材料光学性能-09

1、 显示材料的应用显示材料的应用r为什么要研究光学性能？为什么要研究光学性能？ 新型的功能材料在新的技术中的应用。如激光技术、新型的功能材料在新的技术中的应用。如激光技术、光通讯、光机电一体化技术飞速发展，为满足上述技光通讯、光机电一体化技术飞速发展，为满足上述技术的发展，对光学性能提出更高的要求。术的发展，对光学性能提出更高的要求。r光学性能有哪些光学性能有哪些? 材料光的折射、色散、反射、吸收、散射等线性光学材料光的折射、色散、反射、吸收、散射等线性光学性能以及非线性光学性能。性能以及非线性光学性能。r本章内容：本章内容： 光学性能的概念、光学特性、光发射等。光学性能的概念、光学特性、光发射

2、等。 非线性光学性能产生条件、光学测量、光学材料应用非线性光学性能产生条件、光学测量、光学材料应用频率（Hz）1021041061081012101410161018102010221061041021101010-210-410-610-810-1010-1210-14波长名称长波中波短波超短波微波毫米波红外线可见光紫外线X射线10mm1mm100m10m1m100nm10nm1nm 红外线可见光紫外线光人眼所感受的叫可见光的波长范围： = 400760 nm 对应的频率范围： = 3.94 7.5 1014 Hz电磁波谱波长与频率的对应关系 可见，肉眼可见的光频段窄小/0cv c0 真空中

3、光速，c0 = 3.0108 m/sr线性光学性能的物理基础线性光学性能的物理基础（P 介质的电极化强度，介质的电极化强度， 介质的极化率，介质的极化率，E 入射光入射光波中的电场）波中的电场） 介质对光的作用与介质本身的电极化特性是有关介质对光的作用与介质本身的电极化特性是有关的，极化特性决定了其光学性能，光和电是不可分割的，极化特性决定了其光学性能，光和电是不可分割的，许多光现象是用电子理论解释的。的，许多光现象是用电子理论解释的。 EP01、折射、折射1 1、折射与折射率、折射与折射率折折 射射光线依次通过两种不光线依次通过两种不 同的介质时，光的行同的介质时，光的行 进方向发生改变的现

4、进方向发生改变的现 象。象。折射实质折射实质由于介质密度不同，由于介质密度不同， 光通过时，传播速光通过时，传播速 度不同度不同。 光的折射现象，光的折射现象， i入射角，入射角，r折射角折射角5.3.1 折射折射绝对折射率绝对折射率n光从真空进入介质材料时，光在两者中的传播速度之光从真空进入介质材料时，光在两者中的传播速度之 比为材料的绝对折射率，即比为材料的绝对折射率，即n 真空真空/材料材料 c/材料材料 1相对折射率相对折射率n21光从材料光从材料1通过界面进入材料通过界面进入材料2，两种材料的绝对折，两种材料的绝对折 射率之比为射率之比为“材料材料2相对材料相对材料1的相对折射率。的

5、相对折射率。n21 n2/n1 1/2 sin i/sin r介质的介质的n总是大于总是大于1的正数，例如空气的正数，例如空气 n=1.0003 ，固体氧化，固体氧化物物n=1.32.7，硅酸盐玻璃，硅酸盐玻璃 n=1.5-1.9 。折射率折射率n与介质的极化现象有关，影响极化率的因素即与介质的极化现象有关，影响极化率的因素即影响影响n。折射率折射率n是物质重要的特性参数，影响是物质重要的特性参数，影响 因素有：因素有： 1构成材料元素的离子半径和电子结构构成材料元素的离子半径和电子结构 麦克斯韦电磁波理论认为光在介质中的传播速度麦克斯韦电磁波理论认为光在介质中的传播速度c式中：式中：C真空中

6、光速，真空中光速， 介质介电常数，介质介电常数， 介质导磁率介质导磁率cn 对于无机材料电介质对于无机材料电介质 ，故，故 当离子半径增大时，其当离子半径增大时，其增大，因而增大，因而n也增大。因也增大。因此，可以用大离子得到高此，可以用大离子得到高n的材料，的材料， ，用小离，用小离子得到低子得到低n的材料，如的材料，如 。 2材料的结构、晶型和非晶态材料的结构、晶型和非晶态 象非晶态和立方晶体这些各向同性材料，当光通象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，称为射率，称为均质介质均质介质。

