材料物理性能课件第六章材料的光学

第六章,天津大学材料科学与工程学院,材料的光学,概述,材料的光学性能是材料对外来光源所作出的选择性和特异性反应，包括材料对光传播的影响以及在光吸收或光激发后的光发射。材料对可见光的反射、吸收五光十色的色彩（塑料、陶瓷、金属、晶体的各种颜色）光的折射、透射各种光学透镜、光学仪器光的折射、透射、色散颜色、光泽、透明、半透明的陶瓷的釉彩、餐具、艺术品等，无不是材料光学性能的体现或应用。,普通光源-自发辐射,激光光源-受激辐射,激光(Laser)（镭射）,“辐射的受激发射光放大”,“激光”钱学森在1963年提出,发光材料彩色电视,光功能材料,透过和导光材料透镜、棱镜、反射镜望远镜、显微镜、照相机、摄影机、光导纤维发光材料荧光、磷光、电致发光激光材料非线性光学材料红外材料辐射、吸收、透射、探测光信息材料全息材料、光盘材料光调制材料电光材料、磁光材料、声光,光功能材料,在外场（电、光、磁、热、声、力等）作用下，利用材料本身光学性质（如折射率或感应电极化）发生变化的原理，去实现对入射光信号的探测、调制以及能量或频率转换作用的光学材料的统称。按照具体作用机理或应用目的之不同分为电光材料、磁光材料、弹光材料、声光材料、热光材料、非线性光学材料以及激光材料等多种。,光电材料,光电材料是能把光能转变为电能的一类能量转换功能材料.光电子发射材料（电视摄像管、光电倍增管）光电导材料（如光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管）光电动势材料（太阳能电池）,隐身材料,微波隐身材料、可见光隐身材料、红外隐身材料、激光隐身材料、声隐身材料和多功能隐身材料。,主要内容,1、光的本性2、材料对光传播的影响3、材料颜色的形成的化学机理4、材料的光发射和受激辐射5、光功能材料,回顾与总结,光的现象,光的微粒说,光的波动说,光的电磁说,光的波粒二象性,光的直线传播,光的传播速度,光的反射,光的折射,光的干涉,光的衍射,电磁波谱,光谱,?,6.1光的本性,6.1.1光的基本特性1、波粒二相性牛顿光是由光源飞出的粒子流光的折射和反射。惠更斯光的干涉和衍射波动性普朗克黑体辐射，爱因斯坦光电效应hph/h为普朗克常数，其数值为6.6261034Js光量子表征粒子性质的物理量光子的能量和动量性质表征波动性质的物理量频率、波长光子同时具有微粒性和波动性光的双重本质。,光的波粒二象性,波动性,粒子性,E,光的折射,光的衍射,光的偏振,光的干涉,光电效应,E：光子的能量（J,焦耳）,：光子的频率（Hz,赫兹）,：光子的波长（cm）,c：光速（2.99791010cm.s-1）,h：Plank常数（6.625610-34J.s焦耳.秒）,2、光的电磁性photicelectromagnetism,麦克斯韦光是一种电磁波electromagneticwave光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是交织在一起的。麦克斯韦的电磁场理论：变化着的电场周围会感应出变化的磁场，而变化着的磁场又会感应出另一个变化的电场，如此循环，电磁场就会以波的形式向各个方向传播。,电磁波是矢量波,电磁波交变电磁状态的传播,设一平面电磁波,由麦克斯韦理论可得：,真空中的电磁波,光的本性,同理：,当电场振动沿,轴正向传播时，有反映该振动的平面简谐波,用麦氏电磁场方程组可推出,光的本性电磁辐射,在真空中,在介质中,光的本性电磁波,3、光波是横波transversewave,光波是一种横波，其中的电场强度E和磁场强度H的振动方向垂直。电场强度E平行于X轴磁场强度H平行于Y轴光波沿Z轴传播出去对人眼或光学仪器起作用的是电场E，只考虑电场作用，而忽略磁场。电场强度矢量直接作为“光矢量”。,4、光的偏振性polarization,横波的特有性质偏振性1）光波电矢量的振动限定在某一个确定方向平面偏振光（线偏振光）。2）电矢量在垂直光的传播方向的平面内随时间变化的轨迹呈椭圆或圆椭圆偏振光或圆偏振光。光波电矢量由各种振动方向的波复合而成。垂直光的传播方向的平面内电矢量振动取向机会均等自然光,偏振光,经典物理指出：由电偶极子振动所产生的光辐射是线偏振光或称平面偏振光，其中光的电场强度和符号随时间而改变，但电场的方向却不变。实际光源的电矢量永远垂直于光的传播方向，但取向随时间是无规则变化的。自然光、太阳辐射、各种非相干辐射源所产生的光都是这样的。,电磁波具有各种频率无线电，微波，红外线，可见光，紫外线，,射线和,射线等。,可见光(visiblelight)能够引起人的视觉的电磁波。,光的基本性质二、电磁波谱electromagneticwavespectrum,6-1各种颜色的光波对应的波长范围,波长范围,可见光七彩颜色的波长和频率范围,人眼最为敏感的光是黄绿光，即,附近。,光的基本性质可见光一般由,无线电波104-108HZ，波长比可见光长得多，不能引起人的视觉，可以引起电子的振荡。由于波长很长，一个金属网笼，甚至桥梁上的钢架就可以将其阻止。微波109-1011HZ，波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食物里很容易被水分子吸收，食物迅速被加热。