复材料的光学性能

复材料的光学性能第1页，课件共34页，创作于2023年2月4.1光和固体的相互作用1.光的波粒二相性爱因斯坦的光电方程……把光的波动性和粒子性结合起来

E=hν=hc/λ讨论光与材料相互作用产生的反射、折射、投射现象----光的粒子性讨论光波在介质中的传播、衍射等---光的波动性2.光通过固体现象第2页，课件共34页，创作于2023年2月可见光：0.38-0.76μm第3页，课件共34页，创作于2023年2月Ψ0=ΨR

+ΨA+Ψτ+Ψσ光和固体介质的作用第4页，课件共34页，创作于2023年2月Ψ0=ΨR+ΨA+Ψτ+Ψσ1=T+R+α+σT:透射系数R：反射系数

α：吸收系数

σ：散射系数光子与固体材料的相互作用，其实质上就是光子与固体材料中的原子、离子、电子等的相互作用。其中：1）电子极化：电磁辐射的电场分量在传播的过程中，与每一个原子都发生作用，引起电子云与核外电荷重心发生相对位移—引起电子极化。结果是光的部分能量被吸收，光速减慢。第5页，课件共34页，创作于2023年2月2）电子能态转变：光子被材料吸收后，材料中的原子吸收了光子能量（ΔE=hυ42）后，将E2能级上的电子激发到E4空能级上第6页，课件共34页，创作于2023年2月注：原子中电子能级是分立的，即能级间存在特定的ΔE，只有能量为ΔE的光子才能被原子通过能态转变而吸收。受激电子不可能长时间保持在激发态，短时间后又衰变回基态，同时发出电磁波。4.1.1折射

当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。第7页，课件共34页，创作于2023年2月如果光从材料1，通过界面传入材料2时，与界面法向所形成的入射角i1，折射角i2与两种材料的折射率n1和n2有下述关系：

式中:V1和V2分别表示光在材料1及2中的传播速度，

n21为材料2相对于材料1的相对折射率。第8页，课件共34页，创作于2023年2月介质的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。

影响n值的因素：

1．构成材料元素的离子半径

马克斯威尔电磁波理论认为光在介质中的传播速度为：式中：C—真空中光速，ε—介质介电常数，μ—介质导磁率第9页，课件共34页，创作于2023年2月当离子半径增大时，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。

2．材料的结构、晶型根据光线通过材料的表现，介质分为均质介质和非均质介质。对于均质介质，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。对于非均质介质，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，它们分别构成两条折射光线，这个现象称为双折射。第10页，课件共34页，创作于2023年2月中南大学材料科学与工程学院平行于入射面的光线的折射率，称为常光折射率n0，不论入射光的入射角如何变化，n0始终为一常数，因而常光折射率严格服从折射定律。另一条与之垂直的光线所构成的折射率，则随入射线方向的改变而变化，称为非常光折射率ne，它不遵守折射定律，随入射光的方向而变化。当光沿晶体光轴方向入射时，只有n0存在，与光轴方向垂直入射时，ne达最大值。第11页，课件共34页，创作于2023年2月中南大学材料科学与工程学院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。

下表列出了部分玻璃和晶体的折射率。第12页，课件共34页，创作于2023年2月中南大学材料科学与工程学院第13页，课件共34页，创作于2023年2月4.1.2反射

当光线由介质1入射到介质2时，光在介质面上分成了反射光和折射光。设光的总能量流W为W=W’+W’’式中W、W’和W’’分别为单位时间通过单位面积的入射光、反射光和折射光的能量流，根据波动理论第14页，课件共34页，创作于2023年2月由于反射波的传播速度及横截面积都与入射波相同，所以式中A’

