子体系的相互作用 光波被减速了 在本书的第六章中 将论证介质材料的离子半径与介电常数的关系 当离子半径增大时 其 增大 因而n也随之增大 因此 可以用大离子得到高折射率的材料 如PbS的n 3 912 用小 离子得到低折射率的材料 如SiCl4的n 1 412 2 材料的结构 晶型和非晶态折射率除与离子半径有关外 还和离 子的排列密切相关 1 均质介质 各向同性的材料 如非晶态 无定型体 和立方晶体 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 2 非均匀介质 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 一般会产生双折射现象 双折射当一束光通过一个介质时 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的现象 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 常光折射率n0上述两条折射光线中 平行于入射面的光线的折射 率称为常光折射率 常光折射率的特性不论入射光的入射角如何变化 n0始终为一常数 因而常光折射率严格服从折射定律 非常光折射率n e与入射面垂直的光线的折射率 称为非常光折射率 非常光折射率的特性它不遵守折射定律 随入射光的方向而变化 所以当光沿晶体光轴方向入射时 只有n0存在 与光轴方向垂直入 射时 n e达最大值 此值是为材料特性 石英的n0 1 543 n e 1 552 方解石的n0 1 658 n e 1 486 刚玉的n0 1 760 n e 1 768 总之 沿着晶体密堆积程度较大的方向n e较大 3 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 因此产生双折射 测定材料中内应力的大小 常采用测定双折射的光程差的大小 4 同质异构体以SiO2为例 石英晶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 n与密度d成正变 化关系 密度越大 光在材料中的传播速度越慢 n越大 常温下的石英晶体 n 1 55 数值最大 高温时的鳞石英 n 1 4 7 方石英 n l 49 石英玻璃常温下的石英玻璃 n 1 46 数值最小 至于普通钠钙硅酸盐玻璃 n 1 51 比石英的折射率小 提高玻璃折射率的有效措施是掺入铅和钡的氧化物 例如含Pb090 体积 的铅玻璃n 2 1 在表4 1列出了各种玻璃和晶体的折射率 表4 1各种玻璃和晶体的折射率材料平均折射率双折射玻璃组成由 正长石 KAlSi308 组成的由钠长石 NaAlSiO8 组成的由霞石正长岩 组成的氧化硅玻璃高硼硅酸玻璃 90 SiO2 钠钙硅玻璃硼硅酸玻璃 重燧石光学玻璃硫化钾玻璃晶体四氯化硅氟化锂氟化钠氟化钙刚玉 A1203 方镁石MgO石英尖晶石MgAl204锫英石ZnSi04正长石KalSi2O8 钠长石NaAlSi208钙长石CaAl2Si208硅线石A1203 Si02莫来石3A120 3 2Si02金红石TiO2碳化硅氧化铅硫化铅方解石CaC03硅碲化镉硫化 镉钛酸锶铌酸锂氧化钇硒化锌钛酸钡1 511 491 501 4581 4581 51 1 521 471 6 1 72 661 4121 3921 3261 4341 761 741 551 721 951 5251 5291 5851 651 642 712 682 6l3 9121 653 492 742 502 492 311 922 6 22 40O 008O 0090 055O 0070 0080 0080 0210 010O 2870 043 O 174 折射率的表示折射率的大小与入射光波长有关 材料的折射率n随入射光波长的降低而减小 所以 谈材料的折射率 时必须指出所用的光的波长 一般常用nD来比较不同材料的折射率 nD是指用钠光谱中的D线 D 589 3nm 黄色 为光源测出的折射 率 二 色散1 