第五章 材料的光学性质讲解
第5章 材料的光学性能
所谓光学性能就是材料暴露在电磁辐射， 尤其在可见光中的响应。
各种矿物所变现出来的折射、反射、透射、颜色以及光泽
5.2 光的折射、反射、吸收和散射特性 5.2.1 折射率
1．折射率的定义 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。 即：
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） nC
5.2.2 反射率和透射率
本章将根据需要分别或同时采用光子和光波这两种概念来讨论材料的光学性能。
5.1.2 光的电磁性
光是频率在某一范围的电磁波，是一种在空间传播着的 交变电磁场。光的电磁性可以解释光的传播、干涉、衍射、 散射、偏振等现象，以及光与物质相互作用的规律。 光作用在固体材料上，宏观上出现反射、折射和透射等 现象，微观上则引起组成材料的原子发生电子极化或(和)电 子能态的变化。 电磁波涵盖的范围很广，依照波长的不同，电磁波谱 可大致分为：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、 x射线、γ射线、宇宙射线，它们的区别仅在于频率或波长有 很大差别。 光既可以看做光波又可以看做光子流。光子是电磁场 能量和动量量子化粒子，而电磁波是光子的概率波。
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
培训_第五章材料的光学性能
20
折射率的影响因素：
（1）构成材料元素的离子半径：n r r ，当离子半
径增大时，其ε增大，因而n也增大。PbS n=3.912 SiCl4 n（=21）.4材12料的结构与晶型：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（双折射现象）。 （3）内应力：垂直于主应力方向，n值大
（4）同素异构：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。
石英
磷石英 方石英
1.55
1.47
1.49
21
二、色散：这种光在介质中的传播速度（或介质的折射 率）随其频率（或波长）而变化的现象。
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。
折射率n2
2
空气
临界角： sini临界=1/n1
2
折射率n1 1 1
11
1
1
28
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
第五章 材料的光学性能
1
5.1 光传播的基本理论
一、 光的波粒二象性
象光 的 现
说光 的 微 粒
光的直线传 播光的传播速 度光的反射
光的折射
说光
光
光
材料的光学性质与表征
材料的光学性质与表征光学性质是材料研究中的一个重要领域，它探索了材料对光的相互作用。
光学性质的研究不仅有助于人们更好地理解材料的本质，还广泛应用于光学器件、光电子技术、生物医学和材料工程等领域。
本文就材料的光学性质与表征进行了一定深度的探讨。
一、折射率折射率是材料光学性质中的一个重要参数。
在光线从一种介质射入另一种介质时，由于光的传播速度发生改变，光线会发生折射。
折射率是衡量两种介质之间光传播速度改变程度的指标。
不同材料的折射率有着显著差异，这取决于材料的化学成分以及电子结构。
实际中，人们利用折射率的差异制作光学透镜、光纤、光栅等光学器件。
例如，在眼镜制造中，眼镜的度数通常由折射率的大小来决定。
当光线通过眼镜时，由于眼镜的特殊折射率，光线的聚焦效果得以改变，从而使眼睛对物体的观察变得清晰。