红外线（IR）1011-10HZ，分布在微波和可见光之间，且仅能够在它聚集热的地方探测到。蛇和其他一些生物对红外线很敏感；红外线不能透过玻璃，这一特性可以解释温室效应：晴天时，经过温室玻璃的可见光被植物吸收，而红外线被再次辐射，被玻璃捕获的红外线引起温室内部的温度升高，整个宇宙充满了宇宙大爆炸时残留的冷却物质发出的红外辐射。,电磁波谱,紫外线（UV）1015-106HZ：频率高于可见光的，不能引起视觉，对生命有危害，来自太阳的紫外线几乎被大气中的臭氧完全吸收，臭氧保护着地球的生命，少量透过大气的紫外线会晒黑皮肤或使进行日光浴的人体产生晒斑。X射线：1016-1021HZ，波长比紫外线还短的电磁波，它们很易穿过大多数物质。致密的物质、固体材料比稀疏物质容易吸收更多的X射线，这就是为什么在X射线照片上显现的是骨骼而不是骨骼周围的组织。其波长可与原子尺寸相比拟。,电磁波谱,射线和宇宙射线：1016-1023HZ波长最短，波长尺寸约为原子核大小量级射线产生于核反应及其他特殊的激发过程宇宙射线来自地球之外的空间。,光的基本性质电磁波谱,电磁波谱,6.1.2、光的振动与传播,光波的振动用数学表达式描述。当线偏振光沿某一方向传播时，初始电场强度可以表示为EE0cos（2t0）振动频率，0-初位相，E0为振幅。经过时间t后，传播到z点，该点电场强度为EE0cos2v（tz/u）0,波长是光波在一个振动周期（T）传播的距离，以表示。,u光波的传播速度。,一、能量流动,光传播的同时伴随能量流动。能流密度:单位时间内流过垂直于传播方向的单位截面积的能量。能流密度可以近似用光强I表示，它与光波电场振幅有如下关系:光强相对值IE02光强与光波电场振幅的平方关系。,二、光的传播,光在不同介质中传播速度不同，但光振动频率不变，因此光波在不同介质中具有不同波长。光在真空中的传播速度c3108m/s。光在介质中传播中的传播速度为令光在真空中的速度与在介质中的速度之比介质的折射率,单色光,具有单一频率的光波称为单色光。,任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应的强度是不同的。,波长所对应的波长范围越窄，光的单色性越好,谱线宽度：通常用强度下降I0/2,的两点之间的波长范围,谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量,三、光的干涉和衍射,光的波动性主要表现在它有干涉、衍射及偏振等特性。1、光的干涉指两束光相遇以后，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。一般的两个独立光源发出的光波叠加后，只有强度相加，而不出现明暗的条纹，究其原因乃是这两个光源不是相干光源。两束光“相干”而形成干涉条纹的条件是光波之间频率相同、振动方向一致并且有固定的位相关系。,干涉：在波的叠加区域内，强度按空间周期性变化的现象称为干涉。干涉花样：各点的振动强度的一定的非均匀分布的整体图像称为干涉花样。,杨氏干涉花样,相干光,光的干涉,（一）干涉条件：两列光波频率相同，振动情况相同,（二）条纹特点,1、单色光：产生明暗相间的等间距的条纹。,3、白光：中间为白色明条纹，两边为彩色条纹,（体现光的波动性）,（相干光源）,2、红光的条纹间距最大，紫光的条纹间距最小,1、双缝干涉：,产生明暗条纹的条件,明条纹：路程差等于半波长的偶数倍。,暗条纹：路程差等于半波长的奇数倍。,2、薄膜干涉,产生：在楔形膜前后表面反射的光相遇叠加产生,运用：干涉法检查物体表面的平滑度,特例：肥皂薄膜、水面上的油膜、增透膜等,等厚干涉花样,等倾干涉花样,空气薄膜厚度不同形成的环状干涉花样,牛顿环,光的干涉和衍射2、光的衍射,光在自由空间是沿着直线传播的。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，这种现象称为衍射，也称为绕射。一束激光通过一细长的狭缝以后，在距缝几米处的屏幕上，出现的将不是狭缝的几何阴影，而是明暗相间的衍射条纹。理论分析表明，只有当光所遇到障碍物或狭缝的尺寸与其波长可以相比拟时，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。,光的衍射,光的衍射现象惠更斯-菲涅耳原理,*光的衍射现象,波在传播过程中遇到障碍物，能够绕过障碍物的边缘前进这种偏离直线传播的现象称为衍射现象。,衍射条件：当孔或障碍物的尺寸可以跟光的波长相比拟，甚至比光的波长还要小时，可以观察到明显的光的衍射现象。,条纹特点：中央条纹最宽最亮，两边条纹较暗较窄，条纹间距不等。,条纹在屏幕上的位置与波长成正比如果用白光做光源，中央为白色明条纹，其两侧各级都为彩色条纹。该衍射图样称为衍射光谱。,6.1.3光与固体的相互作用reciprocity,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。产生两个重要结果：1、电子极化electronpolarization电磁波的电场分量在传播过程中与材料的每个原子都发生作用，引起电子云和原子核重心相对位移，产生电子极化。结果光线通过介质时，部分能量被吸收；光波速度减小，导致折射产生。