材料性能学光学性能
材料的光学性能
散射系数与散射质点的大小、数量以及散射质点与基体的相对 折射率有关。
5.6.1 散射与其他光学现象的关系
根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，分为弹性 散射与非弹性散射。非弹性散射要比弹性散射低几个数量级
• 弹性散射：散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化， 只改变方向的散射。
• 非弹性散射：当光通过介质时，从侧向接受到的散射光主 要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散 射。当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪，可以发现散射光 中还有其它光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性 散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱地多。这 些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞 的结果，称为非弹性散射。
5.5.3 折射率椭球
5.5.4 偏振元件 偏振片，四分之一波片，二分之一波片等实现
光束偏振状态的改变。
5.5.5 二向色性偏振片 晶体结构的各向异性不仅能产生折射率的各向
异性（双折射），而且能产生吸收率的各向异性， 这一性质被称为二向色性。
• 1、光吸收的物理机制？ • 2、光色散的物理机制？ • 3、双折射的物理机制？
sin
v1 v2
n2 n1
n21
v c n
• 材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。
光密介质：在折射率大的介质中，光的传播速度慢；
光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快。
• 材料的折射率从本质上讲，反映了材料的电磁结构 （对非铁磁介质主要是电结构）在光波作用下的极 化性质或介电特性。
惠更斯原理： 光波波前（最前沿的
波面）上的每一点都可以 看做球面次波源。 Δt时 间后，无数个次波的包络 就是新的波前。
导出反射定律和折 射定律。
材料性能学光学性能..
x dI I dx , ln x I0 I 0 I0 I
第一节 光的电磁性质
光是一种电磁波，它是电磁场周期性振动的传播形成的。 光是一种横波，其电场强度E和磁场强度H的振动方向互相垂 直。 设光的传播方向为S，则E、H、S互相垂直。 光的反应主要由光波中的电场所引起，磁场对介质的作用 远比电场要弱，所以在讨论光波时，往往只需考虑电场的作 用，而将磁场忽略。所以电场强度矢量称为“光矢量”。 偏振性是横波的特有性质。如果光波的电矢量振动只限定 在某一方向称为平面偏振光，亦称为线偏振光。电矢量在垂 直光传播方向的平面内的轨道亦呈椭圆或圆。这种光又称为 圆偏振光。光波也可以由各种振动方向的波复合而成。 如果在垂直于光传播方向的平面内电矢量振动取向机会均 等，这样的光称为“自然光”。
线性光学性能是指介质的电极化强度P与入射光波中的电场E成 线性关系：
P 0 E
其中χ为介质的极化率。线性光学特性具有以下特点： 第一： 单一频率的光入射到非吸收的透明介质时，其频率 不发生任何变化； 第二：不同频率的光入射到介质时，各光波之间不发生相互 耦合，也不产生新的频率； 第三：当两束光相遇时，如果是相干光，则产生干涉，如果 是非相干光，则只有光的叠加，即服从线性叠加原理。 线性光学性能主要应用于普通光学器件。
I=I0e-βx
光强度随介质厚度变化而不断衰减，这一规律称为 Lambert 定律。I0未初始光强，I未透射后的强度；x为材料厚度；β为吸 收系数，单位为cm-1. 透射率为T=I/I0=e-βx,一般表示为T=(1-R)2 e-βx 不同材料的吸收系数有很大不同，空气一般为 10-5cm-1；玻璃 为10-2cm-1；而金属达到几十万，所以金属实际上是不透明的。 材料对可见光的吸收强弱取决于电磁波的波长。金属对可见 光吸收强烈是因为金属中价电子处于未满带，吸收光子后为激 活态，而不用跃迁到导带，在电磁波谱的可见光区内，金属和 半导体的吸收系数都很大；对于电介质材料，吸收系数很小， 这是因为电介质中的价电子是填满的，不能吸收可见光的能量 而自由运动，而光子的能量不足以使价电子跃迁到导带，所以 这一波谱吸收系数很小。 吸收分为选择性吸收和均匀吸收。
