最新材料的光学性能精品课件ppt教学内容

1、材料的光学性能取之不尽的能源取之不尽的能源信息载体信息载体生命之源生命之源引引 言言线性光学性能线性光学性能描述普通光学现象的重要公式表现出数学上的线性特描述普通光学现象的重要公式表现出数学上的线性特点，即介质的电极化强度点，即介质的电极化强度P与入射光波的电场与入射光波的电场E成简成简单的线性关系。单的线性关系。xEP0 x为介质的极化率，为介质的极化率， 0位真空介电常数。位真空介电常数。11.1 11.1 光通过介质的现光通过介质的现象象一、折射一、折射二、色散二、色散三、反射三、反射四、介质对光的吸收四、介质对光的吸收五、介质对光的散射五、介质对光的散射一、折射一、折射1. 概念概念当

2、光线依次通过不同的介质时，光的行进方向会发生改当光线依次通过不同的介质时，光的行进方向会发生改变，称为变，称为“折射折射”。折射现象的实质：折射现象的实质：介质的密度不同，光通过时，传播速介质的密度不同，光通过时，传播速度也不同。度也不同。2. 折射率折射率介质对光的折射性质用材料的介质对光的折射性质用材料的“折射率折射率”n表示。表示。光从真空进入介质材料时，速度降低。光在真空和材料光从真空进入介质材料时，速度降低。光在真空和材料中的速度之比即为材料的中的速度之比即为材料的绝对折射率绝对折射率。（1 1）绝对折射率）绝对折射率介质的介质的折射率折射率永远为大于永远为大于1的正数。的正数。空气

3、：空气：n=1.003固体氧化物：固体氧化物： n= 1.32.7硅酸盐玻璃：硅酸盐玻璃： n= 1.51.9材料cn 材料材料2相对于材料相对于材料1的的相对折射率相对折射率为：为：21211221sinsinvvnnn分别表示光在材料分别表示光在材料1和和材料材料2种的传播速度。种的传播速度。折射率折射率n1 1折射率折射率n2 2（2 2）相对折射率）相对折射率折射定律：折射定律： n1sin 1= n2sin 2光从材料光从材料1通过界面传入材料通过界面传入材料2时，与界面时，与界面法向所形成的入射角法向所形成的入射角 1 、折射角折射角 2与两种与两种材料的折射率材料的折射率n1和和

4、n2之间的关系为：之间的关系为：2. 影响因素影响因素（1 1）构成材料元素的离子半径）构成材料元素的离子半径根据根据Maxwell电磁理论，光在介质中的传播速度为：电磁理论，光在介质中的传播速度为：对于无机材料：对于无机材料：cv nc：真空中的光速；：真空中的光速； ：介质的介电常数；：介质的介电常数； ：介质的导磁率。：介质的导磁率。1, 1n介质的折射率随其介电常数的增大而增大。介质的折射率随其介电常数的增大而增大。折射率与介质的极化现象有关。折射率与介质的极化现象有关。介电常数介电常数 外加电场作用下，介质中的正电荷沿着电场方向移动，外加电场作用下，介质中的正电荷沿着电场方向移动，负

5、电荷沿着反电场方向移动，这样正负电荷的中心发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，这种现象就是介质的生相对位移，这种现象就是介质的极化极化。外加电场越。外加电场越强，正负电荷中心的距离越大。强，正负电荷中心的距离越大。介质的离子半径增大时，其介质的离子半径增大时，其 增大，因而增大，因而n也随之增大。也随之增大。大离子得到高折射率材料：大离子得到高折射率材料：PbS n=3.912小离子得到低折射率材料：小离子得到低折射率材料： SiCl4 n=1.412（2 2）材料的结构、晶型和非晶态）材料的结构、晶型和非晶态（离子的排列）（离子的排列）光学均质介质：非晶态（无定型体）

6、、等轴系晶体（各向同性）光学均质介质：非晶态（无定型体）、等轴系晶体（各向同性）光学非均质介质：等轴系晶体外的其它晶体材料光学非均质介质：等轴系晶体外的其它晶体材料光通过时，光速不会因传播方向的改变而变化，材料只有光通过时，光速不会因传播方向的改变而变化，材料只有一个折射率一个折射率光通过时，一般都要分为振动方向相互垂直、传播速度不光通过时，一般都要分为振动方向相互垂直、传播速度不等的两个波，构成两条折射线，这种现象称为等的两个波，构成两条折射线，这种现象称为双折射双折射。晶体中沿密堆积方向上具有最高的折射率。晶体中沿密堆积方向上具有最高的折射率。是非均质晶体的特性，是材料各向异性的表现。是非

