材料物理与力学性能光学41课件

第四章材料的光学性能4.1光和固体的相互作用4.2无机材料的红外光学性能4.3材料的发光4.4耦合光学效应4.1光和固体的相互作用光的波粒二象性爱因斯坦光电方程光子源决定光的频率、波长和辐射能原子核结构变化γ射线原子结构改变x射线、紫外、可见光原子振动晶格振动长波辐射电磁波在真空中的传播速度：c=3×108m/s根据麦克斯韦电磁理论的真空光速为：当光在介质中传播时，速度为：粒子性波动性反射、透射、折射传播衍射光的本质是波长很短的电磁波，可分解为与传播方向垂直的电场和磁场两个分量光通过固体的现象设入射固体表面的光辐射能流率为φ0，透过、吸收和反射光的光辐射能流率为φτ，φA，φR，则有光辐射能流率：表示单位时间内通过单位面积（与光线传播方向垂直）的能量。在固体材料中出现的光学现象是电磁辐射与固体材料中的原子、离子或电子相互作用的结果。从宏观上讲，当光从一种介质进入另一种介质时，会发生光的透过、吸收和反射。电子极化电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量；在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用引起电子极化，即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移；所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时光速减小，后者导致折射。光与固体相互作用的本质有两种方式：电子极化、电子能态转变材料折射率及其影响因素折射率：光在真空和在材料中的传播速度之比光在界面处的折射与反射（1）三线共面（2）界面入射反射折射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。光波频率高，只有质量很小的电子位移极化才能与之共振，对极化有贡献较重的离子只能在比较缓慢的红外波段频率范围内位移极化综合考虑维持电子在平衡位置的弹性力、振动衰减阻力和光波电场力，可得复折射率入射光的波长色散：光在介质中的传播速度（或介质的折射率）随其频率（或波长）而变化的现象。考虑局部电场：折射率是频率的函数，色散即折射率随波长变化率正常色散：光频远离共振频率，折射率随波长减小而增大异常色散：共振发生时，折射率随波长减小而减小主要是由于不同波长引起的极化机制不同常用不同固定波长的折射率之差表示材料的色散能力色散系数（Abbé数）nd：氦的d谱线（587.56nm）；nF：氢的F谱线（486.1nm）;nC：氢的C谱线（656.3nm）中部色散材料的反射系数和影响因素界面入射反射折射反射系数（吸收比很小）：若介质1为空气，则：减小反射损失的措施：介质表面镀增透膜：光学厚度nh为1/4光学波长(可使反射为0)用折射率相近的胶粘结，减小空气界面造成的损失应用：大多数金属的反射系数在0.9~0.95之间。可用其他材料的衬底，镀上一薄金属层作为反光镜。金属的颜色由其反光决定，白色全反射，有颜色则由于该频率光被吸收而以声子形式放热非金属材料的透过性介质吸光的一般规律非金属介质吸收可见光三种机制：1）电子极化2）电子吸收光子越过禁带入射光子hυΔEE价带禁带导带ΔEE价带禁带导带反射光子hυ可见光：1.8eV~3.1eV3）电子吸收光子进入禁带中的杂质或缺陷能级吸收—影响可见光透过的第一类因素影响可见光透过的第二类因素—散射光在介质中传播，遇到折射率不同的介质发生多次反射和折射，且反/折射面杂乱无章，使光线偏离原来方向而向各个方向传播，透射光线变得弥散的现象称为散射。光线通过均匀透明介质(清水、玻璃)时，从侧面很难看到光线。光线通过不均匀介质时(混浊液体)，可从侧面看到光线。白天的上空是亮的，并且天空呈湛蓝色。旭日和夕阳呈红色。产生散射的原因是光传播的介质不均匀。介质对光的散射光在介质内传播时，介质中的束缚电子(或者偶极子)在光波电场的作用下受迫振动发出次波，这些次波与入射波具有相同的频率，次波与入射波叠加成折射光波而射出介质。光在均匀介质中传播只能沿介质折射率确定的方向前进。介质中偶极子发出的次波具有与入射光波相同的频率，并且由于偶极子之间有一定相位关系，因而它们是相干光。介质均匀时，次波相干叠加结果，只剩下遵循折射定律的光线，而其余方向的振动相互抵消。杂质所产生的次级波与主波方向不一致，并合成产生干涉现象，使光偏离原来的折射方向，从而引起散射。这种现象为瑞利散射。光的散射主要是次波叠加不能在偏离折射方向完全抵消的结果。非均匀介质S：散射系数透射光强的布格尔Bouguer定律散射使光在前进方向上的强度减弱。I0（1-R）e-(α+S)xI0陶瓷材料透光性的影响因素设陶瓷片厚度为x，入射光强度为I0，陶瓷片与介质之间的相对折射率为n21。RI0I0（1-R）I0R（1-R）e-(α+S)xI0（1-R）2e-(α+S)x实验结果比理论计算的透射比要高。I0（1-R）e-(α+S)xI0RI0I0（1-R）I0R（1-R）e-(α+S)x这部分光能的大小与材料的吸收系数、散射系数密切相关，也和材料表面的光洁度、材料厚度以及光的入射角有关，十分复杂。影响透射比的因素：1）吸收系数，不是主要因素2）反射系数：材料的相对折射率和材料表面光洁度3）散射系数：ａ、材料宏观和微观缺陷ｂ、晶粒排列方向ｃ、气孔引起的反射损失例2：金红石金红石晶体的n0=2.854，ne=2.567,因而其反射系数R=2.8×10-3。如材料厚度3mm，平均晶粒直径3μm，则剩余光能只剩下(1-R)1000=0.06了。此外，由于n21较大，因之K较大，S大，散射损失较大，故金红石瓷不透光。例3：MgO，Y2O3等立方晶系材料没有双折射现象，本身透明度较高。如果使晶界玻璃相的折射率与主晶相的折射率相差不大，可望得到透明度较好的透明陶瓷材料。但这是相当不容易做到的。气孔引起的散射损失①气孔含量