材料性能学课件第十一章 材料的光学性能
可见光的基本性质
可见光的基本性质
光速与真空中的电导率ε0 和导磁率μ0的关系：
粒子的光子（Photon） 的能量为 ：
6、吸收系数 选择性吸收：指材料对某一波段有强烈的吸收 作用，而对其他波段则吸收较弱或不吸收的现 象。严格说来，一切介质都是选择性吸收介质。
均匀吸收：在可见光范围内，对各种波长的吸 收程度相同的现象。在均匀吸收的情况下，随 着吸收程度的增加，颜色从灰变到黑。
一、线性光学性能的基本参量
7、散射 光波遇到不均匀结构产生与主波方向不
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小的
性质，称为折射率的色散。其数值大小为： 色散＝dn/dλ
数值可以由色散曲线（如下图）来确定。
一、线性光学性能的基本参量
2、色散及色散系数 自然光透过单片透镜，色散使像的周围环绕
了一圈色带，成像不清晰，称为色差。克服的 方法是用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透 镜和凹透镜复合镜头，以消除色差，这被称之 为消色差镜头。
二、线性光学性能的应用及其影响因素
2、界面反射与光泽 利用光的反射可以在光学材料中达到各
种应用目的，例如雕花玻璃器皿，含铅量高， 折射率高，因而反射率约为普遍钠钙硅酸盐 玻璃的两倍，达到很好的装饰效果。宝石的 高折射率使之具有高反射性能。通讯用光导 纤维，有赖于光束总的内反射。
二、线性光学性能的应用及其影响因素
一、线性光学性能的基本参量
6、吸收系数 光线穿过介质时，引起介质的价电
材料性能学
材料性能学材料性能学是材料科学的一个重要分支领域，研究材料的性能与结构之间的关系。
材料性能包括力学性能、热学性能、电学性能、磁学性能、光学性能等多个方面。
材料性能的优劣直接影响材料的应用范围和效果。
力学性能是材料性能学的重要内容之一，涉及材料的强度、硬度、韧性、耐磨性等指标。
力学性能的研究可以通过各种试验方法来获得。
常见的试验包括拉伸试验、冲击试验、硬度试验等。
力学性能的好坏决定了材料在受力领域的应用范围，优秀的力学性能可以使材料承受更大的载荷，具有很好的抗疲劳和耐磨损能力。
热学性能是材料在热环境下的性能表现，主要包括热导率、热膨胀系数、热稳定性等指标。
热学性能的研究对于材料在高温、低温环境下的应用具有重要意义。
例如，高导热材料可以应用于散热器、热交换器等领域，而低热膨胀系数的材料则适用于高精度仪器、光学设备等需要保持稳定尺寸的领域。
电学性能是材料导电性能的表现，主要包括电导率、介电常数、电阻率等指标。
电学性能是材料应用于电子、电力工程等领域的基础。
例如，电导率高的材料可以用作导线、电极等；而具有高介电常数的材料适用于电容器、绝缘材料等。
磁学性能是材料在磁场中的性能表现，主要包括磁导率、磁饱和强度、磁滞损耗等指标。
材料的磁学性能在电子、通信、磁存储等领域有广泛应用。
例如，磁导率高的材料可以用于制造电感器件、变压器等。
光学性能是材料在光学领域的表现，主要包括透光性、折射率、反射率等指标。
材料的光学性能对于光学器件、光学传感器等的设计和制造非常重要。
例如，透明度高的材料可以用于玻璃、光电子器件等；而具有特定折射率的材料可以用于制造透镜、光纤等。
综上所述，材料性能学研究材料的力学性能、热学性能、电学性能、磁学性能、光学性能等多个方面。
材料性能的好坏直接影响材料的应用范围和效果。
在材料设计和应用领域中，常常需要从以上多个方面综合考虑，选择合适的材料。
材料的光学性能
材料的光学性能光学性能是指材料在光学方面的特性和表现，包括透射、反射、折射、吸收等。
材料的光学性能对于材料的应用具有重要意义，不同的光学性能可以决定材料在光学器件、光学仪器、光学通信等领域的应用效果和性能表现。
因此，研究和了解材料的光学性能对于材料科学和工程具有重要意义。
首先，材料的透射性能是指材料对光线透过的能力。
透射性能好的材料可以让光线顺利透过，而不会发生明显的衍射、散射和吸收现象，这对于光学器件和光学仪器的制造具有重要意义。
例如，在光学透镜、光学棱镜、光学滤波器等器件中，需要选用透射性能好的材料，以保证光线的传输和成像质量。
其次，材料的反射性能是指材料对光线的反射能力。
反射性能好的材料可以将光线高效地反射出去，而不会发生明显的漫反射和散射现象，这对于光学反射镜、光学反射器等器件的制造具有重要意义。
