第8讲 光学性能分析
第八章光学系统的像质评价
第三节 点列图
在几何光学的成像过程中，由一点发出的许多条 光线经光学系统成像后，由于像差的存在，使 其在像面上不再集中于一点，而是形成一个分 布在一定范围内的弥散斑图形，称为点列图。
在点列图中利用这些点的密集程度来衡量光学系 统的成像质量的方法称为点列图法。
利用点列图法来评价照相物镜等的成像质量时， 通常是利用集中30%以上的点或光线所构成的 图形区域作为其实际有效弥散斑，弥散斑直径 的倒数为系统的分辨率。
第一节 瑞利判断和中心亮度
一、瑞利（Reyleigh）判断
实际波面与参考球面波之间的最大波像差不超过 时，
4 此波面可看作是无缺陷的。
参考 优点：便于实际应用； 缺点：从光波传播光能的观点看，瑞利判断不够严密； 适用于：小像差光学系统，如：望远物镜，显微物镜， 微缩物镜，制版物镜等。
接收器分辨率 极值曲线
第二节 分辨率
分辨率是反映光学系统能分 辨物体细节的能力。
瑞利指出：能分辨的两个等亮
度点间的距离对应艾里斑的半 径，即一个亮点的衍射图案中 点与另一个亮点的衍射图案的 第一暗环重合时，这两个亮点 则能被分辨。
根据衍射理论，无限远物体被理想光学系统形成 的衍射图案中，第一暗环半径对出射光瞳中心 的张角为：
二、中心点亮度
光学系统存在像差时，其成像衍射的中心亮度（爱 里斑亮度）与不存在像差时衍射斑的中心亮度的 比值来表示光学系统的成像质量；这个比值称为
中心点亮度，用S.D.表示。
斯托列尔（K.Strehl）准则：当S.D. ≥0.8时，认 为光学系统的成像质量是完善的。
适用于：小像差光学系统，计算复杂。
第四节 光学传递函数评价成像质量
把物平面分解成无限多个物点 物面图形的分解
光学材料的力学性能测试与分析
光学材料的力学性能测试与分析光学材料作为一种特殊的材料，在实际应用中承受着各种形式的力学应力，因此对其力学性能进行测试与分析显得尤为重要。
本文将介绍光学材料的力学性能测试方法及其分析。
一、试验样品的制备光学材料力学性能测试的首要步骤是制备试验样品。
样品的尺寸和形状应该符合相应的标准或要求，并且应该考虑到材料的各向异性特性。
对于透明材料，应避免出现任何表面缺陷，以保证测试结果的准确性。
二、静态力学性能测试1. 弹性模量测试弹性模量是评估材料在受到力作用时发生形变的能力，通常通过压缩试验或拉伸试验进行测试。
在测试中，需测量应力-应变曲线，进而计算得到弹性模量。
2. 剪切强度测试剪切强度是评估材料在受到切割力作用时的抵抗能力，通常通过剪切试验来确定。
在试验中，需施加一定的剪切力，记录材料的应力-应变曲线，以得到剪切强度值。
3. 硬度测试硬度测试是评估材料抵抗表面变形和塑性变形的能力，常用的测试方法有洛氏硬度、维氏硬度等。
通过在试样表面施加一定负荷，并测量压痕的深度或直径，得出相应的硬度值。
三、动态力学性能测试动态力学性能测试主要是对材料在振动或冲击等动态载荷下的性能进行评估。
1. 振动测试振动测试主要包括固有频率和阻尼比的测量。
通过在试样上施加一定频率和振幅的振动，利用高精度传感器测量振动频率和振幅的变化，进而计算得到固有频率和阻尼比。
2. 冲击测试冲击测试主要评估材料在接受突发冲击时的性能表现。
通过在试样上施加冲击载荷，记录载荷与位移或时间的关系，以得到冲击应力和应变曲线，从而评估材料的抗冲击能力。
四、力学性能分析在得到试验数据后，还需要对其进行力学性能分析。
根据不同的测试方法和试验结果，可以进行以下分析：1. 弹性模量与材料的组成、晶体结构和晶格缺陷之间的关系分析，以确定材料的力学特性。
2. 剪切强度与材料的晶体结构、晶面取向以及晶格缺陷之间的关系分析，了解材料的受力性能和断裂机制。
3. 硬度值与材料的晶体结构、晶格缺陷以及内部应力之间的关系分析，评估材料的硬度和抗刮擦性能。
材料光学性能的测试与分析
材料光学性能的测试与分析在现代科学研究中占据着重要地位。
光学性能是指材料对光的吸收、反射和透射等相关特性。
通过对材料的光学性能进行测试与分析，可以深入了解材料的光学特性，为材料的应用提供理论依据和技术支持。
一、材料光学性能的测试方法1. 可见光透射率测试可见光透射率是材料对可见光的透过能力，常用的测试方法有透射率计、分光光度计等。
通过测试可见光透射率，可以评估材料对可见光的透过程度，为光学材料的选择提供有力的依据。
