5.1光通过介质的现象(材料物理性能)

对于非晶态和立方晶体材料，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，称为均匀介质。
光进入非均质介质时，一般会产生双折射现象。
双折射：当一束光通过一个介质时，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，这种现象 称为双折射。
双折射的两束光束是怎么形成的？有什么特点？
光的吸收
一束平行光照射材料表面发生了哪些现象？
A.部分光的能量被吸收，其强度将被减弱； B. 介质中光的传播速度比真空中小，且随波长 而变化产生色散现象； C. 光在传播时，遇到结构成分不均匀的微小区 域，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，即发生散射现象。
光的吸收和散射会导致原来传播方向上的光强减弱
双折射的应用：
利用晶体材料的双折射性质可以制成特殊的光学元件。例如棱 镜、晶体波片、偏光干涉仪、偏光显微镜、滤波器等。
能够产生双折射的晶体有哪些？
具有各向异性结构的。 方解石晶体，亦称冰洲石 晶体，即CaCO3，碳酸钙的 六角晶系，是一种典型的双 折射晶体。 石英（水晶）、红宝石、 冰等也是双折射晶体。 云母、蓝宝石、橄榄石、 硫黄等是另一类双折射晶体。
（1）探求物质的化学组成成份 太阳光谱是典型的暗线吸收光谱，在其连续光谱的背景上呈现有 一条条的暗线－夫琅和费谱线A、B、C、D、… 其是太阳大气进行选择吸收的结果。由此可知太阳表面包含哪些 元素。其表面：氢（体积占80%）、氦（18%）、还有钠、氧、铁、钙 等60种元素。 （2）新元素的发现 氦、铯、铷、铊、铟等元素的发现 1868年法国人严森在太阳光谱中发现一些不知来源的暗线；英国天 文学家洛克厄把这一现象解释为存在一种未知的元素，并将它取名为 helium（氦）。 由于原子吸收光谱的灵敏度很高，混合物或化合物中极少量原子含 量的变化，会在光谱中反映出吸收系数很大的改变。历史上就曾靠这 种方法发现了铯、铷、铊、铟、镓等多种新元素。由此也可以用这种 方法来测定物质中某一种元素的含量。
朗伯特定律
设有一块厚度为x的平板材料(如图)，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，并认为光通过此薄层的吸收损失 –dI，它正 比于在此处的光强度和薄层的厚度dx，即: -dI =αIdx ,
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I
I0
x dI dx 0 I
ln
I x I0
I I 0e
金属、半导体和电介质的吸收率随波长的变化
红外区的吸收是属于分子光谱。 吸收过程： 吸收主要是由于红外光（电磁波）的频率与材料中分子振子（或 相当于分子大小的原子团）的本征频率相近或相同引起共振消耗能量 所致。即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。
同一种物质对某一种波长的吸收系数非常大，而对 另一种波长的吸收系数非常小的现象称为“选择吸收”。 透明材料的选择吸收使其呈不同的颜色。 如果介质在可见光范围对各种波长的吸收程度相同, 则称为均匀吸收。在此情况下,随着吸收程度的增加,颜色从 灰变到黑。
材料对光的吸收过程 基于原子中价电子接受光能后，由低能级（E1）向高能级（E2）跃 迁。当两个能级的能量差（E2-E1=hν=Eg，h为普照朗克常数，v为频率） 等于可见光的能量时，相应的波长的光就被吸收，从而呈现颜色。 Eg 越小，吸收的光的波长愈长，呈现的颜色愈深；反之，能级差 Eg愈大， 吸收光的波长愈短，则呈现的颜色愈浅。
①常光折射率 n0:两条折射光线中，平行于入射 面的光线的折射率称为常光折射率n0 。 特性：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。 ②非常光折射率 ne:与入射面垂直的光线的折射 率，称为非常光折射率ne 。 特性：它不遵守折射定律，随入射光的方向 而变化。