7、均质晶体的特性，是材料各向异性的表现。双折射：双折射：当一束单色自然光在各向异性晶体的界面折射当一束单色自然光在各向异性晶体的界面折射 时，一般产生两束折射光（均为线偏振光）。时，一般产生两束折射光（均为线偏振光）。寻常光寻常光(o光光) 非常光非常光(e光光)寻常光：寻常光：平行于入射面的光线的折射率平行于入射面的光线的折射率n n0 0不随入射角的变化而不随入射角的变化而变化，始终为一常数，服从折射定律。变化，始终为一常数，服从折射定律。 非常光：非常光：与寻常光垂直的光线的折射率与寻常光垂直的光线的折射率n ne e随入射线方向的改变随入射线方向的改变而变化而变化, ,不服从折射定律。不

8、服从折射定律。 不发生双折射的特殊方不发生双折射的特殊方向称为向称为“光轴光轴”，光沿，光沿光轴方向入射时，只有光轴方向入射时，只有n n0 0存在；与光轴方向垂存在；与光轴方向垂直入射时，直入射时，n ne e达到最大达到最大值。值。（4 4）同质异构体）同质异构体垂直于受拉主应力方向的垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方大，平行于受拉主应力方向的向的n小。对于压应力，具有相反的效果。小。对于压应力，具有相反的效果。v在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存在的晶型折射率较高；在的晶型折射率较高；v相同化学组成的玻璃比晶体

9、的折射率低。相同化学组成的玻璃比晶体的折射率低。如：室温下，如：室温下， 石英玻璃：石英玻璃：n=1.46n=1.46 石英晶体：石英晶体：n=1.55n=1.55（3 3）材料的内应力）材料的内应力二、色散二、色散1. 概念概念材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为而减小的性质，称为折射率的色散折射率的色散。2. 色散系数色散系数CFDnnn1nD，nF，nC分别为以钠的分别为以钠的D谱线、氢的谱线、氢的F谱线和谱线和C谱线（谱线（5893， 4861， 6563）为光源，测得的折射率）为光源，测得的折射率描述光学玻璃的

10、色散还用描述光学玻璃的色散还用平均色散（平均色散（nF-nC）实用的测量色散的方法是采用固定波长下的折射率实用的测量色散的方法是采用固定波长下的折射率来测量，描述材料色散的光学参量最常用的数值是来测量，描述材料色散的光学参量最常用的数值是倒数相对色散倒数相对色散，即，即色散系数色散系数。在自然光的透过下，在像的在自然光的透过下，在像的周围环绕一圈色带，克服的周围环绕一圈色带，克服的办法是用不同牌号的光学玻办法是用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸、凹透镜组璃，分别磨成凸、凹透镜组成复合镜头，可消除色差，成复合镜头，可消除色差，这种镜头就是这种镜头就是消色差镜头消色差镜头。3. 讨论讨论由于光学玻璃

11、一般都或多或少具有色散现象，因而由于光学玻璃一般都或多或少具有色散现象，因而使用这种材料制成的单片透镜，成像不够清晰，使用这种材料制成的单片透镜，成像不够清晰，三、反射三、反射1. 反射系数反射系数反射系数反射系数m：WWmW，W ，W分别为单位分别为单位间内通过单位面积的入射间内通过单位面积的入射光、反射光和折射光的能光、反射光和折射光的能量流。量流。W=W + W透射系数透射系数1-m：WWmWW11 根据波动理论：根据波动理论：vSAW2S、v分别为光束的横截面积和传播速度分别为光束的横截面积和传播速度A为振幅为振幅反射波的传播速度与横截面积与入射波相同反射波的传播速度与横截面积与入射波

12、相同2AAWWFresnel推导：推导：)()()(sin)(sin212222ritgritgririWW角度很小，即垂直入射时：角度很小，即垂直入射时：2222222211)()()()()(sin)(sinririririritgritgririririnsinsin21介质介质2相对于介质相对于介质1的折射率：的折射率：mnnWW2212111反射系数反射系数m与折射率与折射率n有关，若介质有关，若介质2对于介质对于介质1的相对折的相对折射率为射率为n21，当，当角度很小角度很小，即，即垂直入射时垂直入射时，则有：，则有：2212111nnm2. 讨论讨论v 垂直入射条件下，界面反射的

13、多少，取决于相对折射率垂直入射条件下，界面反射的多少，取决于相对折射率n n2 21 1；v 介质介质1 1为空气，可以认为为空气，可以认为n n1 1=1=1，于是，于是n n2121= = n n2 2；vn n1 1和和n n2 2相差很大，界面反射损失严重；相差很大，界面反射损失严重；v 若若n n1 1= =n n2 2，则，则m m=0=0，垂直入射时几乎没有反射损失；，垂直入射时几乎没有反射损失；v 光通过的界面越多，界面反射就越严重。光连续透过光通过的界面越多，界面反射就越严重。光连续透过x x块反射块反射率为率为m m的介质时，透过部分为的介质时，透过部分为(1-m)(1-m