二、吸收率吸收率是材料对光的能量吸收程度的度量。
光线在射入材料时，部分能量会被材料吸收，而另一部分则会散射或透射。
材料吸收能量的大小与其电子结构中能级的分布密切相关。
某些材料对特定波长的光能量吸收较强，而对其他波长的光则具有较弱的吸收性能。
基于吸收率的研究，人们可以开发出具有特殊光学性质的材料。
例如，太阳能电池就是通过利用材料对特定波长光的吸收从而将光能转化为电能。
通过合适的材料选择和优化结构，太阳能电池可以实现高效地吸收太阳光，并将其转化为可用的电能。
三、散射性质散射是指当光线遇到介质中的不均匀性或微小颗粒时，光线会改变传播方向的现象。
散射性质的研究对于理解材料的内部结构以及微观特征具有重要意义。
散射的强度与材料中微小颗粒的大小和浓度相关。
例如，当光线照射到云层时，由于云中水滴的存在，光线会发生强烈的散射，从而形成白天的蓝天现象。
此外，在医学影像的研究中，人们使用散射性质来研究组织的结构和变化。
四、表征方法在材料的光学性质研究中，人们采用各种表征方法来获得相关参数。
常用的表征方法包括透射光谱、反射光谱、拉曼光谱以及激光扫描等。
光学材料的光学性质研究
光学材料的光学性质研究光学材料是一类具有特殊光学性质的材料，它们在光的传播和相互作用过程中表现出独特的特性。
光学性质研究是光学材料领域的重要研究方向之一，对于理解光的行为和开发新型光学器件具有重要意义。
光学性质是指光在材料中传播和相互作用时所表现出的特性。
光学性质的研究主要涉及光的吸收、散射、透射、折射等过程。
其中，吸收是指光能量被材料吸收并转化为其他形式的能量。
散射是指光在材料中遇到不均匀性结构时改变传播方向的现象。
透射是指光通过材料而不被吸收或散射的过程。
折射是指光从一种介质传播到另一种介质时改变传播方向的现象。
在光学材料的研究中，光的吸收是一个重要的研究方向。
吸收的强度和波长依赖性是评价光学材料性能的重要指标之一。
通过研究光的吸收特性，可以了解材料对不同波长光的响应情况，并进一步探索其在光电器件中的应用潜力。
例如，太阳能电池利用光的吸收过程将光能转化为电能，因此对光学材料的吸收性能进行研究可以帮助提高太阳能电池的效率。
散射是光学材料另一个重要的研究方向。
散射的强度和散射角度与材料的微观结构和物理性质密切相关。
通过研究材料的散射特性，可以了解材料的结构和形貌信息，并进一步探索其在光学器件中的应用。
例如，光纤中的散射过程对于光信号的传输和调制起着重要作用，因此对光学材料的散射性能进行研究可以帮助提高光纤通信的质量和速度。
透射是光学材料研究中的另一个重要方向。
透射的强度和透射率与材料的光学常数和厚度有关。
通过研究材料的透射特性，可以了解材料对不同波长光的透射情况，并进一步探索其在光学器件中的应用。
例如，光学滤波器利用材料的透射特性选择性地传递特定波长的光，因此对光学材料的透射性能进行研究可以帮助设计和制备高效的光学滤波器。
折射是光学材料研究中的另一个关键方向。
折射率是评价材料对光传播影响的重要参数。
通过研究材料的折射特性，可以了解材料对光的传播速度和传播方向的影响，并进一步探索其在光学器件中的应用。
材料的光学性质
材料的光学性质光学是一门研究光的传播、相互作用以及对物质的影响的学科。
作为光学中的一个重要领域，材料的光学性质对科学研究和工程应用有着深远的影响。
在我们日常生活中，我们可以观察到许多材料对光的传播和反射具有不同的性质。
这些性质对光的使用和光学设备的设计具有重要的意义。
首先，材料的折射率是光学性质的一个重要参数。
折射率描述了光在材料中传播速度的相对差异。
当光从一个介质进入另一个介质时，会发生折射。
不同材料的折射率不同，这导致了光在不同材料之间的传播方向发生改变。
