第五章 无机材料的光学性能

A' S sin 2 (i r ) W ' 2 W A sin (i r ) S
2 A ' W ' tg (i r ) P 2 tg (i r ) W // AP 2
无机材料透光性
另一方面，可见光最大波长约为0.7μm，吸 收光子后电子能越过最小禁带宽度为1.8eV， 结果表明，对于禁带宽度小于1.8eV 半导体 材料，所有可见光都是通过激发价带电子向 导带转移而被吸收，因而对可见光是不透明 的。对于禁带宽度介于1.8eV-3.1eV之间非金 属材料，则只有部分可见光被材料吸收。这 类材料常是带色透明。 每一种非金属材料对 特定波长以下电磁波不透明，其具体波长取 决于禁带宽度。
影响折射率因素
2、材料结构、晶型和非晶态 折射率和离子排列密切相关。 • 各向同性材料（非晶态和立方晶体），只有一个折 射率，为均质介质。其他介质，具有双折射。 • 光进入非均质介质，分为振动方向互相垂直\传播速 度不等两个波，分别构成两条折射光线。 • 平行于入射面光线折射率为常光折射率n0，严格服 从折射定律。垂直于入射面光线折射率为非常光折 射率ne，不遵守折射定律，随入射光方向而变化。 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，此值为材料特性。 • 规律：沿晶体密堆积程度较大方向ne较大。
F C
nD,nF,nC分别为钠D谱线、氢F谱线和C（红 光）谱线（589.93nm,486.1nm,656.3nm)为 光源，测得折射率。
色散
描述光学玻璃色散还用平均色散(=nFnC)。由于光学玻璃或多或少都具有色散 现象，因而使用这种材料制成单片透镜， 在自然光透过下，成像不够清晰，在像 周围环绕了一圈色带。用不同牌号光学 玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜，组成 复合镜头，就可以消除色差，相应镜头 叫消色差镜头。(轻、重含铅差异)
n
对于无机材料，μ=1，所以 n 材料折射率随介电常数增加而增大，介电常数与介 质极化有关。当电磁辐射作用到介质上，其原子受 到电磁辐射电场作用，使原子正、负电荷重心发生 相对位移，由于电磁辐射与原子相互作用，光子减 速。大离子可构成高折射率材料，如PbS， n=3.912，小离子可构成低折射率材料，如 SiCl4， n=1.412。
i 1 2 2 2 sin (i r ) tg (i r ) (i r ) r 2 2 2 2 sin (i r ) tg (i r ) (i r ) i 1 r
2
因介质2对于介质1相对折射率
n 21
sin i sin r
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。
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。
2.66 1.76 1.35 1.60 1.49
材料
石英晶体
平均折射率 1.55 1.72
2.71 2.31 2.40 3.49 1.64
钠钙玻璃
硫化钾玻璃 刚玉 聚乙烯 聚四氟乙烯 聚丙烯
尖晶石晶体
金红石晶体 铌酸锂 钛酸钡 硅 莫来石
影响折射率因素
1、构成材料元素离子半径 材料折射率定义及光在材料中传播速度公式可得出 材料折射率：
材料反射系数和影响因素
为减少反射损失，经常采用以下措 施： 1、透过介质表面镀增透膜 2、将多次透过玻璃用折射率与之相 近胶将它们粘起来，以减少空气界 面造成损失。
第二节 无机材料透光性
非金属材料对于可见光透明与否，除光在界面被反 射外，材料透明性与光进入介质后被吸收和散射有 关。 光作为一种能量流，在穿过介质时，引起介质价电 子跃迁，或使原子振动而消耗能量。光这种能量损 失，称光吸收。 1、 介质吸收光一般规律 非金属介质对可见光吸收有下列三种机理： 1）电子极化，只有光频率与电子极化时间倒数处 于同一个数量级时，由此引起吸收变得比较重要 2）电子吸收光子而越过禁带 3）电子受激进入位于禁带中杂质或缺陷能级而吸 收光子。