例如，在激光器、光学望远镜、激光干涉仪等器件中，需要选用反射性能好的材料，以保证光线的反射效果和器件的性能表现。
再次，材料的折射性能是指材料对光线的折射能力。
折射性能好的材料可以让光线在材料内部高效地折射和传播，而不会发生明显的色散和波前畸变现象，这对于光学棱镜、光学波导、光学透镜等器件的制造具有重要意义。
例如，在光纤通信、光学成像、光学传感等领域中，需要选用折射性能好的材料，以保证光线的传输和成像质量。
最后，材料的吸收性能是指材料对光线的吸收能力。
吸收性能好的材料可以高效地吸收光线的能量，而不会发生明显的反射和透射现象，这对于光学材料的能量转换和利用具有重要意义。
例如，在光伏电池、光热材料、光学光谱仪等领域中，需要选用吸收性能好的材料，以提高能量转换效率和性能表现。
综上所述，材料的光学性能对于材料的应用具有重要意义，不同的光学性能可以决定材料在光学器件、光学仪器、光学通信等领域的应用效果和性能表现。
因此，研究和了解材料的光学性能对于材料科学和工程具有重要意义，也对于推动光学技术的发展和应用具有重要意义。
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。
浙大材料物理性能-光学性能第一节
第四章材料光学性能当光通过固体材料时，会发生透射、折射、反射、吸收、散射等现象，不同的材料具有不同的光学性能同时，在电、声、磁、热、压力等外场作用下，材料的光学性能会发生变化，或者在光的作用下其结构和性能会发生变化，如发光材料、激光材料、光导材料、磁光材料、非线性光学材料等1人们对光学性能以及在材料中发生的光学现象的研究和应用，已经有很长的历史了。
人类很早就认识到用光可以传递信息，2000多年前我国就有了用光传递远距离信息烽火台的设施—2等传递信息的方法后来出现了用灯光闪烁、旗语3以发明电话而著称的发明家贝尔（A. G. Bell，1847∼1922）也在光通信方面作过贡献，1880年，他利用太阳光作光源，用硒晶体作为光接收器件，成功地进行了光电米。
话的实验，通话距离最远达到了2134用大气作为传输介质，损耗很大，而且无法避免自然气象条件的影响和各种外界的干扰，最多只能传几百米远。
人们不得不寻求可以在封闭状态下传送光信号的办法低损耗石英光纤的出现，实现了大容量、高速、长距离、低成本的光信息传输现在不少发达国家又把光缆铺设到住宅前，实现了光纤到办公室、光纤到家庭56城市的绚丽灯光7地球夜景的卫星照片激光光束89短波发光与激光材料在许多领域有着广泛而重要的应用价值，例如高密度的数据存储、海底通信、大屏幕显示（需要蓝绿光构造全色显示）、检测及激光医疗等蓝色LED 和LD 的出现大大促进了高密度光学存储以及高分辨显示器、图象扫描仪、彩色打印机、生物医学诊断仪、遥感探测仪等的发展。
下图所示为蓝色发光二极管在紧凑、便携式发光显示器件中的应用10安装在美国时代广场的GaN 蓝光LED显示屏玻璃制品可以显示出各种各样的颜色1113第一节基本概论第二节折射和色散第三节反射和散射第四节吸收与颜色第五节其它光学现象、光学材料及其应用本章主要内容讨论与电磁辐射及其与固态材料相互作用相关的一些基本概念与原理 从光折射、反射、吸收、透射、辐射等性质来探讨金属和非金属材料的光学性能，并从导体、半导体和绝缘体的电子能带结构出发，揭示它们在光的作用下表现出不同光学特性的本质对固体的发光、激光、非线性光学、光电转换等各种光学材料及其应用作一简要介绍第一节基本概念一、电磁辐射光的本质是什么？历史上有过很多争论。
材料的光学性能研究与光学器件应用
材料的光学性能研究与光学器件应用光学材料是指在光学器件中用于传输、调制和探测光信号的材料。
光学材料的光学性能研究对于光学器件的应用至关重要。
本文将探讨光学材料的光学性能研究，并展示其在光学器件应用中的重要性。
一、光学性能研究方法1. 透射率测量透射率是光学材料的重要性能之一，可以通过透射光经过材料后的光强与初入光的光强之比来确定。
测量时需使用透射光强计来获取透射光强的数值，进而计算透射率。
2. 折射率测量折射率是光在材料中传播速度的相对指标。
常用的折射率测量方法有自偏转法、反射法和干涉法。
这些方法利用不同的原理来测量材料的折射率，以提供准确的数据。
3. 吸收率测量吸收率是光学材料吸收入射光的能力的指标。
常用的吸收率测量方法有吸收光谱法和吸收光强测量法。
通过测量光在材料中被吸收的程度，可以获得材料的吸收率。
二、光学器件应用1. 光纤通信光纤通信是一种基于光学材料和光学器件的高速、大容量数据传输技术。