折射率的大小和材料的性质密切相关，不同的材料对光的传播具有不同的速度和偏向性。
折射率的控制对于光学器件如透镜、光纤等的设计和制造是至关重要的。
其次，材料的吸收特性也是光学性质中的一个关键点。
吸收是指材料对光的能量进行吸收和转化的过程。
当光通过材料时，部分光能可能会被材料中的电子吸收，导致电子的能级发生变化。
吸收过程可以使材料发生加热、发光等现象。
不同材料对不同波长的光有着不同的吸收特性，这也是光学材料在多个领域的应用之一。
如太阳能电池就利用材料的吸收特性将光能转化为电能。
此外，材料的散射特性也是光学性质中的一个重要方面。
散射是指光在材料内部或表面上发生的方向改变的过程。
材料中微小的结构和不均匀性会引起光的散射，使光的传播方向发生随机改变。
散射会导致光在材料中的传播距离缩短，对于光在材料中的可见性和透明性产生重要影响。
例如，云朵中水汽的散射作用使得阳光散开形成彩虹的现象。
材料的光学性质还涉及其他因素，如反射、透射、偏振等。
反射是指光从材料表面发生反射的现象，其反射率取决于材料的光学特性和入射角度。
透射是指光从材料中穿过的过程，透射率也取决于材料的特性。
光的偏振描述了光的振动方向，不同材料对不同偏振方向的光的影响也是研究的重点之一。
总结起来，材料的光学性质是光学研究和光学应用中的关键要素之一。
折射率、吸收、散射、反射、透射和偏振等性质的研究和理解对于光学器件、光纤通信、太阳能电池、光学成像等领域的发展都具有重要的意义。
材料物理化学教案中的材料的光学性质与光学特性
材料物理化学教案中的材料的光学性质与光学特性材料物理化学作为一门交叉学科，研究了材料的物理和化学性质。
其中，光学性质和光学特性是材料有机组成文化与结构的重要组成部分。
本文将从材料的光学性质以及光学特性的角度来论述材料物理化学教案中的相关内容。
一、材料的光学性质光学性质是指材料对光的吸收、反射、折射等现象的表现。
材料的光学性质受材料结构、分子组成、晶体结构等因素的影响。
根据光的传播方式和材料结构的关系，可以将材料的光学性质分为吸收、反射、透射、散射等方面。
1. 吸收材料的吸收性质是指材料对特定波长的光线吸收的能力。
不同材料对光的吸收能力不同，这与材料的能带结构、化学成分以及晶格结构有关。
通过研究材料的吸收性质，可以了解材料在特定波长下的光学特性，如颜色、透明度等。
2. 反射材料的反射性质是指材料对入射光的反射能力。
根据材料的反射率来判断材料的反射性质，高反射率的材料可以应用于镜面、反光板等领域。
反射性质的研究有助于了解材料与入射光的相互作用，从而设计出具有特定光学性能的材料。
3. 透射材料的透射性质是指材料对光的透过能力。
透射率的高低取决于材料的成分、晶格结构以及光的波长等因素。
通过研究材料的透射性质，可以了解材料对不同波长光的透明度，为材料的应用提供理论依据。
4. 散射材料的散射性质是指材料对光的散射程度。
材料的散射程度与材料的粒度、晶格结构以及光的波长等因素有关。
通过研究材料的散射性质，可以了解材料对光的传播产生的影响，为光学器件的设计与制备提供基础知识。
二、材料的光学特性光学特性包括吸光度、发光性质、折射率和色散等方面，这些特性是通过对材料的光学性质进行测定和分析得出的。
1. 吸光度吸光度是指材料对特定波长的光线吸收的程度。
通过吸光度的测定，可以了解材料在不同波长下的吸收能力，从而确定材料的光学特性。
2. 发光性质发光性质是指材料在受到电磁激发或其他刺激下产生的发光现象。
根据材料的分子或晶格结构不同，发光的波长和频率也会有所差异，从而呈现出不同的颜色和亮度。
材料的光学性质PPT课件
此为可见光，呈黄色。
热辐射