与A分别为反射波与入射波的振幅。把光波振动分为垂直于入射面的振动和平行于入射面的振动，Fresnel推导出：第15页，课件共34页，创作于2023年2月自然光在各方向振动的机会均等，可以认为一半能量属于同入射面平行的振动，另一半属于同入射面垂直的振动，所以总的能量流之比为：当角度很小时：第16页，课件共34页，创作于2023年2月因介质2对于介质1的相对折射，故

m——反射系数第17页，课件共34页，创作于2023年2月根据能量守恒定律（1-m）称为透射系数。例如：设一块折射率为n=1.5的玻璃，光反射损失m=0.04透过部分为1-m=0.96。如果透射光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，此时透过部分为(1-m)2=0.922如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分为第18页，课件共34页，创作于2023年2月由于陶瓷，玻璃等材料的折射率较空气大，所以反射损失严重。如果透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失更可观，为了减少这种界面损失，常常采用折射率和玻璃相近的胶将它们粘起来，这样，除了最外和最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面都是和胶的较小的相对折射率，从而大大减少界面的反射损失。第19页，课件共34页，创作于2023年2月4.1.3材料的透光性一、介质对光的吸收1．吸收的一般规律设有一块厚度为x的平板材料，入射光的强度为I0，通过此材料后光强度为I’。选取其中一薄层dx，并认为光通过此层的吸收损失-dx正比于在此处的光强度I和薄层的厚度dx， 第20页，课件共34页，创作于2023年2月第21页，课件共34页，创作于2023年2月光强度随厚度的变化符合指数衰减规律，即朗伯特定律。式中α为物质对光的吸收系数，其单位为cm-1。α取决于材料的性质和光的波长。即:第22页，课件共34页，创作于2023年2月图4.5所示在电磁波谱的可见光区，金属和半导体的吸收系数都是很大的，但是电介质材料，包括玻璃、陶瓷等无机材料的大部分在这个波谱区内都有良好的透过性，即吸收系数很小。这是因为电介质材料的价电子所处的能带是填满了的,它不能吸收光子而自由运动，而光子的能量又不足以使电子跃迁到导带，所以在一定的波长范围内，吸收系数很小。2．光吸收与光波长的关系第23页，课件共34页，创作于2023年2月第24页，课件共34页，创作于2023年2月

二、介质对光的散射光波遇到不均匀结构产生的次级波，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，从而引起散射。对于相分布均匀的材料，由于散射而光强度减弱的规律与吸收规律具有相同的形式：式中I0为光的原始强度，第25页，课件共34页，创作于2023年2月

I—为光束通过厚度为x的试件后，由于散射在光前进方向上的剩余强度，

S—散射系数，与散射质点的大小、数量以及散射质点与基体的相对折射率等因素有关，见图4.6。其单位为。第26页，课件共34页，创作于2023年2月从图4.6中可以看出，曲线由左右两条不同形状的曲线所组成，各自有着不同的规律。当d<λ时，则随着d的增加，散射系数S也随之增大；当d>λ时，则随着d的增加，s反而减小，当d=λ时，s达最大值，即

当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。

。如果将吸收定律与散射规律的式子统一起来，则:

第27页，课件共34页，创作于2023年2月三、材料的透光性光通过厚度为x的透明陶瓷片时，各种光能的损失见图4.7所示。强度为I0的光束垂直地入射到陶瓷左表面，由于陶瓷片与左侧介质之间存在相对折射，因而在表面上有反射损失①:

L①=透进材料中的光强度为:第28页，课件共34页，创作于2023年2月第29页，课件共34页，创作于2023年2月这一部分光能穿过厚度为x的材料后，又消耗于吸收损失②和散射损失③。到达材料后表面时，光强度剩下。再经过表面，一部分光能反射进材料内部，其数量为

L④=

另一部分传至右侧空间，其光强度为显然才是真正的透光率。影响材料透过率的因素有：第30页，课件共34页，创作于2023年2月

1．吸收系数对于陶瓷、玻璃等电介质材料，其吸收率或吸收系数α在可见光范围内是比较低的，见图4.4所示。

2．反射系数材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。

3．散射系数这一因素最影响陶瓷材料的透光率。①材料宏观及显微缺陷②晶粒排列方向③气孔引起的散射损失第31页，课件共34页，创作于2023年2月

四、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，气孔由于相对折射率的关系，其影响程度远大于杂质等其它结构因素。

3．工艺措施采取热压法比普通烧结法更便于排除气孔，因而是获得透明陶瓷较为有效的工艺，热等静压法效果更好。

第32页，课件共34页，创作于2023年2月第三节