定义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 4 6 几 种材料的色散见图4 1 a 及 b 所示 2 色散的表示方法1 色散曲线色散曲线如图4 1所示 色散值可 以直接由图4 1确定 2 固定波长下的折射率这是最实用的方法 而不是去确定完整的色 散曲线 通常色散的表示方法有以下几种 1 平均色散nF nC 有时用 表示 nF是指用氢光谱中的F线 F 486 1nm 蓝色 为光源测出的折射 率 nC是指用氢光谱中的C线 C 656 3nm 红色 为光源测出的折射 率 2 部分色散用两种不同波长的折射率之差来表示如nD nC nF nD 3 色散系数 也叫阿贝数 色散倒数或倒数相对色散 这是最常 用的数值 4 相对色散 3 应用实例1 光学玻璃的分类以上光学常数中最 常用的是折射率nD 平均色散nF nC由此可以算出阿贝数 阿贝数 是光学玻璃的重要性质之一 例如光学玻璃就是按阿贝数的大小分 成两大类冕牌玻璃 大 和火石玻璃 小 nF nC大 nD变化 范围大 2 消除光学系统中的色差阿贝数也是光学系统中消色差经常使用的 参数 由于光学玻璃一般都或多或少具有色散现象 白光可以被棱镜分解 成七色光谱 若入射光不是单色光 当通过棱镜时 由于色散 将 使屏上出现模糊的彩色光斑 使成像失真 所以光学系统中往往采用复合透镜来消除色差 即用不同牌号的光学玻璃 分别磨成凸透镜和凹透镜组成复合镜头 可以消除色差 这叫做消色差镜头 所光学系统中不用单片透镜 三 反射1 反射系数 反射率 当光投射到材料表面时一般产生反 射 透过和吸收 这三种基本性质都与折射率有关 m A T 100 1 反射系数的定义当光线由介质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4 2所示 这种反射和折射 可以连续发生 例如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 由于反射 使得透过部分的强度减弱 因此对于透明材料 希望光能够尽可能多地透过 需要知道光强度的这种反射损失 使光尽可能多地透过 设光的总能量流w为W W W 4 8 W W W 分别为单位时间 通过位面积的入射光 反射光和折射光的能量流 则反射系数 反射率 m W W或m 被反射的光强度 入射光强度 L I02 反射系数与折射率的关系根据波动理论W A2vS 4 9 式中 A 为入射波的振幅 v为入射波的传播速度 S为界面面积 由于反射波的传播速度及横截面积都与入射波相同 所以 4 10 A A分别为反射波和入射波的振幅 把光波振动分为垂直于入射面的振动和平行于入射面的振动 Fresn el推导出 4 11 4 12 自然光在各方向振动的机会均等 可以 认为一半能量属于同入射面平行的振动 另一半属于同入射面垂直 的振动 所以总的能量流之比为 4 13 当角度很小时 即垂直入射 时 因为介质2对于介质l的相对折射率 故n21 i r 4 14 m称为反射 系数 由此可见 光波投射到材料表面的反射率取决于材料的折射率 2 透射系数根据能量守恒定律 光在界面上的现象 W W W 4 15 1 m 称为透射系数 4 14 式可知 在垂直入射的情况下 光在界面上的反射的多少取 决于两种介质的相对折射率n21 3 界面的反射损失 1 基本现象如果介质l为空气 可以认为 n1 1 则n21 n2 如 果n1和n2相差很大 那么界面反射损失就严重 如果n1 n2 则m 0 根据 因此在垂直入射的情况下 几乎没有反射损失 2 光线通过x块2块玻璃板的透射设一块折射率n 1 5的玻璃 光 反射损失为m 0 04 透过部分为1 m 0 96 如果透射光又从另一界面射入空气 即透过两个界面 此时透过部 分为 1 m 2 0 922 如果连续透过x块平板玻璃 则透过部分应为 1 m 2x 3 实例 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 为了减小这种界面损失 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 