《材料物理性能》考前笔记 第四章 材料的光学性质
第四章 材料的光学性能-文档资料
4.1 光和固体的相互作用
3.材料的折射率及其影响因素
1) 概念 2) 折射：光遇到一种折射率不同的介质， 传播速度与波长发生变化，而且光的 传播方向也发生变化。 3) 折射率：光在真空和介质中的速度之 比
4) 相对折射率:
n>1, 原因：光与原子作用导致电子极 化，使光速变慢。
4.1 光和固体的相互作用
色散=dn/dλ
b) 表示：色散系数νd，也叫阿贝数，这是最常用的数值 。
nD：是指用钠光谱中的D线（λD=589.3nm，黄色）为光源测出的折射率。 nF：是指用氢光谱中的F线（λF=486.1nm，蓝色）为光源测出的折射率。 nC：是指用氢光谱中的C线（λC=656.3nm，红色）为光源测出的折射率。
2） 材料折射率的影响因素
b) 材料的结构、晶型： 非晶态和立方晶体结构：一个折射率（均质介质） 其它晶型 ：两个折射率-寻常光折射率n0和不寻常光折射率ne （非均质）
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，ne达最 大值，此值是为材料特性。石英的 n0=1.543 ， n e=1.552 ；方解石的 n0=1.658 ， ne=1.486；刚玉的n0=1.760，ne=1.768。沿着晶体密堆积程度较大的方向ne较大。 C) 材料的内应力：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。因此产生双折射。 测定材料中内应力的大小，可采用测定双折射的光程差的大小。 d) 同质异构体：高温时n小，低温时n大。
材料对入射光的吸收 及其散射，是影响材料光 透射比的的主要因素。
4.1 光和固体的相互作用
1）金属的光透过性质
金属对所有的低频电磁波（从无线电到紫外光）都是不透明的，只有对高频电磁波 X射线和γ 射线才是透明的。（高频时，电子来不及做出响应） 导体的价带特征是部分填满，电子易吸收入射光子的能量后激发到空能级上。 金属材料吸收的光又从表面上以同样波长的光波反射出来。还有一小部分以热的形 式损失了。
第四章材料的光学性能材料物理-PPT精品文档
光参量
光具有波粒二象性，既有波动性，又有粒子性。
照片底片感光、眼睛的视觉作用等都是由光波电场引起，所以用图形表示 光波时，通常略去磁场不画，只画电场。
Einsten光电效应方程：
h E h c
频率（）：每秒钟电场完成振动周期的次数（Hz）。
波长（ ）：两相邻波峰或波谷间的距离，亦即在周期性波动的传播方向上具有相同
第四章 材料的光学性能
※§4.1 光通过介质的现象 ※§4.2 无机材料的透光性
§4.3 界面反射与光泽
§4.4 不透明性和半透明性 §4.5 其它光学性能的应用 基础 光 学 性 能 的 应 用
引言
取之不尽的能源
信息载体
生命之源
光学材料分类
透光材料 光纤材料（导光材料）
发光材料
激光材料 光电材料 光信息材料 非线性光学材料 光调制材料（电光、磁光、声光材料） ……
nD，nF，nC分别为以钠的D谱线、氢的F谱线和C谱线（5893Å， 4861Å， 6563Å）为光源，测得的折射率
描述光学玻璃的色散还用平均色散（nF-nC）
3. 讨论
由于光学玻璃一般都或多或少具有色散现象，因而 使用这种材料制成的单片透镜，成像不够清晰，
在自然光的透过下，在像的 周围环绕一圈色带，克服的 办法是用不同牌号的光学玻 璃，分别磨成凸、凹透镜组 成复合镜头，可消除色差， 这种镜头就是消色差镜头。
Fresnel推导：
A' W W A
'
2
' 2 2 W 1 sin ( i r ) tg ( i r ) 2 2 W 2 sin ( i r ) tg ( i r )
第四章 材料的光学性能
（2）
由于电子极化影响介电常数，而光在介质中传播的速 度与介电常数ε 有关,所以电子极化对光学性能有很大影 响。