,2、电子能态转变energystatechange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；材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化E与电磁波频率有关：E=h受激电子不可能无限长时间地保持在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波，即自发辐射。,电子能态转变energystatechange,原子吸收了光子的能量E2-E4,与电磁波的频率有关1）只有能量为的光子才能被吸收；2）激发态停留很短时间，衰变回到基态，发出电磁波。3）衰变途径不同，发出电磁波的频率不同。,3、固体光吸收的本质solidphotoabsorption,固体中电子的能带结构，绝缘体和半导体的能带结构，其中价带相当于阴离子的价电子层，完全被电子填满。导带和价带之间存在一定宽度的能隙（禁带），在能隙中不能存在电子的能级。这样，在固体受到光辐射时，如果辐射光子的能量不足以使电子由价带跃迁至导带，那么晶体就不会激发，也不会发生对光的吸收。,4、离子晶体吸收ionphotoabsorption1）离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏，相当于紫外光的能量。因此，纯净的理想离子晶体对可见光以至红外区的光辐射，都不会发生光吸收，都是透明的。2）碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由25m到250nm，相当于0.055ev的能量。当有足够强的辐射（如紫光）照射离子晶体时，价带中的电子就有可能被激发跨过能隙，进入导带，这样就发生了光吸收，晶体变得不透明。,如果在其中掺入0.1%的Cr3+时，晶体呈粉红色，掺入1%的Cr3+时，晶体呈深红色，此即红宝石，可以吸收可见光，并发出荧光。这是由于掺入的Cr3+离子具有填满电子的壳层，在Al2O3晶体中造成了一部分较低的激发态能级，可以吸收可见光。实际上，该材料就是典型的激光材料，,杂质原子在无机绝缘体中光学性质的研究范围十分广泛，作为掺入作为光学活性中心的杂质离子多数为过渡金属和稀土金属离子等。,5、半导体的光吸收和光导电现象semiconductorphotoabsorption室温下半导体材料的禁带宽度决定材料的性质。本征半导体的光吸收和发光，一般说来都源于电子跨越能隙的跃迁，即直接跃迁。价带中的电子吸收一定波长的可见光或近红外光可以相互脱离而自行漂移，并参与导电，即产生所谓光导电现象。当导带中的一个电子与价带中的一个空穴复合时，就会发射出可见光的光子，这就是所谓光致发光现象。,非本征半导体的光吸收掺入半导体的杂质有三类施主杂质、受主杂质、等电子杂质这些杂质的能级定域在能隙中，构成了的各种光吸收跃迁方式。n型半导体可以向导带提供足够的电子，但在价带中没有空穴，因此不会发光。同样，p型半导体价带中有空穴，但其导带中却没有电子，因此也不会发光。将n型半导体和p型半导体结合在一起形成一个p-n结，那么可以在p-n结处促使激发态电子（来自n型半导体导带）和空穴（来自p型半导体价带）复合，从而产生光子辐射。这种发光值发生在p-n结上，电致发光，是发光二极管工作的基本过程。,6.2材料对光传播的影响lightpromulgate,光通过介质的现象,光波在一种介质A中沿直线传播，当光波当达另一种介质B表面后分别后反射、散射、吸收、透过。初始的光强度为I，反射Ir、散射Io、吸收Ia、透过ItI=Ir+Io+Ia+It光入射到介质表面所引发的光现象是光子与介质中的原子、离子、电子在微观层次上的相互作用。电磁辐射的电场对介质中原子作用引起的电子极化，导致电子云和原子核电荷重心的相对位移，从而部分光被吸收，光速减小，出现折射现象。,6.2.1材料的光反射、折射和透射reflection、refraction、transmission,一、光的反射与折射光从一种介质进入另一种介质时会发生反射和折射。光的传播性基本规律：均匀介质中光的直线传播定律；在介质分界面的反射和折射定律；光的独立传播定律；光路可逆性原理,反射定律与折射定律,入射光线到两介质界面时，会发生折射和反射。1、光的反射定律（1）反射线和入射线位于同一平面内，分别处于法线两侧；（2）反射角等于入射角，即11三线共面；,折射当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。光在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率。折射定律（1）折射线位于入射线平面内，并与入射线分别处于法线两侧；（2）对单色光来说，入射角1的正弦和折射角2的正弦之比为一个常数，,式中：和分别表示光在材料1及2中的传播速度，为材料2相对于材料1的相对折射率。介质的n总是大于1的正数。例如；空气固体氧化物n=1.32.7，硅酸盐玻璃,2、光的折射定律,3.折射率与传播速度的关系,折射定律：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。材料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，才使得其传播速度变得比真空中慢。