为了调节玻璃的n 常在玻璃表面涂以一定厚度的和玻璃n不同的 透明薄膜 使玻璃表面的m增加或减少 如在玻璃表面涂以对红外线反射率高的金属膜 An Cu Ag Cr N i等 用作建筑物反射太阳能的隔热玻璃 可以调节室内空调的能 力 并增加建筑物外表的美观 热反射玻璃 4 2材料的透光性材料的透光性取决于光通过材料后的光能占入 射光能的比例的大小 这就需要考虑 光在通过材料介质的过程中 有哪些光损失 这些损失主要包括吸收 散射 下面分别讨论 一 介质对光的吸收1 吸收的一般规律1 光吸收的原因光作为一 种能量流 在穿过介质时 使介质的价电子受到光能而激发 在 电子壳能态间跃迁 或使电子振动能转变为分子运动的能量 即材 料将吸收光能转变为或热能放出 介质中的价电子吸收光子能量 而激发 当尚未退激而发出光子时 在运动中与其它分子碰撞 使 电子的能量转变成分子的动能亦即热能 从而构成了光能的衰减 这就是光的吸收 2 朗伯特定律即使在对光不发生散射的透明介质 如玻璃 水溶液 中 光也要会有能量的损失 即光的吸收 设有一块厚度为x的平板材料 如图4 3 入射光的强度为I0 通过 此材料后光强度为I 选取其中一薄层 并认为光通过此薄层的吸收损失 dI 它正比于在此处的光强度和薄层的厚度dx 即 dI Idx 4 16 4 16 式表明 光强度随厚度的变化符合指数衰 减规律 此式称为朗伯特定律 式中 为物质对光的吸收系数 其单位为cm 1 取决于材料的性质和光的波长 越大材料越厚 光就被吸收得越多 因而透过后的光强度就越小 不同的材料 差别很大 空气的 l0 5cm 1 玻璃的 10 2cm 1 金属的 则达几万到几十万 所以金属实际上是不透明的 2 光吸收与光波长的关系材料吸收光的能量大小一般要看通过材料 的光的波长而定 根据光的波长 可将光进行如下划分 射线 X射线 紫外光 10 400nm 可见光 400 760nm 红外光 760 106nm 无线电波 0 1mm 103m 1 对可见光区 400 760nm 若材料对可见 光各波长的吸收是相等的 光线通过玻璃后 光谱组成无变化 白 光仍是白光 只是减弱了它的强度而已 如果材料对光谱内各波长的光吸收不等 有选择性 则由玻璃出来 的光线必定改变了原来的光谱组成 就获得了有颜色的光 材料对光的吸收是基于原子中电子 主要是价电子 接受光能后 由代能级 E1 向高能级 E2 跃迁 即从基态向激发态 当两个能级的能量差 E2 E1 h Eg h为普照朗克常数 v为频率 等于可见光的能量时 相 应的波长的光就被吸收 从而呈现颜色 Eg越小 吸收的光的波长愈长 呈现的颜色愈深 显示的颜色为低 波长段的颜色 反之 能级差Eg愈大 吸收光的波长愈短 则呈 现的颜色愈浅 例1 金属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 Eg很小 很容易吸收光子后呈 激发态 用不着跃迁到导带即能发生碰撞而发热 所以吸收系数大 不透明 例2 玻璃玻璃有良好的透光性 吸收系数很小 Eg大 这是由于 共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 激发态 所以在一定 范围内 吸收系数很小 所以一般无色玻璃在可见光区 几乎没有 吸收 近红外也是透明的 从图4 4中可见 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 2 紫外区 10 400nm 对于一般无色透明的材料 如玻璃 的紫 外吸收现象比较特殊 不同于离子着色 并不出现吸收峰 而是一 个连续的吸收区 透光区与吸收区之间有一条坡度很陡的分界线 通常称为吸收极限 也称紫外吸收极限或紫外吸收端 小于吸收极限的波长完全吸 收 大于吸收极限的波长则全部透过 这是因为波长愈短 光子能量越来越大 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 基态 跃迁到导带 激发态 