光具有波动和微粒二重性，当考虑光与电子之间的能 量转换时，把光当成粒子来看待，称为光子。光子是 最早发现的构成物质的基本粒子之一。光子所具有的 能量不是连续的，而是与其频率v 有关。 当电子与光子间发生能量转换时，或是吸收一个光子 的能量，或是发射出一个光子，而不能只交换一部分 光子的能量； 对于电子来说，从光子处吸收的能量或给光子的能量 也不是任意的，而是要刚好等于材料中电子可能存在 的能级的能量差。正是由于它们彼此间能量交换的这 种“苛刻”条件，所以不同的材料具有完全不同的光 学性能。
磷光材料一般由二部分组成：基体和激活剂。 磷光材料一般由二部分组成：基体和激活剂。基 体常是金属硫化物， CaS,BaS,ZnS,CdS等 体常是金属硫化物，如CaS,BaS,ZnS,CdS等; 激活剂 主要是金属,根据不同的基体, 激活剂有所不同( 主要是金属,根据不同的基体, 激活剂有所不同(表317) 发光激发源也可以有多种，如电子激发、 17)。发光激发源也可以有多种，如电子激发、紫外 线激发、 射线激发和红外激发。 线激发、X射线激发和红外激发。发光的颜色也可以 选择。 选择。另外对于磷光材料使用上还要考虑其与附着材 料的结合强度及适当的余辉时间。 料的结合强度及适当的余辉时间。余辉时间指的是发 光后其强度降到原强度的1/10所需时间, 1/10所需时间 光后其强度降到原强度的1/10所需时间,在雷达上就 要求使用长余辉材料。 要求使用长余辉材料。 在此特别要指出的是许多材料加热到高温后也能 发光， 发光，这是由于电子被热激发到较高能级后回到正常 能级发射光子，这种现象称之为热辐射 热辐射。 能级发射光子，这种现象称之为热辐射。热辐射材料 的颜色随温度变化， 的颜色随温度变化，这也就是炼钢工人根据钢水颜色 估计钢水温度的原理所在。 估计钢水温度的原理所在。
材料的光学性质
如磨砂玻璃等
材料的光学性质
定向扩散反射
定向扩散透射
室内物理环境
二 材料按光学性质分类 反射和透射光通量的分布变化 决定因素
材料表面光滑程度和材料内部分子结构
定向
光分布的立体 角没有改变
扩散
光分散在更大 的立体角范围内
材料的光学性质
定向 材料
定向反射
光线射到表面很 光滑的不透明材料上 ，就出现定向反射现 象。
定向透射
光线射到透明 材料上则产生定向 透射。
玻璃镜、磨得很 光滑的金属表面
室内物理环境
材料的光学性质
【任务解析】
材料的光学性质
一 光遇介质时的传播特性
材料的光学性质
反射光通量 吸收光通量 透射光通量 入射光
(Φρ) + (Φ量(Φ)
反射系数ρ
吸收系数α
透射系数τ
= Φρ/ Φ + = Φα/ Φ + = Φτ/ Φ = 1
能量守恒定律
材料的光学性质
表面平整的玻璃
材料的光学性质
定向反射
定向透射
材料的光学性质
扩散 材料
扩散透射
半透明材料使入 射光线发生扩散透射 。
扩散反射
表面粗糙的不透明材 料使入射光线发生扩散反 射。
均匀扩散 定向扩散 均匀扩散 定向扩散
透射
透射
反射
反射
材料的光学性质
均匀 扩散 材料
将入射光线均匀地向四面八方反射或透射
均匀扩散反射
均匀扩散透射
大部分无光泽、 粗糙的建筑材料 如氧化镁、石膏等
乳白玻璃和 半透明塑料等
材料的光学性质
均匀扩散反射
均匀扩散透射
浙大材料物理性能-光学性能第一节
第四章材料光学性能当光通过固体材料时，会发生透射、折射、反射、吸收、散射等现象，不同的材料具有不同的光学性能同时，在电、声、磁、热、压力等外场作用下，材料的光学性能会发生变化，或者在光的作用下其结构和性能会发生变化，如发光材料、激光材料、光导材料、磁光材料、非线性光学材料等1人们对光学性能以及在材料中发生的光学现象的研究和应用，已经有很长的历史了。
人类很早就认识到用光可以传递信息，2000多年前我国就有了用光传递远距离信息烽火台的设施—2等传递信息的方法后来出现了用灯光闪烁、旗语3以发明电话而著称的发明家贝尔（A. G. Bell，1847∼1922）也在光通信方面作过贡献，1880年，他利用太阳光作光源，用硒晶体作为光接收器件，成功地进行了光电米。
话的实验，通话距离最远达到了2134用大气作为传输介质，损耗很大，而且无法避免自然气象条件的影响和各种外界的干扰，最多只能传几百米远。
