南开大学奇妙的材料世界第九讲第七章光学材料
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理论力学中的光学材料与光学分析
理论力学中的光学材料与光学分析光学材料是理论力学中的重要组成部分，它们在材料科学、光电子技术以及光学研究中具有重要的应用价值。
本文将从光学材料的特性及种类、光学分析的方法等方面进行探讨。
一、光学材料概述光学材料是指对光波有特殊相互作用的物质，一般可分为透明材料、半透明材料和不透明材料三类。
透明材料是指对光波具有高透射性能，如水、玻璃等；半透明材料则是对光波有部分透射和部分反射能力，如云雾和磨砂玻璃等；不透明材料则是对光波具有很强的反射和吸收能力，如金属和黑色物体等。
二、光学材料的特性与种类1. 折射率：光在材料中传播时的弯曲程度，是光学材料最基本的特性之一。
不同的光学材料具有不同的折射率，折射率的改变会引起光的偏折。
2. 反射率：光在材料表面发生反射时的比例。
高反射率的材料能够有效地反射光能量，广泛应用于反射镜、激光器等领域。
3. 透射率：光通过材料后传递的比例。
透射率高的材料可以使光能够穿透过去，用于光学器件、光纤通信等领域。
常见的光学材料包括玻璃、晶体、光纤、半导体等。
玻璃作为一种广泛应用的透明材料，具有高的折射率和较高的透射率，被广泛用于光学仪器、车窗等领域。
晶体具有比玻璃更高的折射率和透射率，在光学设备、激光技术等领域有重要应用。
光纤则是一种特殊的光学材料，具有较高的折射率和透射率，被广泛应用于通信领域。
半导体则是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有特殊的光学性质，广泛应用于光电子技术、光伏电池等领域。
三、光学分析的方法光学分析是指利用光或与光相关的技术手段对材料进行分析和研究的方法。
以下介绍几种常用的光学分析方法。
1. 透射光谱法：通过测量材料的透射光谱，从而获得材料对不同波长光的吸收、散射等性质。
透射光谱法可用于材料成分的分析、光学材料性能的研究等。
2. 反射光谱法：利用材料表面反射的光谱信息进行分析。
通过测量材料的反射光谱，可以获得材料的颜色、质量等信息，广泛应用于材料表面治理、颜色分析等领域。
第九章 材料的光学性质
6、绝缘体的组织结构和透明性 透明的电介质可以被制成半透明或不透明——漫散 射、多次反射和折射 微晶无序取向——晶界多次反射、折射——不透明 分散的复相材料——相界多次反射、折射——不透明 非晶高聚物——透明 混合—— 结晶高聚物——半透明、不透明 半透明、不透明 陶瓷单晶——一般透明 陶瓷多晶——晶相、玻璃相、气孔——半透明、不透明 特殊加工：热压Al2O3，玻璃相和气孔消失——透明
能流率为ϕ0的光垂直照射到厚度为l，吸收系数为β，反 射率为ρ的材料时，有
ϕT=ϕ0(1-ρ)2e-β l
透光率即ϕT/ϕ0 =(1-ρ)2e-β l
5、透明材料的颜色 透射率τ ，吸收率α，反射率ρ都与波长有关。
光线入射到透明绿色玻璃时的τ ，α，ρ与波长的关系
混合波的波长（颜色）决定透 透射光波 非吸收光波 重新发射光波 明材料的颜色 蓝宝石：单晶 Al2O3，对各波长 的光吸收均匀， 无色。 红宝石：单晶 Al2O3 中 有 Cr2O3 杂质， Cr3+ 离子 在禁带中引入杂 质能级，对蓝紫 光和黄绿光选择 吸收，非吸收光 和重新发射光决 定其为红色。
第三节、材料的发光和光学材料
一、发光和热辐射
1、荧光和磷光 发光是以可见光形式出现的能量辐射。 高温、高能辐射——电子从价带激发进入导带—— 返回价带——放出能量 辐射的能量子在1.8-3.1eV，其波长在可见光范围内 ——发光 低温下电子受激发——冷光 高温下电子受热激发——热辐射 冷光分为荧光和磷光