14、)2 2x x。例：玻璃的折射率例：玻璃的折射率n=1.5 光的反射损失：光的反射损失： 透过部分为：透过部分为：1-m=1-0.04=0. 96 透射光从另一界面射入空气，透过两个界面，透过部分为：透射光从另一界面射入空气，透过两个界面，透过部分为： (1-m)2=0.962=0.9216 连续透过连续透过x块平板玻璃，透过部分为：块平板玻璃，透过部分为：(1-m)2x04. 015 . 115 . 111222121nnm陶瓷和玻璃等材料的折射率比空气大，所以光从空气进陶瓷和玻璃等材料的折射率比空气大，所以光从空气进入这些材料时，反射损失严重。入这些材料时，反射损失严重。由多块玻璃组成的透

15、镜系统，常常用折射率和玻璃相近由多块玻璃组成的透镜系统，常常用折射率和玻璃相近的胶粘起来，这样除了最外和最内的两个表面是玻璃和的胶粘起来，这样除了最外和最内的两个表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面均是玻璃和胶的较小空气的相对折射率外，内部各界面均是玻璃和胶的较小的相对折射率，从而大大减少了界面的反射损失。的相对折射率，从而大大减少了界面的反射损失。3. 全反射全反射光线从光密介质（玻璃）进入光疏介质（空气）中时，光线从光密介质（玻璃）进入光疏介质（空气）中时，折射角折射角 2大于入射角大于入射角 1 。当。当 1 为某值时，为某值时， 2可达到可达到90，这时光线平行于表面传播。这时光

16、线平行于表面传播。 1 继续增大时，光线就会全继续增大时，光线就会全部向内反射回光密介质内，这种现象称为部向内反射回光密介质内，这种现象称为全反射全反射。 1 2 1折射率折射率n1 1折射率折射率n2 2 1 1 1光纤通讯光纤通讯临界角：临界角：sini临界临界=1/n1空气空气四、介质对光的吸收四、介质对光的吸收1. 光吸收的一般规律光吸收的一般规律光作为一种能量流，在穿过介质时，其能量的衰减光作为一种能量流，在穿过介质时，其能量的衰减现象，称为现象，称为光的吸收光的吸收。厚度为厚度为x的平板材料，入射光的强度为的平板材料，入射光的强度为I0，通过该材，通过该材料后光强度为料后光强度为I

17、，则通过材料薄层的吸收损失，则通过材料薄层的吸收损失-dI正比正比于该处的光强于该处的光强I和薄层的厚度和薄层的厚度dx。能量衰减能量衰减使介质的价电子跃迁使介质的价电子跃迁使介质的原子振动使介质的原子振动价电子激发发出光子价电子激发发出光子热能热能xeII0（朗伯特定律）（朗伯特定律） (Lambert)光强度随穿过介质厚度的变化符合指数衰减规律。光强度随穿过介质厚度的变化符合指数衰减规律。IdxdIxIIdxIdI00 xII0ln ：物质对光的：物质对光的吸收系数吸收系数，单位为，单位为cm-1。K为吸收率。为吸收率。 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。 越大，材料

18、越厚，光就被吸收越大，材料越厚，光就被吸收的越多，透过后的光强度就越小。的越多，透过后的光强度就越小。不同材料，不同材料， 差别很大。差别很大。空气：空气： 10-5cm-1玻璃：玻璃： 10-2cm-1金属：金属： 为几万几十万，所以金属实际上时不透明的。为几万几十万，所以金属实际上时不透明的。/4 KxeII0由于吸收引起的光剩余强度为：由于吸收引起的光剩余强度为：2. 光吸收与波长的关系光吸收与波长的关系(1)(1)选择性吸收选择性吸收材料对某一波段的光具有强烈的吸收作用，而对其它波段的光吸材料对某一波段的光具有强烈的吸收作用，而对其它波段的光吸收较弱或不吸收，这种现象称为选择性吸收。收

19、较弱或不吸收，这种现象称为选择性吸收。严格说一切介质都是选择性吸收介质。严格说一切介质都是选择性吸收介质。透明材料在可见光谱内的选择性吸收使其呈现不同的颜色。透明材料在可见光谱内的选择性吸收使其呈现不同的颜色。由于反射和吸收引起的光剩余强度为：由于反射和吸收引起的光剩余强度为：xemII20)1 (反射系数反射系数(2)(2)均匀吸收均匀吸收在可见光范围内，介质对各种波长的光的吸收程度相同，这种现在可见光范围内，介质对各种波长的光的吸收程度相同，这种现象称为均匀吸收。象称为均匀吸收。均匀吸收情况下，随着吸收程度的增加，颜色从灰变到黑。均匀吸收情况下，随着吸收程度的增加，颜色从灰变到黑。光波在材