2. 紫外可见吸收光谱分析紫外可见吸收光谱是材料在紫外可见光区域吸收光的特性，通过分析材料的紫外可见吸收光谱，可以了解材料的吸光性能和颜色特征，为材料的光学应用提供参考。
3. 光学薄膜反射率测试光学薄膜反射率是指薄膜对入射光的反射能力，通过测试光学薄膜的反射率，可以评估薄膜的反射性能，为光学镜片、光学器件等的设计提供支撑。
4. 光学材料的色散性测试色散性是光学材料对不同波长光的折射率差异，通过测试光学材料的色散性，可以了解材料对光的色散效应，为光学器件的设计和应用提供理论指导。
二、材料光学性能的分析手段1. 数据处理与分析在测试材料光学性能时，产生大量的数据，需要进行数据处理与分析。
常用的数据处理方法有统计分析、图像处理、光谱分析等，通过数据处理与分析，可以从大量的数据中提取出有用的信息，为研究提供支持。
2. 光学性能的理论分析除了实验数据的处理与分析，还需进行光学性能的理论分析。
通过光学理论模型的建立与分析，可以深入了解材料的光学特性，为材料的应用提供理论依据。
3. 光学性能的相关性分析光学性能是综合性能，与材料的组分、结构等因素密切相关。
通过光学性能与材料组分、结构等因素的相关性分析，可以揭示光学性能形成的原因，为提高材料的光学性能提供思路。
三、材料光学性能的应用1. 光学镜片与光学器件材料的光学性能直接影响光学镜片和光学器件的性能。
通过对材料光学性能的测试与分析，可以筛选出适合的材料，为光学镜片与光学器件的设计提供参考。
第八章玻璃的光学性能
第8章玻璃的光学性质玻璃的光学性质是指玻璃的折射、反射、吸收和透射等性质。
玻璃常用作透光材料，因此对其光学性质的研究在理论上和实践上都具有重要意义。
玻璃是一种高度透明的物质，可以通过调整成分、着色、光照、热处理、光化学反应以及涂膜等物理和化学方法，获得一系列重要光学性能，以满足各种光学材料对特定的光性能和理化性能的要求。
玻璃的光学性能涉及范围很广。
本章仅在可见光范围内（包括近紫外和近红外）讨论玻璃的折射率、色散、反射、吸收和透射（玻璃的着色和脱色在第9章中介绍）。
为了便于讨论玻璃的光学性质，先简略介绍光的本质。
外来能源激发物质中的分子或原子，使分子或原子中的外层电子，由低能态跃迁到高能态，当电子跳回到原来状态时，吸收的能量便以光的形式对外产生辐射，此过程就叫发光。
光是一种电磁波，具有一定的波长和频率，且以极高的速度在空间传播（光速约为3×108m/s）。
可见光、紫外线、红外线以及其他电磁辐射的波长频率范围见图8-1。
从图8-1中可看出，可见光在整个电磁波中只是很窄的一个波段（390~770nm ）。
在这一狭窄的波段内，存在着各种不同的色光，包括红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等光谱。
常说的“白光”应该当作“全色光”来理解。
棱镜把太阳光分解为七色颜色光的相应波段，每一波段人眼看来是单一的色，叫做单色光，但它不是单一的值，只不过人眼区别颜色的能力有限，看不出单色复杂性而已。
8.1玻璃的折射率当光照射到玻璃时，一般产生反射、透过和吸收。
这三种基本性质与折射率有关。
玻璃的折射率可以理解为电磁波在玻璃中传播速度的降低（以真空中的光速为准）。
如果用折射率来表示光速的降低，则：VC n /=（8-1）式中：n —玻璃的折射率C —光在真空中的传播速度V —光在玻璃中的传播速度一般玻璃的折射率为1.5~1.75频率/Hz 图8-1电磁波的频率和波长范围波长/nmnm光在真空中的传播速度不同于在玻璃中的传播速度，因为光波是电磁波，而玻璃内部有着各种带电的质点，如离子、离子集团和电子。
第八章光学系统的像质评价和像差公差
第八章光学系统的像质评价和像差公差光学系统的像质评价和像差公差是光学设计中非常重要的内容，对于确保光学系统的成像效果和减小像差具有重要意义。
本文将从像质评价和像差公差两个方面进行详细介绍。
第一部分：像质评价在光学系统设计中，像质评价是衡量系统成像效果好坏的一项重要指标。
像质评价可以通过不同的参数来进行，如分辨率、畸变、像场曲率等。
1.分辨率：分辨率是指系统能够分辨出最小细节的能力。
在光学系统中，分辨率受到折射率、孔径、波长等因素的影响。
分辨率的提高可以通过增加系统的孔径、减小像散等方法来实现。
2.畸变：畸变是指光学系统成像时图像相对于参考图像的形变情况。
主要分为径向畸变和切向畸变两种。