7、但是除立方晶体以外的其他晶型，。但是除立方晶体以外的其他晶型，都都是非均质介质是非均质介质。1 , 12/1n912. 3pbSn412. 14sicln5.3.1 双折射双折射 均质均质非晶、等轴晶系：介质只有一个折射率非晶、等轴晶系：介质只有一个折射率 光学材料光学材料 非均质非均质非等轴晶系：具有双折射特性非等轴晶系：具有双折射特性 自然光进入非匀质介质（非等轴晶系晶体）时，自然光进入非匀质介质（非等轴晶系晶体）时，一般要分为振动方向相互垂直传播速率不等的两个一般要分为振动方向相互垂直传播速率不等的两个波，分别构成两条折射光线，这种现象称为双折射波，分别构成两条折射光线，这种现象称为双折

8、射（原因：各向异性的表现）。（原因：各向异性的表现）。寻常光和非常光寻常光和非常光 对于各向异性晶体，一束对于各向异性晶体，一束光射入晶体后，可以观察到有光射入晶体后，可以观察到有两束折射光的现象。两束折射光的现象。寻常光线寻常光线(o光光) -遵守折射定律遵守折射定律非常光线非常光线(e光光) -不遵守折射定律不遵守折射定律o光和光和e光都是线偏振光。光都是线偏振光。 SI1R2R oe 方解石方解石oee on1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光光e光光寻常光和非寻常光寻常光和非寻常光o o光光 : : 遵从折射定遵从折射定律律orninsinsin21 e e光光

9、 : : 一般不遵从折射定一般不遵从折射定律律constrie sinsine e光折射线也不一定在入射面内。光折射线也不一定在入射面内。 光光光光当方解石晶体旋转时当方解石晶体旋转时o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光双双折折射射当方解石晶体旋转时当方解石晶体旋转时o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光当方解石晶体旋转时当方解石晶体旋转时o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体光光光光当方解石晶体旋转时当方解石晶体旋转时o光不动，光不动，e

10、光围绕光围绕o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体3同质异构体同质异构体在同质异构材料中，高温时的晶型折射率在同质异构材料中，高温时的晶型折射率n较低，低较低，低温时存在的晶型折射率温时存在的晶型折射率n较高。较高。 4外界因素（应力、电场等）外界因素（应力、电场等）有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，大，平行于受拉主应力方向的平行于受拉主应力方向的n小。小。材 料 平 均 折 射 率 双 折 射 由正长石（KalSi3O8）组成的玻璃 1.51 由钠长石（NalSi3O8）组成的玻璃 1.49 由霞石正长岩组成的玻璃 1

11、.50 氧化硅玻璃 1.458 硼硅酸玻璃 1.47 硫化钾玻璃 2.66 四氯化硅晶体 1.412 氟化锂晶体 1.392 氟化钠晶体 1.326 氟化钙晶体 1.434 锆英石 ZnSiO4 1.95 0.055 正长石 KalSi3O8 1.525 0.007 钠长石 NaAlSi3O8 1.529 0.008 钙长石 CaAl2Si2O8 1.585 0.008 硅线石 Al2O3SiO2 1.65 0.021 莫来石 3Al2O32SiO2 1.64 0.010 表表 各种玻璃和晶体的折射率各种玻璃和晶体的折射率 5.3.2 反射和透射反射和透射当光线由介质当光线由介质1入射到介质入

12、射到介质2时，光在介质面上分成了反时，光在介质面上分成了反射光和折射光，所图所示。射光和折射光，所图所示。单位能量流：单位能量流： WWW“反射系数：反射系数： 透射系数：透射系数： 22121)11)/(n-n(WWmWWm1 m反射系数反射系数， 根据能量守恒定律根据能量守恒定律（1-m）称为）称为透射系数透射系数。由上式可知，在垂直入射的情。由上式可知，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折射率 。 mWWWWWWW 1121n 设一块折射率为设一块折射率为 的玻璃，光反射损失的玻璃，光反射损失为为 ,透过部

13、分为透过部分为 。如果透射光又。如果透射光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，此时透过从另一界面射入空气，即透过两个界面，此时透过部分为部分为 如果连续透过如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分为块平板玻璃，则透过部分为5 . 1n04. 0m96. 01m922. 0)1 (2 mxm2)1 ( 由于陶瓷，玻璃等材料的折射率较空气大，所以由于陶瓷，玻璃等材料的折射率较空气大，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