20、料中遇到光学性能不均匀的结构，如含有小粒子的透明介光波在材料中遇到光学性能不均匀的结构，如含有小粒子的透明介质、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，使光束强度降低。束被散射，使光束强度降低。本质：本质：光波遇到不均匀结构产生次级波，与主波方向不一致，与主光波遇到不均匀结构产生次级波，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，引起散射。波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向，引起散射。S：散射系数单为为：散射系数单为为cm-1。相均匀分布的材料，由于散射引起的光强减弱规律与吸相均匀分布的材料

21、，由于散射引起的光强减弱规律与吸收规律形式相同：收规律形式相同：SxeII01. 光散射的一般规律光散射的一般规律五、介质对光的散射五、介质对光的散射由于吸收和散射引起的光剩余强度为：由于吸收和散射引起的光剩余强度为：xSeII)(0由于反射、吸收和散射引起的光剩余强度为：由于反射、吸收和散射引起的光剩余强度为：xSemII)(20)1 (I0：光的原始强度；：光的原始强度；I：透过厚度为：透过厚度为x的材料后，由于散射引起的剩余强度。的材料后，由于散射引起的剩余强度。（1）质点大小）质点大小 d 时，时， S 最大。最大。 d 时，时， d ，S ;散射质点的体积分数不变：散射质点的体积分数

22、不变：2. 影响因素影响因素散射系数与散射质点的大小、数量以及其与基体的相对散射系数与散射质点的大小、数量以及其与基体的相对折射率等因素有关。折射率等因素有关。当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。反射、折射引起的总体散射起主导作用。反射、折射引起的总体散射起主导作用。散射系数正比于散射质点的投影面积。散射系数正比于散射质点的投影面积。d 时，时，2RKNSN：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，取决于基体与质点的相对折射率；：散射因素，取决于基体与质点的相对

23、折射率；V：散射质点的体积含量。：散射质点的体积含量。NRV331RKVS43RxKVSxeIeII4300d 时，时，R越小，越小，V越大，越大，S越大。越大。可近似采用瑞利（可近似采用瑞利（Rayleigh）散射来处理：）散射来处理：主要为米氏（主要为米氏（Mie）散射，散射效果主要与）散射，散射效果主要与粒子横截面积成比例。粒子横截面积成比例。d /3时，时，2224342132nnVRSd= 时，时，d 时，时，RKVS43n21=n0/ne=1.768/1.76 1，K 0，S 0，散射损失也很小。散射损失也很小。反射损失很小反射损失很小应用举例：应用举例：金红石型金红石型TiO2陶

24、瓷陶瓷n0=2.854，ne=2.567，反射系数为，反射系数为m=2.8 10-3，材材料厚料厚3mm，晶粒平均直径为，晶粒平均直径为3 m，理论晶界为，理论晶界为1000个，由于晶界的个，由于晶界的反射损失，反射损失，剩余光强：剩余光强：010000%6)1 (ImI反射损失很大反射损失很大d 时，时，RKVS43n21较大，较大，K 较大，较大，S 大，大，散射损失也较大散射损失也较大金红石型金红石型TiO2陶瓷不透光的原理陶瓷不透光的原理各向同性体，立方晶系材料（各向同性体，立方晶系材料（MgO、Y2O3）没有双折射，本身透明）没有双折射，本身透明度较高，如果使晶界玻璃相的折射率与主晶

25、相相差不大，有可能得到度较高，如果使晶界玻璃相的折射率与主晶相相差不大，有可能得到透明陶瓷材料，实现非常困难。透明陶瓷材料，实现非常困难。多晶陶瓷的透光率不如同成分的玻璃（非晶态）大，因为玻璃不存在多晶陶瓷的透光率不如同成分的玻璃（非晶态）大，因为玻璃不存在双折射，也就不存在晶界反射和散射两种损失。双折射，也就不存在晶界反射和散射两种损失。（3）气孔引起的散射损失）气孔引起的散射损失气孔可看作第二相，其折射率气孔可看作第二相，其折射率n1可看作可看作1，与基体材料的折射率，与基体材料的折射率n2相差很大，相对折射率相差很大，相对折射率n21= n2也较大，所以也较大，所以气孔引起的反射、气孔引

26、起的反射、散射损失散射损失比杂质、不等向晶粒排列等因素引起的损失比杂质、不等向晶粒排列等因素引起的损失大大。（一）材料中气孔的体积分数为（一）材料中气孔的体积分数为0.2%，气孔的平均直径为，气孔的平均直径为2 m（大于（大于可见光波长可见光波长0.390.79 m )，散射因子为，散射因子为24，则散射系数为：，则散射系数为：气孔引起的散射损失与气孔的直径有关。气孔引起的散射损失与气孔的直径有关。应用举例：应用举例：)(3001. 04002. 023431mmRKVS材料厚材料厚3mm：004330%012. 010234. 1IIeII（二）改善烧结工艺（热等静压烧结、热压烧结），使气孔