第二个光子与入射光子状态完全相同：传播方向、频 率、位相、偏振等都相同——完全相干 激光增益介质：在外部激励下可实现布居反转的物质 例：红宝石——α-Al2O3中有0.05%的Cr3+离子——杂质 提供中间能级。 提供中间能级 外部激励：用氙灯光（波长560nm）照射红宝石，其中 Cr3+离子中的电子受激到高能态，实现布居反转 离子中的电子受激到高能态，实现 返回基态时先在介稳态（中间能级）停留3ns，许多电 子在这一长时间内停留在介稳态 当有少数电子返回基态时，激发其他介稳态电子以雪崩 的形式返回基态，发射出越来越多的同频光子， 通过反射作用得到高度准直的相干波——激光
南开大学奇妙的材料世界 第九讲-第七章 光学材料
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热相变薄膜材料：
金属薄膜、金属低 价氧化物薄膜、非 晶态金属薄膜、有 机染料薄膜、金属 加塑料材料等。
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4、激光材料 1960年第一台红宝石激光器的诞生。 激光的三个突出特点: ①方向性好,亮度高; ②单色性好; ③相干性好。
作业：
3、什么叫剩余磁感应强度、矫顽力？ 剩余磁感应强度：磁体被磁化至最大磁感应强度
再去掉外磁场后所保留的磁感应强度称为剩余磁 感应强度。 矫顽力：使磁体中的剩余磁感应强度降为零所需 要的外加反向磁场强度叫做矫顽力。
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第七章 光学材料
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材料的光性质，从本质上讲，就是 材料和电磁波的相互作用。包括：
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复习： 极化机制
介电材料的电学性质是由于极化引起的。 四种类型： 1、电子极化-可见光频率范围内 2、离子极化-对红外光频率范围 3、偶极子极化-无线电频率范围 4、空间电荷极化-低电工频率下
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电子极化：在电场作用下，电子相对于原 子核发生偏移．使原子的正负电荷中心不 相重合，形成偶极子
n 真空 C 材料 材料
折射率永远大于1
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当光从材料1, 通过界面传入材料2, 与界面 法向形成入射角 和折射角 , 与 间关系与两种 材料的折射率有关。
sin i1 n2 sin i2 n1
n1 sin i1 n2 sin i2
n21
n2 n1
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第七讲光学材料
? 材料容易作成n型及p型；
? 有效率高的发光中心或复合发光； ? 效率降到初始值一半的时间要大于105h，
发光二极管
? 材料要能生长成单晶，并能规模生产且价廉。
?28
? 发光二极管和器件已经实现了 红、橙、黄、绿、青、蓝、 紫七彩原色的生产和应用 ，并拓展到近红外和近紫外范围， 如发红光的GaAsP，发绿光的GaP等。
? 要利用光，就要创造工具，就要有制造工具的材料—光学 材料。
太阳光
星光
灯光
?3
? 自然界中存在一些 天然或合成的光学材料 ，如我国的夜明 珠、发光壁；印度的蛇眼石、叙利亚的孔雀暖玉 等。这些 材料具有奇异的发光现象，能在无光的环境下放出各种色 泽的晶莹光辉。由于这些光学材料稀有，因而被视为人间 珍宝，其主要作用成了权力和财富的象征。
发光颜色 浅蓝 绿 黄 橙红
发光光谱峰值/nm 455 510 580 650
?27
发光二极管材料