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宽度Eg求得 4 17 4 18 式中h为普朗克常数 h 6 63 l0 34J s c为光速 从式中可见 禁带宽度 Eg 大的材料 紫外吸收端的波长比较小 若希望材料在电磁波谱的可见光区的透过范围大 这就希望紫外吸 收端的波长要小 因此要求Eg大 如果Eg小 甚至可能在可见区也会被吸收而不透明 常见材料的禁带宽度变化较大 如硅的Eg 1 2eV 锗的Eg 0 75eV 其它半导体材料的Eg约为1 0eV 电介质材料的Eg一般在10eV左右 例NaCl的Eg 9 6eV 因此发生吸收峰的波长为此波长位于极远紫外 区 3 红外区 760 106nm 一般认为在红外区的吸收是属于分子光谱 吸收主要是由于红外光 电磁波 的频率与材料中分子振子 或相 当于分子大小的原子团 的本征频率相近或相同引起共振消耗能量 所致 即书上所说的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 要使谐振点的波长尽可能远离可见光区 即吸收峰处的频率尽可能 小 波长尽可能长 则需选择较小的材料热振频率 此频率 与材料其它常数呈下列关系 4 19 式中 是与力有关的常 数 由离子间结合力决定 Mc和Ma分别为阳离子和阴离子质量 所以 为了有较宽的透明频率范围 最好有高的电子能隙值和弱的 原子间结合力以及大的离子质量 对于高原子量的一价碱金属卤化物 这些条件都是最优的 对于玻璃形成氧化物 如SiO2 B2O3 P2O5等原子量均较小 力常 数 较大 故 本征频率 大 所以只能透近红外 而不能透中 远红外 表4 2列出一些厚度为2mm的材料的透光超过10 波长范围 表4 2各种材料透光波长范围材料能透过的波长范围A m 熔融二 氧化硅熔融石英铝酸钙玻璃偏铌酸锂方解石二氧化钛钛酸锶三氧化 二铝蓝宝石氟化锂多晶氟化镁氧化钇单晶氧化镁多晶氧化镁单晶氟 化镁多晶氟化钙单晶氟化钙氟化钡一氟化钙三硫化砷玻璃硫化锌氟 化钠氟化钡硅氟化铅硫化镉硒化锌锗碘化钠氯化钠氯化钾氯化银氯 化铊碲化镉氯溴化铊溴化钾碘化钾溴碘化铊溴化铯碘化铯0 16 40 18 4 20 4 5 50 35 5 50 2 5 50 43 6 20 39 6 80 2 70 15 7 50 12 8 50 45 90 26 9 20 25 9 50 3 9 50 15 9 60 13 11 80 13 120 75一120 6一130 6 14 50 14 150 13一15l 2一150 29一150 55一160 48 221 8 230 25 250 2 250 21 250 4 300 42 300 9 310 4 350 2 380 25 470 55 500 2 550 25 703 选择性吸收与均匀吸收吸收还可分为选择吸收和均匀吸收 前面已介绍选择性吸收 即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 这种现象称为选择吸收 透明材料的选择吸收使其呈不同的颜色 如果介质在可见光范围对各种波长的吸收程度相同 则称为均匀吸 收 在此情况下 随着吸收程度的增加 颜色从灰变到黑 二 介质对光的散射1 散射的概念光波遇到不均匀结构产生次级波 与主波方向不一致 使光偏离原来的方向从而引起散射 从而减 弱光束强度 所以材料中如果有光学性能不均匀的结构 例如含有小粒子的不透 明介质 光性能不同的晶界相 气孔或其它夹杂物 都会引起一部 分光束被散射 因而散射现象也是由于介质中密度的均匀性的破坏而引起的 由于散射 光在前进方向上的强度减弱了 对于相分布均匀的材料 其减弱的规律与吸收规律具有相同的形式 4 20 I为在光前进方向 上的剩余强度 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 图4 5 其单位为cm 1 当光的波长约等于散射质点的直径时 出现散射的峰值 如果将吸收定律与散射规律的式子统一起来 则可得到 4 21 2 散 射系数最大时的质点直径1 一般规律以例说明 如图4 5 1 条件材料含有1 