第三章光学性能

人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。
第二节 光的反射和折射
①光在均匀介质中的直线传播定律；
②光通过两种介质的分界面时的反射定律 和折射定律；
③光的独立传播定律和光路可逆性原理。 •反射定律指出，反射线的方向遵从：
①反射线和入射线位于同一平面（即入射 面）内，并分别处在法线的两侧；
②反射角等于入射角。
光速与真空中的电导率ε0 c 1
和导磁率μ0的关系：
00
光子（Photon）的能量 ： E h hc
光速与波长λ和 频率ν的关系：
c
可见光七彩颜色的波长和频率范围
光色 波长(nm)
红 760~622 橙 622~597 黄 597~577 绿 577~492 青 492~470 兰 470~455 紫 455~400
频率(Hz)
3.9×1014～4.8×1014 4.8×1014～5.0×1014 5.0×1014～5.4×1014 5.4×1014～6.1×1014 6.1×1014～6.4×1014 6.4×1014～6.6×1014 6.6×1014～7.5×1014
中心波长 Baidu Nhomakorabeanm)
660 610 570 540 480 460 430
方解石no=1.658，ne=1.486 刚玉no=1.760.，ne=1.768
❖材料所受的内应力
有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力 方向的n大，平行于主应力方向的n小。
❖同质异构体
在同质异构体材料中，高温时的晶型折射 率较低，低温时存在的晶型折射率高。如：
常温下的石英玻璃 n=1.46，最小 常温下的石英晶体 n=1.55，最大 高温时磷石英 n=1.47 高温时方石英 n=1.49
• 折射定律指出，折射线的方向满足：
①折射线位于入射面内，并和入射线分别处在 法线的两侧；
②对单色光而言，入射角i的正弦和折射角r的正 弦之比是一个常数，即
sini/sinr=n2/n1=n21
n21称为第二介质相对于第一介质的相对折射率。 它与光波的波长及界面两侧介质的性质有关，而 与入射角无关。
'
A'
2
W A
光的全反射
全反射：当光从光密介质射向光疏介质， 且入射角大于临界角时，光线被100%反 射的现象。此时不再有折射光线，入射光 的能量全部回到第一介质中。
第一节 光传播的基本理论
一、光的波粒二象性 二、光的波动性 三、光的干涉和衍射 四、光子的能量和动量 五、光通过固体的现象
一、光的波粒二象性
因斯坦理论中的光量子(光子)不同于牛顿微粒学说中的粒 子。他将光子的能量、动量等表征粒子性质的物理量与频 率、波长等表征波动性质的物理量联系起来，并建立了定 量关系。因此光子是同时具有微粒和波动两种属性的特殊 物质，是光的双重本性的统一。
五、光通过固体的现象
1.电子极化 电磁辐射的电场分量，在可见光频率范围内，电场分量与传播 过程中的每个原子发生作用，引起电子极化，即造成电子云和原子核电荷重 心发生相对位移。 2.电子能态转变 光子被吸收和发射，都可能涉及固体材料中电子能态的转 变。
五、光通过固体的现象
图3-5 光子与固体介质的作用
❖ 入射角、折射角、 入射束
材料的折射率、光在
材料中的传播速度有
i1
下述关系：
n1
sini1 sini2
n2 n1
n21vv12
n2 i2
折射束
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：折射率大的介质， 光的传播速度慢；
光疏介质：折射率小的介质， 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。
如果第一介质为真空，则上式可写为
sini/sinr=n2 式中n2为第一介质相对于真空的相对折 射率，或第二介质的绝对折射率，简称 折射率。
折射率n的定义： 光在真空和材料中的速度之比即为材料
的折射率。
n=v真空/v材料=c/ v材料
介质的折射率永远是大于1的正数。 如空气 n=1.003， 固体氧化物 n=1.3～2.7， 硅酸盐玻璃 n=1.5~1.9。
二、光的波动性
图3-1 电磁波谱
二、光的波动性
图3-2 线偏振光波中的电振 动、磁振动及光传播方向
三、光的干涉和衍射
图3-3 激光的双缝干涉实验
三、光的干涉和衍射
图3-4 激光狭缝衍射实验
四、光子的能量和动量
光子的能量和动量虽小，却不能再分割。最微弱的光源至少 发射一个光子。按照波动观点，一个点光源所发射的光波会 均匀照亮以其为中心的球面。如果在球面上安装了许多探测 器，而点光源在某一时刻只发射一个光子，那么光子将射向 哪个探测器呢?我们不能作确切的回答。但是，有一点很清楚， 即光子是不可分的。只要有一个探测器接收到光子，其他探 测器就一定没有接收到。
反射率与透射率
当光线由介质1入射到介质2时，光在介 质面上分成了反射光和折射光。这种反射 和折射可以连续发生。由于反射，使得透 过部分的强度减弱。
光的连续反射和折射
光的总能量流W为：W＝W'＋W"
W、W’、W”分别为单位时间通过单位面积
的入射光，反射光和折射光的能量流。
波动理论有 WA2vS
W
第三章 光 学 性 能
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节
光传播的基本理论 光的反射和折射 材料对光的吸收和色散 晶体的双折射和二向色性 介质的光散射 材料的光发射 材料的受激辐射和激光
孔雀蓝色玻璃长颈瓶
神光I装置（2×1012）(1986～1994年)
新型光学和光电子器件的各种应用
影响折射率的因素
❖构成材料元素的离子半径
一般大离子得到高折射率的材料，小离子得到低折射率的材 料，如：PbS的 n=3 . 912 SiCl4 n=1 . 412
❖材料的结构、晶型和非晶态
折射率和离子的排列密切相关 均质介质：对于非晶态（无定性体）和立方晶体各方向同性 材料，光速不因传播方向改变而变化，材料只存在一个折射率。 非均质介质：除立方晶体外的晶体，光进入后分为两相垂直 而传播速度不同的两个波，构成两条折射光线，此现象称为双折 射。平行于入射面的光线折射率称为常光折射率no，始终为一常 数，不随入射方向而改变；另一与之垂直的光线的折射率为非常 光折射率ne，随入射方向改变。 如石英no=1.543，ne=1.552