人们不得不寻求可以在封闭状态下传送光信号的办法低损耗石英光纤的出现，实现了大容量、高速、长距离、低成本的光信息传输现在不少发达国家又把光缆铺设到住宅前，实现了光纤到办公室、光纤到家庭56城市的绚丽灯光7地球夜景的卫星照片激光光束89短波发光与激光材料在许多领域有着广泛而重要的应用价值，例如高密度的数据存储、海底通信、大屏幕显示（需要蓝绿光构造全色显示）、检测及激光医疗等蓝色LED 和LD 的出现大大促进了高密度光学存储以及高分辨显示器、图象扫描仪、彩色打印机、生物医学诊断仪、遥感探测仪等的发展。
下图所示为蓝色发光二极管在紧凑、便携式发光显示器件中的应用10安装在美国时代广场的GaN 蓝光LED显示屏玻璃制品可以显示出各种各样的颜色1113第一节基本概论第二节折射和色散第三节反射和散射第四节吸收与颜色第五节其它光学现象、光学材料及其应用本章主要内容讨论与电磁辐射及其与固态材料相互作用相关的一些基本概念与原理 从光折射、反射、吸收、透射、辐射等性质来探讨金属和非金属材料的光学性能，并从导体、半导体和绝缘体的电子能带结构出发，揭示它们在光的作用下表现出不同光学特性的本质对固体的发光、激光、非线性光学、光电转换等各种光学材料及其应用作一简要介绍第一节基本概念一、电磁辐射光的本质是什么？历史上有过很多争论。
第四章-材料的光学性能教学提纲
影响折射率的因素 （1）材料的离子半径 离子半径越大，对光子影响越大，折射率越高
n rr
玻璃掺杂Pb、Ba离子可以提高折射率
（2）材料的晶体结构 非晶态和立方晶体等均质物质只有一个折射率 其他晶体一般数以非均质介质，有双折射现象 沿晶体的密堆方向，离子密度较大，折射率高
（3）材料存在内应力 内应力改变晶体结构和电子能态 垂直于应力方向n较大，平行于应力方向n较小
散射与光程相关
I I0esx S为散射系数
若散射和吸收都不能忽略 II0e(s)x
对于可见光中的大多数波段，空气是透明的，但对于蓝光， 空气是不均匀的，容易散射，从白光中分离出来，因此天空 是蓝色的。
散射机制 （1）瑞利散射：散射波长与入射光相同 （2）联合散射：散射波长与入射光不同
影响因素
（1）入射波长 （2）散射颗粒大小、分布、数量 （射3））散射相与基体相对折射率（若相同则没有散
共价晶体的固有频率
f 2 2k( 1 1 ) Mc Ma
K为离子小位移时候的弹性常数 McMa为阳离子和阴离子质量
例如：硅中的Si-O键
这种结构的氧原子振动只吸 收波长约为9微米的红外线， 可以用来测量硅晶体中的氧含 量。
制作透明材料的时候，应该尽量降低吸收，使吸收频率远 离可见光的频率
散射
散射的原因：光传播的介质不均匀
二次反射损失 E 3I0R (1R )e(s)x
透镜成像由于光的色散 而在像的周围形成色带
色 散 ＝dn
d
消色差镜头
色散表征
色散系数（Abbe数） d
nD 1 nF nC
色散系数中，为可见光中间和两端的
三个谱线。色散系数和n越高越好
nD:Na D谱线(589.3nm nF:H F谱线(486.1nm) nC:C C谱线(656.3nm)
第四章材料的光学性能_材料物理
第四章材料的光学性能_材料物理第四章主要介绍材料的光学性能，包括传统光学性能和现代光学性能。
在本章中，我们将探讨材料的折射率、透过率、吸收率、反射率、透射率和散射率等光学性能，并深入了解这些性能对材料的应用和性能起到的影响。
首先，折射率是一个物质对光的折射能力的度量。
它表示光在通过一种介质时，光线的传播速度相对于真空中的传播速度的比值。
折射率越大，光线在介质中的传播速度越慢，同时也会使光线的传播方向发生变化。
折射率在光学器件的设计和制造中起着至关重要的作用，例如在光纤通信和光学透镜等领域。
透过率是指光线从一个介质传播到另一个介质时的透明程度。
透过率越高，介质光学效果越好。
材料的透过率取决于折射率和吸收率等因素。
在光学器件中，透过率是一个重要的性能指标，它决定了器件的光学传输效率和亮度。
吸收率是材料吸收光的能力。
