材料性能与测试课件第十二章材料的光学性能

1、第十二章材料的光学特性，中南大学粉末冶金研究所增范号，摘要，12.1线性光学特性，a基本概念和性能指标，b应用和影响因素，12.2非线性光学特性，a概念和生成条件，b应用和测试，引文，光学材料是功能材料的重要组成部分。激光、光通信、光电子集成等。材料的光学特性与各种用途相关。其中，用作窗口、镜头、棱镜、过滤器、激光、光纤的光学特性为周期性的光学玻璃、晶体等更为重要。高温窗、高温透镜等特殊用途的光学零件需要透明陶瓷材料，例如成功应用于高压钠灯灯的透明陶瓷。必须能承受数千度的温度和钠蒸汽的腐蚀，因此对此的主要光学特性要求是透光性。线性光学的概念：介质的电极强度p与入射光波的电场e是简单的线性关系。

2、12.1线性光学特性，1 .基本概念，x是介质的极化速度，0位真空介电常数。Einsten光电方程：光具有在传播过程中波动的特性，光能集中在光量子(一些称为光子的粒子)上。产生光电效果的光是光子的流动，单个光子的能量与频率成正比。也就是说，电磁波在真空中的速度c为3108m/s。c和真空介电常数、真空磁导率关系：光的波粒子双重性，光在介质中传播时的速度：相对介电常数和相对磁导率光与材料相互作用产生的反射、透射、折射等，应用光的粒度是很容易理解的；在讨论介质中光波的传播、衍射等时，应用光波很方便。电磁波谱，光从一种介质进入另一种介质时，例如从空气进入透明介质时，一部分通过，一部分吸收，一部分在两

3、种介质的界面上反射，一部分散射。微观分析；光和固体物质中原子、电子、离子等的相互作用：电子极化-电子云和原子核电荷的质心因相对位移而吸收了光的一些能量，从而降低了光的速度，产生折射；电子能量状态转换-吸收能量，感应电子以基态发射电磁波。光与固体相互作用，2.1折射率为1，绝对折射率为当光从真空进入更致密的材料时，其速度降低。真空和材料中的光速比是材料的绝对折射率。2 .性能指标，其中介质的折射率始终大于1。材质二相材质1的相对折射率：2，相对折射率，折射定律：n1sin :介质的遗传常数；媒体的传导率。介质的折射率随着介电常数的增加而增加。折射率与介质的极化相关。在介电常数，加上电场的作用下，

4、介质中的正电荷沿着电场的方向移动，负电荷沿着反转长度的方向移动，这样正负电荷的中心就发生了相对位移，这种现象就是介质的极化。外部电场越强，正负电荷中心的距离就越大。随着介质中离子半径的增加而增加。因此，n也增加。高折射率材料中的大离子：PbS n=3.912小离子获得低折射率材料。sicl 4 n=1.412，(2)材料的结构、晶体和非晶(离子的阵列)；光学同质介质：非晶(非晶)；等轴晶体(各向同性)；光学异质性介质：等轴晶体以外的其他晶体材料；光，晶体在致密的积累方向上折射率最高。异种晶体的特性是材料各向异性的表现。双折射：一束实体自然光在各向异性晶体的界面上折射时，通常会产生两个折射光(均

5、为线偏振)。常规光源(o光源)、极光源(e光源)、常规光源：平行于入射面的光线的折射率n0不随入射角的变化而变化，并且始终是常量，并遵循折射定律。极光源：垂直于常规光源的光线的折射率ne会随着入射线方向的更改而变化，并且不符合折射定律。不发生双折射的特殊方向称为“光轴”，光在光轴方向入射时只有n0；Ne在垂直于光轴方向入射时达到最大值。(4)与拉主应力方向垂直的n个大同质异构，与拉主应力方向平行的n较小。压缩应力具有相反的效果。同质异构物质中，在高温下晶体的折射率低，在低温下晶体的折射率高。由相同化学组成的玻璃低于晶体的折射率。例如：室温修改玻璃：n=1.46修改：n=1.55，(3)材料的内

6、部应力，表1各种玻璃和晶体的折射率，2.2:漫射材料的折射率n是随入射光频率的减少(或波长的增加)而减少的性质，折射率的分布漫射=，多种材料的颜色漫射也为12.1。方差值可以直接由图形确定。常用的漫射系数是折射率，其中中间nD、nF和nC分别使用钠d线、氢的f线和c线(5893、4861和6563)作为光源测量。图12.1晶体和玻璃的漫反射，2.3反射光从介质1入射到介质2时，光在介质面上分为反射光和折射光，如图11.2所示。图12.2光的反射，反射系数r 1-r是透射系数。垂直入射时光从界面反射的量取决于两种介质的相对折射率n21。假设通过x接口通过部分(1-R)x反射损失很大。折射率类似的