27、直径减小到（二）改善烧结工艺（热等静压烧结、热压烧结），使气孔直径减小到0.01 m（小于可见光波长的（小于可见光波长的1/3)，即使气孔的含量高达，即使气孔的含量高达0.63%， Al2O3陶瓷也是透光的。陶瓷也是透光的。材料厚材料厚3mm：0030032. 00%99. 099. 0IIeII)(0032. 0276. 1176. 1106 . 00063. 0)10005. 0(322132122243334222434mmnnVRS 提高原材料纯度提高原材料纯度降低杂质含量降低杂质含量三、提高材料透光性的措施三、提高材料透光性的措施 掺加外加剂掺加外加剂 杂质的折射率与基体的不同，等于

28、在基体中形成分散的散射中心，杂质的折射率与基体的不同，等于在基体中形成分散的散射中心，使使S提高。提高。v 杂质颗粒大小：杂质颗粒大小：d 或或d 从吸收损失考虑，在使用光的波段范围内，要求基体和杂质的吸从吸收损失考虑，在使用光的波段范围内，要求基体和杂质的吸收系数不能出现峰值。收系数不能出现峰值。少量少量MgO+Y2O3、La2O3应用举例：应用举例：Al2O3少量少量MgO新生晶粒表面形新生晶粒表面形成成MgOAl2O3尖尖晶石晶石细化晶粒，改善力学性能细化晶粒，改善力学性能降低气孔率，提高透光性降低气孔率，提高透光性n=1.72 掺加量过多，使反射和散射提高。掺加量过多，使反射和散射提高

29、。适量（适量（0.050.5%）Al2O3氧化物溶于尖晶氧化物溶于尖晶石中形成固溶体石中形成固溶体半径大的离子置换半径小半径大的离子置换半径小的离子，使尖晶石的折射的离子，使尖晶石的折射率 提 高 ， 接 近 于 基 体率 提 高 ， 接 近 于 基 体Al2O3的折射率，减少了的折射率，减少了界面反射和散射。界面反射和散射。进一步提高进一步提高Al2O3陶瓷的透光率：陶瓷的透光率：离子半径分别为离子半径分别为0.65，0.93，1.15 工艺措施工艺措施降低气孔率，使晶粒定向排列降低气孔率，使晶粒定向排列v 热压烧结热压烧结v 热等静压烧结热等静压烧结v 热锻法热锻法有利于排除气孔有利于排除

30、气孔使晶粒定向排列使晶粒定向排列4.3 4.3 界面反射与光泽界面反射与光泽一、镜反射和漫反射一、镜反射和漫反射二、光泽二、光泽三、颜色三、颜色一、镜反射和漫反射一、镜反射和漫反射（1 1）镜反射）镜反射材料表面光洁度非常高时，反射光线具有明确的方向材料表面光洁度非常高时，反射光线具有明确的方向性，称为镜反射。性，称为镜反射。具有镜反射现象的物体只能在反射光线方向才能看见。具有镜反射现象的物体只能在反射光线方向才能看见。光的反射使人们能看到自身不发光物体的存在。光的反射使人们能看到自身不发光物体的存在。材料表面粗糙不平时，局部的入射角参差不一，反射材料表面粗糙不平时，局部的入射角参差不一，反射

31、光的方向也各式各样，称为漫反射。光的方向也各式各样，称为漫反射。材料表面越粗糙，镜反射所占的能量分数越小。材料表面越粗糙，镜反射所占的能量分数越小。漫反射使人们在各个方向都能看到物体。漫反射使人们在各个方向都能看到物体。（2 2）漫反射）漫反射光反射应用举例：光反射应用举例：雕花玻璃器皿：高折射率，高反射率，装饰效果好。雕花玻璃器皿：高折射率，高反射率，装饰效果好。宝石：强折射、高反射，耀眼。宝石：强折射、高反射，耀眼。通讯用光导纤维通讯用光导纤维：光束总的内反射高。：光束总的内反射高。高折射高折射高反射高反射高折射高折射低反射低反射“不可见不可见”窗户：涂层玻璃窗户：涂层玻璃大小相等，位相相

32、反大小相等，位相相反光泽：与镜反射和漫反射的相对含量密切相关。表面光光泽：与镜反射和漫反射的相对含量密切相关。表面光泽与反射影像的清晰度和完整性，即与泽与反射影像的清晰度和完整性，即与镜反射光带的宽镜反射光带的宽度和它的强度度和它的强度有密切的关系。其因素主要由折射率和表有密切的关系。其因素主要由折射率和表面光洁度决定。面光洁度决定。二、光泽二、光泽提高表面光泽提高表面光泽提高表面光洁度提高表面光洁度增加表面粗糙度增加表面粗糙度减小表面光泽减小表面光泽三、颜色三、颜色由于光吸收的选择性，导致物体吸收一定波长范围的光，由于光吸收的选择性，导致物体吸收一定波长范围的光，而反射或透射其它波长范围的光

