材料物理性能第四章材料的光学性能PPT课件

属于同入射面平行的振动，另一半属于同入射面垂直的
振动，所以总的能量流之比为：
W W
1 2
Sin 2 (i
Sin
2
(i
r) r)
tg 2 (i tg 2 (i
r)
r
)
当角度很小时，即垂直入射
sin 2 (i r)
tg 2 (i r)
(i r)2
(i r
1)2
sin 2 (i r) tg 2 (i r) (i r)2 ( i 1)2
dx
ln I x
I0
I I 0e x
上式表明光强度随厚度的变化符合指数衰减规律， 即朗伯特定律。
式中α为物质对光的吸收系数，其单位为cm-1。 α取
决于材料的性质和光的波长。
2．光吸收与光波长的关系
图4.5所示在电磁波谱的可见光区，金属和半导体 的吸收系数都是很大的，但是电介质材料，包括玻璃、 陶瓷等无机材料的大部分在这个波谱区内都有良好的 透过性，即吸收系数很小。这是因为电介质材料的价 电子所处的能带是填满了的,它不能吸收光子而自由 运动，而光子的能量又不足以使电子跃迁到导带，所 以在一定的波长范围内，吸收系数很小。
向所形成的入射角i1，折射角i2与两种材料的折射率n1和
n2有下述关系：
sini1 sini2
n2 n1
n21
1 2
式中：1
和
分别表示光在材料1及2中的传播速度，
2
n21 为材料2相对于材料1的相对折射率。
介质的n总是大于1的正数，例如空气 n 1.0003 ，固
体氧化物n=1.3~2.7，硅酸盐玻璃 n 1.5 ~ 1.9 。
第二节 材料的透光性
一、介质对光的吸收 1．吸收的一般规律
设有一块厚度为x的平板材料，如图4.4，入射光的
强度为I0，通过此材料后光强度为 I 。选取其中一薄
层dx ，并认为光通过此层的吸收损失 dI 正比于在
此处的光强度 I 和薄层的厚度 dx ，
即:
dI Idx
I I0
dI I
x 0
加）而减小的性质，称为折射率的色散。色散= dn ，
d
几种材料的色散见图4.1 和4.2。 色散值可以直接由图4.1确定。常用的色散系数为
v nD 1 nF nC
式中 nD 、nF 和nC 分别为以钠的D谱线，氢的F谱线和 C谱线（5893Å、4861Å和6563Å）为光源，测得的拆射率。
三、反射
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：
c
式中：C—真空中光速，ε —介质介电常数，
—介质导磁率
n c
对于无机材料电介质 1, 1 ，故 n 1/ 2
当离子半径增大时，其ε增大，因而n也增大。因此，
可以用大离子得到高n的材料， npbS 3，.9用12小离子得
到低n的材料，如
nsicl4 1.4。12
2．材料的结构、晶型和非晶态
象非晶态和立方晶体这些各向同性材料，当光通过
时，光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折射
率，称为均质介质。但是除立方晶体以外的其他晶型，
都是非均质介质。
光进入非均质介质时，一般都要分为振动方向相互 垂直、传播速度不等的两个波，它们分别构成两条折射 光线，这个现象称为双折射。双折射是非均质晶体的特 性，这类晶体的所有光学性能都和双折射有关。
设一块折射率为 n 1.5 的玻璃，光反射损 失为 m 0.04,透过部分为 1 m 0.96。如果透射 光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，此 时透过部分为 (1 m)2 0.922
如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分为
(1 m)2x
由于陶瓷，玻璃等材料的折射率较空气大，所以 反射损失严重。如果透镜系统由许多块玻璃组成，则 反射损失更可观，为了减少这种界面损失，常常采用 折射率和玻璃相近的胶将它们粘起来，这样，除了最 外和最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部 各界面都是和胶的较小的相对折射率，从而大大减少 界面的反射损失。
式中 A与A分别为反射波与入射波的振幅。
把光波振动分为垂直于入射面的振动和平行于入射面
的振动，Fresnel 推导出
(W W
)
( AS AS
)2
Sin 2 (i r) Sin 2 (i r)
(W W
)
//
( Ap )2 Ap
tg 2 (i r) tg 2 (i r)
自然光在各方向振动的机会均等，可以认为一半能量
r
因介质2对于介质1的相对折射率
n21
sin i，故
sin r
n21
i r
W W
n21 n21
1 1
2
m
m——反射系数， 根据能量守恒定律
W W W
W 1 W 1 m
W
W
（1-m）称为透射系数。由上式可知，在垂直入射的情
况下，光在界面上的反射的多少取决于两种介质的相对
折射率 n21。
上述两条折射光线，平行于入射面的光线的折射率，
称为常光折射率n0，不论入射光的入射角如何变化，n0
始终为一常数，因而常光折射率严格服从折射定律。另
一条与之垂直的光线所构成的折射率，则随入射线
方向的改变而变化，称为非常光折射率ne，它不遵守折射
定律，随入射光的方向而变化。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，
第四章 材料的光学性能
第一节 光通过介质的现象
第二节 材料的透光性 第三节 界面反射和光泽 第四节 不透明性（乳浊）和半透明性
第一节 光通过介质的现象
一、折射
当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。光 在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率。
n 真空 c 材料
如果光从材料1，通过界面传入材料2时，与界面法
当光线由介质1入射到介质2时， 光在介质面上分成了反射光和折射 光，所图4.3所示。
设光的总能量流W为W W W
式中W、W 、W 分 别为单位时间通过 单位面积的入射光、反射光和折射光
的能量流，根据波动理论 WA2S
由于反射波的传播速度及横截 面积都与入射波相同，所以
W ( A)2 WA
此值是材料的特性。
3．材料所受的内应力
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。
4．同质异构体
在同质异构材料中，高温时的晶型折射率n较低，低 温时存在的晶型折射率n较高。
表4.1列出了部分玻璃和晶体的折射率。
表4.1 各种玻璃和晶体的折射率
二、色散
材料的折射率n随入射光的频率的减小（或波长的增