材料光学性能第三节

1、第三节 光的反射和散射一、光的反射当光线从一种介质进入另一种折射率不同的介质时，即使两种介质都是透明的，也总会有一部分光线在两种介质的界面处被反射。反射率R：表示反的分数，以光强形式可以表示为:所（IR、I0分别为反和入的强度）根据菲涅耳（A. J. Fresnel，17881827）的研究结果，光垂直界面从介质1向介质2入射时，其反所占的分数（反射率）是：（n 为介质2相对介质1的折射率，即n = n /n ）rr21当吸收率c和折射率相比很小时，则有：1(n - n )2(n - 1)2R =21=r(n + n )2(n + 1)221r(n - 1)2 + c 2R =r(n + 1)

2、2 + c 2rR = IRI0前式可写成R = 1 - 2 /(nr+ 1)2 ，可见，固体材料的折射率n 愈高，反射率R也愈r大（如n = 1.5，R = 4%；n = 1.9，R = 10%）。含铅量较高的所谓水晶，有耀眼的光泽就是由于其折射率较高，反较强的缘故光学仪器中为减小反损失，常利用光的方法在光学表面涂上一层四分之一光波波长的光学厚度（膜折射率n与膜厚h的乘积nh）的介质膜，介质膜的折射率取在两相邻介质折射率之间，这种介质膜叫作增透膜或减反射膜。这样可以使图中所示的初次反损失被强度相同，相反的二次反所抵消，以避免光的反射若在图中的介质2表面涂上一层光学厚度nh为四分之一光波长的膜

3、，则：当n2 =n1n2时，Rl/4=0。即选择合适的减反射膜，可使垂的反射率R严格为02n2 - n n Rl= (1 2 )2/4n2 + n n12初次透入i初次反二次反in rn2 二次透n1与减反射膜相反，如果在的反射率将大大增高表面敷上一层折射率足够高的材料，则该表面该表面可以作为一个很好的分。二氧化钛（TiO2，n2.5）或硫化锌（ZnS，n2.3）敷层就非常适合用作分射率最高可达35%n1，其反n空气介质膜的反射率随其光学厚度的变化关系（n1 =1.0，n2 =1.5，光垂射）n23R0.50.40.3n = 3.00.2n = 2.00.1n = 1.70.05n = 1.0

4、 和 1.50.04n = 1.40.03n = 1.20.020.010l/4l/23l/4lnhv 对金属来讲，n = c 1，R =1，光基本上被反射，表现为金属光泽v 陶瓷材料，界面不是完全光滑的，结果表面会发生向各个方向的漫反射。漫反射导致反射面增加，反射增强，透射下降，且使透杂乱无章，无法成象v 表面光泽是和表面的镜面反射和漫反射的相对量有关，归根结底是由折射率和表面光滑度决定的为了使搪瓷或釉面有较好的表面光泽，往往使用基质含铅的釉或搪瓷，并在足够高的温度下烧成，铺展成一个完整的光滑表面而要获得无光釉，则要求选用低折射率的釉，并对表面进行研磨或喷沙4二、光的散射若透明介质中分散有折

5、射率不同的细小的第二相介质，光线在介质内部时会发生多次反射和折射，而且反射面（或折射面）杂乱无章取向，使得光线偏离原来行进的当散射作用十分向各个方向，致使透线变得十分弥散，这种现象叫散射。可使透明介质失透v 当第二相介质scattering），散小于光波长时，产生散射的是瑞利散射（ Rayleigh只有的变化而无频率或能量的变化，属于弹性散射与入射束成q角方向的散强度Iq与入强度I0之间I0如xq：Iq式中a为第二相介质的极化率，x为从散射体到探测点的距离，l为入波长散强度与光波波长的四次方成反比58p 4a 2 (1 + cos2 q )Iq=x2l 4I0v 当第二相介质和光波波长差不多或

6、更大一点时，则上述规律。散射的的强度和波长的关系不本质则是光线在两相介质界面上的漫反射和漫透射，散大，这类散射称为散射（Tyndall scattering）由于散在前进方向上的强度减弱了。对于第二相介质分布均匀的材料，由于散射引起光的减弱规律与吸收规律具有相同的形式：I0为入原始强度，I为光束在材料中x距离后的剩余光强度，s为散射系数，也叫混浊系数s的大小与第二相介质的（直径d）有直接关系（第二相介积浓度不变）：当dl时，则随着d的增加，s反而减小当d l时，s达最大6I = exp(- sx) I0当第二相介质的比光波长大时， 有：Vp = 4 pr3N （N是V 是在体积中全部微粒占有的

7、体积，即体积中微粒的数3P目），k是散射因子因此，散射引起光的减弱规律：散射系数s是反映散射强弱的参数，它是和微粒成正比大小成反比，和微粒的浓度VP光与微粒作用，除了前面所的不能量损失的弹性散射外，还可能伴随光子与粒子间能量交换，结果使得散射的光子具有不同于入子的波长和，这类effect）等7效应（Raman effect）和康普顿效应（Compton散射叫非弹性散射。即属于非弹性散射的例子I = exp(-3kVx )Ip 4r0s = 3 kV r -14p三、光的散射与材料的透明性利用材料内部的散射，可以将许多本来透明的材料制成半透明或不透明的引起内部散射的：v 由折射率各向异性的微晶组

8、成的多晶样品是半透明或不透明的v 当光线通过分散得很细的两相体系时，也因两相的折射率不同而发生散射纯高聚物（不加添加剂和填料）中，非晶态均相高聚物应该是透明的；结晶高聚物一般是半透明甚至是不透明的；嵌段共聚物、接枝共聚物和共混高聚物多属两相体系，一般也是半透明或不透明的陶瓷材料如果是单晶体，一般是透明的，但大多数陶瓷材料是多晶、多相体系，往往是半透明或不透明的；在透明的无机透明的微晶中析出微晶，可以得到半透明或不8在实际生活中，常常要考虑制品的美观问题。比如，陶瓷坯体通常用劣质原料，一般颜色较深，通常为了美观，在陶瓷坯体上施乳浊釉以遮盖颜色较深的坯体；搪瓷器皿也是遇到要把金属制品覆盖的问题，也采用乳浊釉来加以解决。乳浊釉就是利用散射效应，使光泽到达坯体前就被全部漫反射掉（呈乳白性）是在釉中加入乳浊剂，主要的乳浊剂有：TiO2