体积 Ti02散射质点的玻璃 入射光 D 0 589 m 589nm 相对折射率n21 1 8 2 散射最强时质点的直径散射最强时 质点的直径为 4 22 从上 式可知入射光的波长不同 散射系数达最大时的质点直径也不同 3 散射系数与波长的关系从图4 5中还可以看出 曲线由左右两 条不同形状的曲线所组成 各自有着不同的规律 前提条件散射质点的体积浓度不变 讨论 d 时 随着d S d 时 S达最大值 所以可根据散射中心尺寸和波长的相对大小 分别用不同的散射基 因和规律进行处理 可求出S与其他因素的关系 2 Fresnel规律Fresnel规律 适用于d 时 此时反射 折射引起 的总体散射起主导作用 此时 由于散射质点和基体的折射率的差别 当光线碰到质点与基 体的界面时 就要产生界面反射和折射 由于连续的反射和折射 总的效果相当于光线被散射了 对于这种散射 可以认为散射系数正比于散射质点的投影面积S KN R2 4 23 式中N为单位体积内的散射质点数 R为散射质点的平均 半径 K为散射因素 取决于基体与质点的相对折射率 当两者相近时 由于无界面反射 K O 由于N不好计算 设散射质点的体积含量为V 则则 4 23 式变为 4 24 将上式代入 4 20 式故 4 25 由式中可见 d 时 R越小 V越大 则S愈大 这符合实验规律 同时S随相对折射率的增大而增大 3 Rayleigh 瑞利 散射适用于d 1 3 时 此时散射系数 4 26 总之 不管在上述哪种情况下 散射质点的折 射率与基体的折射率相差越大 将产生越严重的散射 4 Mie散射适用于d 的情况 不在这里讨论 三 无机材料的透光性无机材料是一种多晶多相体系 内含杂质 气孔 晶界 微裂辅等缺陷 光通过无机材料时会遇到一系列的阻 碍 所以无机材料不象晶体 玻璃体那样透光 多数无机材料看上去是不透明的 这主要是由于散射引起的 1 透光性1 定义透光性是个综合指标 即光能通过陶瓷材料后 剩余光能所占的百分比 透光性 I I0光的能量 强度 可以用照度来代表 也可用一定距离外 的光电池转换得到的电流强度来表示 2 计算按照图4 3所示 将光源照在一定距离之外的光电池上 测 定其光电流强度I0 然后在光路中插入一厚度为x的无机材料 同样 测得剩余光电流强度I 可按 4 16 式算出综合吸收系数 但注意算出的 内 除了吸收系数外 实际上还包括了散射系数以 及材料的界面损失 1 m 2 2 光能损失光通过厚度为x的透明陶瓷片时 各种光能的损失见图4 6所示 1 反射损失L 强度为I0的光束垂直地入射到陶瓷左表面 由于陶瓷片与左侧空间介质之间存在相对折射率n21 因而在表面上 有反射损失 2 27 此时 透进材料中的光强度为I0 1 m 2 吸收损失L 与散射损失L 这一部分光能穿过厚度为x的材料后 又消耗于吸收损失 和散射损失 到达材料右表面时 光强度剩下 I0 1 m e S x 3 反射损失L 再经过表面 一部分光能反射进材料内部 其数量 为L I0 1 m e S x 4 28 另一部分传至右侧空间 其光强度为I I0 1 m 2e S x 4 29 显然I I0才是真正的透光率 注意上式中所得的I中并未包括L 反射回去的光能 再经左右表面 进行 二 三次反射之后 仍然会有从右侧表面传出的那一部分光能 这部分光能显然与材料的吸收系数 散射系数有密切的关系 也和 材料的表面光洁度 材料的厚度以及光束入射角有关 影响因素复杂 无法具体算出数据 当然 如果考虑这部分透光 将会使整个透光率提高 实验观测结果往往偏高就是这个原因 3 影响材料透光性的因素 1 吸收系数 这部分损失较小 在影响透光率中不占主导地位对于陶瓷 玻璃等 电介质材料 材料的吸收率或吸收系数在可见光范围内是比较低的 见图4 4所示 所以陶瓷材料的可见光吸收损失相对来说是比较小的 在影响透光 率的因素中不占主要地位 2 反射系数 这部分损失较大材料对周围环境的相对折射率大 反射损失也大 另一方面 材料表面的光洁度也影响透光性能 这一点在后面界面 反射这一节中细述 3 散射系数 影响最大这一因素最影响陶瓷材料的透光率 其原因是 1 