径向畸变是指图像中心与边缘的变形情况，切向畸变是指图像的扭曲情况。
畸变的产生主要是由于光学元件的形状和定位误差导致的，可以通过优化元件设计和加强装配精度来减小畸变。
3.像场曲率：像场曲率是指光学系统各个像点的焦距随着物距的变化情况。
如果像场曲率过大，会导致成像不清晰，失去焦点。
可以通过调整透镜曲率半径、引入焦点平面等方法来改善像场曲率。
第二部分：像差公差像差是指光学系统成像时图像与理想像之间的差异，它是光学系统中不可避免的问题。
为了减小像差，需要对光学系统进行像差公差的设计和控制。
1.球面像差：球面像差是由于透镜表面的曲率或者抛物率与光线的入射角度不匹配导致的成像失真。
可以通过优化透镜表面形状和选择合适的材料来减小球面像差。
2.形状像差：形状像差是光学元件的形状不规则或者安装位置偏差导致的成像失真。
可以通过优化元件设计和加强装配精度来减小形状像差。
3.色差：色差是指透镜对不同波长的光具有不同的折射率，从而导致颜色偏差。
色差主要分为色散和像散两种。
色散是指透镜对不同波长的光具有不同的聚焦效果，像散是指不同波长的光成像位置不一致。
可以通过使用多片透镜组合、引入补偿透镜等方法来减小色差。
在光学系统设计中，像质评价和像差公差是重要的内容，对于确保系统的成像效果和减小像差具有重要意义。
机械工程中的光学性能分析与优化
机械工程中的光学性能分析与优化现代的机械工程不再局限于传统的机械设计和制造，而是越来越多地与其他学科相结合，形成了一种新的综合学科。
光学性能分析与优化作为这一综合学科中的重要组成部分，在机械工程领域发挥着重要的作用。
光学性能分析与优化主要涉及光学元件以及光学系统的设计、制造和性能分析。
在机械工程中，光学元件常常被应用于各种仪器仪表、传感器和光学设备中，如激光器、显微镜、相机等。
而光学系统则是由多个光学元件组成的复杂系统，光学性能分析与优化的目标就是通过对光学元件和光学系统进行分析和优化，以提高其性能和效率。
在光学性能分析与优化的过程中，首先需要进行光学元件的设计和制造。
光学元件的设计需要考虑到光学元件的形状、表面精度、材料等因素，以及光学元件之间的相互作用。
通过使用计算机辅助设计软件和先进的制造技术，可以实现对光学元件的精确控制和制造。
光学性能分析与优化的第二个重要环节是对光学元件和光学系统的性能进行评估和分析。
这一过程可以通过利用光学测试设备和数学模型来完成。
光学测试设备可以对光学元件和光学系统进行各种光学性能参数的测试，如折射率、透过率、反射率等。
而数学模型则可以通过建立数学方程来描述光学元件和光学系统的性能，以进行理论计算和模拟分析。
最后，光学性能分析与优化的目标是通过对光学元件和光学系统进行优化，以提高其性能和效率。
优化的方法可以通过调整光学元件的参数、优化光学元件的结构和形状，以及优化光学系统的组合和配置等，来达到最佳的性能和效果。
光学性能分析与优化在机械工程中具有广泛的应用。
在智能制造和精密加工领域，光学传感器和光学测量设备的性能和精度对产品的质量和生产效率有着重要影响。
在医疗仪器和科学研究领域，光学元件和光学系统的性能决定了仪器的分辨率和信号强度。
在航天航空领域，光学遥感和测距设备的性能和精度对导航和控制系统具有至关重要的作用。
总之，光学性能分析与优化在现代机械工程中扮演着不可忽视的角色。
材料物理性能材料的光学性能PPT学习教案
从图4.6中可以看出，曲线由左右两条不同形状
的曲线所组成，各自有着不同的规律。当
时，则
随着d的增加，散射系数S也随之增大；当
时，则
随着d的增加，s 反而减小，当
时，s 达最大值
。
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对于散射，可以认为散射系数正比于散射质点的投 影面积：
式中： N—单位体积内的散射质点数； R —散射质点的平均半径；
K—散射因素，取决于基体与质点的相对折射率。
设散射质点体积
，则
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故 由上式可知， 符合实验规律。当
时，R越小，V越大，则S愈大，这 时，此时散射系数。
总之，不管在上述哪种情况下，散射质点的折射率与 基体的折射率相差越大，将产生越严重的散射。
