材料的光学性能

材料的光学性能第1页，共44页，2023年，2月20日，星期五第2页，共44页，2023年，2月20日，星期五钻石第3页，共44页，2023年，2月20日，星期五第4页，共44页，2023年，2月20日，星期五琥珀玛瑙琥珀第5页，共44页，2023年，2月20日，星期五蓝宝石红宝石第6页，共44页，2023年，2月20日，星期五大多数宝石含有致色元素，常见的致色元素有钛，钒，铬，锰，铁，钴，镍，铜等。自色：指宝石所含的主要元素所产生的颜色。例如，橄榄石的化学成分是铁镁硅酸盐，它所含的铁元素使橄榄石呈现绿色。他色：指宝石所含微量杂质元素所产生的颜色。例如，刚玉Al2O3

纯净时为无色；含有微量的铬（

Cr）元素时呈红色，即红宝石；含有微量的铁（Fe）元素和钛（Ti）元素时呈蓝色，即蓝宝石.第7页，共44页，2023年，2月20日，星期五光的吸收、色散和散射

一束平行光照射材料时，部分光的能量被吸收，其强度将被减弱；复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。介质中光的传播速度比真空中小，且随波长而变化产生色散现象；光在传播时，遇到结构成分不均匀的微小区域，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，即发生散射现象。第8页，共44页，2023年，2月20日，星期五1.光的吸收光的吸收是指原子在光照的下吸收光子的能量由低能态跃迁到高能态的现象。比尔定律

1852年A.比尔证明，对于气体或溶解于不吸收的溶剂中的物质，光的吸收与（吸光物质的浓度）成正比；与（液层的厚度）成正比。（比尔定律）。

公式式中x与浓度无关的比例常数。第9页，共44页，2023年，2月20日，星期五2.色散在给定入射光波长的情况下，材料的折射率随波长的变化率称为色散率。最常用的数值是倒数相对色散，即色散系数几种材料的色散图第10页，共44页，2023年，2月20日，星期五3.光的散射在材料中如果有光学性能不均匀的微小结构区域，例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，都会引起一部分光束被散射，由于散射，光在前进方向上的强度减弱了，对于相分布均匀的材料，其减弱的规律与吸收规律具有相同的形式。第11页，共44页，2023年，2月20日，星期五4.光的折射※折射现象：当光由一种介质进入另一种介质时，由于光在两种介质中的传播速度不同而产生的折射现象。※折射率：第12页，共44页，2023年，2月20日，星期五※折光指数：通常以各种物质对真空的折射率作为该物质的折射率，即折光指数。聚合物的折光指数一般都在1.5左右。※各向同性的材料：无应力的非晶态聚合物，在光学上也是各向同性的，因此只有一个折光指数。※结晶和各向异性的材料：折光指数沿不同的主轴方向有不同的数值，该材料被称为双折射的（如非晶态聚合物因分子取向而产生双折射。第13页，共44页，2023年，2月20日，星期五聚合物的折光指数聚合物折光指数(25˚C,l=589.3nm)聚合物折光指数(25˚C,l=589.3nm)PTFE1.3-1.4PB1.515PDMS1.404PAN1.518PVAc1.467Nylon-661.53POM1.48PVC1.544PMMA1.488PC1.585PIB1.509PS1.59PE1.51-1.54PET1.64PP1.495-1.510PVDC1.63多数碳链聚合物的折光指数～1.5碳链上带有较大侧基时，折光指数较大；带有氟、甲基等时，折光指数较小。第14页，共44页，2023年，2月20日，星期五透明性及光泽※大多数高聚物当不含结晶、杂质和疵痕时都是透明的（如PMMA、聚苯乙烯等），对可见光的透过程度达92%以上。※透明度损失的原因：光的反射和吸收；材料内部对光的散射；与光所经的路程（物体厚度）有关，厚度↑，透明度↓。※散射产生原因：结构的不均匀性，如聚合物表面或内部的疵痕、裂纹、杂质、填料、结晶等。第15页，共44页，2023年，2月20日，星期五※光泽：材料表面的光学性能；越平滑的表面，越光泽。※直接反射系数：从0°-90°的入射角，反射光强与入射光强之比称为直接反射系数，表示表面光泽程度（光泽度）。第16页，共44页，2023年，2月20日，星期五宝石透过可见光的能力称为透明度。宝石的透明度可以大致分为五级。黄玉透明（transparent）亚透明（semitransparent）半透明（translucent)微透明（semitranslucent)不透明（opaque）