• 当材料开始加热时，电子被热激发到较高 能态。当它们跳回正常能级时就会发射出 低能长波光子（红外线），波长位于可见 光之外。温度增加发射有短波光子，材料 开始显示红、橙、黄的混合颜色。在高温 下材料辐射所有可见光的光子，所以成为 白光辐射，即看到材料呈白亮色。
hc Eg
算得能通过的最短波长。因而得知Si和Ge对较短 的波长（如可见光）是不透过的，产生吸收。而 对于波长较长的红外线则是透过的。
掺杂半导体的光吸收
• 如果是掺杂半导体，只要光子的能量大于施主和 受主能级，（Ed和Ea），就会产生吸收。
• 根据能隙标准判断时，绝缘体和多数半导 体，其对于长波长的光子是能透过的，因 而是透明的。然而一些杂质会产生施主和 受主能级，另一些缺陷象气孔和晶界可使 光子被散射，使材料变得不透明。结晶的 聚合物就比无定形聚合物更容易吸收光子。
长成反比，与频率成正比。当电子吸收光子时每次总是吸 收一个光子，而不能只吸收光子的一部分。
光的速度
• 电磁波在真空中的传播速度为c=3×108m/s
c 1 00
式中ε0、μ0分别为真空中的介电常数和磁导率 • 当光在介质中传播时，其速度v由下式决定
v c
rr
式中εr、μr分别为介质的介电常数和磁导率 • c与v的比值称为介质的折射率n
• 公路交通中应用的夜间路标都用长余辉的 磷光体。
• 例题 ZnS的能隙为，要激发ZnS的电子需要光子的波长使多少？如在ZnS中加 入杂质，使之在导带下的处产生一能量陷阱，试问发光时的波长是多少？
解：（1）激发电子进入导带的最大波长为
这个波长相 当E h 于g紫 c( 外6 ( .线6 3 .5 。 2 1 )1 4 .( 6 3 0 )4 1 3 ( 1 1 0 )9 8)0 m 3 .5 0 1 6 7 0 m 35 A 06
材料科学与工程中的光学性质分析和设计
材料科学与工程中的光学性质分析和设计光学性质是材料科学与工程领域中非常重要的一个研究方向。
通过对材料的光学性质的分析和设计，可以实现对材料的性能优化和功能化。
本文将从材料光学性质的分析和设计两个方面进行探讨。
一、材料光学性质的分析材料的光学性质是指材料对光的吸收、透射、反射等行为的描述。
光学性质的分析可以通过测量材料的吸收谱、透射谱和反射谱来实现。
吸收谱可以定量描述材料对不同波长光的吸收强度，透射谱则体现了材料对不同波长光的透射性能，而反射谱则表示材料对不同波长光的反射特性。
通过对光学性质的分析，可以了解材料对光的作用方式。
例如，金属材料的吸收谱通常在紫外和可见光范围有明显的吸收峰，而在红外区域则相对较低，这是由于金属的电子结构所决定的。
对于半导体材料来说，吸收峰的位置和强度则与禁带宽度等参数有关。
此外，透射谱和反射谱的分析还可以揭示材料的光学透明性和光学反射性能，对于光学器件的设计尤为重要。
二、材料光学性质的设计材料光学性质的设计是指通过调控材料的组分、结构和形貌等因素，实现对光学性质的有目的调控。
光学性质的设计在材料科学与工程中有着广泛的应用，例如光学透明材料、光学传感器、光学器件等领域。
一种常用的光学性质设计方法是通过材料的能带结构来实现。
能带结构是材料电子能级的分布情况，能够直接影响材料对光的吸收和透射性能。
通过调控材料的禁带宽度、带隙能级等参数，可以实现对材料吸收峰的调控。
例如，当材料的禁带宽度与光子能量匹配时，就能够实现光的吸收；而当禁带宽度大于光子能量时，光则会被材料所反射。
此外，材料的结构和形貌也可以用来设计光学性质。
例如，通过调节纳米颗粒的大小和形状，可以实现对材料的光学吸收和散射性能的调控。
纳米颗粒的大小和形状决定了它们的吸收峰的位置和强度，因此可以根据需要进行设计和调整。
光学性质的设计还可以通过引入掺杂元素来实现。
掺杂元素的引入可以改变材料的电子结构和能带结构，从而调控其光学性质。
化学材料光学性质
