材料的光学性能

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。
是非均质晶体的特性，是材料各向异性的表现。
双折射：当一束单色自然光在各向异性晶体的界面折射 时，一般产生两束折射光（均为线偏振光）。
✓ 寻常光：平行于入射面的光线的折射率n0不随入射角的变化而变化，始终为一常数， 服从折射定律。
Einsten光电效应方程：
E h 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。
陶瓷和玻璃等材料的折射率比空气大，所以光从空气进入这些材料时，反射损失严重。
由多块玻璃组成的透镜系统，常常用折射率和玻璃相近的胶粘起来，这样除了最外和最内 的两个表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面均是玻璃和胶的较小的相对折射率， 从而大大减少了界面的反射损失。
3. 全反射
光线从光密介质（玻璃）进入光疏介质（空气）中时，折射角2大于入射角1 。当1 为某 值时，2可达到90°，这时光线平行于表面传播。 1 继续增大时，光线就会全部向内反射 回光密介质内，这种现象称为全反射。
§11.1 光通过介质的现象
一、折射 二、色散 三、反射 四、介质对光的吸收 五、介质对光的散射
一、折射 1. 概念 当光线依次通过不同的介质时，光的行进方向会发生改变，称为“折射”。 折射现象的实质：介质的密度不同，光通过时，传播速度也不同。
2. 折射率 介质对光的折射性质用材料的“折射率”n表示。
过部分为(1-m)2x。
例：玻璃的折射率n=1.5
光透的过反 部射分损为失：：1-m=1-0.04=m 0. 96n n2 21 1 1 121 1..5 5 1 120.04
透射光从另一界面射入空气，透过两个界面，透过部分为： (1-m)2=0.962=0.9216
连续透过x块平板玻璃，透过部分为：(1-m)2x
(2)均匀吸收 在可见光范围内，介质对各种波长的光的吸收程度相同，这种现象称为均匀吸收。
均匀吸收情况下，随着吸收程度的增加，颜色从灰变到黑。
五、介质对光的散射 1. 光散射的一般规律 光波在材料中遇到光学性能不均匀的结构，如含有小粒子的透明介质、光性能不同的晶界 相、气孔或其它夹杂物，都会引起一部分光束被散射，使光束强度降低。 本质：光波遇到不均匀结构产生次级波，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。
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。
P0xE
x为介质的极化率，0位真空介电常数。
介质的离子半径增大时，其增大，因而n也随之增大。
大离子得到高折射率材料：PbS n=3.912 小离子得到低折射率材料： SiCl4 n=1.412
（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
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： 透射系数1-m：
m W' W
W'' 1m1W'
W
W
根据波动理论：
WAvS 2
S、v分别为光束的横截面积和传播速度
A为振幅
反射波的传播速度与横截面积与入射波相同
（1）绝对折射率
光从真空进入介质材料时，速度降低。光在真空和材料中的速度之比即为材料的绝对折射 率。
c n
材料
介质的折射率永远为大于1的正数。
空气：n=1.003 固体氧化物： n= 1.3~2.7 硅酸盐玻璃： n= 1.5~1.9
（2）相对折射率
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：
折射率n2 2
折射率n1
1 1
2 1 1
空气
临界角： sini临界=1/n1
1
1
光纤通讯
四、介质对光的吸收
1. 光吸收的一般规律 光作为一种能量流，在穿过介质时，其能量的衰减现象，称为光的吸收。
使介质的价电子跃迁 使介质的原子振动 价电子激发发出光子热能
能量衰减
厚度为x的平板材料，入射光的强度为I0，通过该材料后光强度为I’，则通过材料薄层 的吸收损失-dI正比于该处的光强I和薄层的厚度dx。
折射定律： n1sin1= n2sin2
材料2相对于材料1的相对折射率为：
折射率n2 2
1 折射率n1
n21nn1 2 ssiinn1 2 vv1 2
分别表示光在材料1和材 料2种的传播速度。
2. 影响因素 （1）构成材料元素的离子半径
根据Maxwell电磁理论，光在介质中的传播速度为：
v c
n
一、透光率
原始光
材料
剩余光
反散吸 射射收
透光率是个综合指标，指光通过材料后，剩余光能占入射光能的百分比。
吸收和散射损失
反射损失：
2
n 21 n 21
1 1
I0
透光率：
I (1m)2e(S)x I0
二、材料透光性的影响因素 吸收系数 吸收系数与材料的性质密切相关。 金属材料：吸收系数太大，不透光。 陶瓷、玻璃、高分子介电材料： 在可见光范围内吸收系数较低，在影响透光性的因素中不占主要地位。
反射系数 反射损失与相对折射率有关，也与表面粗糙度有关。
散射系数 除纯晶体和玻璃体具有良好的透光性外，多晶多相材料，内含杂质、气孔、晶界、微裂纹 等缺陷，看上去是不透明的，主要是由于散射引起的。 散射系数是影响透光性的主要因素。
（1）材料的宏观及显微缺陷 材料中的缺陷与主晶相不同，于是与主晶相具有相对折射率，此值越大，反射系数 越大，散射因子也越大，散射系数变大。
SKN R2
V 1R3N
3