光学材料的透明度和低损耗特性使其成为光纤通信中不可或缺的关键元素。
通过适当设计光纤和使用合适的光学材料，可以实现高效的光信号传输。
2. 光学传感器光学传感器是基于光学材料的光信号传感器件，广泛应用于环境监测、医疗诊断、工业控制等领域。
通过光学材料的特殊性能和光学器件的精密设计，光学传感器可以实现对光信号的高灵敏度和高精度检测。
3. 激光器激光器是利用受激辐射过程产生的激光光源。
光学材料的光学性能对激光器的性能起着决定性作用。
例如，通过选择具有高透过率和低损耗的材料，可以提高激光器的效率和功率输出。
4. 光学显示器件光学显示器件是用于显示图像和信息的光学装置，如液晶显示器（LCD）、有机发光二极管（OLED）等。
光学材料的透明度、色彩饱和度和光学效应对显示器件的性能和画质具有重要影响。
结论光学材料的光学性能研究对于光学器件的应用至关重要。
通过透射率测量、折射率测量和吸收率测量等方法，可以获取光学材料的相关性能参数。
材料物理性能(第四章材料的光学性能)x精要
第十页，编辑于星期六：十五点 三十一分。
设一块折射率为
的玻璃，光反射损
失为
,透过部分为
。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
如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分为
第十一页，编辑于星期六：十五点 三十一分。
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。
细的颗粒。但在高温下，在还原气氛下，会出 现显色。因此只能用在搪瓷（973～1073） 3. CeO也是良好的乳浊剂，但是稀有而昂贵 4. SnO2也是良好的乳浊剂，烧成如遇到还原气氛， 则还原成SnO而溶于釉中，乳浊效果消失。 5. 锆化合物，乳浊效果稳定，不受气氛影响。同 样也是成本较高。
6. 直接利用天然锆英石（ZrSiO4），成本较低
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。
第四页，编辑于星期六：十五点 三十一分。
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。
色散值可以直接由图4.1确定。常用的色散系数为
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 。
第四章材料的光学性能_材料物理
第四章材料的光学性能_材料物理第四章主要介绍材料的光学性能，包括传统光学性能和现代光学性能。
在本章中，我们将探讨材料的折射率、透过率、吸收率、反射率、透射率和散射率等光学性能，并深入了解这些性能对材料的应用和性能起到的影响。
首先，折射率是一个物质对光的折射能力的度量。
它表示光在通过一种介质时，光线的传播速度相对于真空中的传播速度的比值。
折射率越大，光线在介质中的传播速度越慢，同时也会使光线的传播方向发生变化。
折射率在光学器件的设计和制造中起着至关重要的作用，例如在光纤通信和光学透镜等领域。
透过率是指光线从一个介质传播到另一个介质时的透明程度。
透过率越高，介质光学效果越好。
材料的透过率取决于折射率和吸收率等因素。
在光学器件中，透过率是一个重要的性能指标，它决定了器件的光学传输效率和亮度。
吸收率是材料吸收光的能力。
当光线穿过材料时，一部分能量被材料所吸收，而另一部分则被材料所反射或透射。
吸收率对于材料的应用非常重要，特别是在光电子器件和光热器件中。
高吸收率的材料可以有效地将光能转化为电能或热能，以实现各种功能。
反射率是指光线从介质中的表面反射回来的能力。
反射率取决于入射角度和材料的折射率。
反射率高的材料适用于光学镜面和反射镜等应用，可以将光线有效地反射出去，而不是被吸收或透射。
透射率是指光线通过材料时传输的能力。
透射率在光学器件和材料中起着重要作用，尤其是在光纤传输和光学滤波器等应用中。
高透射率的材料可以有效地传输光线，减少能量损失。
散射率是指光线在碰撞或与材料表面相互作用时发生方向改变的能力。
散射率对于材料的外观和质量也有很大影响，尤其是在透明材料和杂质掺杂材料中。
控制散射率可以改善材料的光学性能，使其更适用于各种应用。
总之，材料的光学性能对于很多应用至关重要。
通过理解和控制材料的折射率、透过率、吸收率、反射率、透射率和散射率等光学性能，我们可以设计和制造出更好的光学器件和材料，满足不同领域的需求。
