第四章-材料的光学性能.ppt

第四章材料的光学性能,电性能和光学性能的对比,本章关键词：光和固体的相互作用,光在高科技中的地位不断提高。光集成器件和光子计算机都是人们追求的对象（集成电路和电子计算机虽然取得了很大的成就，但是有其自身难以克服的缺点-热效应较大、速度慢）。光学信息是人类获得的最重要的信息，将光学信号转变为电信号，以使得计算机帮助人类存储和处理信息，将是人类科学进步的方向。,望远镜,激光测距仪器,激光,主要内容（可见光及其光谱附近的红外紫外等）,光和固体（电子、离子、原子）的相互作用材料的发光红外关学性能电光效应、光折变效应、非线性光学效应磁光效应和光导纤维,可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分,波长范围大致在400730纳米之间，是电子从高能级向低能级跃迁而产生的。材料的光学性能体现在光与固体的相互作用的过程。,4.1.1光的波粒二象性,1、爱因斯坦将光的粒子性和波动性相联系（统一的）,电磁波是物质的存在方式之一,4.1光和固体的相互作用,粒子性：反射、透射、折射的解释,射线是原子核结构改变X射线、紫外线、可见光是由于原子核外电子能态改变红外辐射、微波、无线电波是由于原子振动或晶格改变,波动性：传播和衍射、干涉,2、电磁波的产生,光子能量逐步降低,3、电磁波的传播,四种光现象的解释:光进入固体引起固体内部微观变化(1)电子极化：吸收和折射(2)电子能态转变：光子的吸收、反射、散射,透过，透射系数吸收，吸收系数,真空中,介质中,4.1.2光通过固体的现象,1、四种理想现象,能量守恒,反射，反射系数散射，散射系数,材料光学性能的表征,1、材料折射率,真空中光速与介质中速度之比称为折射率n,玻璃杯是透明的，但我们仍然可以看得到玻璃，因为玻璃杯的折射率和空气不同，光线在玻璃与空气的交接面发生折射而改变方向。若玻璃杯的折射率等于空气，则隐形。透明人是如何实现？在水中是否还能隐形？,折射实验测得,电影透明人HollowMan,影响折射率的因素,（1）材料的离子半径离子半径越大，对光子影响越大，折射率越高,玻璃掺杂Pb、Ba离子可以提高折射率,人的密度与水接近，大大高于空气的密度，因此靠改变人体折射率才制造透明人不大可能实现,（2）材料的晶体结构非晶态和立方晶体等均质物质只有一个折射率其他晶体一般数以非均质介质，有双折射现象沿晶体的密堆方向，离子密度较大，折射率高,（3）材料存在内应力内应力改变晶体结构和电子能态垂直于应力方向n较大，平行于应力方向n较小,（4）同质异构体石英在不同温度有多种异构体，常温下石英比高温时折射率大,1.1色散,材料的折射率与入射波长有关,光的控制把光比作一辆汽车，那材料的折射率就是方向盘，一般来说，材料的折射率越高代表我们对光的控制能力越强。,透镜成像由于光的色散而在像的周围形成色带,消色差镜头,色散表征,色散系数（Abbe数）,nD:NaD谱线(589.3nm)nF:HF谱线(486.1nm)nC:CC谱线(656.3nm),色散系数中，为可见光中间和两端的三个谱线。色散系数和n越高越好,2、材料的反射系数,增透膜多层材料之间用折射率相近的透明胶填充,（1）两介质折射率相差较大,1）反射系数,若n11，光从空气或真空入射，则,n1n2,2）影响反射的因素,减少反射的方法：,（2）存在吸收,消光系数（为吸收系数）,则,4.1.3材料的透射及其影响因素,某些光学材料的应用都希望其透射系数高，即吸收和散射较弱,1、金属的光透过性质,隐形飞机对于雷达电波是隐形的，主要采取两种方法：1、吸收较强（B-2）2、将雷达波发射到其他方向（F117）,金属对于低频电磁波（无线电波紫外光）都是不透明的,吸收,物理解释：反射和吸收,（2）吸收膜的颜色由透射光决定,（1）金属对光的反射系数为0.90.95金属的颜色由反射光决定铝为银白色全部反射黄金为金黄色选择反射,铝,黄金,光和物体相互作用之后进入人的眼睛，或发射或吸收，人眼能看到的光线决定物体的颜色,2、非金属材料的光透过性质,介质吸收光的一般规律,（1）电子吸收的机制：,云海由空气和小水滴组成，不透明,电子极化：微波炉电子受激发越过禁带电子受激发进入杂质和缺陷能级,最小禁带宽度,可见光最大波长为0.7微米,对于禁带宽度为1.83.1eV之间的材料一般吸收部分可见光，是带色透明,很多非金属材料不透明是因为不纯,材料吸收能量的释放：,高能级电子与空穴复合多能级转移，放出两个光子多能级转移，放出一个声子（原子热振动）和一个光子,3、光程影响吸收,光强度随通过介质厚度下降,小结,可见光金属半导体对吸收很大，电介质材料吸收很小紫外光子能量很大，吸收较大红外吸收是由于晶格谐振，选择吸收,共价晶体的固有频率,制作透明材料的时候，应该尽量降低吸收，使吸收频率远离可见光的频率,K为离子小位移时候的弹性常数McMa为阳离子和阴离子质量,例如：硅中的Si-O键,这种结构的氧原子振动只吸收波长约为9微米的红外线，可以用来测量硅晶体中的氧含量。,散射的原因：光传播的介质不均匀,散射与光程相关,S为散射系数,若散射和吸收都不能忽略,对于可见光中的大多数波段，空气是透明的，但对于蓝光，空气是不均匀的，容易散射，从白光中分离出来，因此天空是蓝色的。,（1）瑞利散射：散射波长与入射光相同（2）联合散射：散射波长与入射光不同,散射机制,散射,影响因素,（1）入射波长（2）散射颗粒大小、分布、数量（3）散射相与基体相对折射率（若相同则没有散射）,散射尺寸对散射系数的影响,一次反射损失,二次反射损失,散射尺寸,对于制造透明材料，其中杂质离子应该避免这样的尺寸，使得散射较大,陶瓷材料透光性影响因素,多相、杂质、气孔、晶界、微裂纹,设入