铁磁性材料非铁磁性材料,光的反射与折射折射率与传播速度的关系,相对折射率与折射率的关系,根据两种材料的折射率n1、n2可以算出两种材料之间的相对折射率n21与折射率的关系。折射定律改写成,光速：,真空:折射率:折射定律:三线共面；,两媒质界面上光的折射和反射,光的反射与折射,二、影响材料的折射率的因素,材料的折射率与多种因素有关。1）构成材料元素的离子半径介质的折射率随介电常数增加而增加，介电常数与介质的极化有关。当光的电磁辐射作用到介质上，介质的原子受到外电场的作用引起电子极化。正负电荷的中心相对位移。当离子半径增大时，材料的介电常数增加，n值增大。离子半径大的材料折射率较高，而离子半径小的材料折射率较低。,对于无机材料电介质，故当离子半径增大时，其增大，因而n也增大。因此，可以用大离子得到高n的材料，用小离子得到低n的材料，如,影响材料的折射率的因素,2）材料的结构、晶形和非晶态折射率还与离子排列密切相关。非晶态和立方晶体材料各向同性材料：材料只有一个折射率，称为均质材料有些晶体会有双折射现象非均质材料。3）材料的内应力对折射率的影响垂直于拉应力方向的折射率大平行于拉应力方向的折射率小。,影响材料的折射率的因素,4）同质异构体同质异构体材料高温时晶型的折射率较低；低温时晶型的折射率较高。石英玻璃常温n=1.46高温n=1.47石英晶体常温n=1.55高温n=1.495）折射率与传播速度的关系由光的折射定律材料的折射率反映光在该材料中传播速度的快慢。折射率大光的传播速度慢（光密介质）折射率小光的传播速度快（光疏介质）,各种玻璃和晶体的折射率,三、光路可逆性原理,1）当光线从介质2沿原折射线从反方向入射到界面，在介质1中折射，必定沿逆原入射线方向射出。2）若光线沿原反射线方向射入，经界面反射后必定沿原入射线以相反方向射出。,四、透射率、反射率transmittance、reflectivity,经折射进入介质2的光为透射光，透射光功率与入射光功率之比为透射率。光的透射率与光的偏振方向有关，随入射角而变化。设光的总能量流W=W+WW、W,W-分别为单位时间通过单位面积入射光、反射光、折射光的能量流。,反射率reflectivity光波在界面的反射和折射前后会发生能量的变化。反射光功率与入射光功率之比称为反射率。光的反射率和折射率与光的偏振方向有关，随入射角而变化。反射率为Rssin2（）/sin2（）和为入射角和折射角。同一材料在不同介质中有不同反射率。不同材料对同一波长的光波的反射率也有很大差异如：对波长为0.36m的光铝薄膜的反射率可以达到92.5%，铜薄膜仅有36.3%。,反射率reflectivity,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.在忽略吸收的情况下，当光从介质1进入介质2时1）介质为空气，n1=1,n21=n2R（n1）/（n1）22)当两种介质折射率相差很大时，界面反射损失也很大;R大3)如果n1=n2，R=0垂直入射的情况下，几乎没有反射损失。,透射率（系数）,根据能量守恒定律W=W+WW/W=1-W/W=1-R1-R-透射系数,五、全反射reflectiontotal,反射和透射光线的强度随入射角的变化会发生显著变化。随着入射角的增大，反射光线会逐渐增强，透射（折射）光线会越来越弱。当光从一种介质进入另一种介质时，若n1n2（光密光疏），则折射角大于入射角。此时，存在一入射角c，使折射角为90。全反射,全反射,当入射角大于c时，入射光全部在介质1中反射，不会发生折射，光线能量全部在介质1中。这种现象称为全反射。c称为全反射的临界角。,根据折射定律Sincn2/n1不同介质材料的临界角不同。玻璃空气42钻石n=2.417,临界角很小，容易发生全反射临界角：光纤导光原理：全反射,光的全反射,光纤结构示意图：,纤芯：575m掺杂了的SiO2，n一定或随半径增加而减小。包层:总直径为100200m,折射率稍小于纤芯的掺杂了的SiO2。涂敷层：硅铜或丙烯酸盐，隔离杂光。护套：尼龙或有机材料，增加强度，保护光纤。,光的全反射有效降低光在传播过程中的能量损耗,发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。,上海东方明珠,非晶态和立方晶体这些各向同性材料，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。,6.2.2晶体的双折射与二向色性birefringence,1、双折射birefringence当光束通过各向异性界面时，会分成两束折射光，沿不同方向传播，这种现象称为双折射。双折射分成的两束光线：寻常光（或o光）非常光（或e光）o光和e光都是线偏振光o光的振动方向垂直于主截面e光的振动方向平行于主截面,晶体的双折射现象,方解石(CaCO3),双折射(birefringence),寻常光o和非常光e,寻常光,非常光（Extraordinarylight）,O光,e光,遵从折射定律,（Ordinarylight）,不遵从折射定律,两束折射光的三个特点：,（1）均为线偏振光，偏振态相互垂直。,O光,e光,（2）当垂直入射时，一般,（3）对寻常光,平行于入射面的光线的折射率常光折射率n0不论入射光的入射角如何变化，n0始终为一常数，因而寻常光折射率严格服从折射定律。