第九章材料的光学性能
第九章材料的光学性能材料的光学性能在材料科学中是非常重要的一个方面。
光学性能直接影响材料的使用范围和应用性能。
本文将从材料的吸收、透射、折射、反射和散射等方面介绍材料的光学性能。
首先，材料的吸收性能是指材料对光的能量吸收能力。
材料吸收光的方式主要有色散吸收和吸收吸收。
色散吸收是指材料对不同波长的光能量吸收不同，导致光的色散现象，比如水对可见光的吸收就是一种色散吸收。
吸收吸收则是指材料对光能量的吸收是不分波长的，比如黑色材料对所有波长的光都能吸收。
其次，材料的透射性能是指材料对光的透过能力。
材料透射光的方式主要有透明透射、散射透射和不透射。
透明透射是指材料对光的透过是直接的，比如玻璃对可见光的透射就是一种透明透射。
散射透射则是指光在材料中发生散射后再透过，比如奶杯对光的透射就是一种散射透射。
而不透射则是指材料对光完全不透过，比如金属材料对可见光的透射就是一种不透射。
再次，材料的折射性能是指光在材料中传播时光的速度的改变。
折射是发生在两种不同折射率的材料交界处，例如光从空气进入水中时光的速度会减小，导致光的折射。
折射率是决定折射程度的一个重要参数，不同材料具有不同的折射率，常用来描述折射能力。
折射也是光在透明材料中传播和光学器件中发挥作用的基础。
最后，材料的反射和散射性能对于光学器件的设计和效率有很大影响。
反射是光发生在材料表面上的反射，导致光不能透射或折射的现象。
材料的反射率取决于材料的折射率以及入射光的波长和角度。
散射是光在材料中碰撞后发生方向改变的现象。
散射会使光在材料中传播距离变短，导致光的强度减弱。
材料的散射现象在光学器件设计中需要进行控制和优化。
总之，材料的光学性能对于材料科学和光学应用具有重要意义。
材料的吸收、透射、折射、反射和散射等光学性能直接影响材料的使用范围和应用性能。
了解和控制材料的光学性能对于开发新型材料和优化光学器件至关重要。
在未来的研究和应用中，进一步深入研究和开发具有优异光学性能的材料将会成为一个重要的方向。
材料性能----光学性能
SIT
第九章 材料的光学性能
1、折射率 折射率与介质介电常数的关系
v=
已知光在介质中的传播速度为： 已知光在介质中的传播速度为：
c
两式联立可得
而根据折射率定义有： 而根据折射率定义有：
εµ c n= v
n = εµቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
可见，随介质的介电常数 增 可见，随介质的介电常数ε增 介质的折射率也增高。 高，介质的折射率也增高。
1 ′ / W = [sin 2 ( i − r ) / sin 2 (i + r ) + tan 2 ( i − r ) / tan 2 (i + r )] W 2
当角度很小时，即垂直入射时 当角度很小时，即垂直入射时:
sin 2 (i − r ) tan 2 ( i − r ) (i − r ) 2 (i / r − 1) 2 n 21 −1 = = = = 2 2 2 2 n21 + 1 sin (i + r ) tan ( i + r ) (i + r ) (i / r + 1)
材料
c
v材料
如果光从介质 1 通过界面穿入介质 2 时，与界面法线所形成的入射 有如下关系： 角 i 和折射角 r 与两种介质的折射率 n1和 n2有如下关系：
n21为介质2相对与介质1的折射率 Material Performances
sin i n2 v1 = = = n21 sin r n v2 Shanghai Institute1 of Technology
• 电子能态转变
光子被吸收或发射， 光子被吸收或发射，都可能涉及到 固体材料中电子能态的转变。 固体材料中电子能态的转变。电子发生 的能量变化∆E 与入射波的频率 有关： 与入射波的频率ν有关 有关： 的能量变化
材料物理性能(第四章材料的光学性能)
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材料物理性能(第四章材料的光学性能)
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目录
光学性能概述
折射率的影响因素
光学性能的应用
01
光学性能概述
光学性能的定义和重要性
光学性能的定义
光学性能是指材料在光学方面的表现和特性。 它包括折射率、透过率、反射率、发光性能等指标。
光学性能的重要 性