存在于晶粒之间的以及晶界玻璃相内的气孔、孔洞，从光学上讲构成了第二相。其折射率n1可视为1，与基体材料之n2相差较大，所以相对折射率n21=n2也较大。由此引起的反射损失、散射损失远较杂质、不等向晶粒排列等因素引起的损失为大。

气孔的体积含量V越大，散射损失越大。

例：一材料含气孔0.2%（体积），平均d=4μm，试验所得散射因子K=2～4，则散射系数

如果此材料厚为3mm，I=I0e-1.5×3=0.011I0。剩余光能只为1％左右，可见气孔对透光率影响之大。

②气孔尺寸

一般陶瓷材料的气孔直径大约在1μm，均大于可见光的波长(λ=0.39～0.79μm)，所以计算散射损失时应采用公式S=K×3V/4R。散射因子K与相对折射率n21有关。而气孔与陶瓷材料的相对折射率几乎等于材料的折射率n2，数值较大，所以K值也较大。气孔尺寸小，散射损失较小。假如上例中只剩下平均d=0．Olμm的微小气孔，情况就有根本的变化。此时，A12O3陶瓷的平均d<λ/3(λ设为可见光的波长)，符合瑞利散射条件。此时，即使气孔体积含量高达0.63％，陶瓷也是透光的。提高材料透光性的措施1）提高原材料纯度2）掺加外加剂目的：是降低材料的气孔率，特别是降低材料烧成时的闭孔。增加A1203陶瓷透明性的常用外加剂