,对非寻常光,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。当光沿晶体光轴方向入射时，只有n0存在，与光轴方向垂直入射时，ne达最大值，此值是材料的特性。,2、晶体的光轴opticalaxis,在大量实验中发现，各种晶体都存在着一个特殊的方向，当光沿该特殊方向传播时，不发生双折射，该方向称为晶体的光轴。若不断改变入射光线的方向，在晶体中沿某些方向传播的光不发生双折射.光轴所标志的是一个方向而不是某一具体直线。只有一个光轴的晶体称为单轴晶体。（方解石、石英）具有两个光轴的晶体称为双轴晶体。（云母、硫磺）,方解石（CaCO3）,单轴晶体属于六方晶系。六个表面（解理面）均为平行四边形，四边形的一对锐角为78，另一对钝角为102。八个顶点中有两个顶点是由三个钝角所形成的。两个顶点间的连线方向方解石晶体的光轴。将这两个顶点磨成两个光学平面，使两个光学平面都垂直于光轴，不发生双折射现象。,方解石（CaCO3）,双折射的折射现象的解释,晶体结构的各向异性决定了晶体中原子、分子等微观粒子固有振动的各向异性。当入射波进入介质，受微观粒子受迫振动的影响，以合成波在介质中传播。在单轴晶体中，光的传播速度与光波电矢量方向相对于光轴方向的角度有关。折射率也和这个角度有关。当光波电矢量与光轴垂直时，传播速度为0，寻常光的主折射率n0c/0当电矢量与光轴平行时，非常光的主折射率nec/e非常光沿不同方向传播有不同的折射率。,偏振棱镜,（1）渥拉斯顿棱镜,渥拉斯顿棱镜是由两块光轴相互垂直的方解石（none）直角棱镜组成。,渥拉斯顿棱镜既具有起偏作用，又具有分光作用。,若沿光轴传播，折射率也是n0，在光轴方向观察不到双折射现象。利用晶体材料的双折射现象制成的特殊光学元件偏振元件：分解自然光偏光干涉仪、滤光器。,把方解石（ne=1.468，no=1.658)按长度为宽度的2.8倍的比例磨制，后沿晶体上某个面将晶体剖成两半，再以n=1.550的加拿大树胶粘合成原来形状，就成了尼科尔棱镜。,对于o光，non,产生全反射,对于e光，nen,获得偏振光,（2）尼科尔棱镜,尼克尔棱镜比较贵。多用于高级光学实验。,3、折射率椭球,晶体结构的各向异性决定了晶体中原子、分子等微观粒子固有振动的各向异性。当入射波进入介质，受微观粒子受迫振动的影响，以合成波在介质中传播。合成波的频率与入射波相同，相位受微观粒子固有振动频率的影响而滞后。在晶体中，在三个独立的空间方向上具有不同的振动频率1、2和3。,寻常光o光,o光电矢量垂直于光轴，传播时相位只受2制约，在任何方向传播速度均相同，用0表示。o光的等相点轨迹是以C为中心的圆。绕通过C点的光轴（光轴方向以虚线表示）旋转180，得到寻常光的波面，为一球面。,非寻常光e光,e光电矢量方向在主截面内，因传播方向不同而与光轴成不同角度。可将其分解为平行和垂直于光轴的两个分量。传播速度介于0和e之间。非常光在不同方向有不同传播速度，因此等相位点的轨迹形成一个椭圆。将其绕过C点的光轴旋转180得到e光的波面是一个椭球。,非常光沿不同方向传播有不同的折射率，但若沿光轴传播，折射率也是n0，光轴方向观察不到双折射现象。折射率椭球可以描述晶体的双折射性质。折射率椭球方程x2/nx2y2/ny2z2/nz21nx、ny、nz是x、y、z三个方向上的主折射率。,双轴晶体的折射率椭球,双轴晶体的三个主折射率各不相等。在这两个方向上不发生双折射，这就是双轴晶体的光轴。单轴晶体：有两个相等的主折射率，椭球方程可改写为（x2y2）/no2z2/ne21若三个主值均相等，则折射率椭球变为圆球各向同性材料的特性。,4、二向色性,晶体结构的各向异性1）产生折射率的各向异性（双折射）2）产生吸收率的各向异性二向色性二向色性是指由于晶体结构的各向异性产生吸收率的各向异性。某些具有二向色性的晶体完全吸收寻常光，而让非常光通过某些晶体对非常光的选择吸收。1mm电气石白光透过后呈黄绿色。具有二向色性的材料可以制造偏振元件二向色性的偏振片。,晶体的二向色性、晶体偏振片,利用晶体的二向色性(dichroism)可产生线偏振光,光轴,偏振棱镜,尼科耳棱镜(Nicolprism),尼科耳棱镜能将两束偏振光完全分开，质量好，价格较贵。,尼科耳棱镜可以用作起偏器或检偏器,1、光的本性光的基本特性:波粒二相性、电磁波、横波、偏振性光与固体的相互作用两个重要结果：1、电子极化，2、电子能态转变2、材料对光传播的影响1）反射、折射和透射2）双折射与二向色性晶体结构的各向异性产生-折射率的各向异性双折射吸收率的各向异性二向色性,6.2.介质对光的吸收和色散absorptionanddispersion,在光束通过物质时，它的传播情况将要发生变化。1）光束越深入物质，它的光强将越减弱。这是由于一部分光的能量被物质所吸收，而另一部分光向各个方向散射所造成的，这就是光的吸收和散射现象。2）光在物质中的速度将小于光在真空中的速度，并将随波长而改变，这就是光的色散现象。光的吸收、散射和色散三种现象，都有是由于光与物质的相互作用引起的，实质上是由光与原子中的电子相互作用引起的。这些现象是不同物质光学性质的主要表现，对它们的讨论可以为我们提供关于原子、分子和物质结构的信息。