光学性能直接影响材料在光学器件中的应用效果。 各种光学性能指标的优化可以提高光学器件的性能和效率。
折射率的调控可以实现透镜和棱镜的光学性能优化。 合适的折射率分布可以消除光学器件的像差。
02
光纤和光波导的应用
折射率的调控可以实现光纤和光波导的传输性能优化。 通过改变折射率分布可以实现光信号的传输和调控。
光学涂层和薄膜的设计
反射镜和透射镜的设计
反射镜和透射镜的光学性能与材料的折射率相关。 通过合适的折射率调控可以实现涂层的光学性能优化。
光学滤波器和频率选择器的应用
光学滤波器和频率选择器的设计依赖于材料的折射率。 材料的折射率调控可以实现滤波器和选择器的工作波长。
光学材料的发光性能优化
发光材料的选择和设计
不同发光材料具有不同的能带结构和发光性能。 通过选择合适的发光材料可以实现发光器件的效率和亮度优化。
光电子器件的应用
光电子器件的光学性能与材料的发 光性能相关。
杂质和掺杂物的影响
杂质和掺杂物的引入会改变材料的折射率。 杂质和掺杂物的能带结构和晶体结构对折射 率有影响。
材料的光学性能与测试方法
材料的光学性能与测试方法材料的光学性能与测试方法是研究材料光学特性的关键内容，对于各种光学应用具有重要的意义。
本文将从材料的光学性能介绍和测试方法两个方面进行论述。
一、材料的光学性能介绍光学性能是指材料在光的作用下表现出的各种性能和特性。
了解材料的光学性能对于研究光学现象和应用具有重要意义。
1.1 折射率折射率是材料光学性能的重要指标之一。
它表示光在通过一种介质时的偏折程度。
折射率与光在介质中传播速度的关系密切，不同波长的光在同一介质中的折射率可能有所不同。
1.2 透射率透射率是指光通过材料后保持原始强度的能力。
透射率与材料的透明度直接相关，透射率高表示材料对光的吸收和散射较少，从而具有较好的透明性。
1.3 反射率反射率是指光射到材料表面时，从表面反射回来的光的强度和入射光的强度之比。
反射率与材料表面的特性有关，不同的表面处理会导致反射率的差异。
1.4 吸收率吸收率是指光在通过材料时被吸收的程度。
材料的吸收率与光波长和材料性质有关，吸收率高表示材料对光的吸收能力强。
二、材料的光学性能测试方法为了获得准确的材料光学性能参数，需要采用一系列的测试方法进行测量。
下面介绍几种常用的光学性能测试方法。
2.1 傅立叶红外光谱仪（FTIR）FTIR是一种用于分析材料的红外吸收光谱的仪器。
它可以通过测量材料在红外波段吸收光的能力来获取材料的吸收率等数据。
2.2 紫外-可见-近红外分光光度计（UV-Vis-NIR）UV-Vis-NIR是用于测量材料在紫外、可见和近红外波段吸收和透射的仪器。
它可以通过测量材料的透射率和反射率来得到光学性能指标。
2.3 拉曼光谱仪拉曼光谱仪可以测量材料分子的振动和转动状态，对于材料的化学组成和结构有着重要的作用。
2.4 激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）LSCM可以观察材料的形貌和结构，并通过光的散射和透射等现象获取材料的折射率和透射率等光学性能参数。
2.5 光学薄膜测量系统光学薄膜测量系统可以测量材料制备的光学薄膜的厚度和折射率，对于制备具有特定光学性能的薄膜具有重要的指导意义。
材料的光学特性与光学性能研究
材料的光学特性与光学性能研究在现代科技进步的背景下，光学材料的研究和应用日益广泛。
光学特性是指材料对光的吸收、散射、折射、透明度等方面的表现。
而光学性能则是指材料在光学领域中的应用效果。
因此，对材料的光学特性与光学性能的研究具有重要意义。
一、材料的光学特性光学特性研究主要包括吸收、散射、透射、折射等方面。
吸收是指材料对光能量的吸收程度，与材料的成分和结构密切相关。
散射是指光线在材料中遇到小尺寸不均匀性时的偏离现象。
透射是指光线穿过材料直接到达观察者的过程。
折射是指光线从一种介质进入另一种介质时，由于介质密度的不同，光线方向的偏转。
材料的吸收和透射能力决定了其在光学领域的应用效果。
例如，玻璃是一种透明材料，因为它对光的吸收较少，大多数光线可以穿过玻璃。
而金属则是一种具有高度吸收性的材料，光线在金属表面被迅速吸收，无法穿透。
材料的散射性质根据散射现象的不同可以分为瑞利散射、米氏散射和博雷散射等。
这些散射现象在大气中的应用广泛，如大气中的颗粒物会引起光线的散射，从而形成大气中的散射光。
折射现象则是根据光在不同介质中的传播速度和波长的差异引起的。
例如，光线从空气进入水中时，由于光在水中的速度较慢，因此光线会发生折射现象。