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三、材料的透光性 光通过厚度为x的透明陶瓷片时，各种光能的损失
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
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振动，所以总的能量流之比为： 当角度很小时，即垂直入射
因介质2对于介质1的相对折射率
，故
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m——反射系数， 根据能量守恒定律
（1-m）称为透射系数。由上式可知，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 。
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设一块折射率为
的玻璃，光反射损
失为
,透过部分为
。如果透
射光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，
此时透过部分为
如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分为
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由于陶瓷，玻璃等材料的折射率较空气大，所以 反射损失严重。如果透镜系统由许多块玻璃组成，则 反射损失更可观，为了减少这种界面损失，常常采用 折射率和玻璃相近的胶将它们粘起来，这样，除了最 外和最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部 各界面都是和胶的较小的相对折射率，从而大大减少 界面的反射损失。
聚合物的电学、热学和光学性能—光学性能(高分子物理课件)
❖ 光的吸收和透过 ❖ 光的反射和折射 ❖ 材料的颜色
1
10.3.1 光的吸收和透过
一束光强为Io的平行单色光照射均匀材料时，一部分被材料表面所反射，剩余部分进入材 料内部，其中一部分被材料吸收，另一部分透过材料。入射光的原始光强为：
Io=IR+IA+IT R为反射率，A为吸光率，T为透光率。 各种材料在光学性能上的差异主要是其对光的反射、吸收和透过程度上的差异。 材料对光的吸收源于电磁波作用于材料中的原子时产生的电子极化和电子跃迁。
•电子极化，即造成电子云和Байду номын сангаас子核重心发生相对位移。结果是光通过 介质时一部分能量被吸收，同时光波速度被减小 •电子跃迁把光能消耗在电子的激发上。当光的能量大于电子能隙时， 处于低能级的电子可吸收光能激发到高能级。hv＞ Eg
• 金属材料
金属导带中已填充的能级上方有许多空的电子能态，因此频率分布范围 很宽的各种入射辐射都可激发电子到能量较高的未填充态，从而被吸收。所 以金属超过100nm就不透明。
可见光波长：380-780nm，能量：3.26eV-1.59eV
一般的窗玻璃在紫外光区（320 nm以下）有较强的吸收。 石英和蓝宝石可较好的透过紫外线，故可用作涉及紫外线波段的材料 ，如紫外光谱测量：石英比色皿。 Si在红外波段有大约50%的透过率，故可用作红外光谱测量的样品基 片。
4
许多材料本来是透明的电介质，也可以制成半透明或不透明的。其基本原理是设法 使光线在材料内部发生多次反射（包括漫反射）和折射，致使透射光线变得十分弥 散，当散射作用非常强烈，以致几乎没有光线透过时，材料看起来就 不透明了。
• 半导体和其它非金属材料
-------对光的吸收取决于能隙Eg ➢ 当材料的能隙Eg＞3.26eV，将不能通过电子跃迁吸收可见光，如果材料均 匀无杂质，则是无色透明的。 ➢当材料的能隙Eg＜1.59eV，则所有可见光都可被吸收，导致材料不透明。 ➢当材料的能隙1.59eV ＜ Eg ＜ 3.26eV时，部分光波被吸收，材料呈现不同 的颜色。
第八章 无机材料的光学性能2
的半透明性不一定要最大的散射。散射过大显著降低光透过
性，导致不透明。
单相氧化物陶瓷的半透明性是它的质量标志，在这类陶
瓷中存在的气孔往往具有固定的尺寸，因而半透明性几乎只
取决于气孔的含量。例如，Al2O3 陶瓷的折射率比较高1.8，
而气相 ，相对折射率大，气孔的尺寸在0.5~2.0μm， 接近于入射光的波长，所以散射最大。