MgO，Y2O3，La2O3外加剂本身也是杂质，掺多了也会影响透光性。

3）工艺措旋排除气孔使晶粒定向排列透明材料的颜色和着色原理1）透明材料的颜色蓝宝石红宝石无色红色蓝宝石是三氧化二铝单晶，在整个可见光范围内，光的波长分布很均匀，因此是无色的。红宝石是在这种单晶氧化物加入少量的Cr2O3。在单晶氧化铝禁带中引进了Cr3+的杂质能级，造成了不同于蓝宝石的选择性吸收，即对波长约为0.4μm的蓝紫色光和波长约为0.6μm的黄绿光有强烈的选择性吸收，而非吸收光和重新发射的光波决定了其呈红色。电子受激跃迁导致(选择)吸收。电子从激发态回到低能态时，重新发射出光子，其波长并不一定与吸收光的波长相同。透射光的波长分布是非吸收光波和重新发射的光波的混合波。透明材料的颜色是由混合波的颜色决定的。透明材料颜色产生机制上述光与物质的相互作用在可见光范围内产生才能有颜色，否则为无色。2）无机非金属材料的着色颜料有两大类：分子(离子)着色剂和胶态着色剂。显色机制就是由于着色剂对光的选择性吸收而引起的选择性反射或选择性透射，从而显现特定的颜色离子着色根据材料中离子的光吸收，价态等与电子层结构的关系，可把常见离子大致划分为四种类型。1）惰性气体阳离子其电子层结构与周期表中邻近的惰性气体相似。这一类离子中的电子自旋总和等于零。量子力学表明，这类离子中电子状态比较稳定，因此需要较大的能量才能激发电子进上层轨道，可见光的能量不足以使其激发，这就需要吸收波长较短的量子来激发外层电子，因而造成了紫外区的选择性吸收，对可见光则无影响，因此往往是无色的。电子层结构惰性阳离子1s2He（氦）Li+，Be2+，B3+，C4+1s22s22p6Ne（氖）Na+,Mg2+,Al3+,Si4+1s22s22p63s23p6Ar（氩）K+,Ca2+,Sc3+,Ti4+1s22s22p63s23p63d104s24p6Kr（氪）Rb+,Sr2+,Y3+,Zr4+1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6Xe（氙）Cr+,Ba2+,La3+,2）过渡金属离子过渡元素的次外层有未成对的d电子，即具有dxs0p0或d10s0p0结构的离子，外层电子充满，次外层不饱和。其中x=1-5或6-9时，在3d亚层上都有未配对的电子，所以不稳定。电子跃迁所需要的能量Eg较小，可见光谱范围内的能量足够，故显色。当x=5时，半充满，色弱；x=0，10，全空，或全充满时，无色。3）稀土元素（镧系元素）镧系元素的第三外层含未成对的f电子，即具有fxd0s0p0结构，在4f层有未充满（即不配对）的电子，所以也是着色离子。它们较不稳定，能量较高，需要较少的能量即可激发，故能选择吸收可见光。4）外层具有18或18+2电子的阳离子这类离子极化率大，但从电子分布来看，每个轨道上也都有两个电子，所以相对较稳定，但不及惰性气体型离子。它们的特点是极化率大，变价，所以本身不着色。但其化合物在近紫外的光谱上有所吸收。这种离子易被还原，如Au，Ag，Cu。化合物的颜色多取决于离子的颜色，离子有色则化合物必然有色。②胶体着色胶体着色分为金属胶体着色和非金属胶体着色。1）金属胶体着色着色特点：在材料中形成一定大小的胶体粒子，对光产生散射的结果。所以与胶体粒子的大小、数量和形状有关。胶体着色的着色剂最常见的有胶体金(红)、银(黄)、铜(红)。有人以胶态金的水溶液作试验，结果表明：d<20nm时，溶液逐渐变成接近金盐溶液的弱黄色；d≈20—50nm时，是强烈的红色。这是最好的粒度；d≈50—100nm时，则依次从红变到紫红再变到蓝色；d≈100—150nm时，透射呈蓝色，反射呈棕色，已接近金的颜色。说明这时已形成晶态金的颗粒。因此，以金属胶态着色剂着色的玻璃或釉，它的色调决定于胶体粒子的大小，而颜色的深浅则决定于粒子的浓度。2）非金属胶体着色最著名的是硫硒化镉着色。这类着色的特点是颜色纯，有特殊的光吸收，无吸收峰，而是连续的吸收区和透过区。其颜色与CdS/CdSe比例有关，即主要决定于它的化学组成，而晶体大小的影响不大。如果晶粒（尺寸达到100nm或以上时）太大则开始混浊，但颜色不变，颗粒过大时，则失透。在玻璃中的情况也完全相同，最好的例子就是以硫硒化镉胶体着色的著名的硒红宝石，总能得到色调相同、颜色鲜艳的大红玻璃。但当颗粒的尺寸增大至100nm或以上时，玻璃开始失去透明。硫硒化镉五氧化二钽4.2无机材料的红外光学性能1800年，赫胥尔发现红外光谱区。二次世界大战，红外定位仪和红外夜视仪应用：（1）辐射测量和光辐射测量（2）对能量辐射物的跟踪（3）红外成像（4）通信和遥控除非炽热物体，每种处于0K以上的物体均发射特征电磁波辐射，并主要位于电磁波谱的红外区域。光学系统探测器制冷机电子线路显示器伺服机红外搜索跟踪系统框图探测器–视网膜它把接收到的红外辐射转换成人们便于测量和观察的电能、热能等形式。光学系统--用来接收外来红外辐射，进行光学过程处理，透过、折射、吸收等均由仪器设计的光学系统完成。红外透过材料红外波段0.7~20μm材料特点：（1）折射率低（2）散射和吸收系数小（3）自辐射小，避免假信号（4）物理化学性质稳定（5）热导率高实用材料：玻璃、晶体、透明陶瓷、塑料红外透过材料的基本要求：（1）透过率要高（50%）（2）透过的短波限要低（3）频带要宽玻璃优点：光学均匀性好，易加工成型，成本低缺点：透过波长较短，使用温度低于500℃氧化物玻璃透过波长不超过7μm晶体优点：透过长波限较大，折射率和色散范围也较大，熔点高，热稳定好，具有双折射效应。缺点：制备晶体生长较慢；不易长成大尺寸；价格贵；折射率和色散范围较大。硫化物单晶体ZnS、ZnSe为很好的红外透过材料；工程上常用的是多晶体ZnS和ZnSe；制备方法：热压：硬度和强度高。化学气相沉积：吸收很小，折射率均匀度很高，所以可用于做CO2

激光窗口。红外透明陶瓷和金刚石Al2O3透明陶瓷可透过红外与可见光，熔点高，成本低。蓝宝石高速导弹首选的中红外透过材料稀土金属氧化物光学各向同性，散射小。金刚石：金刚石是最理想的红外透过材料。（1）带宽0.23μm~200μm，10.6μm处的吸收系数0.03cm-1。（2）生产工艺：微波等离子体辅助化学汽相沉积（MPCVD）（3）应用：a、多色谱光学材料b、高速飞行器探测系统的光学材料c、大功率CO2激光器窗口d、低介电损耗红外探测材料无选择辐射探测器材料：热释电材料超导材料光声材料选择性辐射探测器材料：外光电效应材料内光电效应材料光生伏打效应光磁效应外光电效应逸出功红限应用于光电发射探测器，光电流与入射辐射功率成正比hνhqhν内光电效应：产生的载流子留在材料内部，而不逸出材料引起材料电导率变化。光敏材料：光导、光伏和