化学材料光学性质光学性质是化学材料在光线作用下所表现出的特性，它涉及到化学材料的吸收、散射、透射、折射和反射等光学行为。
在光学性质方面，化学材料通常可分为透明材料、半透明材料和不透明材料三类。
本文将重点解析这三类材料的光学性质以及相关应用。
一、透明材料的光学性质透明材料是指能够让大部分光线通过的材料。
它们具备良好的透射性能，即当光线从一种介质进入透明材料时，光线能够穿透材料并保持相对稳定的传播方向和波长。
透明材料对不同波长的光线有各自的吸收和透射特点。
1. 折射率折射率是描述光线经过透明材料时折射（弯曲）程度的物理量。
它与光线通过材料时的速度有关。
折射率高的材料会使光线偏离原来的路径，折射率低的材料则会使光线基本维持原来的路径。
折射率的测量可通过角度测量或者借助光栅等特殊设备实现。
2. 吸收光谱透明材料在特定波长范围内会对光线吸收并转化为热能。
吸收光谱能够反映出透明材料的吸收特性和能带结构。
不同化学成分和结构的透明材料对可见光、红外线或紫外线等波长的吸收强度存在差异。
3. 透明度透明度是指透明材料对光线透过的程度。
透明度不仅与材料的折射率有关，还与材料的厚度和杂质等因素相关。
透明材料具有较高的透明度，可以应用于光学器件、光纤通信、光电显示等领域。
二、半透明材料的光学性质半透明材料是介于透明材料和不透明材料之间的一类材料。
它们能够部分透射光线，同时也会部分吸收和反射光线。
半透明材料的光学性质与透明度、吸收光谱、折射率等参数有关。
1. 半透明度半透明度是衡量半透明材料光线透射能力的指标。
它通常以透射率或者光线衰减系数来描述。
半透明材料能够有效地控制光线的透射程度，因此在光电子学、光学测量等领域有广泛应用。
2. 反射率半透明材料会将一部分光线反射回来，这部分光线称为反射光。
它与入射光的波长、入射角度、材料的厚度等因素有关。
半透明材料通过调节反射光的强度和方向，可应用于反光镜、光学滤波器等光学器件的制备。
第5章无机材料的光学性能11.6
无机材料的透光性
光通过材料后，剩余光能所占的百分比。
光通过陶瓷片的吸收损失与反射损失
其中损失包括：表面上的反射损失； I=mI0
通过材料后的吸收损失； I I0 1 m 2 easx
I/I0：透光率。
影响无机非金属材料透光性的因素分析
1.吸收系数
（1）荧光：原子的外层电子受激发，从基态或低能态跃迁到 高能态，约经10-8 s后，又跃回基态或低能态，同时发射的光 子，称为荧光。
应用：
利用荧光现象制作 的原子荧光光谱仪， 可应用于冶金、石 化、材料、环境生 物样品等的痕量元
素分析测定。
（2）磷光：激发停止后一段时间发出的。延迟 发射10-2 s ~ 10s。
无机非金属材料的吸收率或吸收系数在可见光范围内是比较低的，在 影响透光率的因素中不占主要地位。
2.反射系数
材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。此外，材料表面的 光洁度也影响透光性能。
3.散射系数
a）材料宏观及显微缺陷：材料中的夹杂物、掺杂、晶界等对光 的折射性能与主晶相不同，因而在不均匀界面上形成相对折射率。 此值越大则反射系数（在界面上的，不是指材料表面的）越大， 因而散射系数变大。
（4）同质异构体：
结构敞广的高温态比结构紧密的低温态折射率小。 常温：SiO2玻璃态的折射率是1.46
石英晶体折射率1.55 高温：磷石英折射率1.47
方石英折射率1.49
色散
❖ 材料的折射率随入射光的频率的减小而 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：
❖ 倒数相对色散 ，即色散系数：
二、乳浊剂的成分：
1. 在熔制时，形成惰性产物，或者在冷却或再 加热时从熔体中结晶出小颗粒；
第五章 无机材料的光学性能
