材料的光学性能71854

由于反射波的传播速度及横截面积都与入射波相同，所以：
W (A)2 WA
（5.10）
A′，A分别为反射波和入射波的振幅。
把光波振动分为垂直于入射面的振动和平行于入射面的振动，
Fresnel推导出 ：
W W
AS AS
2
sin 2 (i sin 2 (i
r) r)
（5.11）
W
W //
又∵空气的绝对折射率为：na= c/va ，则va= c/ na
∴
n va c / na n
v材料 c / n n a
因此，n=na·n′=1.00023 n′
2
2．两种材料间的相对折射率
如果光从材料1，通过界面传入材料2时，与界面法向所形成
的入射角i1、折射角i2与两种材料的折射率n1和n2现有下述关系：
提高玻璃折射率的有效措施是掺入铅和钡的氧化物。例如含 Pb090％(体积)的铅玻璃 n=2.1。 4）外界因素 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，常采用测定双折射的光程差的大小。6
5.3.2．反射率和透射率
1．反射系数（反射率） 当光投射到材料表面时一般产生反射、透过和吸收。 这三种基本性质都与折射率有关。 m（%）+A（%）+T（%）=100% 1）反射系数的定义
设光的总能量流w为
W=W′+W″ （5.8）
W，W′，W″分别为单位时间通过 位面积的入射光、反射光和折射光 的能量流。
则，反射系数为 m=W′/W 。 或：m=被反射的光强度/入射光强 度=L/I0
10
2）反射系数与折射率的关系
根据波动理论
W∝A2vS
(5.9)
式中，A为入射波的振幅，v为入射波的传播速度，S为界面面积。
n=v真空/v材料=c/v材料 (5.1)
6
2）绝对折射率与相对折射率
（1）绝对折射率
材料相对于真空中的折射率称为绝对折射率。
一般将真空中的折射率定为1。
（2）相对折射率
材料相对于空气的折射率称为相对折射率：
n′=va/v材料 （3）绝对折射率与相对折射率的关系
∵n= c/v材料 则 v材料= c/ n
5.1 光传播的基本理论
一、光的波粒二象性
E hv hc
根据电磁场的麦克斯韦方程组，可得出电磁波在介质中的速 度
V c
r r
C为电磁波在真空中的传播速度，r为介质相对介电常数， r为介质的相对磁导率，且
c 1
0 0
0，0为真空介电常数、磁导率
光在真空中的速度与介质中的速度之比
c V
n
n称为介质常数，这个介质常数决定了材料的光折射性质， 称为介质的折射率
(5.3)
式中：c为真空中的光速，ε为介质的介电常数，μ为介质的导磁
率。
3
根据(5．1)式和(5．3)式可得:
n c v 材料
c c
(5.4)
由于在无机材料这样的电介质中，μ=1，ε≠l
∴
n ε
（2）极化率与离子半径的关系
（5.5）
当光通过材料时，必然引起内部质点的极化（变形），在可见 光范围内，这种变化表现为离子或核外电子云的变形，而且， 随着光波电场的交变，电子云也反复来回变形。如下图:
当离子半径增大时，其ε增大，因而n也随之增大
4
2）材料的结构、晶型和晶态 （1）均质介质
如非晶态(无定型体)和立方晶体材料，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。
（2）非均匀介质
光进入非均质介质时，一般会产生双折射现象。
双折射：当一束光通过一个介质时，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的现象。
①常光折射率n0 上述两条折射光线中，平行于入射面的光线的折射率称为常光折 射率。
特性：不论入射光的入射角如何变化，n0始终为一常数，因而常光 折射率严格服从折射定律。
②非常光折射率ne 与入射面垂直的光线的折射率，称为非常光折射率。
非常光折射率的特性：它不遵守折射定律，随入射光的方向而变
化。
5
3）同质异构体
二、光和物质的相互作用 光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是电磁辐射的载体。
hv
光子还具有分立的动量：
P h
5.2.光的折射 、反射、吸收和散射特性
5.2.1．折射率 1）定义
光是具有一定波长的电磁波，光的折射可理解为光 在介质中传播速度的降低而产生的（以真空中的光 速为基础）。
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：
sin i1 sin i 2
n2 n1
n 21
v1 v2
(5.2)
式中：v1及v2分别表示光在材料l及2中的传播速度，n21为材料2 相对于材料l的相对折射率。
3．影响折射率的因素
1）构成材料元素的离子半径
（1）折射率n与极化率的关系
由于光是一种电磁波，所以根据马克斯威尔电磁波理论，光在
介质中的传播速度应为： v c
r)
r)
(5.13)
sin 2 (i r)
tg2 (i r)
(i r)2
i r
2
1
sin 2 (i r) tg2 (i r) (i r)2 i 12
因为介质2对于介质l的相对折射率为： r
n 21
sin i sin r
故： n21 = i / r
W
( n 21
1 )
2
m
W n 21 1
m 称为反射系数。
（5.14）
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2．透射系数
根据能量守恒定律（光在界面上的现象） ， W=W′+W″
W 1 W 1 m
W
W
(5.15)
(1－m)称为透射系数。由(4.14)式可知,在垂直入射的情况下,光 在界面上的反射的多少取决于两种介质的相对折射率n21
一般情况下，同质异构材料的高温晶型原子的密堆积程度低， 因此折射率较低；低温晶型原子的密堆积程度高，因此折射率 较高。以SiO2为例 ①石英晶体
常温下的石英晶体，n =1.55，数值最大；高温时的鳞石英，n =1.47；方石英，n =l.49。
②石英玻璃
常温下的石英玻璃，n =1.46，数值最小。
至于普通钠钙硅酸盐玻璃，n =1.51，比石英的折射率小。
A A
r
r
2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
tg 2 (i tg 2 (i
r) r)
（5.12）
11
自然光在各方向振动的机会均等，可以认为一半能量属于同
入射面平行的振动，另一半属于同入射面垂直的振动，所以总
的 当能角量度流很之小比时为，:即垂直WW入 射12时：ssiinn
2 2
(i (i
r) r)
tg2 (i tg2 (i