第17页，共44页，2023年，2月20日，星期五光线可以透过，通过宝石可以看到对面的物体，但不太清晰。此类宝石如：月光石、磷灰石、顽火辉石等。磷灰石

透明（transparent）亚透明（semitransparent）半透明（translucent)微透明（semitranslucent)不透明（opaque）

第18页，共44页，2023年，2月20日，星期五虽然光线可以透过，但通过宝石不能看到对面的物体。此类宝石如：硅孔雀石、蛇纹石玉、拉长石等硅孔雀石

透明（transparent）亚透明（semitransparent）半透明（translucent)微透明（semitranslucent)不透明（opaque）

第19页，共44页，2023年，2月20日，星期五透光能力较差，在靠近光源时宝石边部薄的地方可透过少量光线。此类宝石如：玛瑙、软玉、绿松石、玉髓等。绿松石透明（transparent）亚透明（semitransparent）半透明（translucent)微透明（semitranslucent)不透明（opaque）

第20页，共44页，2023年，2月20日，星期五不透明光线不能透过，即使在靠近光源时宝石边部薄的地方也不透光。此类宝石如：孔雀石、赤铁矿等。赤铁矿透明（transparent）亚透明（semitransparent）半透明（translucent)微透明（semitranslucent)不透明（opaque）

第21页，共44页，2023年，2月20日，星期五光泽

材料的光泽取决于三类反射：镜面反射（mirroreflection）：平行光射向界面为平面的物体，反射出来的仍将是平行光，表现出很强的光泽。漫反射（diffusionreflection）：如果平行光射向界面粗燥的物体，反射出来的光均匀地射向各个方向，表现出均匀而柔和的光泽。散射光（scattering）：因光子的多次碰撞从材料表层散射出的光线，其与入射光的角度无关，与入射光能量和材料表层结构与组成有关。光泽是指矿物表面对可见光的反射能力。第22页，共44页，2023年，2月20日，星期五光泽度主要取决于矿物本身的折光率。树脂光泽（琥珀）

第23页，共44页，2023年，2月20日，星期五亚玻璃光泽（萤石）第24页，共44页，2023年，2月20日，星期五玻璃光泽（水晶）第25页，共44页，2023年，2月20日，星期五半金刚光泽（锆石）

第26页，共44页，2023年，2月20日，星期五金刚光泽（钻石）

第27页，共44页，2023年，2月20日，星期五反射和内反射※透明材料的反射：当光垂直射入时，透过光强与入射光强之比：大多数聚合物≈1.5，则T=92％，反射光约占8％左右。在不同入射角时，反射率也不太高。第28页，共44页，2023年，2月20日，星期五※内反射：设光从聚合物射入空气的入射角为α，若sinα≥1/n，即发生内反射，即光线不能射人空气中而全部折回聚合物中。大多数聚合物，n=1.5，α最小为42°左右。※内反射的应用：使聚合物显得很明亮→发光制品，如汽车的尾灯、信号灯、光导管（外科手术局部照明）、光导纤维等。第29页，共44页，2023年，2月20日，星期五弯曲部分的曲率半径γ不小于棒直径d的3倍，即满足sinα≥2/3的条件第30页，共44页，2023年，2月20日，星期五光在纤维中的反射与折射现象