无机材料透光性
介质透过率高低，或介质吸收光波能量多少，不仅 与介质电子能带结构有关，还与光程有关，也就是 与光通过介质厚度相关。 如入射光强度为I0，通过x厚度介质，其光强度下降。 光强度变为I，且有 x 0
I I e
式中：α为介质对光吸收系数，单位为cm-1, x为穿 过介质厚度。 α 取决于材料性质和光波长。 α越大 材料越厚，光被吸收越多，透过后光强度越小。不 同材料α值差别很大，空气α=10-5 cm-1 ，玻璃α=102 ，金属α值则高达几万到几十万，因此金属实际上 是不透明。
光通过介质现象
电磁波在真空中传播速度为3×108m/s以c表 示。C与真空介电常数ε0和真空磁导率μ0关系 为： 1
c
0 0
c
当光在介质中传播时，其速度v由下式决定：
光通过介质现象
在讨论光与材料相互作用产生反射、透 射、折射等现象时，应用光粒子性更容 易理解；讨论光波在介质中传播、衍射 等现象应用光波动性更方便。当光从一 种介质进入另一种介质时，例如从空气 进入透明介质，一部分透过介质，一部 分被吸收，一部分在两种介质界面上被 反射，还有一部分被散射。
三、光反射
设光总能量流W为：W＝W’＋W” W、W’、W”分别为单位时间通过单位面积入 射光、反射光和折射光能量流，根据波动理 论：W∝A2υS 由于反射波传播速度及横截面积都与入射波 相同，所以： 2
W ' A' W '' A
把光波振动分为垂直于入射光振动和平行于 入射光振动
无机材料透光性
如果吸收光子能量是把电子从填满价带激 发到导带空能级上，将在导带中出现一个 只有电子，而在价带上留下一个空穴。激 发电子能量与吸收光子频率间满足 ΔE =hν。只要光子能量大于禁带宽度Eg时， h ν＞Eg, 才能以这种机制产生吸收。 计算 出非金属材料禁带宽度大于3.1eV，则不 可能吸收可见光。若这种材料纯度很高， 则对可见光是无色透明的。
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
第五章 材料的光学-PPT精选文档
激光及其材料
（动画）
动画
光沿x轴方向传播
光学纤维材料---光的传输
（动画）
（动画）
（动画）
光纤分类： 按折射率剖面分布和传输方式
单模光纤
直径只有几个μm，只传输单模光束
阶跃型多模光纤
由低折射率玻璃外层包覆高折射率玻璃芯子
渐变型多模光纤
折射率沿光纤径向由中央向四周连续减小
5.1 材料的透光性
动画
动画
双折射
两束折射线中的一束始终遵守折射定律 这一束折射光称为寻常光，通常用o表示， 简称o光；另一束折射光不遵守普通的折 射定律这束光通常称为非常光，用e表示， 简称e光。
寻常光折射率no一折射率不随入射方向而改变。 非寻常光折射率ne－折射率随入射方向而改变。
如胶体金（红色）、银（黄色）、铜（红色） 及硫硒化镉）等：
1) 金属胶体着色剂的颜色决定于粒子的大小
如胶态金的水溶液，
d = 20~50nm 强烈红色
d < 20nm
弱黄色
d = 100~150nm 透射呈蓝色，粒尺寸对颜色影响很小，如硫硒化镉胶体着 色玻璃时，总能得到色调相同、颜色鲜艳的大红玻 璃，只有当粒径大于10nm时玻璃才开始失去透明。
朗伯特定律
各种材料对光的吸收
金属：对光的吸收强烈，可见光区吸收系数大。 原因：在于金属的价电子处于未满带，吸收光子后 即呈激发态，不必跃迁到导带就能发生碰撞 而发热。
绝缘性材料：可见光区吸收系数小。 原因：绝缘性材料的价电子处在价带，光子的能量 又不足以使价电子跃迁到导带。
绝缘材料在紫外光区吸收系数急剧增大 原因：紫外光的能量达到禁带宽度。
如，Co2+吸收橙、黄和部分绿光而呈现带紫的 蓝色；U6+吸收紫、蓝光而显带绿荧光的黄绿色。
材料性能学光学性能..