33、，从而使物体呈现出不而反射或透射其它波长范围的光，从而使物体呈现出不同的颜色。同的颜色。如：如：纯铜吸收可见光谱的蓝纯铜吸收可见光谱的蓝或紫端的光子，而反射或紫端的光子，而反射较长波长的可见光，所较长波长的可见光，所以，纯铜显红色。以，纯铜显红色。光的颜色是人眼对具有不同频光的颜色是人眼对具有不同频率的光的视觉生理反应的结果。率的光的视觉生理反应的结果。眼睛对不同光的视觉灵敏度是眼睛对不同光的视觉灵敏度是随着光的频率（或波长），即随着光的频率（或波长），即光色的不同而变化的。光色的不同而变化的。大家都戴着“有色眼镜”哦！4.4 4.4 不透明性和半透明性不透明性和半透明性一、不透明性和半透明性

34、一、不透明性和半透明性二、乳浊剂的成分二、乳浊剂的成分三、改善乳浊性能的工艺措施三、改善乳浊性能的工艺措施四、半透明材料及改善措施四、半透明材料及改善措施一、不透明性和半透明性一、不透明性和半透明性建筑卫生陶瓷表面常常用釉覆盖，搪瓷盆也用釉遮盖。建筑卫生陶瓷表面常常用釉覆盖，搪瓷盆也用釉遮盖。遮盖底层或坯遮盖底层或坯体的不良颜色体的不良颜色釉：表面光泽好、不透明釉：表面光泽好、不透明半透明的乳白玻璃使光线非常柔和半透明的乳白玻璃使光线非常柔和为了提高为了提高不透明性不透明性和覆盖能力，要求光在达到具有不同光和覆盖能力，要求光在达到具有不同光学性能的底层前被漫反射掉。学性能的底层前被漫反射掉。影

35、响不透明性和半透明性的光学特性包括：影响不透明性和半透明性的光学特性包括： 镜反射光的分数（决定光泽）；镜反射光的分数（决定光泽）； 入射光漫反射的分数；入射光漫反射的分数； 直接透射光的分数；直接透射光的分数； 入射光漫透射的分数。入射光漫透射的分数。半透明性：半透明性：透射的光是扩散开的，大部分入射光应该透射透射的光是扩散开的，大部分入射光应该透射过去而不是被漫反射掉，也就是说入射光中漫透射的分数过去而不是被漫反射掉，也就是说入射光中漫透射的分数对于材料的半透明性起着决定性作用。对于材料的半透明性起着决定性作用。不透明性、半透明性取决于材料的反射和透射性能。不透明性、半透明性取决于材料的反

36、射和透射性能。决定乳浊度的主要因素是：决定乳浊度的主要因素是：v 第二相的颗粒尺寸；第二相的颗粒尺寸；v 第二相的体积分数；第二相的体积分数；v 第二相与基体的相对折射率第二相与基体的相对折射率n21。为了达到最大的散射效果，提高乳浊度，降低透明性：为了达到最大的散射效果，提高乳浊度，降低透明性：v 乳浊剂颗粒不能与基体玻璃相发生反应；乳浊剂颗粒不能与基体玻璃相发生反应；v 颗粒与基体的相对折射率颗粒与基体的相对折射率n21要大；要大；v 颗粒的体积分数要高；颗粒的体积分数要高；v 颗粒的尺寸与入射光波长相当。颗粒的尺寸与入射光波长相当。为了达到不透明或半透明性能，方法就是在基质中引入第二为了

37、达到不透明或半透明性能，方法就是在基质中引入第二相粒子相粒子来实现。来实现。二、乳浊剂的成分（不透明性）二、乳浊剂的成分（不透明性）构成釉及搪瓷的主要成分（基体相）是构成釉及搪瓷的主要成分（基体相）是，折，折射率限定在射率限定在1.491.65。乳浊剂的折射率和基体玻璃相的折射率要相差很大，还乳浊剂的折射率和基体玻璃相的折射率要相差很大，还必须能在玻璃基体中形成小颗粒，必须能在玻璃基体中形成小颗粒，根据乳浊剂的来源，根据乳浊剂的来源，乳浊剂可分为：乳浊剂可分为：v 惰性添加物；惰性添加物；v 反映产生的惰性产物；反映产生的惰性产物；v 玻璃溶体中成核结晶产物。玻璃溶体中成核结晶产物。折射率特别