二、材料的光学性能材料的光学性能研究主要包括透明度、反射率、折射率、色散性等方面。
透明度是指材料对光的透过程度，与材料的吸收和散射性质密切相关。
反射率是指材料对光的反射程度，与材料的表面特性和折射率有关。
折射率是指材料对光的折射效应，描述了光线从一种介质进入另一种介质时的偏转程度。
色散性是指材料对不同波长光的折射程度不同，导致光线被分离成不同颜色。
材料的光学性能是材料作为光学元件或光学器件的重要指标。
例如，在光纤通信中，光纤的透明度和折射率决定了光信号的传输效果。
在太阳能电池中，材料的吸收和反射率直接影响着能量的转化效率。
因此，对材料的光学性能的研究和改进具有重要的实际应用价值。
三、光学特性与光学性能的研究方法光学特性与光学性能的研究需要使用各种光学仪器和技术手段。
第四章材料的光学性能资料
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： m W '
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：
折射定律： n1sin1= n2sin2
材料2相对于材料1的相对折射率为： Nhomakorabea折射率n2
2
1
折射率n1
n21
n2 n1
sin 1 sin 2
v1 v2
分别表示光在材料1和 材料2种的传播速度。
（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
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。
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。
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。
第六章-材料光学性能分析
第六章 材料光学性能分析一、教学目的理解并掌握各光学性能、光谱的概念，掌握各光谱仪的测试方法和光谱分析方法。
了解光谱仪的结构和测试原理。
二、重点、难点重点：固体发光原理、荧光光谱测试技术。
难点：荧光光谱测试技术。
三、教学手段多媒体教学四、学时分配6学时第一节 透射光谱和吸收光谱材料的光学性能主要包括对光的折射、反射、吸收、透射以及发光等诸多方面，光学性能与材料的某些应用领域密切相关，比如用作反射镜、光导纤维窗口、透镜、棱镜、滤光镜、激光探测器件等。
鉴于篇幅，本章着重介绍折射率、色散、透过、吸收以及激发、发射、亮度、效率等发光性能的测试。
一、基本概念光作为一种能量流，在穿过介质时，能引起介质的价电子跃迁或影响原子的振动而消耗能量。
即使在对光不发生散射的透明介质如玻璃或水溶液中，光也会有能量的损失，即光的吸收。
1.吸收光谱设有一厚度为x 平板材料，入射光强度设为I 0，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 正比于此处光强度 I 和薄层厚度dx ，即:则可得到光强度随厚度呈指数衰减规律，即朗伯特定律：α为物质对光的吸收系数，单位为cm-1。
dI I dx α-=⋅⋅'0xI I e α-=⋅α的大小取决于材料的性质和光的波长。
对于相同波长的光波，α越大，光被吸收得越多，能透过的光强度就越小。
α随入射光波长(或频率)变化的曲线，叫作吸收光谱。
2.透射光谱透光性是表征材料被光穿透能力的高低，透光性的好坏可用透过率指标T 来衡量。
透过率T 是指光通过材料后，透过光强度占入射光强度的百分比。
剩余光强度应是从初始入射光强度I 0中扣除造成光能衰减的表面上的反射损失、试样中的散射损失和吸收损失等。
一般地，反射、吸收和透过的关系可用下式表示：T ——透过率；R ——反射系数；α——吸收系数；d ——试样厚度，单位cm 。
透过率T 随波长变化的曲线即称为透射光谱曲线。
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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
3、双折射和非常光折射率 光学材料分为光学均匀介质和非均匀介质两类。对于非 晶态和等轴晶系晶体物质，光通过时光速不随传播方向改变 而改变，即介质只有一个折射率，称为“均匀介质”。 自然光通过非均匀介质时，一般要分为振动方向相互垂 直、传播速度不同的两种波，分别构成两条折射光线，称为 双折射。双折射是非均匀晶体的特性，是材料各向异性的表 现。 两条光线中平行于入射面的光线的折射率称为常光折射 率n0，始终为一常数，遵循折射定律；另一条与之垂直的光 线，其折射率随入射方向的改变而改变，称为非常光折射率 ne，它不遵循折射定律。把不发生双折射现象的特殊方向称 为”光轴“，当光沿光轴方向入射时只有n0存在；与光轴垂 直方向入射时ne达到最大，此值为材料的特征参数。