? 发光二极管是辐射光的半导体二极管。 施加正向电压时， 通过pn结分别把 n区电子注入 p区，p区空穴注入 n区，电子 和空穴复合发光，把电能直接转换成光能。
? 发光二极管所用材料具有下述特性：
? 发光在可见光区，Eg≥1.8eV，λ≤700nm；
? 雷达显示屏 要求长余辉，一般采用双层屏。在电子束轰击下，电 子束激发第一层材料 ZnS:Ag ，发出短余辉的蓝光，它再激发第 二层材料 (Zn,Cd)S:Cu,Al ，发射长余辉的黄光。
倒车雷达显示屏
?23
? 阴极射线发光材料可用于制备阴极射线管，具有广泛的用 途。阴极射线管可大量用于制造彩色电视机的显像管 ，对 人们的生活造成巨大影响。阴极射线管还可用于示波器、 雷达以及特殊要求的显示屏。发光亮度高的阴极射线管则 可用于投影管、飞机上的平视仪及露天的大屏幕显示等。
材料的光学PPT课件
当电场振动沿 x轴正向传播时，有反映该振动的平面简谐波
EE0co
s([tx)]
u
用麦氏电磁场方程组可推出
HH0co s([tux)]
H0
E0
0u
0 0
E0
材料的光学
光的本性
电磁波 • 在真空中
u1/ 002 .991 780 m 9/sc
• 在介质中
u1/ 0r0rc/ rr c/nc
材料的光学
3、光波是横波 transverse wave
光子同时具有微粒性和波动性——光的双重本质。
材料的光学
2、光的电磁性 photic electromagnetism
麦克斯韦——光是一种电磁波 electromagnetic wave
光是电磁场周期性振动的传播所形成的。在光波 中电场和磁场是交织在一起的。
麦克斯韦的电磁场理论： 变化着的电场周围会感应出变化的磁场，而变 化着的磁场又会感应出另一个变化的电场，如此 循环，电磁场就会以波的形式向各个方向传播。
第六章
天津大学
材料的光学
概述
材料的光学性能是材料对外来光源所作出的选 择性和特异性反应，包括材料对光传播的影响以 及在光吸收或光激发后的光发射。 材料对可见光的反射、吸收——五光十色的色彩
（塑料、陶瓷、金属、晶体的各种颜色） • 光的折射、透射——各种光学透镜、光学仪器
光的折射、透射、色散——颜色、光泽、透明、 半透明的陶瓷的釉彩、餐具、艺术品等，无不是 材料光学性能的体现或应用。
引起人的视觉，可以引起电子的振荡。由于波长很长，一个 金属网笼，甚至桥梁上的钢架就可以将其阻止。
微波——109-1011HZ，波长范围分布从毫米到几十厘米，
材料的光学课件
2
1 Mc
1 Ma
为了有较宽的可见光透明材料频的光率学 范围，要求的材料的禁带宽度 大、原子间结合力小及离子质量大。
材料的光学
材料的光学
材料的光学
材料的光学
材料的光学
材料的光学
材料的光学
材料的光学
材料的光学
动画
材料的光学
材料的光学
材料的光学
材料的光学
❖ 分子着色剂：
材料的光学
❖ 绝缘材料在紫外光区吸收系数急剧增大 原因：紫外光的能量达到禁带宽度。
Eg hhc/
hc/ Eg
若希望在可见光区的透过范围大，需紫外吸收端的波长 要小，要求Eg大。 ❖ 绝缘材料在红外区的吸收：
在红外区有一个由于离子弹性振动与光子辐射发生谐振 消耗能量的吸收峰，要使吸收峰远离可见光区，需选择较小 的材料热振动频率。
❖ 光纤内传输模式的总数目
2 2
N 24
其中，
2an1 2/
n1n2/n1
a---芯子半径； λ---光波长； n1、n2分别为材料光的光纤学芯子和包层的折射率。
材料的光学
材料的光学
材料的光学
材料的光学
材料的光学
材料的光学
材料的光学
材料的光学
材料的光学
材料的光学
材料的光学
材料的光学
表现为材料特性。
❖ 沿着晶体密堆积程度较大的方向ne较大。
❖ 材料内应力：垂直于拉应力方向的n最大，平 行于拉应力方向的n最小。
❖ 同质异构体：高温晶型折射率较低；低温晶 型折射率较高。
材料的光学
材料的光学
材料的光学
