第四章 材料的光学性能2.ppt

第四章 概 述 无机材料的用途与其光学性能密切相关，如： 窗口、透镜、棱镜、滤光镜、光导纤维等-光学玻璃和光学晶体。折射率、色散、散射、吸收等 高温窗口、高温透镜等-透明陶瓷。透明性 面砖、艺术瓷、搪瓷等-颜色、光泽、乳浊性等。 激光、能源、信息、通讯、军工等领域对材料的光学性能提出了更高的要求。 回顾与总结 ? 几何光学 (geometrical optics) ? 波动光学 (wave optics) ? 量子光学 (quantum optics) 1 光是电磁波:应用电磁场理论说明光的基本现象和规律 2 光的折射与反射:光波与物质在界面处的相互作用 3 光的吸收与散射:光波在介质中与物质原子的相互作用 4 光的偏振:光矢量和光的各种偏振态 回顾与总结 无线电波－波长比可见光长得多，不能引起人的视觉，可以引起电子的振荡。由于波长很长，一个金属网笼，甚至桥梁上的钢架就可以将其阻止。 微波－波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食物里很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加热。 回顾与总结 红外线（IR）－分布在微波和可见光之间，且仅能够在它聚集热的地方探测到。蛇和其他一些生物对红外线很敏感；红外线不能透过玻璃，这一特性可以解释温室效应：晴天时，经过温室玻璃的可见光被植物吸收，而红外线被再次辐射，被玻璃捕获的红外线引起温室内部的温度升高，整个宇宙充满了宇宙大爆炸时残留的冷却物质发出的红外辐射。 紫外线（UV）：频率高于可见光的，不能引起视觉，对生命有危害，来自太阳的紫外线几乎被大气中的臭氧完全吸收，臭氧保护着地球的生命，少量透过大气的紫外线会晒黑皮肤或使进行日光浴的人体产生晒斑。 X射线：波长比紫外线还短的电磁波，它们很易穿过大多数物质。致密的物质、固体材料比稀疏物质容易吸收更多的X射线，这就是为什么在X射线照片上显现的是骨骼而不是骨骼周围的组织。其波长可与原子尺寸相比拟。 γ射线和宇宙射线： 波长最短，波长尺寸约为原子核大小量级 γ射线产生于核反应及其他特殊的激发过程 宇宙射线来自地球之外的空间。 内 容 光通过介质的现象 无机材料的透光性 界面反射与光泽 不透明性（乳浊）和半透明性 无机材料的颜色 其它光学性能的应用 光通过介质（界面）的现象 折射 色散 反射 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。 在入射光波电场的作用下，组成物质的原子或分子体系正负电荷发生相反方向的位移，并跟随光波的频率做受迫振动，产生感生电偶极矩，进而产生电磁波辐射。这一过程也称为发射次波的过程。 介质材料可以看做许多线性谐振子的集合，在光波作场用下，极化的原子或分子辐射的次波与入射光波的相互干涉决定了光在介质中的传播规律。 对于不同的材料，光的传播特性有所不同，因此光在两种不同介质材料的界面上表现出了反射和折射等现象。 折射 折射率：光在真空和材料中的速度比。 光的折射定律：三线共面 折射率 介质材料的折射率永远是大于1的正数。 影响折射率的因素： 1、构成材料元素的离子半径 2、材料的结构、晶形、非晶态 3、材料所受的内应力（外界因素的影响） 4、同质异构体 构成材料元素的离子半径对折射率的影响 根据麦克斯韦电磁波理论： 影响折射率的因素 介质的折射率随介质的介电常数增大而增大。 介电常数与介质的极化有关。 离子半径增大，介电常数增大。 一般用大离子得到高折射率的材料，如PbS的n=3.912;用小离子得到低折射率的材料，如SiCl4的n=1.412 材料的结构、晶形、非晶态对折射率的影响 均质介质：各向同性的材料（非晶态及立方晶体）。光通过时，光速不因传播方向改变而变化，只有一个折射率。 非均质介质：除立方晶体以外的晶体。光通过时，一般分为振动方向相互垂直、光速不等的波，分别构成两条折射光线-双折射。 平行于入射平面光线的折射率称为常光折射率n0 垂直于入射平面光线的折射率称为非常光折射率ne 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，有n0、 ne， ne达最大值；沿其他方向入射时，e光折射率介于n0、 ne。沿着晶体密堆积程度较大的方向ne较大。 外界因素对折射率的影响 在机械力、超声波、电场等的作用下，折射率会发生改变。 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。 同质异构体对折射率的影响 高温时的晶型折射率较低。 低温时的晶型折射率较高。 色散 光在介质中的传播速度（或介质的折射率）随其频率减小（或波长增大）而减小的现象，称为光的色散现象。 色散的表征 1、色散系数-倒数相对色散： 光学玻璃一般都有色散现象，若采用单片透镜，成像不够清晰，在自然光下，在像周围环绕一圈色带。 克服的