n21=n2/n1=ν1/ν2=sini/sinr
式中ν1及ν2为光在材料1及材料2中的传播速度；n1和n2分 别为材料1和材料2的绝对折射率；n21为材料2相对材料1的 相对折射率。
空气的折射率为1.0003，介质的折射率总大于1，固体氧化 物的折射率为1.3 ~2.7，玻璃的折射率为1.5~1.9。 折射率n与介质的极化现象有关。离子的极化率越大， n也 越大，大离子得到高的折射率；晶体中沿密堆方向上具有最 高的折射率；在同质异构材料中，高温时的晶型的折射率较 低，低温时的折射率高；相同化学组成的玻璃比晶型的折射 率低；对各向同性的材料施加应力时，垂直于应力方向折射 率增加，而沿应力方向的折射率变小。 2、色散及色散系数 材料的折射率随入射光波长的增加而减少的现象称为材料 的色散。材料的色散表示为： 色散＝dn/dλ。实用的测量色散的方法是固定波长时的折 射率来测量的，而不是去确定完整的色散曲线。色散系数 γ=(nd-1)/(nf-nc) nd、nf和nc分别为钠的D谱线、氢的F谱线和C谱线(5893、 4861和6563Ǻ)测得的折射率。
第二节 光的波粒二相性
一、波粒二相性研究历史回顾： 牛顿认为：光是由光源飞出的粒子流，解释了反射和折射 定律，但不能解释干涉和衍射 惠更斯认为：光是一种波，能够发生干涉和衍射现象 1860年：麦克斯韦创立了电磁波理论，认为电是一种电磁 波即可以直线传播，又能够发生干涉和衍射现象。 在研究光与物质相互作用（光电效应），波动说遇到了新 的困难。 1900年，普朗克提出了光的量子性，并解释了黑体辐射。 1905年，爱因斯坦完善了光的量子理论，解释了光电效应 问题。 1924年德布罗意创立了物质波假说。波动性和粒子性统一 了起来了。 1927年：锹拉克提出了电磁场的量子化理论。 二、光的波动性 光的波动性表现在它有干涉、衍射，偏振等特性。
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• （二）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 一能态的过程。
• 如 E 是分立的，能级间只有特定的 Δ E。因此只有能量为Δ E的光子才能被该原子通过 电子能态改变而吸收；
2. 在每一次激发中，每个光子的能量将全部被吸收；
E h hc , h 6.631034 J.S
• 三、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
（与光线传播方向垂直）的能量。
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• 上述公式也可写成如下形式：
1 , , 分别为透射率、吸收率、反射率。 T 0， A 0， R 0。
reflector. • P150 图4.6
• 肉眼看到的金属颜色不是由吸收的波长决定，而是由反射光的 波长决定的。
• 在白光照射下，表现为银色的金属（Ag、Al），表面反射出来 的光也是由各种波长的可见光混合组成的；
• 其他颜色的金属（如Cu为桔红色、金为黄色）表面反射出来的 可见光中以某种波长的可见光为主要成分。
• 无禁带，而且费米能级以上有 许多空能级。
• 事实上，金属对所有的低频电 磁波（从无线电波到中紫外线） 都是不透明的，只有对高频电 磁波，如γ 射线，X射线才是透 明的。
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• 二、良好的反射性 • 大多数金属的反射率ρ=0.9~0.95。 • 利用这一性质可在其他材料的衬底上镀制金属膜做成反光镜----
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• 透明材料：τ 大，α 、ρ小； • 半透明材料：透过时发生漫散射； • 不透明材料:τ 极小的材料。 1. 金属对整个可见光谱都是不透明的，
即所有可见光的入射不是被吸收，就 是被反射； 2. 所有的电绝缘材料都可能制成透明材 料； 3. 半导体材料中有些是透明的，有些是 不透明的。
• 5.电磁波在真空中的传播速度都是C=3*108m/s。
• C与真空介电常数ε 0和真空磁导率μ0之间的关系为：
c
1
00
• C与电磁波频率ν 和波长λ 之间的关系为：C=λ ν
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• 二、光的波粒二象性