材料的宏观及显微缺陷材料中的夹杂物 掺杂 晶界等对光的折 射性能与主晶相不同 因而在不均匀界面上形成相对折射率 此值越大则反射系数 在界面上的 不是指材料表面的 越大 散射 因子也越大 因而散射系数变大 2 晶粒排列方向的影响如果材料不是各向同性的立方晶体或玻璃态 则存在有双折射问题 与晶轴成不同角度的方向上的折射率均不相同 这样 由多晶材料组成的无机材料 晶粒与晶粒之间 结晶的取向 不见得都一致 因此 晶粒之间产生折射率的差别 引起晶界处的反射及散射损失 图4 7所示为一个典型的双折射引起的不同晶粒取向的晶界损失 图中两个相邻晶粒的光轴互相垂直 设光线沿左晶粒的光轴方向射入 则在左晶粒中只存在常光折射率n 0 右晶粒的光轴垂直于左晶粒的光轴 也就垂直于晶界处的入射光 由于此晶体有双折射现象 因而不但有常光折射率n0 还有非常光 折射率n e 左晶粒的n0右晶粒的n0相对折射率为n0 n0 1 m 0 无反射损失 但左晶粒的n0与右晶粒的n e则形成相对折射率n0 n e l 此值导致反射系数和散射系数 亦即引起相当可观的晶界散射损失 因此图4 7说明对多晶无机材料来说 影响透光率的主要因素在于 组成材料的晶体的双折射率 例1 Al2O3晶体 Al2O3晶体的n0 1 760 n e 1 768 假设相邻晶粒的取向彼此垂直 则晶界面的反射系数 数值虽不大 但许多晶粒之间经多次反射损失之后 光能仍有积累起来的可观 损失 譬如材料厚2mm 晶粒平均直径10 m 理论上具有200个晶界 则除 去晶界反射损失后 剩余光强占 1 m 200 O 99897 损失并不大 从散射损失来分析 设入射光系可见光 0 39 0 77 m 今平均d 10 m 采用S 3K 3V 4R计算 现在n21 1 768 1 6 0 1 所以K 0 亦即S 0 也就是说 散射损失也很小 这就是氧化铝陶瓷有可能制成透光率很高的灯管的原因 同样可以证明 无论是石英玻璃 还是微晶玻璃 透光率都是很高 的 例2金红石象金红石那样的陶瓷材料则不能制成透明陶瓷 金红石晶体的n0 2 854 ne 2 567 因而其反射系数m 2 8 10 3 如材料厚度3mm 平均晶粒直径3 m 则剩余光能只剩下 1 m 1000 0 06了 此外 由于n21较大 因之K较大 S大 散射损失较大 故金红石瓷 不透光 例3MgO Y2O3等立方晶系材料MgO Y2O3等立方晶系材料 没有双折 射现象 本身透明度较高 如果使晶界玻璃相的折射率与主晶相的折射率相差不大 可望得支 透明度较好的透明陶瓷材料 但这是相当不容易做到的 例4玻璃多晶陶瓷的透光率远不如同成分的玻璃大 因为相对来说 玻璃内不存在晶界反射和散射这两种损失 3 气孔引起的散射损失 气孔含量存在于晶粒之间的以及晶界玻 璃相内的气孔 孔洞 从光学上讲构成了第二相 其折射率n1可视为1 与基体材料之n2相差较大 所以相对折射率n2 1 n2也较大 由此引起的反射损失 散射损失远较杂质 不等向晶粒排列等因素 引起的损失为大 气孔的体积含量V越大 散射损失越大 例一材料含气孔0 2 体积 平均d 2 m 试验所得散射因子K 2 4 则散射系数如果此材料厚为3mm I I0e 1 5 3 0 011I0 剩余光能只为1 左右 可见气孔对透光率影响之大 气孔尺寸一般陶瓷材料的气孔直径大约在1 m 均大于可见光的 波长 0 39 0 79 m 所以计算散射损失时应采用公式 4 2 4 即S K 3V 4R 散射因子K与相对折射率n21有关 上面已经说过 气孔与陶瓷材料的相对折射率几乎等于材料的折射 率n2 数值较大 所以K值也较大 气孔尺寸小 散射损失较小 所以 可以采用真空干压成型等静压工艺消除较大的气孔 假如上例中只剩下平均d 0 Ol m的微小气孔 情况就有根本的变 化 此时 A1203陶瓷的平均d 3 设为可见光的波长 符合瑞利 散射条件 此时 即使气孔体积含量高达0 63 陶瓷也是透光的 利用 4 26 式如果陶瓷材料厚2mm I I0e 0 0032 2 0 994I0 散射损失不大 仍是透光性材料 四 提高材料透光性的措施1 提高原材料纯度在材料中杂质形成的 