38、高，是非常有效地乳浊剂，折射率特别高，是非常有效地乳浊剂，广泛用于要求广泛用于要求高乳浊度的搪瓷釉中。高乳浊度的搪瓷釉中。但是没有被用作釉和玻璃中。但是没有被用作釉和玻璃中。TiO2原因：高温，特别是还原气氛下，使釉着色。原因：高温，特别是还原气氛下，使釉着色。搪瓷烧成温度低不会出现变色。搪瓷烧成温度低不会出现变色。SnO2普遍用于釉和珐琅的优质乳浊剂。普遍用于釉和珐琅的优质乳浊剂。缺点：还原气氛下，被还原成缺点：还原气氛下，被还原成SnO，乳浊效果消失。，乳浊效果消失。 稀少，介格昂贵，应用受到限制。稀少，介格昂贵，应用受到限制。ZrSiO4（锆英石）（锆英石）优点：乳浊效果稳定，不受气氛影

39、响，成本低。优点：乳浊效果稳定，不受气氛影响，成本低。推广使用效果好推广使用效果好常用的乳浊剂：常用的乳浊剂：三、改善乳浊性能（不透明性）的工艺措施三、改善乳浊性能（不透明性）的工艺措施釉和珐琅的制作工艺：釉和珐琅的制作工艺：配料配料细磨成浆细磨成浆施于坯体施于坯体煅烧煅烧熔融淬冷，熔融淬冷，制成熔块制成熔块乳浊剂颗粒：细小、均匀、乳浊剂颗粒：细小、均匀、 熔体析晶产物熔体析晶产物微晶粒微晶粒随烧结温度的提高，乳浊度先随烧结温度的提高，乳浊度先增加，后下降，最后达到透明，增加，后下降，最后达到透明，所以焙烧温度要适宜。所以焙烧温度要适宜。温度太高，釉块完全熔透，温度太高，釉块完全熔透，无相界，

40、造成晶核形成困难。无相界，造成晶核形成困难。四、半透明材料及改善措施四、半透明材料及改善措施乳白玻璃：乳白玻璃：明显的散射，吸收最小，最大的漫透射。明显的散射，吸收最小，最大的漫透射。在玻璃中掺入和基质材料的折射率相近的在玻璃中掺入和基质材料的折射率相近的NaF和和CaF2，促进其它晶体（方石英）从熔体中析出。，促进其它晶体（方石英）从熔体中析出。单相氧化物陶瓷：单相氧化物陶瓷：半透明性半透明性是其质量标志，半透明性几是其质量标志，半透明性几乎只取决于气孔的含量。对乎只取决于气孔的含量。对于含有小气孔的高密度单相于含有小气孔的高密度单相陶瓷，半透明度是衡量残留陶瓷，半透明度是衡量残留气孔率的一

41、中敏感尺度，是气孔率的一中敏感尺度，是瓷品一种良好的质量标志。瓷品一种良好的质量标志。工艺瓷（骨灰瓷和硬瓷）：工艺瓷（骨灰瓷和硬瓷）：半透明性是其主要的鉴定指标。半透明性是其主要的鉴定指标。构成相：玻璃（折射率接近构成相：玻璃（折射率接近1.5），莫来石（折射率），莫来石（折射率1.64）和石英。）和石英。其中莫来石对于散射和降低半透明性起着主要作用。其中莫来石对于散射和降低半透明性起着主要作用。增加玻璃含增加玻璃含量，减少莫来石的量，可提高半透明性。量，减少莫来石的量，可提高半透明性。v 降低气孔含量，使焙烧温度足够高；降低气孔含量，使焙烧温度足够高；v 调整各相的折射率，使之匹配较好，调整

42、各相的折射率，使之匹配较好，以减少散射，增加漫透射。以减少散射，增加漫透射。 液相（折射率液相（折射率1.56）+莫来石莫来石+石英石英=骨灰瓷骨灰瓷4.5 4.5 其它光学性能的应用其它光学性能的应用一、发光材料一、发光材料二、荧光材料二、荧光材料三、激光材料三、激光材料四、电光与声光材料四、电光与声光材料五、光通讯材料五、光通讯材料一、发光材料一、发光材料光的发射光的发射是物体中电子从高能态到低能态的跃迁产生的，是物体中电子从高能态到低能态的跃迁产生的，物体要发光，首先就得使物体中的电子处于高能态。物体要发光，首先就得使物体中的电子处于高能态。1. 发光发光白炽灯丝白炽灯丝2000光与热相

43、伴而行要靠辐射有效地产生可见光，物体的温度必须足够高！要靠辐射有效地产生可见光，物体的温度必须足够高！热辐射决定于物体的温度，是一种普遍存在的现象。热辐射决定于物体的温度，是一种普遍存在的现象。太阳表面太阳表面5800冷光冷光不需要提高物体的温度，是物体在某种外界条件不需要提高物体的温度，是物体在某种外界条件的刺激下偏离热平衡状态时由激发态到基态的跃的刺激下偏离热平衡状态时由激发态到基态的跃迁所产生的辐射。是一种非平衡辐射。迁所产生的辐射。是一种非平衡辐射。以某种方式将能量传递给物体使电子提升到一定高能态以某种方式将能量传递给物体使电子提升到一定高能态的过程，称为的过程，称为激发激发过程。过程

