第8讲 光学性能.ppt

第8讲 光学性能 光是一种电磁波，具有一定的波长和频率，在真空中的传播速度为3×108m/s，光和材料的相互作用一般会产生反射、透射和吸收等光学现象。本章简要介绍玻璃中的基本光学现象。 1.光吸收 光吸收是由于组成介质的原子和分子中的电子处在一系列不连续的能级上，或原子和分子存在着作准简谐振动的谐振子的本征频率引起的。 通常，玻璃的紫外吸收与价带和导带或激子能级之间的电子跃迁有关，而红外吸收则和光与分子振动相互作用而产生的多声子吸收过程相关。 在弱光作用下，α=α0为一常数，可看作是线性吸收。 在强光作用下，α则随光的强度变化而变化，称为非线性吸收。 在光吸收测量中经常使用的物理量包括：透过率τ（λ）=I/ I0；光密度D=lg[1/τ（λ）]；吸收系数α=-(1/L)ln（I/I0）；消光系数A′=D/L。 紫外吸收与价带和导带或激子能级之间的电子跃迁相联系。 如NaCl晶体的光吸收是由于Cl-离子外层电子跃迁到激发态或者导带而引起的。玻璃的紫外吸收机理与一般晶体的吸收类似，在透光区与吸收区之间有一条坡度很大的分界线，即紫外吸收极限，小于吸收极限波长的光全部被吸收，反之则全部透过。如熔石英的紫外吸收是由[SiO4]四面体中氧原子外层电子跃迁到激发态或导带而引起的，其吸收极限为1450?。 2.光折射 通常用折射率来表征玻璃的光折射性能。玻璃的折射率是指光在真空中传输速度与其在玻璃介质中的传输速度之比，即： n=c/v 式中，c、v分别为光在真空和玻璃中的传播速度。从上式可以看出，折射率反映出光在玻璃中传播速度下降的相对程度，当光在玻璃中的传播速度与光在真空中的传播速度相近时，折射率趋近于1。? 入射光的光强或波长不同和玻璃的致密程度不同，都意味着玻璃从入射光获得的能量不同，从而使离子或原子核外电子云产生变形的程度也不同。 根据能量守恒定理，玻璃从入射光获得能量必然导致传输光能量的降低，光在玻璃中的传输速度也随之下降，因此，玻璃的折射率都大于1。 1)折射率与密度、极化率的关系 从前面的分析可知，光折射是光与物质相互作用的结果，根据光的电磁学说，玻璃的折射率与密度、极化率之间存在如下关系： R可通过下式而求得： ? Ri为玻璃中所含离子（或原子）的离子折射度（或原子折射度），xi为离子（或原子）所占分数。当n接近于1时，上式可化简为： 上式表明，随密度增加，玻璃的折射率增加；随分子折射度增加，玻璃的折射率也增加。 2)折射率与入射光波长的关系 按照光的电磁学说，玻璃结构中的电子吸收光能后，将从低能级跃迁到高能级，而当处于高能级的激发电子返回低能级时，部份能量将以光的形式放出。换句话来说，在频率为ω的入射光的作用下，产生了频率为ωi的光。这两个频率与折射率有如下关系： 从上可以看出，随着ωi的减小，n增加，这种折射率与波长有关的现象称之为色散。由于折射率与波长有关，波长不同则折射率也不同，因此，用到折射率这个参数时，应指明是何波长下的折射率。 式中N为单位体积中的分子数；e、m分别是电子的电荷与质量；Ci为每一分子内对色散有贡献的电子数目。当n接近于1并假设所产生光子的频率都相同时，在入射光频率一定时，则上式可化简为： 3)折射率与温度的关系 当玻璃受到热的作用而发生温度改变时，玻璃的密度和跃迁电子获得的能量发生变化，因此，玻璃的折射率也随之发生变化，即玻璃的折射率是温度的函数。玻璃的折射率随温度的变化可用下式表示： 式中，d为密度，R为分子折射度，T表示温度，n是折射率，叫做折射率温度系数。上式表明