异相 其折射率与基体不同 等于在基体中形成分散的散射中心 使S提高 杂质的颗粒大小影响到S的数值 尤其当其尺度与光的波长相近时 S达到峰值 所以杂质浓度以及与基体之间的相对折射率都会影响到散射系数的 大小 从材料的吸收损失角度 不但对基体材料 而且对杂质的成分也要 求在使用光的波段范围内 吸收系数 不得出现峰值 这是因为不同波长的光 对材料及杂质的 值均有显著影响 特别是在紫外波段 吸收率k有一峰值 正象前面所述 要求材料及 杂质具有尽可能大的禁带宽度Eg 这样可使吸收峰处的光的波长尽 可能短一些 因而不受吸收影响的光的频带宽度可放宽 2 掺加外加剂1 掺外加剂的目的目的是降低材料的气孔率 特别 是降低材料烧成时的闭孔 表面看起来 掺加主成分以外的其它成分 虽然掺量很少 也会显 著地影响材料的透光率 因为这些杂质质点 会大辐度地提高散射 损失 但是 正如前面分析的那样 影响材料透光性的主要因素是材料中 所含的气孔 气孔由于相对折射率的关系 其影响程度远大于杂质等其它结构因 素 此处所说的掺加外加剂 目的是降低材料的气孔率 特别是降低材 料烧成时的闭孔 大尺寸的闭孔称为孔洞 这是提高透光率的有力措 施 闭孔的生成是在烧结阶段 成瓷或烧结后晶粒长大 把坯体中的气孔赶至晶界 成为存在于晶 界玻璃相中的气孔和相界面上的孔洞 这些气孔很难逸出 另外 在晶粒内部还有一个一个的圆形闭孔 与外界隔绝得很好 这些小气孔虽然对材料强度无多大影响 但对其光学性能特别是透 光率影响颇大 2 增加A1203陶瓷透明性的常用外加剂 1 MgO R L Coble提出在A1203中加入少量MgO来抑制晶粒长大 在新生成 晶粒表面形成一层粘度较低的MgO A1203尖晶石 一方面 在烧结 后期阻碍A1203晶粒的迅速长大 另一方面 又使气泡有充分时间逸 出 从而使透明度增大 但是新生成的尖晶石的折射率n 1 72 比A1203的折射率 1 76 小 使A1203与尖晶石的相界面上产生的相对折射率不等于1 从而增 加了反射和散射 所以MgO虽有排除气孔的作用 掺得过多也会引起透光率下降 适宜的掺量一般约为A1203总重的0 05 0 5 2 Y2O3 La2O3为了进一步提高A1203陶瓷的透光性 近年来 除 了加入MgO以外 还加入Y2O3 La2O3等外加剂 这些氧化物溶于尖晶石中 形成固溶体 根据Lorentz Lorenz公式 离子半径越大的元素 电子位移极化率越大 因而折 射率也越大 上述氧化物中 Mg2 的半径为0 65 Y3 的为0 93 La3 的为1 1 5 由MgO及A1203组成的尖晶石的折射率 1 72 偏离了A1203和MgO的折 射率 将Y2O3固溶于尖晶石后 将使尖晶石的折射率接近于主晶相的折射 率 1 76 从而减少了晶界的界面反射和散射 3 注意事项外加剂本身也是杂质 掺多了也会影响透光性 3 工艺措旋 1 排除气孔如采取热压法要比普通烧结法更便于排除气孔 因而是获得透明陶瓷较为有效的工艺 热等静压法效果更好 2 使晶粒定向排列几年前 有人采用热锻法使陶瓷织构化 从而 改善其性能 这种方法就是在热压时采用较高的温度和较大的压力 使坯体产生 较大的塑性变形 由于大压力下的流动变形 使得晶粒定向排列 结果大多数晶粒的 光轴趋于平行 这样在同一个方向上 晶粒之间的折射率就变得一致了 从而减少 了界面反射 用热锻法制得的A1203陶瓷是相当透明的 4 3界面反射和光泽一 镜反射和漫反射上面各节所分析的光的 反射 是指材料表面光洁度非常高的情况下的反射 1 镜反射1 定义反射光线具有明确的方向性 一般称之为镜反射 2 应用在光学材料中利用这个性能达到各种应用目的 1 正影响例如雕花玻璃器皿 含铅量高 折射率高 因而反射率 约为普通钠钙硅酸盐玻璃的两倍 达到装饰效果 同样 宝石的高折射率使之具有强折射和高反射性能 玻璃纤维作为通讯的光导管时 有赖于光束总的内反射 这是用一种可变折射率的玻璃或用涂层来实现的 2 反影响有的光学应用中 希望得到强折射和低反射相结合的玻 璃产品 这可以在镜片上涂一层折射率为中等 厚度为光波长l 4的涂层来 实现 