强度为i的光束垂直地入射到陶瓷左表面由于陶瓷片与左侧介质之间存在相对折射因而在表面上有反射损失反射损失i这一部分光能穿过厚度为x的材料后又消耗于吸收损失和散射损失
8.4 光的吸收、色散和散射
一束平行光照射材料时：
部分光的能量被吸收，其强度减弱； 介质中光的传播速度比真空中小，且随波长变化而产生
在红外区的吸收峰是因为离子的弹性振动与光子辐射发生谐
振消耗能量所致。要使谐振点波长尽可能远离可见光区，即 吸收峰的频率尽可能小，则需选择较小的材料热振频率：
式中
—与力有关的常数，由离子间结合力决定；
Mc和Ma分别为阳离子和阴离子质量。
二、色散
材料的折射率n随入射光的频率减小（或波长增加）而减小 的性质，称为折射率的色散。 色散=
dI I dx
对上式进行积分，得到：
表明光强度随厚度变化符合指数衰减规律，即朗伯特定律。
式中α为物质对光的吸收系数，其单位为cm-1。α取决于材料 的性质和光的波长。
dI 定义为光通过单位长度后，光强度降低的比例。 Idx
2. 光吸收与波长（或频率）的关系
图4.5所示在电磁波谱的可见光区，金属和半导体的吸收系数 都很大的，但是电介质材料，包括玻璃、陶瓷等大部分无机 材料在这个波谱区内都有良好的透过性，即吸收系数很小。
材料光学性能的测试与分析
材料光学性能的测试与分析材料光学性能的测试与分析摘要：材料的光学性能是指材料对光的传播、吸收、散射、透明度等方面的性能表现。
其测试和分析是研究和应用材料的重要手段。
本文将介绍材料光学性能测试的方法和技术，包括紫外可见光谱分析、透射率测量、折射率测量、反射率测量、吸收谱分析等。
同时，还将介绍常用的光学性能分析方法，如色度学分析、散射分析、透明度分析等。
最后，通过实例分析和实验结果验证，验证本文介绍的方法和技术的有效性和实用性。
本文的研究成果对于材料的光学性能测试与分析提供了重要参考。
关键词：材料光学性能、测试、分析、紫外可见光谱、透射率、折射率、反射率、吸收谱、色度学、散射分析、透明度分析1. 研究背景材料在光学性能方面的测试与分析是光学材料研究与应用中的重要环节。
通过对材料的光学性能进行测试与分析，可以了解材料的透明度、吸收谱、折射率、反射率等重要光学性能参数，有助于研究材料的光学特性、优化材料的制备工艺和提升材料的应用效果。
2. 测试方法与技术2.1 紫外可见光谱分析紫外可见光谱是一种常用的光学性能测试方法，通过测量材料对紫外可见光的吸收和散射特性，可以获得材料的吸收谱和散射谱。
基于紫外可见光谱的分析结果，可以了解材料的能带结构、化学成分、分子结构等信息。
2.2 透射率测量透射率是指光线穿过材料时通过该材料的能力，是表征材料透明度的重要参数。
透射率测量通常使用透射光谱仪，通过测量透射光的强度和波长变化，计算得到材料的透射率。
透射率测量可以用于研究材料的透明性、颜色、吸收特性等。
2.3 折射率测量折射率是指材料中光线传播速度相对于真空中光速的比值，是表征材料光学性能的重要参数。
折射率的测量可以通过折射光谱仪进行，在不同波长下测量材料对光的折射情况，从而计算得到材料的折射率。
折射率测量可以用于研究材料的光学透明度、折射率色散特性等。
2.4 反射率测量反射率是指材料对入射光的反射能力，是一个重要的光学性能参数。
第8讲 光学性能
4NCi e 2 1 2 3m i 2
1
1
i 2 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：
3dR n 1 2M
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
总极化强度P可以表示如下
P PL PNL P (0) P (1) P ( 2) P 3
PL 为线性极化强度,PNL 为非线性极化强度,P(0) 为没有电场时的静电 耦极矩,P(1) 、P(2) 、P(3) 分别为一阶、二阶、三阶极化强度，P与电 场E有如下关系：
5.光弹性质 各向同性的玻璃由于外界的机械应力作用也 会变成各向异性。这种由于对玻璃施加机械应力 而产生的人为的各向异性通常称为光弹性。光弹 性对于计算玻璃的退火温度制度有重要作用。机 械应力可能是玻璃制造过程中产生或外部施加的， 也可能是温度波动引起的。