14、，这样，除了最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，内部各界面都是和胶的较小的相对折射率，从而大大减少各界面都是和胶的较小的相对折射率，从而大大减少界面的反射损失。界面的反射损失。全反射全反射sin iC 1/n1光纤利用了全反射特性。光纤利用了全反射特性。光在其中传播无能量损失。光在其中传播无能量损失。思考题：思考题： 界面能造成光反射损失，如何减少多层玻璃造成的光界面能造成光反射损失，如何减少多层玻璃造成的光反射损失？反射损失？iic光密介质光密介质光疏介质光疏介质i=iciic通信用光纤、光缆

15、通信用光纤、光缆l光纤种类与尺寸多模单模纤芯直径65/50m10m 左右包层直径125m125m包层纤芯包层与纤芯的主要材料均为玻璃，但它们掺杂不同的杂质，使包层与纤芯具有不同的折射率。包层的外面还有一层保护层保护光纤简单说模式就是指电磁场的“波形”光纤中光波的传输原理-全反射之字线传输n2n1n2空气ABMAX只要满足全内反射条件连续改变入射角的任何光射线都能在光纤纤芯内传输入射光反射光折射光折射率n1折射率n1 n21光纤制造与衰减光纤制造与衰减 l光纤制造：现在光纤制造方法主要有：管内CVD(化学汽相沉积)法，棒内CVD法，PCVD(等离子体化学汽相沉积)法VAD(轴向汽相沉积)法.光纤

16、制造光纤制造高纯度金属氧化物的蒸汽高纯度金属氧化物的蒸汽氧气氧气汽相沉积法管状玻璃或者石英体管状玻璃或者石英体拉丝机拉丝机制制造造光光纤纤预预制制棒棒拉拉制制成成形形光纤衰减光纤衰减l造成光纤衰减的主要因素有：造成光纤衰减的主要因素有： 本征，弯曲，本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接挤压，杂质，不均匀和对接 本征：本征： 是光纤的固有损耗，包括：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收瑞利散射，固有吸收 弯曲：弯曲： 光纤弯曲时部分光纤内的光会因光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗。散射而损失掉，造成的损耗。 色散色散 色色 散散材料的折射率随入射光波长的增加而减少材料的折

17、射率随入射光波长的增加而减少的性质，称为材料的色散。的性质，称为材料的色散。 色色 散散 dn/d 色散系数色散系数 r (na-1)/(nf-nc)nd、nf、nc分别为用波长一定分别为用波长一定的纳的的纳的D谱线、氢的谱线、氢的F谱线和谱线和C谱线测得的折射率代入上式。谱线测得的折射率代入上式。为倒数相对色散系数。为倒数相对色散系数。1吸收的一般规律吸收的一般规律 设有一块厚度为设有一块厚度为x的平板材料，如图的平板材料，如图5-3，入射光，入射光的强度为的强度为I0，通过此材料后光强度为，通过此材料后光强度为 。选取其中一。选取其中一薄层薄层 ，并认为光通过此层的吸收损失，并认为光通过此

18、层的吸收损失 正比正比于在此处的光强度于在此处的光强度 I 和薄层的厚度和薄层的厚度 ， IdxdIdx5.3.3 光的吸收光的吸收图图5-3 光的吸收光的吸收 上式表明光强度随厚度的变化符合指数衰减规律，上式表明光强度随厚度的变化符合指数衰减规律，即即朗伯特定律朗伯特定律。 式中式中为物质对光的吸收系数，其单位为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。取决于材料的性质和光的波长。 IdxdIdxIdIxII00 xII0lnxIIe0 即即:2光吸收与光波长的关系光吸收与光波长的关系在电磁波谱的可见光区，金属和半导体的吸收系数在电磁波谱的可见光区，金属和半导体的

19、吸收系数都是很大的，但是电介质材料，包括玻璃、陶瓷等都是很大的，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子所处的能带是填满了的,它不能吸收光子而自由运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。以在一定的波长范围内，吸收系数很小。在紫外区出现紫外吸收端，当光子能量达到禁带在紫外区出现紫外吸收端，当光子能量达

20、到禁带宽度时，电子就会吸收光子能量从满带跃迁到导带，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可根据材料的禁带宽度 Eg 求得：求得：chhrEggEhcSJh341063. 6式中，普朗克常数式中，普朗克常数 ，C光速。光速。 另外，在红外区的吸收峰是因为离子的弹性振动与另外，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。要使谐振点波长尽可光子辐射发生谐振消耗能量所致。要使谐振点波长尽可能远离可见光区，即吸收峰的频率尽可能小，则需选择能远离可见光区，即吸收