7、粘合、n21减小、界面反射损失减少、光从光密度介质进入光稀疏介质时，折射角r大于入射角I，如果I为特定值，则r可以达到90。这相当于光线平行于曲面扩散，对于较大的I值，光线全部向内反射到光密度介质。临界角度是典型的应用：假定光纤通信为n=1.5，临界角度约为42o。2.4上半场，光线通过介质时，介质中的原子会转移电子，或者原子会振动，从而消耗能量，介质中的原子可能是由电子吸收光子能量引起的，还没有受到刺激，光子发射时与运动中的其他分子碰撞，电子的能量转换为分子的动能，从而产生光的衰减，即材料对光的吸收。2.5吸收系数、Lambert定律：吸收系数：吸收分选择性吸收和均匀吸收。选择性吸收以不同方

8、式吸收特定波长的光。所有介质都是选择性吸收介质。图12.3根据光的吸收率和入射光的波长的关系，光波遇到了不均匀的结构，产生与主波方向不一致的二次波，与主波合成，产生干涉现象，使光偏离原方向，引起散射。弱化定律如下：2.6散射，S:散射系数与粒子大小相关。图12.4粒子大小对散射系数的影响，透射率概念：材料能通过光的特性。透光性是光通过介质材料后光的能量所占的百分比，光的能量是可以用照度表示的综合指标。光学玻璃、显示器等，3 .线性光学特性的影响因素和应用、3.1半透明材料、图12.5光通过介质时的吸收和损失、表面反射损失吸收损失散射损失反射损失：穿透强度：上述分析表明，影响材料透光性的因素主要

9、是材料的吸收系数、反射系数和散射系数。其中吸收系数与材料的特性密切相关。散射光系数包括材料的透射率(1)材料的宏观和微观缺陷掺杂(2)双折射的影响(3)气孔造成的散射损失，一般光透射决定，光的反射率材料表面光洁度很高时反射的反射光有明确的方向，一般称为镜反射的反射光在材料表面光洁度很高时影响反射光。陶器的大部分表面不是很光滑，因此在粗糙或不均匀的材料表面发光时，会发生一些漫反射，因为材料表面粗糙，区域入射角参差不齐，反射光的方向也不同。材质表面越粗糙，镜子反射所占用的能量分数越小。光泽与镜面反射和漫反射的相对含量密切相关。主要由折射率和表面光洁度决定。3.2光泽，图12.6光泽反射和扩散(a)

10、釉或搪瓷(b)毛玻璃或陶瓷，极浊度(不透明):光到达具有其他光学特性的地面之前扩散。在建筑陶瓷中加入第二相粒子-浊度剂(TiO2，SnO2，ZrSiO4)。对浊度剂的要求是不能与玻璃反应，体积分数高，尺寸和入射光波长相当，相对折射率n21比。3.3不透明和半透明、半透明乳白色玻璃和半透明陶瓷和釉的重要光学特性为半透明。也就是说，除了内部玻璃散射引起的漫反射之外，在入射光中扩散透射分数决定于材料的半透明性。对于乳白色玻璃，最好是散射明显，吸收最小，以便反射最大。最好的方法是在这种玻璃中混合NaF和CaF2，这与基体材料的折射率相似。减少散射，提高扩散透射比。单相氧化物陶瓷的半透明性是质量表示，这

11、种陶瓷中存在的气孔经常有固定的大小，因此半透明性几乎只取决于气孔的含量。获得半透明身体的方法：(1)降低气孔含量，使物体稠密，减少散射的方法。(2)在微米级精炼粒度。(3)调整每个相位的折射率，以便更好地匹配。虽然被电子的诱导转移吸收，但回到基态并发射光子，波长不一定能吸收光的波长，透明材料的颜色由具有混合波的颜色决定。例如，蓝宝石(单晶Al2O3)无色，红宝石(混合Cr2O3)引入Cr3+杂质能级，选择性吸收波长为0.4m的青瓷光和波长为0.6m的黄绿色光，使其看起来呈红色。着色除了了解光谱贴图外，还需要注意亮度、色调和饱和度。陶瓷材料中的着色剂因选择性吸收着色剂而产生的反射透射而显示颜色。