当光线穿过材料时，一部分能量被材料所吸收，而另一部分则被材料所反射或透射。
吸收率对于材料的应用非常重要，特别是在光电子器件和光热器件中。
高吸收率的材料可以有效地将光能转化为电能或热能，以实现各种功能。
反射率是指光线从介质中的表面反射回来的能力。
反射率取决于入射角度和材料的折射率。
反射率高的材料适用于光学镜面和反射镜等应用，可以将光线有效地反射出去，而不是被吸收或透射。
透射率是指光线通过材料时传输的能力。
透射率在光学器件和材料中起着重要作用，尤其是在光纤传输和光学滤波器等应用中。
高透射率的材料可以有效地传输光线，减少能量损失。
散射率是指光线在碰撞或与材料表面相互作用时发生方向改变的能力。
散射率对于材料的外观和质量也有很大影响，尤其是在透明材料和杂质掺杂材料中。
控制散射率可以改善材料的光学性能，使其更适用于各种应用。
总之，材料的光学性能对于很多应用至关重要。
通过理解和控制材料的折射率、透过率、吸收率、反射率、透射率和散射率等光学性能，我们可以设计和制造出更好的光学器件和材料，满足不同领域的需求。
第四章 材料的光学性能
光的颜色取决于光的波长，通常把亮度为最大亮度一半的 两个波长间的宽度定义为这条光谱线的宽度，谱线宽度越小， 光的单色性越好。 可见光部分的颜色有七色，每种颜色的谱线宽度为 40-50nm ， 激光的单色性远远好于普通光源，如氦-氖激光器输出的红色激 光谱线宽度只有10-8nm。 激光良好的单色性使激光在测量上优势极为明显。
4.2.3材料的透射及影响因素
一、金属的光透过性质
第四章 材料的光学性能
第二节 光与固体介质的相互作用
二、非金属材料的光透过性质
1、介质吸收光的一般规律非金属材料对可见光的吸收有三种机理：
1) 电子极化，但只有光的频率与电子极化时间的倒数处于 同一数量级时，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；
第四章 材料的光学性能
光的本性
光与固体介质的相互作用
材料的光发射
第四章 材料的光学性能
第一节 光的本质
对光本质的认识：
牛顿 惠更斯 麦克斯韦 普朗克 光是粒子流 光是一种波 光是一种电磁波 光量子假说
爱因斯坦
波粒二象性
第四章 材料的光学性能
第一节 光的本质
4.1.1 光是电磁波
光是一种电磁波，它是电磁场周期性振动的传播所形成的。
(1)电子极化 电磁辐射的电场分量，在可见光频率范围 内．电场分量与传播过程中的每个原子都发生作用，引起 电子极化，即造成电子云和原子核电荷重心发生相对位移。 折射 (2)电子能态转变 光子被吸收和发射，都可能涉及到固体 材料中电子能态的转变。
第四章 材料的光学性能
第二节 光与固体介质的相互作用
孤立原子吸收光子后电子态转变 示意图
第四章 材料的光学性能
材料物理性能(第四章材料的光学性能)
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材料物理性能(第四章材料的光学性能)
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目录
光学性能概述
折射率的影响因素
光学性能的应用
01
光学性能概述
光学性能的定义和重要性
光学性能的定义
光学性能是指材料在光学方面的表现和特性。 它包括折射率、透过率、反射率、发光性能等指标。
光学性能的重要 性
光学性能直接影响材料在光学器件中的应用效果。 各种光学性能指标的优化可以提高光学器件的性能和效率。
折射率的调控可以实现透镜和棱镜的光学性能优化。 合适的折射率分布可以消除光学器件的像差。
02
光纤和光波导的应用
折射率的调控可以实现光纤和光波导的传输性能优化。 通过改变折射率分布可以实现光信号的传输和调控。
光学涂层和薄膜的设计
反射镜和透射镜的设计
反射镜和透射镜的光学性能与材料的折射率相关。 通过合适的折射率调控可以实现涂层的光学性能优化。
光学滤波器和频率选择器的应用
光学滤波器和频率选择器的设计依赖于材料的折射率。 材料的折射率调控可以实现滤波器和选择器的工作波长。
