纺织物理 第五章 纤维的光学性质

纺织物理第五章纤维的光学性质

第五章纤维的光学性质

纤维的光学性质是指纤维对光的吸收、反射、折射和透射的性质，以及光在纤维中的传递性质。纤维在光照下会呈色发光，纤维对不同振动方向的光会产生不同的折射效果，纤维受光以后会老化降解，这些都是纤维的光学性质。

纤维的光学性质直接取决于纤维的结构，纤维的分子结构能很好地将光线的光电场能转化成纤维分子或电子云的振动能，将使纤维的耐光老化性提高。纤维聚集态结构的不同将引起纤维反光、折光性质的变化，尤其是取向的分子排列将使纤维的光学各向异性特征明显，应该说纤维的光学各向异性是纤维结构的各向异性的最明显的表征，也是用的最多最为方便的传统测量方法。

本章将重点介绍纤维的折射特征、双折射性质与测量、纤维的光老化及发光现象，以及纤维的红外光谱及性质。通常光学性质的讨论范围为紫外光（２００～４００nm）、可见光（４００～７００nm）和红外光（０．７～２０um）。光的波长不同，能量不同。可见光的波长不同其颜色不同，结果见表５－１。

表5—1 各种颜色的波长及波长范围

颜色标准

波长波长范围

红700 620~7

80

橙610 595~6

20

黄580 575~5

95

绿510 480~5

75

蓝470 450~4

80

紫420 380~4

50

第一节纤维的反射与折射的性质

一、光与纤维

当光线照射在纤维上，在纤维与空气或与其他介质的界面处将发生反射与折射现象。

该界面在纤维体内存在时，情况也一样。其光路与纤维的相互关系如图５－１所示。

（5.1）

为光线在空气中或真空中的传播速式中，v

1

度；v

为光线在纤维中的传播速度。

2

二、纤维的折射率

纤维是一个轴对称的各向异性体，其折射率在上是不同的。折射率大小的矢量在纤维中是一个空间椭球分布，如图５－２所示。可以看出，沿纤维轴向（Z轴）的折射率较大，为椭球的长度。在纤维经向平面中的折射率为中心对称、值相等且较少。

图5—2 纤维的折射率分布

设：纤维中的直角坐标系的z轴为纤维轴方

向，则

n、y n、z n分别表示纤维中沿x、y、z轴的

x

折射率值。

则有：

n=y n=⊥n

x

n=//n

z

而纤维轴的整体平均折射率值，即将纤维看成一各向同性体时的折射率值为：

n=31（x n+y n+z n）

iso

（5.1）

或

n=31（2⊥n+//n）

iso

（5.2）

通常纤维的折射率有

n=⊥n,即平行纤维轴的

//

折射率较大，光的传播速度较低；垂直纤维轴的折射率较小，故光的传播速度较快。

光子在介质中的传递是受到介质的光密度影响的。而介质的光密度是由电子密度和电子云的易动性决定的。光子通过介质时，必然会与电子发生碰撞，和对电子云发生干扰，引起光子能量的转换与损耗，以及介质电子云的骚动，这将改变光子的运动速度与方向。在宏观上体现出光线的传递速度减慢，光波波长的变化和折射率的增大。因此，只要结构不同，分子排列方式不同、晶格参数（三轴方向和长短）不同，折射率值就会不同。

三、纤维的反射与光泽

由图５－１可知，除了折射外另一主要的光学现象为光的反射。图５－１中绘出的只是一种镜面反射和多层反射。实践中，镜面反射只是主反射线，在其他各个方向上也有反射，称为漫反射或者散射，如图５－３（a）所示。这与纤维的表面形态不同引起的散射不同有关，见图５－３（b）,形态不同是由主反射线的变化引起的。前者是微观结构作用；后者为宏观形态作用。

入主

散

(a)反射示意图

(b)形态散射示意图

光的反射直接影响被光照物的光泽特征。

光线由光疏介质入射到光密介质时所产生的反射量，可由Flamier公式来表达，反射系数R为：

R=

21212)(n n n n +- (5.3)

R 0=2)11(+-n n (5.4)

对纤维来说，反射系数R 一般为0.2~0.23左右，折

射率n 在1.5~1.6内。

第二节 纤维的双折射与测量

一、 纤维的双折射

对物质来说，当沿着两个不同的光轴的光线

传播时，由于在此二方向上光密度的不同，将使

光线产生两种传递速度，即具有两个折射率值，

这种现象就称为双折射现象，表征其的指标为双

折射率Δn 。双折射现象的本质是材料结构的各

向异性的光学反映，对于三轴方向的折射率不同

的物质其双折射率有三个。

若直角坐标系中的三个折射率分别x

n 、y n 、z n 则双折射率为：

Δxy n ＝x n —y n

Δyz n ＝y n —z n

（５.５）

Δzx n ＝z n —x

n 由于纤维是轴对称的各向异性体，即只存在

平行纤维轴的折射率//n 和垂直纤维轴折射率⊥n ，故纤维的双折射定义为：

Δn ＝Δ//n －Δ⊥n （５.６）

即平行于纤维轴振动的平面偏振光传播时的折射率//

n 与垂直于纤维轴振动的平面偏振光传播时的折射率⊥

n 的差值Δn 。其物理过程为，当一束平面偏振光进入纤维时，可将其分解为二组相互正交的平面偏振光．如图５－４所示．一是沿纤维轴向振动的平面偏振光，其一般传播速度较慢，折射率值较大，称为非常光，或称慢光，又称 e 光。另一是垂直纤维轴方向振动的平面偏振光，其一般传播速度较快，折射率较低，称为寻常光，或称快光，又称o 光。故一般情况中光对纤维的作用结果是：

v ∥⊥n

但也有不同情况，通常将：

//n >⊥n 即Δn > 0 称为正晶体；

//n <⊥n 即Δn < 0 称为负晶体； //n >⊥n 即Δn ＝ 0 称为零晶体（或者各向同

性体）。

纤维的双折射值有大有小，一般在０～