第3章 材料的光学性能

3材料的光学性能光色波长(nm)

频率(Hz)中心波长(nm)

红760~622660

橙622~597610

黄597~577570

绿577~492540

青492~470480

兰470~455460

紫455~400430可见光七彩颜色的波长和频率范围人眼最为敏感的光是黄绿光，即附近。

光通过固体的现象

折射（光速的变化）

反射（能量的变化）

吸收（能量的变化）

散射（能量的变化）

透过（能量）①②③④Ｉx①界面１反射②吸收③散射④界面２反射界面１界面２I0I1I２3.1.3光通过固体现象

3.2光的反射和折射

光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。光在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率。一折射

式中：和分别表示光在材料1及2中的传播速度，为材料2相对于材料1的相对折射率。

如果光从材料1，通过界面传入材料2时，光在材料1和材料2中的速度之比，就是材料2相对于材料1的折射率。相对折射率折射定律

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。介质的n总是大于1的正数，例如空气n=1.0003，固体氧化物n=1.3~2.7，硅酸盐玻璃n=1.5~1.9。

光的折射的本质

式中：C—真空中光速，ε—介质介电常数，

—介质导磁率，非磁性介质该值等于1非磁性介质光是电磁波，电场分量作用于材料会使分子极化，磁场分量作用于磁性介质使介质磁化，极化和磁化作用于光电磁波，使其传播速度减小。1）构成材料元素的离子半径当离子半径增大时，其ε增大，因而n也增大。因此，可以用大离子得到高n的材料，，用小离子得到低n的材料，如。光的折射率的影响因素影响介电常数的因素2）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，称为均质介质。

但是除立方晶体以外的其他晶型都是非均质介质，有双折射现象。3）材料所受的内应力有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方向的n小。

4）同质异构体在同质异构材料中，高温时的晶型折射率n较低，低温时存在的晶型折射率n较高。材料的折射率随入射光的频率的减小(或波长的增加)而减小的性质，称为光的色散。

5）光的波长——光的色散测量不同波长光线通过棱镜的最小偏向角，就可以算出棱镜材料的折射率n与波长λ之间的关系曲线，即色散曲线。

几种材料的色散色散系数(阿贝数)

式中nD,nF和nC分别为以钠的谱线、氢的F谱线和C谱线(589.3nm，486.1nm和656.3nm

)为光源，测得的折射率。材料的反射率二反射

反射定律与折射定律为了减小反射损失，经常采取以下措施：透过介质表面镀增透膜。将多次透过的玻璃用折射率与之相近的胶将它们粘起来，以减少空气界面造成的损失。材料对光的吸收机理极化电子受激吸收光子而从较低能态跃迁到高能态三材料对光的吸收例：求氯化钠晶体能吸收的光的最短波长。l+dlldxlII+dI光的吸收规律α吸收系数，单位为m-1，表征材料对光的吸收能力的特征参数。吸收系数与吸收率

朗伯特定律吸收系数表示当透过材料的光强度是入射光强度的1/e时，光所透过的材料厚度的倒数。四

光的散射

光在通过气体、液体、固体等介质时，遇到烟尘、微粒、悬浮液滴或者结构成分不均匀的微小区域，都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来，这种现象称为光的散射。例如，当一束太阳光从窗外射进室外内时，我们从侧面可以看到光线的径迹，就是因为太阳光被空气中的灰尘散射的缘故。散射的一般规律3.4.2弹性散射和非弹性散射根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，分为弹性散射与非弹性散射

弹性散射：散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化，只改变方向的散射。

非弹性散射：散射前后光的波长（或光子能量）发生变化的散射，称为非弹性散射。I0为光的原始强度；I为光束通过厚度为l的试件后的剩余强度；α

是衰减系数；αa、αs分别称为吸收系数和散射系数散射系数散射系数决定于波长和质点尺寸的大小关系。散射系数和质点尺寸的关系参量σ与散射中心尺度大小a0有关，按a0与入射光波长λ的大小比较，分为三类：

1）

廷德尔散射当a0»λ时，σ→0即散射中心的尺度远大于光波波长时，散射光强与入射光波长无关如粉笔灰、白云呈白色例如在胶体、乳浊液以及含有烟、雾或灰尘的大气中的散射。弹性散射和波长的关系2）米氏散射当a0与λ相近时，σ=0~4即散射中心的尺度与光波波长可以比拟时，σ在0~4之间,具体取值与散射中心有关.米氏散射性质比较复杂。瑞利散射强度与波长的关系3）

瑞利散射Rayleighscattering

当a0«λ时，σ=4即当散射中心的线度远小于入射光的波长时，散射强度与波长的4次方成反比按照瑞利散射定律，解释晴天时晨阳与午阳的颜色不同。入射波长越长，散射光强越小，即长波散射要小于短波散射。因为大气及尘埃对光谱上蓝紫色光的散射比红橙色光为甚，阳光透过大气层越厚，其中蓝紫色光成分损失越多，太阳显得越红。1）

拉曼散射（Ramanscattering）是分子或点阵振动的光学声子（即光学模）对光波的散射。拉曼散射与材料的结构有关，可