光学材料的发光性能优化
发光材料的选择和设计
不同发光材料具有不同的能带结构和发光性能。 通过选择合适的发光材料可以实现发光器件的效率和亮度优化。
光电子器件的应用
光电子器件的光学性能与材料的发 光性能相关。
杂质和掺杂物的影响
杂质和掺杂物的引入会改变材料的折射率。 杂质和掺杂物的能带结构和晶体结构对折射 率有影响。
第四章材料物理性能
（2）电子能态转变
光子被吸收和发射，都可能涉 及到固体材料中电子能态的转变。
原子吸收了光子能量之后，
可能将Ei能级上的电子激发到能 量更高的Ej空能级上，电子发生 的能量变化ΔE与电磁波的频率有
关：
ΔE=hνij 式中：h为普朗克常量，νij为入
射光子的频率。
4.1.2.1.材料折射率及其影响因素
自然中存在一些天然光学材料：我国的夜明珠、 发光壁；印度的蛇眼石、叙利亚的孔雀暖玉等。
这些材料具有奇异的发光现象，能在无光环境下 放出各种色泽的晶莹光辉。由于这些光学材料稀 有，被视为人间珍宝，成为权力和财富的象征。
夜明珠
珍珠
猫眼石
春秋战国时期，墨子就研究光的传播规律，出现 了最古老的光学材料—青铜反光镜。
注：折射率的大小与入射光波长有关。材料的折射率n 随入 射光波长的降低而减小，所以，谈材料的折射率时必须指出 所用的光的波长。一般常用nD来比较不同材料的折射率。
4.1.2.2材料的反射系数及其影响因素
当光从二种不同介质通过时，要发 生反射和折射。其中反射是电子吸 收光子能量，由高能级又返回低能 级时发射出的的电磁波。
例如：常温下的石英晶体，n=1.55， 高温时的鳞石英，n=1.47，方石英n=1.49。 可见常温下的石英晶体n值最大。。
3. 色散
a) 定义：材料的折射率随入射光的频率的减小(或波长的增加)而 减小的性质，即是材料的折射率对波长的变化率,称为折射率的色散。
在给定入射光波长的情况下，材料的色散为:
带来的苦恼。
科学研究、工农业生产和人类生活等需要使用显微 镜、望远镜、摄像机等各种光学仪器，核心部分都 是由光学材料制造的光学零件。
光学材料已成为人类社会必不可少的功能材料。
第四章材料的光学性能资料
三、反射 1. 反射系数
W=W´+ W´´
W，W´，W´´分别为单位 间内通过单位面积的入射 光、反射光和折射光的能 量流。
反射系数m： m W '
光从材料1通过界面传入材料2时，与界面
法向所形成的入射角1 、折射角2与两种
材料的折射率n1和n2之间的关系为：
折射定律： n1sin1= n2sin2
材料2相对于材料1的相对折射率为： Nhomakorabea折射率n2
2
1
折射率n1
n21
n2 n1
sin 1 sin 2
v1 v2
分别表示光在材料1和 材料2种的传播速度。
（2）材料的结构、晶型和非晶态（离子的排列）
晶体中沿密堆积方向上具有最高的折射率。
光学均质介质：非晶态（无定型体）、等轴系晶体（各向同性） 光通过时，光速不会因传播方向的改变而变化，材料只有 一个折射率
光学非均质介质：等轴系晶体外的其它晶体材料 光通过时，一般都要分为振动方向相互垂直、传播速度不
等的两个波，构成两条折射线，这种现象称为双折射。
相位的两相邻点之间的距离，即波的空间周期。
振幅：光波中振动着的电场的最大值。光强的大小与振幅的平方成正比，因此振幅
的大小决定着光的强弱。
相位：在一个转动周期或一个波长范围内，各点位置的度量，它是综合频率、时间、
波长、距离在内的一个角度量。是描述振动和波动状态的一个综合性波参量。
线性光学性能
描述普通光学现象的重要公式表现出数学上的线性特 点，即介质的电极化强度P与入射光波的电场E成简 单的线性关系。
第四章 材料的光学性能3
二、热辐射和冷光发射（平衡辐射和非平衡辐射） 热辐射和冷光发射（平衡辐射和非平衡辐射） 4. 发光材料
二、热辐射和冷光发射（平衡辐射和非平衡辐射） 热辐射和冷光发射（平衡辐射和非平衡辐射） 4. 发光材料
发光二极管发光原理
电致发光：即电场引起的半导体发光现象 电场引起的半导体发光现象
注入发光能带图 (a) 平衡 平衡p-n结; 结 (b) 正偏注入发光
