无机材料光学性能

无机材料光学性能

无机材料的光学性能

光的基本性质：1、波粒二象性2、光的电磁性3、光波是横波4、光的偏振性

从宏观上讲，当光从一种介质进入另一种介质时，会发生光的透过、吸收和反射。从微观上看，光与固体的相互作用，实际上是光子与固体材料中的原子、离子、电子之间的相互作用。

光与固体相互作用的本质有两种方式：

1电子极化

a电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量；

b在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用引起电子极化，即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移；

c所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时光速减小，后者导致折射。

2电子能态转变

电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能态的过程

4.1光透过介质的现象

一、折射

当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。折射本质上是由于光的速度的变化而引起的光弯曲的结果。vn

真空v材料cv材料sini1n2v n21 1sini2n1v2

材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。

光密介质：在折射率大的介质中，光的传播速度慢；

光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快

c麦克斯韦电磁理论：其中：ε为介电常数；μ为导磁率n v 无机材料：μ ＝1，ε ≠ 1 n 影响折射率的因素

1、离子半径：

介电常数随着离子半径的增大而增大，因而折射率n随着离子半径的增大而增大。用大离子得到高折射率的材料；

用小离子得到低折射率的材料。

2、材料的组成和结构：

3、非晶态

各向同性；玻璃的折射率和离子半径呈线性关系。

4、内应力

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。

5、同质异构体

高温时晶型的折射率较低，低温时晶型的折射率较高，

即结构敞广的高温态比结构紧密的低温态折射率小。

二、色散

光在介质中的传播速度或折射率随波长改变的现象称为色散现象。

注意：色散是光学玻璃的重要参数；

色散造成单片透镜成像不清晰――色差；

若选择不同的光学玻璃，组成复合镜头，可以消

除色差，称为消色差镜头；

光学材料要求色散系数高γ，折射率n高。2三、反射m n21 1

2m―反射系数；n21 1

n21―介质2相对于介质1的相对折射率

在垂直入射的情况下，光在界面上的反射多少取决于相对折射率n21！

注意：1透过系数为（1－m）；

2连续透过n块平板玻璃，透过系数为（1－m）2n。

3水晶玻璃：含铅量大，折射率高，光泽好；

4光学玻璃：采用折射率与玻璃相近的胶粘接，避免反射引起的损失；或者涂1/4波长的薄膜；5陶瓷表面的漫反射造成了光大量的损失，从而不透明。

四．吸收

光透过介质时，会引起电子跃迁或者原子的振动，从而引起

能量的损失，这种现象叫做光的吸收。

五．散射

定义：当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为光的散射。

4.2，无机材料的透光性

（1）光的吸收：

光通过材料时的衰减规律I I0e x

α为吸收系数（朗伯特定律-固体介质的吸收定律）

光强度随厚度的变化符合指数衰减规律。材料越厚，光被吸收得越多，透过后光强度越小。

材料对光的吸收机理：

1电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒数处在同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；2电子受激吸收光子而越过禁带；

3电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光（禁带较宽的介电固体材料）；

4只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。

光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中所表

现出的能量交换过程！

光吸收与光波长的关系：

1、可见光区：金属、半导体吸收系数很大，无机介质材料吸收系数较小，光可以透过；

因为金属价电子处于未满带，吸收光子后呈激发态，发生碰撞而消耗能量；

无机介质材料价电子所处的能带是满带，不能吸收光子而自由运动，光子的能量不足以使之跃迁，吸收系

数很小。

2、紫外光区：无机电介质材料有很强的吸收；

波长短、能量大，电子吸收光子能量跃迁，吸收系数大。

3、红外光区：有一定的吸收离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量。

选择吸收与均匀吸收

选择吸收：同一物质对某种波长的吸收系数很大，对另一种波长的吸收很小的现象。光的选择性吸收使透明材料呈现不同颜色。

均匀吸收：在可见光范围内对各种波长的波的吸收程度相同，称为均匀吸收。随着吸收程度的增加，颜色从灰变为黑色。

例如，普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线与紫外线都有强烈的吸收，是不透明的。因此在红外光谱仪中，棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶体和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，

棱镜常用对紫外线透明的石英制作。

任何物质都有这两种形式的吸收，只是出现的波长范围不同而已。

（2）光的散射

定义：当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为光的散射。

原因：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，引起散射。

I I0e Sx散射定律：光强随传播距离的散射减弱仍符合指数衰减规律

其中：S为散射系数，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。

如果将吸收定律和散射定律结合起来，光强衰减为：I I0e S x

质点尺寸对散射系数的影响

d λ时，随d增加，散射系数S增大；

d λ时，随d增加，散射系数S减小。

d=λ，散射系数S最大值。

光的波长不同时，散射系数达到最大时的质点的直径也有变