机械应力对玻璃产生的应变导致玻璃内部 结构的改变；同时改变了弱连接的电子轨道 形状的大小，因此引起极化率和折射率的改 变。在弹性变形范围内，对于一个方向拉伸 或压缩情况来说，玻璃的折射率表示为：
光学制造中的光学元件光学性能研究
光学制造中的光学元件光学性能研究光学制造技术的日益发展，使得各种光学元件的生产制造变得更加精密和高效。
在这一领域中，光学元件的光学性能对于制造过程和产出品质非常关键。
光学元件的光学性能主要包括：折射率、散射、透射率、色散等。
其中折射率是光学元件的基本光学性能，是指光线穿过介质时由于介质的密度变化发生折射。
这一性能直接影响光学元件的成像质量和成像效果。
在制造过程中，可以通过优化介质配比、控制材料的温度和压力等方式来达到更精确的折射率要求。
同时，也可以通过控制粒子直径和分散度来减少散射，提高光学元件的透射率和色散性能。
除了折射率之外，光学元件的镜面处理也是重要的光学性能之一。
由于光的反射会在镜子表面发生，反射率的大小决定了镜片的光学性能。
一般来说，在生产过程中要使用高阻抗的反射膜来提高反射率。
这种材料通常是由多层介质隔离层和金属反射层组成。
同时，也可以通过提高激励能量来提高镜子的反射率，但是这也会使得镜面产生较大表面粗糙度，因此需要进行合适的表面优化处理。
在光学制造中，纳米级材料技术也已经被广泛应用于光学元件的制造。
纳米级粒子对于光学表征具有独特的物理、化学和光学性质。
在纳米材料中加入透明介质，可以使得这些材料展现出非线性光学效应，从而用于制造光器件和相关技术。
纳米级材料的非线性效应会产生对传统光学器件的深刻影响，并且可以用于激光器、荧光型探测器等方面。
总体来说，光学元件的光学性能对于光学制造具有至关重要的意义。
折射率、反射率、透射率、色散等基本光学性能要求制造过程中要达到比较严格的准确度。
同时，在现代光学制造的发展进程中，纳米级材料技术也将在光学元件的制造中发挥越来越重要的作用。
因此，我们必须认真研究这些光学性能，从而更好地发展这一领域，为未来的技术发展做出贡献。
光电子器件中的光学性能分析与优化
光电子器件中的光学性能分析与优化第一章引言光电子器件是一类基于光电效应工作的电子器件，它充分利用光的特性来实现信息的传输、处理和显示等功能。
在光电子器件中，光学性能是决定器件性能的重要因素之一。
本文将从光学性能的角度出发，对光电子器件的光学性能分析与优化进行探讨。
第二章光电子器件的光学性能分析方法2.1 光学性能参数光学性能参数是描述光电子器件光学性能的基本指标，包括透射率、反射率、折射率等。
透射率是指光通过器件材料时的透过程度，反射率是指光在器件表面发生反射的程度，折射率是指光由一种介质射入另一种介质时的折射程度。
通过对这些光学性能参数的分析，可以评估光电子器件的光学性能。
2.2 光学性能测试技术光学性能的测试是光电子器件光学性能分析的关键步骤。
常用的测试技术包括透射光谱分析、反射光谱分析、折射率测试等。
透射光谱分析是通过测量光经过器件后的透射光谱来研究器件的透射特性；反射光谱分析则是通过测量光在器件表面的反射光谱来研究器件的反射特性；折射率测试则是通过测量光由一种介质射入另一种介质时的折射角来研究器件的折射特性。
这些测试技术将为光学性能的分析提供可靠的数据支持。
第三章光电子器件的光学性能优化方法3.1 材料选择与设计材料的选择对光电子器件的光学性能具有重要影响。
在设计光电子器件时，应选择具有良好光学性能的材料，如高透射率、低反射率的材料。
此外，材料的折射率也会影响器件的光学性能，因此需要在设计过程中合理选择材料的折射率，以达到优化光学性能的目的。
3.2 接口设计光电子器件的接口设计对于光学性能的优化至关重要。
在接口设计中，需要考虑到光的传输、折射、反射等情况，采取合适的设计措施来减少能量损失和光学失真。
通过合理设计接口结构，可以达到优化光电子器件光学性能的目的。
3.3 表面处理器件表面的处理对光学性能也有重要影响。
表面处理可以减少光在器件表面的反射和散射，提高光的透过度和传输效率。
常用的表面处理方法包括光学涂层、纳米结构制备等。
光学性能
• 吸收光谱的红移现象的原因（5）
•
• 引起红移的因素也很复杂，归纳起来有： • 1）电子限域在小体积中运动；量子限域效应 • 2）粒径减小，内应力（P=2/r，r为半径，为 表面能）增加，这种内应力的增加会导致能带 结构的变化，电子波函数重叠加大，结果带隙、 能级间距变窄，这就导致电子由低能级向高能 级及半导体电子由价带到导带跃迁引起的光吸 收带和吸收边发生红移；