所指光的波长可采用可见光谱的中部波长 即O 60 m左右 这样 当光线射至带有涂层的玻璃上时 其一次反射波刚好被涂层 与玻璃接触平面反射的大小相等 位相相反的二次反射波所抵消 在大多数显微镜和许多其他光学系统中都采用这种涂层的物镜 同样的系统被用来制作 不可见 的窗户 2 漫反射陶瓷中大多数表面并不是十分光滑的 因此当光照射到粗 糙不平的材料表面上时 发生相当的漫反射 对一不透明材料 测量单一入射光束在不同方向上的反射能量 得 到图4 8的结果 漫反射的原因是由于材料表面粗糙 在局部地方的入射角参差不一 反射光的方向也各式各样 致使总的反射能量分散在各个方向上 形成漫反射 材料表面越粗糙 镜反射所占的能量分数越小 二 光泽要对光泽下个精确的定义是困难的 光泽与镜反射和漫反射的相对含量密切相关 还与反射影象的清晰 度和完整性 亦即与镜反射光带的宽度和它的强度有密切的关系 这些因素主要由折射率和表面光洁度决定 为了获得高的表面光泽 需要采用铅基的釉或搪瓷组分 烧到足够 高的温度 使釉铺展而形成完整的光滑表面 为了减小表面光泽 可以采用低折射率玻璃相或增加表面粗糙度 例如采用研磨或喷砂的方法 表面化学腐蚀的方法以及由悬浮液 溶液或者气相沉积一层细粒材料的方法产生粗糙表面 获得高光泽的釉和搪瓷的困难通常是由于晶体形成时造成的表面粗 糙 表面起伏或者气泡爆裂造成的凹坑 4 4不透明性 乳浊 和半透明性一 不透明性 乳浊 陶瓷坯体有气 孔 而且色泽不均匀 颜色较深 缺乏光泽 因此常用釉加以覆盖 釉的主体为玻璃相 有较高的表面光泽和不透明性 搪瓷珐琅也是要求具有不透明性 否则底层的铁皮就要显露出来 乳白玻璃也是利用光的散射效果 使光线柔和 釉 搪瓷 乳白玻 璃和瓷器的外观和用途在很大程度上取决于它们的反射和透射性能 图4 9所示为釉或搪瓷以及玻璃板或瓷体中小颗粒散射的总效果 1 影响乳浊效果的光学特性由图可见 影响乳浊效果的光学特性有 镜反射光的分数 它决定光泽 直接透射光的分数 入射光 漫反射的分数以及入射光漫透射的分数 2 获得良好乳浊效果的要求 1 要获得高度乳浊 不透明性 和覆盖能力 就要求光在达到具有 不同光学特性的底层之前被漫反射掉 2 为了有高的半透明性 光应该被散射 透射的光是扩散开的 但是大部分入射光应当透射过去而不是被漫 反射掉 为了得到最大的散射效果 颗粒及基体材料的折射率数值应当有 较大的差别 颗粒尺寸应当和入射波长约略相等 并且颗粒的 体积分数要高 正如以前所述 决定总散射系数从而影响两相系统乳浊度的主要因 素是 颗粒尺寸 颗粒与基体的相对折射率 第二相颗粒的体 积百分比 二 乳浊剂的1 对乳浊剂的要求构成釉和搪瓷的主要成分的硅酸盐 玻璃 其折射率限定在1 49一1 65 要达到乳浊的效果 须引进能够在玻璃基体中形成折射率显著不同 的小颗粒 即加进玻璃内的乳浊剂必须具有和上述数值显著不同的折射率 此外 乳浊剂还必须能够在硅酸盐玻璃基体中形成小颗粒 乳浊剂可以是与玻璃相完全不起反应的材料 它们是在熔制时形成 的惰性产物 或者是在冷却或再加热时从熔体中结晶出来的 后者是经常使用的 是获得所希望颗粒尺寸的最有效方法 2 乳浊机理入射光被反射 吸收和透射所占的分数取决于釉层的厚 度 釉的散射和吸收特性 对于无限厚的釉层 其反射率m 等于釉层的总反射 入射光被漫反 射和镜面反射 的分数 即总是小于1 对于没有光吸收的釉层 m l 吸收系数大的材料 其反射率低 好的乳浊剂必须具有低的吸收系数 亦即在微观尺度上 具有良好 的透射特性 m 决定于吸收系数和散射系数之比 4 30 也就是说 釉层的反射 同等程度地由吸收系数和散射系数所决定 但是 在实际的釉 搪瓷的应用中 釉层厚度是有限的 釉层底部与基底材料的界面 也会有反射上来的光线增加到总反射 率中去 下面分两种情况分析 设釉层与底材之间的反射率m 0 底材为一 种完全吸收或完全透过入射光的材料 则釉层表面的反射率为m0 与反射率为m 的底材相接触的釉层的表面光反射率mR 由R Kub clka和F Munk给出的公式计算 4 31 这个方程的求解是困难的 但它表明 当底材的反射率 散射系数 釉层