材料在机械应力、超声波、电场等的作用下，折射率会发生改变， 如有内应力存在的透明材料，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。这些效应分别称为光弹性效应、声光效应、电光效应 等。 一般情况下，同质异构材料的高温晶型原子的密堆积程度低，因此 高温晶型的折射率较低，低温晶型原子的密堆积程度高，因此其折射率 较高。 ①石英晶体 常温下的石英晶体，n =1.55，数值最大；高温时的鳞石英，n =1.47； 方石英，n =l.49。 ②石英玻璃 常温下的石英玻璃，n =1.46，数值最小。 至于普通钠钙硅酸盐玻璃，n =1.51，比石英的折射率小。
一．光的吸收
光通过介质会发生吸收的本质是什么？
光作为一种能量流，在穿过介质时:
使介质的价电子受到光能而激发，在电子壳能态间跃迁， 或使电子振动能转变为分子运动的能量，即材料将吸收光 能转变为或热能放出； 介质中的价电子吸收光子能量而激发，当尚未退激而 发出光子时，在运动中与其它分子碰撞，使电子的能 量转变成分子的动能亦即热能。从而构成了光能的衰 减。这就是光的吸收。
不同材料对可见光的吸收不同， 从图中可见， 金属和半导体的吸收系数都是很大的； 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。也就是说吸收系数很小。
无色透明的材料的紫外吸收现象： 不同于离子着色，不出现吸收峰，而是一个连续的吸收区。 透光区与吸收区之间有一条坡度很陡的分界线，通常称为吸收极限。 小于吸收极限的波长完全吸收，大于吸收极限的波长则全部透过。 这是因为波长愈短，光子能量越来越大。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（基态）跃迁到导带（激发态），此时吸收 系数将骤然增大。
n = v真空/v材料 = c/v材料
如果光从材料1，通过界面传入材料2时，与界面法向所形 成的入射角 i1 、折射角 i2 与两种材料的折射率 n1 和 n2 现有下述 关系： sin i1 n2 v1 n21 sin i2 n1 v2
v1及v2分别表示光在材料l及2中的传播速度 n21为材料2相对于材料l的相对折射率
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。 （2）光线通过x块2块玻璃板的透射 设 一 块 折 射 率 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，则透过部分应为(1－m)2x。
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。
材料的折射率随波长的变化率称为色散率
色散 = dn/dλ
复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。
色散可以利用棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器来实现
(a)几种玻璃的色散
(b)几种晶体的色散
色散曲线如图所示，色散值可以直接由图确定。
材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢 折射率较大者，光的传播速度较慢，成为光密介质。 折射率较小者，光的传播速度较快，称为光疏介质。
材料对光表现出的折射现象的本质
发生折射的本质是材料的电磁结构在光波电磁场作用下的 极化性质或介电性质。因为介质的极化，拖住了电磁波的 传播，才使光传播速度变得比真空慢。
解释产生这些光学现象的理论是什么？ 1)经典电子模型
经典电子模型：研究光和物质相互作用的微观过程。
2)光和物质相互作用的经典的观点
光和物质相互作用的过程可以看作是组成物质的原子或分子体系在 入射光波电场的作用下，正负电荷发生相反方向的位移，并跟随光 波的频率作受迫振动，产生感生电偶极矩，进而产生电磁波辐射的 过程。
n21 1 2 W ( ) m W n21 1
m 称为反射系数。
根据能量守恒定律（光在界面上的现象） W=W′+W″
W W 1 1 m W W
(1－m)称为透射系数。
（1）反射损失与折射 反射率和折射率是由两种介质的折射率决定的。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。 如果介质l为空气，可以认为，n1=1，则n21=n2； 如果n1和n2相差很大，那么界面反射损失就严重；这意味着在光学系统中 当折射率增大时，反射损失增大。