S 3KV 4R
N：单位体积内的散射质点数； R：散射质点的平均半径； K：散射因素，取决于基体与质点的相对折射率； V：散射质点的体积含量。
II0eS xI0e3K V4xR
d > 时，R越小，V越大，S越大。
d </3时，
可近似采用瑞利（Rayleigh）散射来处理：
（4）同质异构体
❖ 在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存在的晶型折射率较高； ❖ 相同化学组成的玻璃比晶体的折射率低。 如：室温下，
石英玻璃：n=1.46 石英晶体：n=1.55
二、色散
1. 概念 材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为折射率的 色散。
2. 色散系数 实用的测量色散的方法是采用固定波长下的折射率来测量，描述材料色散的光学参 量最常用的数值是倒数相对色散，即色散系数。
✓ 非常光：与寻常光垂直的光线的折射率ne随入射线方向的改变而变化,不服从折射定 律。
非常光(e光) 寻常光(o光)
不发生双折射的特殊方向称为“光轴”，
光沿光轴方向入射时，只有n0存在；与 光轴方向垂直入射时，ne达到最大值。
（3）材料的内应力
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。对于压应力，具有相反 的效果。
dIIdx
I
dI
x
dx
I I0
0
ln I x
I0
I I ex 0
（朗伯特定律） (Lambert)
光强度随穿过介质厚度的变化符合指数衰减规律。
4K/
：物质对光的吸收系数，单位为cm-1。K为吸收率。 取决于材料的性质和光的波长。越大，材料越厚，光就被吸收的越多，透过后的光强 度就越小。
不同材料， 差别很大。 空气： 10-5cm-1 玻璃： 10-2cm-1 金属： 为几万～几十万，所以金属实际上以钠的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。
材料的光学性能
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）
……
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。
c：真空中的光速； ：介质的介电常数； ：介质的导磁率。
对于无机材料：
1,1
n
介质的折射率随其介电常数的增大而增大。
介电常数
折射率与介质的极化现象有关。
外加电场作用下，介质中的正电荷沿着电场方向移动，负电荷沿着反电场方向移动，这 样正负电荷的中心发生相对位移，这种现象就是介质的极化。外加电场越强，正负电荷 中心的距离越大。
相均匀分布的材料，由于散射引起的光强减弱规律与吸收规律形式相同：
I I0eSx
S：散射系数单为为cm-1。
I0：光的原始强度； I：透过厚度为x的材料后，由于散射引起的剩余强度。
由于吸收和散射引起的光剩余强度为：
I I0e(S)x
由于反射、吸收和散射引起的光剩余强度为：
II0(1m )2e(S)x
由于吸收引起的光剩余强度为：
I I0ex
由于反射和吸收引起的光剩余强度为：
II0(1m)2ex
反射系数 2. 光吸收与波长的关系
(1)选择性吸收 材料对某一波段的光具有强烈的吸收作用，而对其它波段的光吸收较弱或不吸收，这种 现象称为选择性吸收。 严格说一切介质都是选择性吸收介质。
透明材料在可见光谱内的选择性吸收使其呈现不同的颜色。
S3244R3Vnn22122
d </3时，R越大，V越大，S越大。
d=时，
主要为米氏（Mie）散射，散射效果主要与粒子横截面积成比例。
（2）散射质点与基体的相对折射率 散射质点与基体的相对折射率越大，散射越严重。
§4.2 无机材料的透光性
一、透光率 二、材料透光性的影响因素 三、提高材料透光性的措施
Fresnel推导：
W' W
A' A
2
W W' 1 2ssii2 2n n((ii rr))ttg g2 2((ii rr))
角度很小，即垂直入射时：
sin2(ir)
tg2(ir)
(ir)2
i 12 r
sin2(ir) tg2(ir) (ir)2 i 12
r
介质2相对于介质1的折射率：
2. 影响因素 散射系数与散射质点的大小、数量以及其与基体的相对折射率等因素有关。
（1）质点大小 当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。
散射质点的体积分数不变： d 时， S 最大。 d < 时， d ，S ; d > 时， d ，S ;
d > 时，
反射、折射引起的总体散射起主导作用。 散射系数正比于散射质点的投影面积。
（2）晶粒排列方向的影响 各向异性体，存在双折射。
多晶无机材料，相邻晶粒之间的结晶取向不同。这样，由于双折射造成相邻晶粒之间的折射 率也不同。
n0
n0、 ne
➢ 两个晶粒寻常光的相对折射率相同，即 n0/n0=1，无反射损失；
➢ 左晶粒的寻常光折射率n0与右晶粒的非寻常
n21
sini sinr
i r
W' W
n21 n21
112
m
反射系数m与折射率n有关，若介质2对于介质1的相对折射率为n21，当角度很小，即垂直入 射时，则有：
m
n21 n21
1 1
2
2. 讨论
❖ 垂直入射条件下，界面反射的多少，取决于相对折射率n21； ❖ 介质1为空气，可以认为n1=1，于是n21= n2； ❖ n1和n2相差很大，界面反射损失严重； ❖ 若n1=n2，则m=0，垂直入射时几乎没有反射损失； ❖ 光通过的界面越多，界面反射就越严重。光连续透过x块反射率为m的介质时，透