44、。发光发光就是将所吸收的激发能转就是将所吸收的激发能转化为光辐射的过程。化为光辐射的过程。能量来源：物理能、机械能、化学能、生物能能量来源：物理能、机械能、化学能、生物能等等; ;相应地有：物理发光、机械发光、化学发光、相应地有：物理发光、机械发光、化学发光、生物发光等。生物发光等。2. 自发发光与受迫发光自发发光与受迫发光自发发光自发发光：受激发的粒子（如电子），受粒子内部电场：受激发的粒子（如电子），受粒子内部电场作用从激发态作用从激发态A而回到基态而回到基态G时的发光。时的发光。受迫发光受迫发光：受激发的电子只有在外界因素的影响下才发：受激发的电子只有在外界因素的影响下才发光。光。3.

45、材料的发光特征材料的发光特征 颜色特征颜色特征 不同的发光材料有着不同的发光颜色。不同的发光材料有着不同的发光颜色。 发光强度特征发光强度特征 发光强度代表发射光的能量，是一个客观数值；发光的亮度是人发光强度代表发射光的能量，是一个客观数值；发光的亮度是人眼的感觉，是主观判断的结果，其中包含了眼睛对不同颜色视觉眼的感觉，是主观判断的结果，其中包含了眼睛对不同颜色视觉的差别。的差别。 发光持续时间特征发光持续时间特征 规定当激发停止时，其发光亮度规定当激发停止时，其发光亮度L衰减到初始亮度衰减到初始亮度L0的的10%时所时所经历的时间为经历的时间为余辉时间余辉时间，简称，简称余辉余辉。人眼能够感

46、觉到余辉的长发光期间者为人眼能够感觉到余辉的长发光期间者为磷光磷光；人眼感觉不到余辉的短发光期间者为人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光荧光。荧光与磷光无严格区别。荧光与磷光无严格区别。4. 发光材料分类发光材料分类（按激发方式来分）（按激发方式来分） 光致发光材料光致发光材料发光材料在光（紫外光、红外光、可见光等）照射下激发发光。发光材料在光（紫外光、红外光、可见光等）照射下激发发光。 电致发光材料电致发光材料发光材料在电场或电流作用下的激发发光。发光材料在电场或电流作用下的激发发光。发光材料在电子束或其它射线束的轰击下的激发发光。发光材料在电子束或其它射线束的轰击下的激发发光。发光材料在热

47、作用下的激发发光。发光材料在热作用下的激发发光。发光材料在等离子体的作用下的激发发光。发光材料在等离子体的作用下的激发发光。 射线致发光材料射线致发光材料 热致发光材料热致发光材料 等离子发光材料等离子发光材料二、荧光材料二、荧光材料电子从激发态向低能态的跃迁时，若伴随有热量向周围电子从激发态向低能态的跃迁时，若伴随有热量向周围的传递或辐射，此过程中发射的光为的传递或辐射，此过程中发射的光为荧光或磷光，荧光或磷光，取决取决于激发和发射之间的时间。于激发和发射之间的时间。荧光材料的光发射主要受其中的杂质影响，低浓度的杂荧光材料的光发射主要受其中的杂质影响，低浓度的杂质就可起到激活剂的作用。质就可

48、起到激活剂的作用。应用：应用：荧光灯荧光灯工作原理：工作原理：汞蒸气和惰性气体混合气体中的放电电能汞蒸气和惰性气体混合气体中的放电电能光辐射光辐射激发放电管壁上的荧光剂激发放电管壁上的荧光剂阴极射线管阴极射线管荧光屏荧光屏闪烁计数器闪烁计数器工作原理：工作原理：电子束激发荧光剂电子束激发荧光剂彩色电视：彩色电视：采用不同的荧光剂，电子束激发，产生不同频率范采用不同的荧光剂，电子束激发，产生不同频率范围的光的发射，这样不同的颜色就形成彩色。围的光的发射，这样不同的颜色就形成彩色。对对于这种电子扫描显示屏幕，荧光剂的衰减时间是于这种电子扫描显示屏幕，荧光剂的衰减时间是个重要的性能参数。个重要的性能参数。三、激光材料三、激光材料激光材料由激光材料由基质基质和和激活离子激活离子组成，基质的作用主要是为组成，基质的作用主要是为激活离子（发光中心）提供一个合适的晶格场，使其产激活离子（发光中心）提供一个合适的晶格场，使其产生受激发射。生受激发射。基质：基质：氧化物及氟化物晶体氧化物及氟化物晶体 Al2O3、Y3Al5O15、YAlO3 BaF、SrF、YLiF