半导体p 半导体p-n结发光的原理
在正向偏压的作用下， 结势垒降低， 在正向偏压的作用下，p-n结势垒降低，势垒 结势垒降低 区内建电场也相应减弱， 区内建电场也相应减弱，载流子也会在正向偏 压的作用下发生扩散。 型半导体区内的多数 压的作用下发生扩散。n型半导体区内的多数 载流子电子扩散到p型半导体区 同时p型半 型半导体区， 载流子电子扩散到 型半导体区，同时 型半 导体区内的多数载流子空穴扩散到n型半导体 导体区内的多数载流子空穴扩散到 型半导体 这些注入到p区的载流子电子和注入到 区的载流子电子和注入到n 区。这些注入到 区的载流子电子和注入到 区的载流子空穴都是非平衡的少数载流子。 区的载流子空穴都是非平衡的少数载流子。这 些非平衡的少数载流子不断与多数载流子复合 而发光，这就是半导体p-n结发光的原理。 结发光的原理。 而发光，这就是半导体 结发光的原理
§ 4.5 固体发光
热平衡时，电子在各能及上分布服从玻耳兹曼分布定律 热平衡时，
二、热辐射和冷光发射（平衡辐射和非平衡辐射） 热辐射和冷光发射（平衡辐射和非平衡辐射） 1. 热辐射（平衡辐射）
只与辐射体的温度和发射本领有关，如白炽灯的发光。
2.冷光发射 冷光发射(非平衡辐射)（固体发光） 冷光发射
§ 4.5 固体发光
二、热辐射和冷光发射（平衡辐射和非平衡辐射） 热辐射和冷光发射（平衡辐射和非平衡辐射）
第四章 材料的光学性能
4.4 材料的发光
2. 激光
激光：LASER-Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation “受激辐射的光放大 ”
特点：用来瞄准特定区域并产生很高密度的热能；实质 是荧光材料的一个例子，一个被激发的原子簇的荧光发射光 线激发其它的光：激发时间已经结束之后的一段时间内持续发生的电磁辐射。
材料往往含有杂质，并在能隙附近 建立了施主能级，激发的电子从导带回 价带时，首先回到施主能级补被捕获， 回价带时，电子首先从陷阱内逸出。因 此延迟了光子发射的时间。
4.4 材料的发光
磷光体：激发停止后的一段时间内能发光的复杂晶体无机物质 应 用: 电视机屏幕使用的材料；LED（发光二极管）技术
4.4 材料的发光
1. 发光和热辐射
2）热辐射：
利用高温将电子激发到较高能级上去的过程，一些电子 回落到空穴位置，此过程放出光子，随温度升高，获得呈连 续谱的发射光线。辐射的最短波长和强度信赖于温度。材料 的颜色随温度而改变。
例：700度以下，材料呈淡红色 1500度以下，材料呈桔黄色 非常高的温度下，材料呈白热状态
4.5 其它的性能
1. 光电导性：
光子照到半导体的表面，能产生光诱导的导电性，光电导性。 当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子 变为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。 半导体无光照时为暗态，此时材料具有暗电导；有光照时为亮态， 此时具有亮电导。如果给半导体材料外加电压，通过的电流有暗电流与 亮电流之分。亮电导与暗电导之差称为光电导，亮电流与暗电流之差称 为光电流 。 光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的。同 样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称为弛豫过程或惰性。
材料光学性能unit4-浙江大学材料物理性能笔记