,光通过物质时，光波中的振动着的电矢量，将使物质中的带电粒子作受迫振动，光的部分能量将用来提供这种受迫振动所需要的能量。这些带电粒子如果与其它原子或分子发生碰撞，振动能量就会转变为平动动能，从而使分子热运动能量增加，物体发热。光的部分能量被组成物质的微观粒子吸取后转化为热能，从而使光的强度随着穿进物质的深度而减小的现象，称为光的吸收（absorption）。,一、介质对光的吸收(absorption)1、定义,光强为I0的单色平行光束沿x轴方向通过均匀物质，经过一段距离x后光强已减弱到I，再通过一无限薄层dx后光强变为I+dI。实验表明，在相当宽的光强度范围内，dI相当精确地正比于I和dx，即dI/I=-dx,式中是与光强无关的比例系数，该物质的吸收系数。表示光通过单位距离后的能量损失比例，由于光强随x增加而减弱，所以用负号表示。表征了光的吸收的线性规律,介质对光的吸收2、吸收定律,1）朗伯（Lambert）定律,当波长一定时，吸收系数是与介质性质有关的常数上式积分II0el朗伯（Lambert）定律。朗伯定律表明: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。为物质对光的吸收系数，单位为cm-1。取决于材料的性质和光的波长。,lnIlnI0l,2)比尔（Beer）定律若光通过的介质为稀薄溶液，吸收系数与溶液中吸收中心分子的浓度C成正比，即C，为与浓度无关的常数，朗伯定律可改写为II0eCl比尔（Beer）定律。利用比尔定律通过测量I可得溶液的浓度C。,当l1，则上式可近似为l（I0I）/I0表示经过厚度为l的材料后光强被吸收的比率。设lA，A称为吸收率。,7.1.2物质对光的吸收,物质的颜色与光的关系,完全吸收,完全透过,吸收黄色光,光谱示意,表观现象示意,复合光,3、吸收光谱,任何物质都存在这两种形式的吸收，但出现的波长范围不同，材料的吸收系数与波长相关。一般吸收：在特定的波长范围内，材料的吸收系数几乎不变，这种现象称为一般吸收。选择吸收：在其他波长范围内，同一材料的吸收率随波长变化快速提高，称为“选择吸收”。解释物质在某一波长透明，在另一波长范围内不透明的现象。,吸收光谱AbsorptionSpectrum,纯电子能态间跃迁,分子内电子跃迁,带状光谱,锐线光谱,物质对光的选择吸收Selectedabsorption,物质的电子结构不同，所能吸收光的波长也不同，这就构成了物质对光的选择吸收基础。,例：,A物质,B物质,同理，得：,1ev=1.610-19J.,除了真空没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。例:在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象为一般吸收；但是对于波长范围为3.55.0m的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸收。,一般吸收和选择吸收,例如，普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线主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。实际上，任何光学材料，在紫外和红外端都有一定的透光极限。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。,6-3,一般吸收和选择吸收,具有连续谱的光(白光)通过有选择吸收的物质后，再经光谱仪分析，可显示出某些波段的光或某些波长的光被吸收的情况，这就是吸收光谱。,太阳光经过大气层时的吸收光谱,原子吸收光谱具有很高的灵敏度，所以近几十年来，在定量分析中原子吸收光谱得到了越来越广泛的应用。不少新元素都是用这种方法发现的。,金刚石和石英这两种电介质材料的吸收区都出现在紫外和红外波长范围。它们在整个可见光区，甚至扩展到近红外和近紫外都是透明的，是优良的可见光区透光材料。,金刚石的吸收光谱石英的吸收光谱,用发射连续光谱的白光源发光，经分光仪器分解出单色光束，使光束通过待测材料，可以测量波长与吸收系数的关系，得到波长吸收系数的谱图，称为吸收光谱。,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；电子受激吸收光子而越过禁带；电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光；所以，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表现出的能量交换过程。,4.吸收的物理机制,吸收光谱,光作用于物质时，物质吸收了可见光，而显示出特征的颜色，这一过程与物质的性质及光的性质有关。,分子基态的电子组态,物质对光的吸收,物质对光的吸收满足Plank条件,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，即吸收系数很小。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电子跃迁到导带，所以在一定的波长范围内，吸收系数很小。