了解光作为一种电磁波谱的特点。 第二节 光的波粒二象性
了解光作为一种电磁波具有波粒二相性。波动性表现为干涉、 衍射现象；粒子性表现为光子具有能量与动量。 第三节 线性光学性能
掌握反射和反射率；折射和折射率；双折射、全反射；光的 吸收本质；光的散射。了解线性光学材料的应用，荧光材料和 激光材料。 第四节 非线性光学性能
线性光学性能主要应用于普通光学器件。
一、线性光学性能的基本参数
1、折射率 当光线依次通过两种不同介质时，光的行进方向发生改 变，称为“折射”。折射现象的实质是由于介质密度不同， 光通过时，传播速度不同。介质对光的折射性质用折射率n 表示。光从真空进入介质材料时，速度降低，二者速度之比 为材料的绝对折射率。
第五章 材料光学性能
光学材料是功能材料中的重要组成部分，尤其是激光技术 出现后，光通讯及光机电一体化技术得到飞速发展，对材料的 光学性能提出了更广的要求。本章简要介绍材料的折射、色散、 反射、吸收、散射等线性光学性能的基本概念，线性光学材料 性能在材料中的应用及影响因素；非线性光学性能产生的条件、 结构与性能的关系。 第一节 光的电磁性质
理解非线性光学性能的特点，表征、机理；了解它的应用。 （共6个学时）
第一节 光的电磁性质
光是一种电磁波，它是电磁场周期性振动的传播形成的。 光是一种横波，其电场强度E和磁场强度H的振动方向互相垂 直。
设光的传播方向为S，则E、H、S互相垂直。 光的反应主要由光波中的电场所引起，磁场对介质的作用 远比电场要弱，所以在讨论光波时，往往只需考虑电场的作 用，而将磁场忽略。所以电场强度矢量称为“光矢量”。 偏振性是横波的特有性质。如果光波的电矢量振动只限定 在某一方向称为平面偏振光，亦称为线偏振光。电矢量在垂 直光传播方向的平面内的轨道亦呈椭圆或圆。这种光又称为 圆偏振光。光波也可以由各种振动方向的波复合而成。 如果在垂直于光传播方向的平面内电矢量振动取向机会均 等，这样的光称为“自然光”。
*光的传播伴随光能量的流动。在单位时间里流过垂直于传 播方向的单位截面积的能量称为光波的能流密度。
S=E×H 光强：能流密度的平均值。
I
c
4
E0 2
总结： 光是一种电磁波，具有横波特性。 场矢量E和H彼此正交，且与波的前进方向垂直，其振幅大 小成正比。 在光与物质相互作用时，电矢量起主导作用 光强与振幅平方成正比，沿波传播方向前进。
n=ν真空/ν介质＝c/ν介质。
如果光是从材料1通过材料2，则入射角i、折射角r与两种 材料的折射率n1和n2的关系为：
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1பைடு நூலகம் 相对折射率。
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。
E E0 cos(2t 0)
vT v
f
f
光波在不同介质中的传播速度不同，而光振动的频率不变。 相同频率的光在不同的介质中有不同的波长。
电磁波在介质中的速度为
c
rur
C 1 0 u0
0 u0 r ur 分别为介质和真空中的介电常数和磁导率。
n r ur
c n v c 3108 m s
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。
第三节 线性光学性能
线性光学性能是指介质的电极化强度P与入射光波中的电场E成 线性关系：
P 0 E
其中χ为介质的极化率。线性光学特性具有以下特点： 第一： 单一频率的光入射到非吸收的透明介质时，其频率不 发生任何变化； 第二：不同频率的光入射到介质时，各光波之间不发生相互 耦合，也不产生新的频率； 第三：当两束光相遇时，如果是相干光，则产生干涉，如果 是非相干光，则只有光的叠加，即服从线性叠加原理。
光的波动性表现在它有干涉、衍射，偏振等特性。
三、光的粒子性
爱因斯坦提出光的能量是不连续的，可以分成一份一份 最小单元（光子）
E h
这个最小能量单元称为“光子”。电磁场由许许多多光子
组成 Ph=
光波照射到物体上相当于一串串光子打到物体表面。 光子具有能量与动量，但没有质量，光子是电磁场能量和 动量量子化的粒子。