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。
4.1 光和固体的相互作用
3）光的速度 真空中：
0 : 真空介电常数 0 : 真空磁 导率
C ： 3× 10-8m/s
在介质中传播：
透射，反射，折射： 光的粒子性
介质中传播、衍射： 光的波动性
4.1 光和固体的相互作用
2. 光通过固体的现象
1）宏观：光从一种介质进入另一种介质中，一部分透过介质，一 部分被吸收，一部分在两种介质的界面上反射，一部分被散射。
4.1 光和固体的相互作用
3） 色散
c) 原理： 频率不同导致介质极化强度不同； 极化强度不同导致折射率不同。 d) 应用：
用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜组成复合镜头，可以消除色 差，这叫做消色差镜头。 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 光和固体的相互作用
4. 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。 当一束自材料 1 垂直入射到材料 2 上的 光线，产生反射光线的比例 R 为反 射率：
如果两种材料折射率相差很大，则损失很大。
4.1 光和固体的相互作用
2）非金属材料的透过性
a) 介质吸收光的一般规律： 电子极化：只有光的频率与电子极化时间的倒数处于同一数量级


电子受激吸收光子而越过禁带
电子吸收光子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级
对于第二种机制: 吸收光子的能量把电子从填满的价带激发到导带的空能级上，导带中 出一个电子，而在价带留下一个空穴。只有光子的能量满足下列条件才会被吸收： 或 可见光最短波长0.4um，电子受激后跃迁的非金属材料的禁带宽度最大为3.1eV；若禁 带宽度大于3.1eV，则这种材料不可能吸收可见光，纯度很高的绝缘体材料是无色透 明的。 可见光的最大波长约0.7um, 吸收光子后电子能越过的最小的禁带宽度Egmin=1.8eV. 对 于禁带宽度小于1.8eV的半导体材料，可见光被吸收，是不透明的。
第四章 材料的光学性能
4.1 光和固体的相互作用 4.2 材料的发光 4.3 相关的其它性能
4.1 光和固体的相互作用
1.光的波粒二象性
1）光电效应方程
2）光学涉及材料对电磁辐射作用的响应。
γ 射线 –原子核结构改变； 红外辐射，微波，无线电波-原子振动或晶格结构的改变； X射线，紫外线，可见光谱-原子结构改变
4.1 光和固体的相互作用
例：一束在钠钙玻璃中传播的光线到达了玻璃 -空气界面：试推 导用于表达折射角与入射角之间的函数关系的表达式；这个 关系式是否用于所有的入射角？
4.1 光和固体的相互作用
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，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:
为了减小反射损失：a)通过介质表面镀增透膜；b)将多次透过的玻璃用折射率与之相 近的胶粘起来。
4.1 光和固体的相互作用
例：望远镜的透镜由多块玻璃组成，若光线沿垂直入射方向通 过氧化硅玻璃 (n=1.5), 进入高铅钠氧化硅玻璃（n=2.5), 计算 被反射的光线。
4.1 光和固体的相互作用
5.材料的透射系数及其影响因素
一些透明材料的折射率
4.1 光和固体的相互作用
2） 材料折射率的影响因素
a) 材料元素的离子半径：
v
c
nc v材料 Nhomakorabeac c
由于在无机材料这样的电介质中，μ=1，ε≠l
n ε
材料的折射率随介电常数增大而增大
离子半径增大时，其ε增大，因而n也随之增大
4.1 光和固体的相互作用
0 T A R

0
光入射到材料表面的光辐射能量流率，单位：W/m2 或 J/m2s 表示单位时间内通过单位面积的能量

T 0

A 0

R 0


0
散射系数
透射系数 吸收系数 反射系数
4.1 光和固体的相互作用
4.1 光和固体的相互作用
2）微观：光与固体中的原子、离子、电子之间的相互作用。 a) 电子极化：光中电场分量与传播过程中的每一个原子都发生作 用，引起电子极化。 折射的本质：一部分能量被吸收，同时光波速度减小，导致折 射。 b) 电子能态的改变：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。