材料光学性能unit4-浙江大学材料物理性能笔记4.1.基本概论1）光介质材料能使光产生折射、反射或透射效应，以改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定要求在材料中传播，简之，光介质材料就是传输光线的材料光功能材料：在电、声、磁、热、压力等外场作用下，材料的光学性能会发生变化，或者在光的作用下其结构和性能会发生变化，如发光材料、激光材料、光导材料、磁光材料、非线性光学材料等光波是一种波长很短的电磁波，由电场分量和磁场分量组成，两个分量彼此互相垂直并都垂直于波的传播方向波动学说：c=1/00με 0ε=8.85x1012-F/m 0μ=4πx107-H/m微粒学说：E=hv2）光和固体的相互作用0 =?T +? A +? R 光辐射能流率（单位为W/m2）：表示单位时间内通过单位面积的能量τ+ α+ρ = 1 τ为透射率（?T/ ?0）；α为吸收率（?A/ ?0）；ρ为反射率（?R/ ?0）3）光和原子、电子的相互作用固体材料中出现的光学现象是电磁辐射与固体材料中原子、离子或电子之间相互作用的结果。
其中最重要的两种作用是电子极化和电子跃迁电子极化：随着电场分量方向的改变，诱导电子云和原子核的电荷中心发生相对位移电子跃迁：电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态跃迁到另一种能态的过程4）金属对可见光是不透明的：肉眼看到的金属颜色不是由吸收光的波长决定的，而是由反射光的波长决定的。
非金属材料对于可见光可能是透明的，也可能不透明。
折射：n= c/υ v=1/με n=1/00με大多数材料是非磁性的或磁性很弱r μ=1 n= r ε 透明介质的折射率是和材料的相对介电常数有关。
光和介质的相互作用主要就是介质中的电子在光波电场作用下作强迫振动。
绝缘体：σ->0 n->ε2/1r α->0 材料是透明的。
半导体：α=(1/ε2/1r )[σ/2w 0ε] 存在吸收，不透明。
金属材料：α= [σ/2w 0ε]，对光有强烈的吸收，不透明，反射比接近1，，光主要被表面反射，产生金属光泽。
无机材料光学性能
第四章 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。
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，光的传播速度快麦克斯韦电磁理论：其中：ε为介电常数；μ为导磁率 无机材料： μ ＝1， ε ≠ 1 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。
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第四章材料的光学性质
1.光吸收的本质
光作为一种能量流，在穿过介质时，引起介质的价电子跃迁，或使原子振动而消耗能量。
此外，介质中的价电子吸收光子能量而激发，当尚未退激时，在运动中与其他分子碰撞，电子的能量转变成分子的动能亦即热能，从而构成光能的衰减。
即是在对光不发生散射的透明介质，如玻璃、水溶液中，光也会有能量的损失，这就是产生光吸收的原因。
2.图4.19金属、半导体和电介质的吸收率随波长的变化。
3.光的色散材料的折射率随入射光的频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为折射率的色散。
4.光的散射
光通过气体、液体、固体等介质时，遇到烟尘、微粒、悬浮液滴或者结构成分不均匀的微小区域，都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来，这种现象称为光的散射。
光的散射导致原来传播方向上光强的减弱。
5.弹性散射散射前后，光的波长（或光子能量）不发生变化的散射称为弹性散射。
σλ1
∝s I （I s 表示散射光强度，参量σ与散射中心尺度大小a 0有关）
a.Tyndall 散射当a 0>>λ时，0→σ，即当散射中心的尺度远大于光波的波长，散射光强与入射光波长无关。
B.Mie 散射当a 0λ≈时，即散射中心尺度与入射光波长可以比拟时，σ在0~4之间，具体数值与散射中心尺度有关。
C.Rayleidl 散射当a 0<<λ时，4=σ。
换言之，当散射中心线度远小于入射光的波长时，散射强度与波长的4次方成反比（4
/1λ=s I ）。
这一关系称为瑞利散射定律。