21、峰的频率尽可能小，则需选择较小的材料热振频率较小的材料热振频率 v 。式中式中 与力有关的常数，由离子间结合力决定，与力有关的常数，由离子间结合力决定， Mc和和Ma分别为阳离子和阴离子质量。分别为阳离子和阴离子质量。 )11(22acMMv光波遇到不均匀结构产生的次级波，与主波方向不一致，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，从而与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向，从而引起引起散射散射。 对于相分布均匀的材料，由于散射而光强度减弱的对于相分布均匀的材料，由于散射而光强度减弱的规律与吸收规律具有相同的形式：规律与吸收规律具有相同的

22、形式： 式中式中 I0为光的原始强度，为光的原始强度，sxIIe05.3.4 光的散射光的散射 I 为光束通过厚度为为光束通过厚度为x的试件后，由于散射在光的试件后，由于散射在光前进方向上的剩余强度，前进方向上的剩余强度， S 散射系数，与散射质点的大小、数量以及散射散射系数，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其单位为质点与基体的相对折射率等因素有关其单位为 。 1cm 当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。的峰值。 如果将吸收定律与散射规律的式子统一起来，如果将吸收定律与散射规律的式子统一起来，则则: xsII

23、)(0e 从上图可以看出，曲线由左右两条不同形状的曲从上图可以看出，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。当线所组成，各自有着不同的规律。当 时，则随着时，则随着d的增加，散射系数的增加，散射系数S也随之增大；当也随之增大；当 时，则随着时，则随着d的增加，的增加，s 反而减小，当反而减小，当 时，时，s 达最大值。达最大值。ddd 对于散射，可以认为散射系数正比于散射质点的投对于散射，可以认为散射系数正比于散射质点的投影面积：影面积： 式中：式中： N单位体积内的散射质点数；单位体积内的散射质点数； R 散射质点的平均半径；散射质点的平均半径； K散射因素，取决于基体与质点

24、的相对折射率。散射因素，取决于基体与质点的相对折射率。 设散射质点体积设散射质点体积 ，则，则 2RKNSNRV334RKVS43 故故 由上式可知，由上式可知， 时，时，R越小，越小，V越大，则越大，则S愈大，这愈大，这符合实验规律。当符合实验规律。当 时，此时散射系数。时，此时散射系数。 总之，不管在上述哪种情况下，散射质点的折射率与总之，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。基体的折射率相差越大，将产生越严重的散射。 RxKVsxII430ee/d31d2224342132nnVRS材料的透光性材料的透光性 光通过厚度为光通过厚度为x的透明陶瓷

25、片时，各种光能的损失的透明陶瓷片时，各种光能的损失见图所示。强度为见图所示。强度为I0的光束垂直地入射到陶瓷左表面，的光束垂直地入射到陶瓷左表面，由于陶瓷片与左侧介质之间存在相对折射由于陶瓷片与左侧介质之间存在相对折射 ，因而，因而在表面上有反射损失在表面上有反射损失: L=透进材料中的光强度为透进材料中的光强度为:02011InnmI)1 (0mI21n材料的透光性材料的透光性 这一部分光能穿过厚度为这一部分光能穿过厚度为x的材料后，又消耗于吸收的材料后，又消耗于吸收损失损失和散射损失和散射损失。到达材料后表面时，光强度剩下。到达材料后表面时，光强度剩下 。 再经过表面，一部分光能反射进材料

26、内部，其数量为再经过表面，一部分光能反射进材料内部，其数量为 L= 另一部分传至右侧空间，其光强度为另一部分传至右侧空间，其光强度为 显然显然 才是真正的透光率。才是真正的透光率。 影响材料透过率的因素有：影响材料透过率的因素有：s)x-(mIe )1 (0 xsmmI)(0e )1 (xsmII)(20e)1 (0/ II 1吸收系数吸收系数 对于陶瓷、玻璃等电介质材料，其吸收率或吸收系对于陶瓷、玻璃等电介质材料，其吸收率或吸收系 数数在可见光范围内是比较低的。在可见光范围内是比较低的。 2反射系数反射系数 材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。 3散射系数散射系数 这一因素最影响陶瓷材料的透光率。这一因素最影响陶瓷材料的透光率。 材料宏观及显微缺陷材料宏观及显微缺陷 晶粒排列方向晶粒排列方向 气孔引起的散射损失气孔引起的散射损失提高材料透光性的措施提高材料透光性的措施 1提高原材料纯度提高原材料纯度 2掺加外加剂掺加外加剂 目的是降低材料的气孔率，气孔由于相对折射率的目的是降低材料的气孔率，气孔由于相对折