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重点
是光通过介质时产生的光学现象，包括折射、反射、 色散和介质对光吸收、散射、透过的一般规律。
难点
对材料透光性机理的理解。
这一章里介绍哪几种光学性能呢？ 光的折射、散射、反射和吸收，以及光泽、乳浊等。 这些光学性能在生产和生活中有哪些应用？ 利用透光性能：制造玻璃、透镜、棱镜、滤光镜、激光器、 光导纤维等器件。 利用材料的颜色、光泽、半透明度等产生的各式各样表面 效果用于制造建筑瓷砖(面砖)、餐具、艺术瓷、搪瓷、卫生 瓷等。 利用材料的折射率和色散用于制造光学玻璃等透光材料。
x
光强度随厚度的变化符合指数衰减规律。 此式称为朗伯特定律。 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。α越大材料越厚，光就被吸收得越多， 因而透过后的光强度就越小。
任何物质都只对特定的波长范围表现为透明的，对另一些波长范围则不透明。 根据光的波长，可将光进行如下划分： γ 射线 —X 射线 — 紫外光（ 10 ～ 400nm ） — 可见光 (400 ～ 760nm)— 红外光 (760～106nm)—无线电波
3)交变电偶极子向空间发射电磁波
当外层电子与原子核等值异号的电荷交替变化时，即形成一个交变的电偶 极子，电偶极矩在它周围产生交变电场，交变电场又产生交变磁场，交变 磁场再产生交变电场，如此不断继续下去，于是，在电偶极子周围空间便 产生由近及远的电磁波动，因此，交变电偶极子向空间发射电磁波。
5.3光的折射、反射、吸收和散射
普通玻璃对空气的临界角为42°，水对空气的临界角为48.5°。
利用光的全反射原理制作一种新型光学元件-光导纤维。
光导纤维材料
通常由折射率高的纤芯及折射率低的 包层组成，这两部分对传输的光具有 极高的透过率。
目前应用的光纤是以SiO2为主要 原料的纤维，其纤芯芯径为数 µm到数百µm。光线进入光纤在 纤芯与包层的界面发生多次全 反射，将载带的信息从一端传 到另一端，从而实现光纤通信。
当光束从折射率n1较大的光密介质进入折 射率n2较小的光疏介质，即n2<n1时，此时折 射角大于入射角。 在入射角达到某一角度θc时，折射角等于 90°，此时有一条折射光线沿界面传播。如 果入射角大于θc ，就不再有折射线，入射光 的能量全部反射回到第一介质中，这种现象 称为全反射， θc角为全反射的临界角。 根据折射定律求临界角为：sin θc =n2/n1
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。
nD：是指用钠光谱中的D线（λC=589.3nm）为光源测出的折射率。
色散系数： 相对色散
nD 1 n F nC
用粒子性解释可认为是反弹.
介质的折射率通常由实验测定，有多种测量方法。对 固体介质，常用最小偏向角法或自准直法；液体介质常用 临界角法（阿贝折射仪）；气体介质则用精密度更高的干 涉法（瑞利干涉仪）。
1)折射率n与极化率的关系 材料的极化和磁化作用，“拖住”了电磁波的步伐，使电磁波的传 播速度变慢。电磁波在固体中的传播速度v与反映材料极化特性的相对介 电常数r和磁化特性的相对磁导率r及真空中的光速c有如下的关系：
介质材料可以看作许多线性谐振子的集合，在光波场的作用下，极化 的原子或分子辐射的次波与入射光波的相互干涉决定了光在介质中的传播 规律。
1）定义 光是具有一定波长的电磁波，光的折 射可理解为光在介质中传播速度的降低 而产生的。 当光从真空进入较致密的材料时,其 速度是降低的。 折射率定义为：光在真空和材料中的速 度之比。
v c

c c
麦克斯韦电磁理论
该式反映了材料的性质对光传播的影响。对于非磁性材料，r1.
n c v材料


由于在无机材料这样的电介质中，μ=1，ε≠l，∴
n

介质的折射率随介质的介电常数ε的增大而增大。 ε与介质的极化现象有关。 当离子半径增大时，其介电常数ε增大，因而折射率n也随之增大 。
用波动性解释 : 光射到界面 , 引起第二种介 质电偶极子振荡 , 发出子波 , 折射部分向介质 2 深处传播 , 遵守折射定律 , 剩余部分反射 (也由 子波), 假如介质2是相当厚的金属薄膜, 折射很 快衰减,几乎没有折射，大部分反射
光投射到材料表面时，一般产生反射、透过和吸收：
m(%)+A(%)+T(%)=100%