无机材料物理性能5.ppt

第五章 材料的光学性能 影响 n 值的因素有： 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： 注意： 1）n21=n2/n1; 2）若光线从介质2进入介质1，该式是否仍然成立？ 讨论： 1）光在界面的反射取决两种介质的相对折射率； 2） n1和n2相差越大， m愈大，反射损失愈大。无论n211或n211； 3）如果介质１为空气，可以认为n1=1,则n21=n2。 4）如果n1=n2，则m=0，因此，在垂直入射的情况下，几乎没有反射损失。 应用 一、某平板玻璃折射率为n，反射系数为m，则强度为I的光线连续穿x块该平板玻璃，其剩余强度为多少？（假设只考虑反射损失） 二、为了减少反射损失，可以采取那些措施？ 1）将多次透过的玻璃用折射率与之相近的胶粘起来，以减少空气界面造成的损失。 2）在透过介质表面镀增透膜。 三、思考： 1）单面透视玻璃是何原理？ 2）如何设计防炫目眼镜？ 光吸收的主要机理： 1）电子吸收光子而越过禁带； 2）电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级而吸收光子。 材料拥有较宽透明频率范围的条件： 1）高电子能隙值（大的禁带宽度，提高紫外端吸收频率）； 2）弱的离子间结合力及大的离子质量（降低红外端吸收频率）。 2）紫外光区分析 在紫外区出现紫外吸收端，当光子能量达到禁带 宽度时，电子就会吸收光子能量从满带跃迁到导带， 此时吸收系数将骤然增大。此紫外吸收端相应的波长 可根据材料的禁带宽度 求得： 式中，普朗克常数 ，C——光速。 3）红外光区分析 另外，在红外区的吸收峰是因为离子的弹性振动与 光子辐射发生谐振消耗能量所致。要使谐振点波长尽可 能远离可见光区，即吸收峰的频率尽可能小，则需选择较小的材料热振频率 。 式中 —与力有关的常数，由离子间结合力决定， Mc和Ma分别为阳离子和阴离子质量。 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， 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 。 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: 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 时，则随着d的增加，散射系数S也随之增大；当 时，则随着d的增加，s 反而减小，当 时，s 达最大值。 对于散射，可以认为散射系数正比于散射质点的投影面积： 式中： N—单位体积内的散射质点数； R —散射质点的平均半径； K—散射因素，取决于基体与质点的相对折射率。 设散射质点体积 ，则 故 由上式可知， 时，R越小，V越大，则S愈大，这符合实验规律。当 时，此时散射系数。 总之，不管在上述哪种情况下，散射质点的折射率与基体的折射率相差越大，将产生越严重的散射。 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: 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：