12、3.4透明材料着色，透明尖晶石陶瓷(MgAl2O4)为中红外透明窗和罩、手套材料，各种高温高压腐蚀性环境下的设备观察窗，气体探测器窗，高温锅炉水位仪，高温高压设备的观察窗，商品条码扫描仪窗，地下探测用传感器，各种护目镜膜，陶瓷、透明尖晶石陶瓷、(1)荧光灯、阴极射线管、荧光屏、计数器、发光二极管(LED)等。一般来说，这里的来源包括电子、x射线、紫外线等(2)偏振材料：用于液晶显示的偏振片(PVA聚乙烯醇)(3)电光和声光材料：电光，用于改变由外部电场引起的材料折射率或光吸收；铁电性的电子控制双折射；声波引起材料的弹性变形，引发折射率随时间空间周期变化的光。像光调制器一样。3.5应用于其他线性

13、光学特性的材料，荧光和磷光，电子在这里，转移能量准，返回基态时发射光子，如果光子的波长在可见光范围(能量在1.8-3.1eV)内，则产生发光现象，与热辐射光区别，想成为冷发光。冷光分为荧光和磷光。发光时差。电子在10-8s以内。后者需要较长的发光时间，如用于雷达扫描显示的荧光剂Zn2SiO4，活化剂为Mn，发射波长为530nm的黄绿色光，余光时间为2.4510-2s。，部分磷光材料，电子激发：彩色电视的- ZnS:Ag(蓝色)ZnS:Cu/Al(黄绿色)Y2O3:Eu(红色)。紫外线激发：荧光灯-bamg 2 al 16 o 173360 eu(蓝色)LaPO4:Ce(黄绿色)Y2O3:Eu(

14、红色)。x射线激发：感光纸-cawo 4(蓝色)Gd2O2:Tb(绿色)，非线性光学的发展与激光技术密切相关。激光的历史有一百多年了。到1893年，在波尔多一所中学任教的物理老师布鲁什指出，两面镜子反射的黄钠光，会随着两面镜子之间的距离而变化。他无法解释这一点，但为未来的激光发明发现了非常重要的现象。1917年，爱因斯坦提出了激光的理论基础。1958年，美国贝尔研究所科学家绍罗和汤斯发现了一种奇怪的现象，即在稀土类晶体上发射闪光的光时，晶体分子发出明亮的、总是团聚在一起的光。他们发现利用激光刺激的辐射能获得新形式的单色、亮度和亮度。同年发表了关于激光的经典论文，奠定了激光发展的基础(1964年

15、获得诺贝尔物理学奖)。1960年，美国人梅曼发明了世界上第一个红宝石激光器。梅曼使用红宝石晶体制作发光材料，使用具有极高发光度的脉冲氙灯，获得了人类历史上第一批激光。生产高功率激光的第一个装置二氧化碳激光诞生于1965年。1967年成功开发了第一台x射线激光。1997年，美国麻省理工学院的研究员开发了第一种原子激光器。12.2非线性光学特性，Theodore Maiman)，1927-2007，激光作用。介质的电极强度和入射光场强之间的关系是一般的幂级数关系。即非线性光学现象包括光学谐波、光学和频率及差分频率、光学参数放大和振动、光束自聚焦、激光散射、双光子吸收、多光子吸收、多光子电离、多光子

16、荧光、位置复合共轭、光学双稳、受激拉曼散射、受激布里渊散射、受激轨道非线性光学不仅在理论上丰富了人们对光和物质相互作用的认识，而且已经得到了广泛的应用。例如，光倍频、光参数振动、受激拉曼散射已成为产生新频率相干辐射的有效方法。利用非线性饱和吸收，制成了染料q开关和被动锁模元件。它在激光光谱学、同位素分离、光控制化学反应、核聚变、集成光学、信息光学、光学计算机等方面发挥着重要作用。1 .基本概念，入射光是强光在原子内场强测定的对称要求(点组范围)3。位匹配，2 .生成条件(磁学习)、激光器的种类很多，分为固体、气体、液体、半导体和染料(1)固体激光器，体积小、坚固，脉冲辐射功率更高。(2)半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单，特别适用于飞机、军舰、车辆和宇宙飞船。半导体激光器可以通过附加电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，将电力直接转换为激光能量。(3)气体激光器以气体为工作物质，在单色和一致性方面比较好，激光波长达数千个。气体激光有电能、热能、化学能、核能等多种诱因。(4)染料激光以液体染料为工作材料，于1966年问世，广泛应用于各种科学研究领域。现在已经发现的能生产激光的染料约有500种。这种染料可溶于酒精、苯、丙酮、水或其他