• 这种表面效应和量子尺寸效应对纳米微粒的光 学特性有很大的影响，甚至使纳米微粒具有同 样材质的宏观大块物体不具备的新的光学特性。
• 光学特性主要表现为如下几方面：
• (1)宽频带强吸收
• 大块金属具有不同颜色的光泽。表明对可见光 (各种颜色或波长)的反射和吸收能力不同。 • 而当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米微粒 几乎都呈黑色。它们对可见光的反射率极低。 • 例如：铂金纳米粒子的反射率为1％，金纳米 粒子的反射率小于10％。 • 这种对可见光低反射率、强吸收率导致粒子变 黑。
• 掺入CdSexS1-x纳米颗 粒的玻璃在530nm光 激发下，当颗粒尺寸 小至5nm时，会出现 激子发射峰。 • 550nm吸收和发射 • 掺杂能级
分散在乙二醇里的CdS纳米粒子 的发射光谱，激发波长为310 nm
固相CdS纳米粒子的发射光 谱，激发波长为345 nm
A,B,C,D粒径减小，发生蓝移
• 总之，与常规大块材料不同，没有一个单一的、 择优的键振动模，而存在一个较宽的键振动模 的分布，对红外光吸收的频率也就存在一个较 宽的分布。
• 许多纳米微粒，例如，ZnO，Fe2O3和TiO2等， 对紫外光有强吸收作用，而亚微米级的TiO2对 紫外光几乎不吸收。 • 这些纳米氧化物对紫外光的吸收主要来源于它 们的半导体性质，即在紫外光照射下，电子被 激发，由价带向导带跃迁引起的紫外光吸收。
第8章高分子材料的光学性能
二．介质对光的吸收
1、定义
任何一种透明材料的透光率都达不到100％，即使是透明性最好的光学 玻璃的透光率一般也难以超过95％。通常，光学树脂在可见光区的透光 率的损失主要由以下三个因素造成：光的反射、散射和吸收
一．反射
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%
光在介质中传播时会有能量的损失，使透过介质的 光强度减弱的现象，这就是光的吸收
2、光吸收的本质
光在穿过介质时，引起介质的价电子跃迁，或使原 子振动而消耗能量；介质中的价电子当吸收光子 能量而激发，当尚未退激而发出光子时，在运动 中与其它分子碰撞，从而构成光能的衰减。
2）朗伯特定律
即使在对光不发生散射的透明介质，如玻璃、水溶液中，光也要会有能 量的损失，即光的吸收。
v c
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。对于非磁性 材料， 1。在下面讨论中，介质材料一般都是非磁性材料。
cc n
v材料 c
n ε
该式反映了光的折射率和材料的介电常数的关系。材料的极化性质与构成材料原 子的原子量、电子分布情况、化学性质等微观因素有关。这些微观因素通过宏观 量介电常数来影响光在材料中的传播速度。
和PC，苯环位于主链比位于侧链时应力光学系数增加更大； 树脂大分子链
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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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
1
2
1
i
2
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。
Hale Waihona Puke 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：
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。
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）
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
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。
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。