,光吸收与光波长的关系,产生连续光谱的光源在通过介质后会产生吸收，所形成的光谱为吸收光谱，吸收系数大的位置出现谱线消失。,物质的定量分析；气象、天文研究。,二、不同材料对光能的吸收,1、金属对光能的吸收金属对可见光是不透明金属的电子能带的特殊性金属的价电子处于未满带，费米能级上存在许多空能级。光线照射时，电子吸收入射光的能量，由基态跃迁到激发态空能级上，因此，各种能量的光子都被吸收了，不能透过。,金属对光的反射,金属对低频电磁波（无线、紫外）是不透明金属对高频电磁波(x,r射线）透明大部分金属吸收了光后同样的波长反射出来。金属的反射系数0.90.95之间。金属的颜色是由反射光的波长决定的。,2、非金属材料,非金属材料对可见光透明或不透明。非金属材料对可见光吸收机理电子受激吸收光子越过禁带光子能量达到禁带时，绝缘材料的电子会吸收光子能量从满带跃迁到导带，根据材料的禁带宽度EgEghhc/hc/EgHEg吸收光子可见光的最大波长0.7微米，吸收光子后电子越过Eghc/=1.8ev,非金属对光的吸收,非金属材料的禁带宽度3.1ev。不可能吸收可见光非金属材料对可见光透明的。Eg1.83.1ev部分吸收可见光半透明半导体禁带宽度3.1ev透明金刚石Eg1.83.1ev半透明、带色透明0，这种在吸收带附近不符合科希公式，与正常色散曲线大不相同的特征称之为反常色散（anomalousdispersion）大多数材料在遇到吸收带时，色散曲线都有这种不连续的性质。在吸收区域以外，物质的色散曲线仍属于正常曲线。,6-6,反常色散anomalousdispersion,反常色散在某些波段会出现，波长变大时折射率值增大的现象，这称为反常色散。反常色散与选择吸收密切相关，即在发生物质的选择吸收波段附近出现反常色散。描述反常色散下n与关系经验公式塞耳迈耳方程：,反常色散,石英透明材料随波长增加，开始时色散曲线符合科希公式，但从接近吸收带的一点开始，折射率急剧下降，直至进入吸收区，离开吸收区后，折射率从高点迅速下降，缓慢降低，离开吸收区一段后，又符合科希公式。,6.2.4光散射lightscattering1、光散射现象,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传播，这种现象称为光的散射。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。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，从而引起散射。,介质的光散射,光散射使光强能量在原来传播方向上减弱。微粒、烟尘、悬浮液滴，材料中性能不同的晶界相、气孔或其夹杂物都会引起部分光束被散射，使光强能量在原传播方向上的减弱。光强随传播距离减弱符合指数衰减规律I0初始光强度，I为通过厚度为l的试件后的光强度;为消光系数，单位为cm1，aa和s分别为吸收系数和散射系数。,散射系数,散射系数与大小、数量、光波长以及散射质点与基体的相对折射率有关。当光的波长等于散射质点的直径时，出现散射的峰值dmax=4.1/2（n-1)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d时，随d增加，散射系数s减小。D=，散射系数s最大值。空气次波源，使阳光产生散射-蔚蓝天空。,2、散射的分类,根据散射前后光子（光波波长）是否变化，可以将光散射分为弹性散射和非弹性散射两类。非弹性散射比弹性散射弱几个量级，因此常常被忽略。弹性散射是指散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化的散射。弹性散射过程光子与散射中心的弹性碰撞。特点：只改变光子的方向，而不改变光子的能量。除波长（或频率）不变外，散射光强度与波长的关系因散射中心尺度的大小而不同。有关系Is1/Is为散射光强度，为入射光波长，与散射中心大小0有关的参数。,弹性散射分类按照散射中心尺度a0与入射光波长是大小，分为三类：1）廷德尔散射TyndallScattering当a0时，0散射中心的尺度远大于光波波长时，散射光强与入射光波长无关如粉笔灰、白云呈白色例如在胶体、乳浊液以及含有烟、雾或灰尘的大气中的散射。,2）米氏散射MileScattering当a0与相近时，=0-4散射中心的尺度与光波波长可以比拟时，在0-4之间,具体取值与散射中心有关.存在散射光强度随a0/值的变化而波动，在空间分布不均匀等问题。粒度分析仪：聚合物相结构、尺寸分布,光散射分类,3）瑞利散射Rayleighscattering当a0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次方成反比Is=1/4(瑞利定律）通常我们把线度小于光的波长的微粒对入射光的散射，称为瑞利散射（Rayleighscattering）。瑞利散射不改变原入射光的频率。,介质对光的散射,瑞利定律微小粒子a0对长波的散射不如短波有效。可见光的短波侧=400nm紫光的散射强度要比长波=720nm处红光的散射强度大10倍。Is的关系实验和理论都证明,较大的颗粒对光的散射不遵从瑞利散射定律，这时散射光强与波长的依赖关系就不十分明显了。,介质对光的散射,3）瑞利散射按照瑞利散射定律，我们不难理解晴天时晨阳与午阳的颜色不同。