第8讲 光学性能分析

玻璃介质不同于真空，一方面，玻璃比真空 介质更致密，光在传输过程中与玻璃结构中质 点碰撞的几率更大；另一方面，具有电磁波性 质的光波在玻璃中的传输必然引起玻璃结构中 的带电质点（如离子、阴离子团和电子等）发 生变化，在一定频率范围内，这种变化表现为 离子或原子核外电子云的变形。
入射光的光强或波长不同和玻璃的致密程 度不同，都意味着玻璃从入射光获得的能 量不同，从而使离子或原子核外电子云产 生变形的程度也不同。
4. 光散射
当玻璃不均匀时，即大小与波长相当或小于波 长的区域之间的折射率存在差异时，便会产生光 散射。
产生不均匀性的原因主要有：
1）在玻璃体中个别结构单元的各组分间比例与 整体平均比例存在差异。组成中氧化物的折射率 对散射的影响很大。相邻结构单元中氧化物很小 的浓度差异便会产生折射率的变化，而且氧化物 的折射率越大，其吸收越接近可见光谱区，散射 也随之增强。
n2 1 4Ne2
n2 2
3m i
Ci
i 2 2
3)折射率与温度的关系
当玻璃受到热的作用而发生温度改变时，玻璃的密度 和跃迁电子获得的能量发生变化，因此，玻璃的折射率 也随之发生变化，即玻璃的折射率是温度的函数。玻璃 的折射率随温度的变化可用下式表示：
n R d d R T T T
第8讲 光学性能
光是一种电磁波，具有一定的波长和频率， 在真空中的传播速度为3×108m/s，光和材料的 相互作用一般会产生反射、透射和吸收等光学现 象。本章简要介绍玻璃中的基本光学现象。
1.光吸收 光吸收是由于组成介质的原子和分子中的电子
处在一系列不连续的能级上，或原子和分子存在 着作准简谐振动的谐振子的本征频率引起的。
由于红外吸收和光与分子振动产生的多声子吸收有 关，根据吸收光谱带可以确定分子的空间群、化学键 的特征及其相互作用，可作为结构分析的有力工具。
紫外吸收与价带和导带或激子能级之间的电子跃迁 相联系。
如NaCl晶体的光吸收是由于Cl-离子外层电子跃迁 到激发态或者导带而引起的。玻璃的紫外吸收机 理与一般晶体的吸收类似，在透光区与吸收区之 间有一条坡度很大的分界线，即紫外吸收极限， 小于吸收极限波长的光全部被吸收，反之则全部 透过。如熔石英的紫外吸收是由[SiO4]四面体中 氧原子外层电子跃迁到激发态或导带而引起的， 其吸收极限为1450Å。
2.光折射
通常用折射率来表征玻璃的光折射性能。玻璃的折射 率是指光在真空中传输速度与其在玻璃介质中的传输速 度之比，即：
n=c/v
式中，c、v分别为光在真空和玻璃中的传播速度。从 上式可以看出，折射率反映出光在玻璃中传播速度下降 的相对程度，当光在玻璃中的传播速度与光在真空中的 传播速度相近时，折射率趋近于1。
通常，玻璃的紫外吸收与价带和导带或激子能级 之间的电子跃迁有关，而红外吸收则和光与分子 振动相互作用而产生的多声子吸收过程相关。
光透过长度为L的样品后，光的强度I由 兰贝尔-比尔(Lambert-Beer)定律得到：
I = I0exp(-αL) 式中，I0-开始进入玻璃时光的强度 （不包含反射损失），α-玻璃的吸收系 数， L-光程长度。
n2 2 d
式中，n为折射率；M为分子量；d 为密度； R为分子折射度。
R可通过下式而求得：
R Ri i
i
Ri为玻璃中所含离子（或原子）的离子折射度 （或原子折射度），xi为离子（或原子）所占分 数。当n接近于1时，上式可化简为：
n 1 3dR 2M
上式表明，随密度增加，玻璃的折射率增加； 随分子折射度增加，玻璃的折射率也增加。
在弱光作用下，α=α0为一常数，可看作 是线性吸收。
在强光作用下，α则随光的强度变化而变 化，称为非线性吸收。
在光吸收测量中经常使用的物理量包括： 透过率τ（λ）=I/ I0；光密度D=lg[1/τ （λ）]；吸收系数α=-(1/L)ln（I/I0）；消 光系数A´=D/L。
光学玻璃在可见区域几乎没有吸收，只有小部分因 散射而产生的损失，在红外和紫外区域则强烈地吸收 光。
2)折射率与入射光波长的关系
按照光的电磁学说，玻璃结构中的电子吸收光能后， 将从低能级跃迁到高能级，而当处于高能级的激发电 子返回低能级时，部份能量将以光的形式放出。换句 话来说，在频率为ω的入射光的作用下，产生了频率 为ωi的光。这两个频率与折射率有如下关系：
n 1 4NCie2 3m
i 2
根据能量守恒定理，玻璃从入射光获得能 量必然导致传输光能量的降低，光在玻璃 中的传输速度也随之下降，因此，玻璃的 折射率都大于1。
1)折射率与密度、极化率的关系 从前面的分析可知，光折射是光与物质相互作
用的结果，根据光的电磁学说，玻璃的折射率与 密度、极化率之间存在如下关系：
n 2 1 M R （3-3）
1
2
1
i
2
wk.baidu.com
1
2
从上可以看出，随着ωi的减小，n增加，这种折射率 与波长有关的现象称之为色散。由于折射率与波长有 关，波长不同则折射率也不同，因此，用到折射率这 个参数时，应指明是何波长下的折射率。
式中N为单位体积中的分子数；e、m分别是电 子的电荷与质量；Ci为每一分子内对色散有贡献 的电子数目。当n接近于1并假设所产生光子的频 率都相同时，在入射光频率一定时，则上式可化 简为：
式中，d为密度，R为分子折射度，T表示温度，n是 折射率，Tn 叫做折射率温度系数。上式表明，玻璃的折射 率随温度的变化受到两个因素的影响：如果温度上升， 玻璃因受热膨胀而使其密度降低，从而导致玻璃的折射 率下降；而当温度上升时，电子获得的能量增加，与光 子的相互作用增强，从而引起分子折射度的增加，使玻 璃的折射率上升。
3. 光反射 一束光照射到玻璃上时，一部分光被反射，另一部分
光将被折射。从玻璃表面反射出去的光强与入射光强的 比值称为反射率。光的反射量是入射角的函数，同时还 取决于玻璃表面光滑程度、折射率及入射光的频率。
图1.玻璃的光反射与折射（n´<n） 光照射到玻璃上时，除了发生上图所示的镜面反射外，更多的是发生漫反射， 它主要是由入射和出射表面粗糙及玻璃内部的缺陷所引起的。