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。
材料折射率及其影响因素
光子进入材料，其能量将受到损 失，因此光子速度将要发生改变。 当光从真空进入较致密材料时， 其速度下降。光在真空和在材料 中速度之比，称为材料折射率n。
光从材料1通过界面进入材料2时，与界面法 线所形成入射角i1、折射角i2与两种材料折射 率n1和n2有下述关系：
sin i1 n2 v1 n21 sin i2 n1 v2
影响折射率因素
3、材料所受内应力 有内应力透明材料，垂直于受拉主应力 方向n大，平行于受拉主应力方向n小。 规律：材料中粒子越致密，折射率越大。 4、同质异构体 同质异构材料中，高温晶型折射率较低， 低温晶型折射率较高。
二、色散
材料折射率随入射光频率减小而减小的性质， 称为折射率色散。 其数值大小为：色散 =dn/dλ。 nD 1 可用色散系数来表征 n n
T 式中： 0
A 称为透射系数； 称为吸收 0
称为散射系数 系数； m 称为反射系数； m 0 0
光通过介质现象
从微观分析，光子与固体材料相互作用，实 际上是光子与固体材料中原子、离子、电子 等相互作用，结果是： 1、电子极化 电磁辐射电场分量，在可见光频率范围内， 电场分量与传播过程中每一个原子都发生作 用，引起电子极化，造成电子云和原子核重 心发生相对位移，其结果是光一部分能量被 吸收，同时光速度被减小，导致折射发生。 2、电子能态转变 光子被吸收和发射，都可能涉及到固体材料 中电子能态转变。
材料反射系数和影响因素
T=(1-m) 称为透射系数，在垂直入射情 况下，光在界面上反射多少取决于两种 介质相对折射率n21。 如果介质１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；如果n1=n2，则m=0， 因此，在垂直入射情况下，几乎没有反 射损失。
材料反射系数和影响因素
2
W ' n21 1 W n21 1
m称为反射系数
n2 m n 21 n1
材料反射系数和影响因素
高折射指数材料反射光线能力高。对于 反射镜类器件而言，要求反射率高，而 像显微镜和相机镜片这样透镜，则既要 求有较高折射率，又要求有较低反射率， 通常采用在光学玻璃表面镀一层厚度等 于光波长1/4低m值薄膜材料，如MgF2。 它和玻璃界面上二次反射与薄膜表面一 次反射正好相位相反，相互抵消，达到 消除或减少反射目的。
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
玻璃镜片镀膜减少镜片反射
材料反射系数和影响因素
若进入介质中存在不可忽略吸 收时，反射系数表达式则必须 k 进行修正。引入修正系数通称 4n 为消光系数k，并定义 式中：α为吸收系数，λ为入射 2 2 波长，n为介质折射率。这样便 n 1 k 可导出，从空气中进入存在吸 m 2 2 n 1 k 收介质反射系数表达式：
材料反射系数和影响因素
例：一块折射率n=1.5玻璃，光反射损失为m=0.04。 分析其反射率与透光率关系。 解：只考虑一次透过时，透过部分为1-m=0.96。 如果透射光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。 如连续透过x块平板玻璃，则透过部分应为(1-m)2x。 由于陶瓷、玻璃等材料折射率比空气大，反射损失 严重。如透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失 更大。为减小这种界面损失，常采用折射率和玻璃 相近胶将它们粘起来，这样，除最外和最内表面是 玻璃和空气相对折射率外，内部各界面都是玻璃和 胶较小相对折射率，减小界面反射损失。
式中：v1及v2分别表示光在材料1及2中传播 速度，n21为材料2相对材料1相对折射率。 介质折射率永远是大于1正数。空气n=1.0003, 固体氧化物n=1.3-2.7,硅酸盐玻璃n=1.5-1.9。 不同组成、不同结构介质折射率不同。