入射波长越长，散射光强越小，即长波散射要小于短波散射。因为大气及尘埃对光谱上蓝紫色光的散射比红橙色光为甚，阳光透过大气层越厚，其中蓝紫色光成分损失越多，太阳显得越红。,介质对光的散射,Global,早晨,中午,太阳光,瑞利散射研究与应用,在高分子材料的研究中1）利用瑞利散射来研究高分子的结晶行为和结晶结构；2）瑞利散射的图样进行傅立叶变换来研究聚合物共混体系的相结构及相尺寸。3）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c。4）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。,入射光子与介质发生非弹性碰撞使散射光频率发生改变，称为非弹性散射。,散射：仅改变方向，波长不变。弹性碰撞无能量交换,瑞利散射不变,非弹性碰撞，有能量交换，波长有变化,拉曼散射变,2、非弹性散射,用高灵敏度和高分辨率的光谱仪器，在弹性散射光的频率高端和低端侧，可以发现非弹性散射的光谱成分。强度低于弹性散射。,喇曼光谱,当频率为V0的单色光入射时，其大部分散射光的频率没有变，其强度约为入射光的10-3，这种散射称为瑞利散射.有极少散射光频率变为这种散射称为拉曼散射。光谱上低频（v0-v）的散射线斯托克斯线光谱上高频（v0+v）的散射线反斯托克斯线,光的波粒二相性解释光的非弹性散射,散射光频率降低红移散射光频率增高蓝移1）拉曼散射由相互束缚的正负离子组成。正负离子的周期振动，导致偶极矩的周期变化，振动偶极矩与光波电磁场相互作用引起能量交换，对光波产生非弹性散射。光子与光波之间的能量交换。2）布里渊散射点阵振动的声学声子（声学模）与光波之间的能量交换。布里渊散射的频移比拉曼散射小，它们靠近瑞利线旁，只能用高分辨的双单色仪分辨。,光子散射能量变化的量子解释,光是由能量E=hV0的光子组成的光子流。光子与物质相撞，为弹性碰撞时，是瑞利散射；光子与物质非弹性碰撞时，碰撞后光子能量发生变化，亦即频率不等于入射光V0的频率，即喇曼散射。,量子观点解释,1）介质分子受到频率为0的入射光子作用从能级E1跃迁至某一虚能级，然后跃迁回原能级E1时，放出与原入射光子频率相同的光子瑞利散射2）跃迁回一个比E1高的E2能级时，放出的光子频率就会比入射光子的频率低红移拉曼散射的斯托克斯过程h=（E2E1）3）若介质原来处于较高能级E2，吸收光子跃迁后，向下跃迁回能级E1，则放出蓝移的散射光子。依旧符合h=（E2E1）能量守恒拉曼散射的反斯托克斯过程,非弹性散射的研究,非弹性散射强度非常微弱，在激光器等强光光源出现后才得到较大发展。拉曼散射、布里渊散射的散射频率与散射物质的结构有关，研究非弹性散射可获得固体结构点阵振动声学动力学分子能级特征,CCl4的拉曼光谱,Stockslines,anti-Stockeslines,Rayleighscattering,/cm-1,6.3材料颜色形成的化学机理,一、颜色的形成在可见光区，不同波长的光波显现出不同的颜色。材料的颜色是由物质对光的吸收、材料发射不同波长的电磁波和光在传播时的反射、透射、散射等物理过程对人视觉感应出的综合体现。影响材料颜色的主要因素：原子激发、分子振动、过渡金属的能级在配位场中的变化、共轭效应、混合价态化合物电荷转移效应、电子在固体能带间的跃迁等,颜色的起因,化学因素化学结构会导致选择吸收和颜色的起因发光。物理因素物理过程会使光在传播中出现颜色。颜色的起因分成15种类型原子激发和分子振动1.固体高温加热白炽化（火焰、灯光、碳弧）2.气态原子或分子激发（气体激光、闪电、极光）3.分子的振动和转动（水和冰显淡蓝色）配位场效应下的电子跃迁4.过渡金属元素化合物（激光、荧光、磷光体）5.过渡金属元素掺杂到晶体中（红宝石（Al2O3:Cr3+）电子在分子轨道间跃迁）,电子在分子轨道间跃迁6.有机化合物（有机染料、某些生物体显色）7.电荷转移（普鲁士蓝、磁铁矿）电子在固体能带间跃迁8.金属（铜、银、金、黄铜）9.纯半导体（硅）10.掺杂或激活的半导体（发光二极管、激光或磷光体）11.色心（紫晶、某些荧光与激光）几何或物理光学因素12.色散的折射，偏振等（虹、晕）13.散射（蓝天、晚霞）14.干涉（水面上彩色油膜、肥皂泡）15.衍射（衍射光栅、液晶、光轮）,二、变色材料,当材料受到外界光、热、电等激发源作用后改变颜色，称为变色材料。按激发源不同可分为：光致变色材料热致变色材料电致变色材料压致变色材料,1、光致变色材料（1）光致变色成像原理材料在受到一定波长的光照射时，能够发生颜色的变化，而在另一波长的光或热的作用下，它们又会恢复到原来的颜色的现象光致变色现象。这类材料称为光致变色化合物。,光致变色通式,正性光致变色在光照下材料由无色或浅色转变成深色；逆光致变色在光照下材料的颜色从深色转化成无色或浅色,（2）光致变色材料的种类,光致变色材料:无机光致变色材料和有机光致变色材料。有机光致变色材料有：螺环烃类、染料类、邻-硝基苄基衍生物等。无机光致变色材料有：金属卤化物、金属羰化物（卤化银晶体分散在玻璃中制成的变色眼镜）无机材料的变色过程大多为物理过程，有机材料变色过程除物理过程外，还包括互变异构、化学键裂解等与光有关的化学过程。,光致变色材料的应用,新型功能的光致