• 从量子力学理论可知：电磁波具有波粒二象性， 电磁辐射可看成一系列能量量子----光子组成。 光子的能量是量子化的，即
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§5-1 基本概念
• 一、电磁辐射 1. 从经典意义上讲，电磁辐射是一种波，由
电场分量和磁场分量组成，两个分量相互 垂直，并都垂直于波的传播方向。 2. 光（可见光）、热（辐射能）、雷达、无 线电波、X射线等都是电磁波，他们之间 的差别就是波长（频率）范围不同。 3. 电磁波包括的波长范围很宽，从10-12m到 105m，按波长增加的次序，可分为：
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• 由于光速减小是由电子极化引起，因而组成原子或离 子的大小对光速的影响很大，一般来说,原子或离子尺 寸越大，则电子极化程度愈高，光速越慢，折射率越 高。
• 普通玻璃n=1.5，含PbO90%的n=2.1。 • P146 表4.1。
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• 二、反射
当光线垂直入射时，反射率为
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电磁 波
λ /m
γ射 线
10-10~10-14
X射线 紫外 线
10-8~10-12 10-6~10-9
可见 红外 光线
0.4~0.7*10-6 10-2 ~0.4*10-6
微波
100~2*10-2
射频 TV
105~101
• 4.可见光是人肉眼能感知的电磁波，只占整个电磁波的 很窄波段；光线的颜色取决于波长。例如0.4um紫色， 0.4~0.5um蓝色，0.5um绿色，0.5~0.6um黄色，0.6um 橙色，0.65um红色。白光是各种带色光的混合光。
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• 固体中出现的光学现象是电磁辐射与固体 材料中原子、离子和电子之间相互作用的 结果。最重要的两种作用是电子极化和电 子能态的改变。
（一）电子极化
在可见光频率范围内，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，即造成电子云和原子核的 电和中心发生相对位移。其结果：当光线 通过介质时，一部分能量被吸收，同时光 线速度减小，后者导致折射。
非金属材料透明有 无色 色可见光
不透明
• 非金属对光的吸收有下列三种机理： 1. 电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒
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§5-3 非金属材料的光学性质
• 一、折射
折射率n c v
介质中光线的传播速度v 1
因此n c v
1
0 0
1
0 0
r r
对于大多数非金属r 1，所以n r
可见，测定了透明材料的折射率，便可知
材料的电子极化对介电常数的贡献。
第五章 材料的光学性能
P143第四章
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1. 光是一种电磁波 2. 可见光的频率范围：4.2*1014~7.5*1014Hz 3. 可见光作用在固体上：宏观上出现反射、
折射、透射和吸收等现象；微观上则引起 组成材料的原子发生电子极化和（或）电 子能态的变化。 4. 从材料的电子能带结构出发，揭示材料的 光学性质的本质。
n2
n12
n2 n1
在非垂直入射的情况下，反射率与入射角有关。
当光线从真空或空气中垂直入射到固体表面时
2
ns ns
11
因此，固体材料的折射率越高，反射率也越大。
同时，由于固体材料的折射率与入射光的波长有关，
因此反射率也与波长有关。
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• 三、吸收
3. 受激电子不可能无限长时间保持激发状态，经过一 个短时间后，它会衰变回基态，同时发生出电磁波。 衰变途径不同，发出的电磁波的频率不同。
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§5-2 金属的光学性质
• 一、金属对可见光的不透明性
• P149 图4.5
• 金属对可见光是不透明的。
• 只要厚度大于0.1um，就可吸 收全部光能，只有厚度小于 0.1um的金属箔才可能透光。