6.非弹性散射当光束通过介质时，从侧向接收到的散射光主要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散射。
除此之外，使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪器，可以发现散射光中还有其他光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱得多，这些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果，称为“非弹性散射”。
从波动观点来看，光的非弹性散射机制乃是光波电磁场与介质内微观粒子固有振动之间的耦合，可激
发介质微观结构的振动或导致振动的淬灭，以至散射光波频率相应出现“红移”（频率降低）或“蓝移”（频率升高）。
通常能产生拉曼散射的介质多由相互束缚的正负离子所组成。
正负离子的周期性振动导致偶极矩与光波电磁场的相互作用引起能量交换，发生光波的非弹性散射。
布里渊散射是点阵振动引起的密度起伏或超声波对光波的非弹性散射，也可以说是点阵振动的声学声子（声学摸）与光波之间能量交换的结果。
ωs R AS
从量子观点看，拉曼散射过程可以用简单的能级跃迁图来说明。
（a ）瑞利散射过程（b ）拉曼散射的斯托克斯过程（c ）拉曼散射的反斯托克斯过程图中画出了介质的两个能级E 1和E 2。
当介质分子处于低能级E 1（或高能级E 2）并受到频率为V 0的入射光子作用时，介质分子可以吸收这个光子，跃迁到某个虚能级（？解释“虚能级”），随后这个虚能级上的分子便向下跃迁回到原来的能级，伴随着发射出一个与入射光频率相同的光子（方向可能改变），这是瑞利散射过程。
图b 表示拉曼散射的斯托克斯过程。
他与瑞利散射的唯一区别，分子从虚能级向下跃迁时回到了较高的能级E 2，并伴随着一个光子发射。
这个光子的频率v s 与入射光子相比红移了△v ，其数值相当于两个能级的能量差，即12E E v h −=∆。
图c 是拉曼散射的反斯托克斯过程。
其特点是，如果介绍原来处于较高的能级E 2，那么在吸收频率为v 0的光子跃迁到一个较高的虚能级后，分子向下跃迁回到了低能级E 1，同时发射一个频率蓝移了的散射光子，频移量△v 仍旧符合“12E E v h −=∆”的能量守恒关系。
“虚能级”——电磁场和介质的共同的状态，也就是相互作用过程中形成的复合态。
但是量子力学图像里只画介质状态，所以把共同状态称为虚态或虚能级。
7.材料的光发射
物体发光可分为平衡辐射和非平衡辐射两大类。
平衡辐射的性质只与辐射体的温度和发射本领有关，如白炽灯就属于平衡或准平衡辐射；非平衡辐射是在外界激发下物体偏离了原来的热平衡态，继而发出的辐射。
固体发光的微观过程可以分为两个步骤：第一步,对材料进行激励,即以各种方式输入能量，将固体中的电子的能量提高到一个非平衡态，称为“激发态”；第二步，处于激发态的电子自发地向低能态跃迁，同时发射光子。
8.激发光谱——是指材料发射某一特定谱线（或谱带）的发光强度随激发光的波长而变化的曲线。
9.发光的物理机制
固体材料发光可以有两种微观的物理过程：一种是分立中心发光，另一种是复合发光。
A.分立中心发光
这类材料的发光中心通常是掺杂在透明基质材料中的离子，有时也可以是基质材料自身结构的某一基团。
选择不同的发光中心和不同的基质组合，可以改变发光体的发光波长，调节其光色。
不同的组合当然也会影响到发光效率和余辉长短。
发光中心分布在晶体点阵中或多或少会受到点阵上离子的影响，使其能量状态发生变化，进而影响材料的发光性能。
B.复合发光
复合发光与分立中心发光最根本的差别在于，复合发光时电子的跃迁涉及固体的能带。
由于电子被激发到导带时在价带上留下一个空穴，因此当导带的电子回到价带与空穴复合时，便以光的形式放出能量。
（这种发光过程就叫复合发光。
）复合发光所发射的光子能量等于禁带的宽度。
v △v
(v 0-△v ）0V 0
10.受激辐射——除材料的光吸收和光发射之外，光与物质相互作用的第三个基本过程。
（三个过程同时存在）。