光与平行界面介质的相互作用:反射、折射与透射作用在介质中发生多次，强度随作用次数衰减，因介质对光有吸收作用

入射主反射次反射次透射主透射介质1(空气或液体)介质1(空气或液体)介质2(纤维)2211(a)层状结构第31页，共44页，2023年，2月20日，星期五入射反射1反射3折射2折射1折射3反射2(b)纤维普通纤维截面形状多为圆形，光在纤维内多次反射、折射和透射

发生全反射的条件：光从光密到光疏介质；入射角大于临界角第32页，共44页，2023年，2月20日，星期五影响材料透光性的因素1）吸收系数——这部分损失较小，在影响透光率中不占主导地位。对于陶瓷、玻璃等电介质材料，材料的吸收率或吸收系数在可见光范围内是比较低的。所以陶瓷材料的可见光吸收损失相对来说是比较小的，在影响透光率的因素中不占主要地位。2）反射系数——这部分损失较大材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。另一方面，材料表面的光洁度也影响透光性能，这一点在后面界面反射这一节中细述。3）散射系数——影响最大这一因素最影响陶瓷材料的透光率。第33页，共44页，2023年，2月20日，星期五

反蛋白石结构的制备典型反蛋白石结构SEM蛋白石(opa1)是自然界中存在的一种具有几百纳米空隙、排列规则的无定形二氧化硅，在光照射下能显出绚烂的色彩。空隙可填充各种无机或有机物，如能将胶体颗粒去除而不影响晶体结构，就能得到空气孔结构的光子晶体，该结构就是所谓的反蛋白石结构。第34页，共44页，2023年，2月20日，星期五

(反)蛋白石结构的制备Adv.Mater.2000,12,1176−11801973年，吉尔森在实验室造出仿蛋白石。第35页，共44页，2023年，2月20日，星期五光子晶体

光子晶体是由两种以上具有不同折射率的材料在空间按照一定的周期顺序排列所形成的有序结构材料。具有特征的Bragg衍射，衍射峰波长：

k为衍射级数，neff为光子晶体的平均折射率，θ为光线入射的角度。在光子晶体材料中填充其他物质或者溶剂改变平均折射率，或者通过电场，机械力，改变温度，pH环境对晶格参数的调节可以使衍射峰位置明显移动。第36页，共44页，2023年，2月20日，星期五光子晶体

(A)在刻蚀硅表面自组装电镜图(B)蒸发诱导自组装模板实物照片(C)垂直蒸发诱导自组装电镜图(D)旋涂法实物图。第37页，共44页，2023年，2月20日，星期五光子晶体利用模板法制备出聚NIPA-冠醚的反蛋白石结构的离子传感器，对温度和K+响应，具备自表达的特性，直接通过颜色的变化向人们指示温度和离子浓度。Angew.Chem.Int.Ed,2003,42:4197Chem.Commun,2003,2126(A)传感器对温度响应(B)传感器对不同浓度钾离子响应第38页，共44页，2023年，2月20日，星期五光子晶体光子晶体技术和分子印迹技术为平台，制备除草剂莠去津的传感材料。1）高亲和性的分子传感材料；2）传感器材料具有一系列传感的优势：高灵敏度、高选择性、快速响应以及可再生性；3）微孔穴的分子识别过程可以通过有序大孔的光衍射信号直接表达出来，并可方便的用裸眼观察到颜色变化。

第39页，共44页，2023年，2月20日，星期五含有不同指示剂的海藻酸钙水凝胶加酸后颜色的变化第40页，共44页，2023年，2月20日，星期五含有不同指示剂的海藻酸钙水凝胶及加酸后颜色的变化第41页，共44页，2023年，2月20日，星期五纤维的颜色纤维的颜色取决于纤维对不同波长色光的吸收和反射能力。天然纤维的颜色：取决于品种（即天然色素）；生长过程中的外界因素合成纤维的颜色：取决于原料（是否含有杂质）；纺丝工艺（如温度、加热时间等）纤维的光学性质第42页，共44页，2023年，2月20日，星期五

纤维的光泽

评价光泽应同时考虑两个方面：反射光量的大小和反射光量的分布规律反射光量很大，分布不均匀