光的吸收：在光通过材料传播时，会引起材料的价电子跃迁或 使原子振动，从而使光能的一部分变成热能，导致光能的衰减。
第一章光学材料
➢ 加入氧化钠（ NaCl ），使光学玻璃化学稳定性和机械性能 变差，但可降低熔炼温度；等等。
第一章 光学材料
二、无色光学玻璃的分类及命名（牌号）
大都采用拉丁字母作为品种的标志，在品种标志之后附有牌 号的标志。
1、分类划分界限： 按光学玻璃折射率和阿贝数的大小将其分为冕牌玻璃和火石
玻璃两大类。
例如：德国规定nd＜1.6，υd＞50为冕牌类，其余则为火石类； 日本规定nd＜1.6，υd＞55为冕牌类，其余则为火石类。
显的界限。
强调：远程无序、近程有序。
第一章 光学材料
❖ § 1-2 无色光学玻璃
一、光学玻璃的组成
光学玻璃是由多种氧化物组成的，这些氧化物分为两大类： 一类氧化物是能生成玻璃网络结构的氧化物，如SiO2、B2O3、
P2O5等，属AO2、A2O3、A2O5型氧化物，称之为玻璃形成体 或玻璃网络体； 另一类氧化物，不能生成玻璃的网络体，只是插入玻璃的网 络结构中间，如Na2O、K2O、CaO、BaO、PbO等，属于 A2O、AO型氧化物，他们称之为玻璃的网络外体。
第一章 光学材料
❖ 一、光学材料的种类
光学玻璃：
光学晶体：
KDP类型晶体
第一章 光学材料
光学塑料：
光学玻璃: ①是光学设计最常用的光学材料； ②为满足光学设计对多种光学常数、高度均匀性、高度透明性
及化学稳定性的要求，应具有复杂的组成和严格的熔炼过程。
第一章 光学材料
（一）光学玻璃与普通玻璃的区别: ①折射率：
普通玻璃的组成：SiO2+Na2O+CaO 光学玻璃的组成：成分复杂
现代光学玻璃所含元素几乎遍及化学元素周期表，每一 种光学玻璃都要由硅、磷、硼、铅、钾、钠、钡、钙、砷、 铝等多种氧化物组成。 ②高度透明： ③高度均匀性：各点各处的光学常数和其它一些物理化学性质 一致
第一章 光学材料
二、无色光学玻璃的分类及命名（牌号）
大都采用拉丁字母作为品种的标志，在品种标志之后附有牌 号的标志。
1、分类划分界限： 按光学玻璃折射率和阿贝数的大小将其分为冕牌玻璃和火石
玻璃两大类。
例如：德国规定nd＜1.6，υd＞50为冕牌类，其余则为火石类； 日本规定nd＜1.6，υd＞55为冕牌类，其余则为火石类。
显的界限。
强调：远程无序、近程有序。
第一章 光学材料
❖ § 1-2 无色光学玻璃
一、光学玻璃的组成
光学玻璃是由多种氧化物组成的，这些氧化物分为两大类： 一类氧化物是能生成玻璃网络结构的氧化物，如SiO2、B2O3、
P2O5等，属AO2、A2O3、A2O5型氧化物，称之为玻璃形成体 或玻璃网络体； 另一类氧化物，不能生成玻璃的网络体，只是插入玻璃的网 络结构中间，如Na2O、K2O、CaO、BaO、PbO等，属于 A2O、AO型氧化物，他们称之为玻璃的网络外体。
第一章 光学材料
❖ 一、光学材料的种类
光学玻璃：
光学晶体：
KDP类型晶体
第一章 光学材料
光学塑料：
光学玻璃: ①是光学设计最常用的光学材料； ②为满足光学设计对多种光学常数、高度均匀性、高度透明性
及化学稳定性的要求，应具有复杂的组成和严格的熔炼过程。
第一章 光学材料
（一）光学玻璃与普通玻璃的区别: ①折射率：
普通玻璃的组成：SiO2+Na2O+CaO 光学玻璃的组成：成分复杂
现代光学玻璃所含元素几乎遍及化学元素周期表，每一 种光学玻璃都要由硅、磷、硼、铅、钾、钠、钡、钙、砷、 铝等多种氧化物组成。 ②高度透明： ③高度均匀性：各点各处的光学常数和其它一些物理化学性质 一致
材料的光学性质PPT课件
E gE d (3.5 4 1.3)8 1(.6 1 1 0)9
此为可见光，呈黄色。
热辐射
• 当材料开始加热时，电子被热激发到较高 能态。当它们跳回正常能级时就会发射出 低能长波光子（红外线），波长位于可见 光之外。温度增加发射有短波光子，材料 开始显示红、橙、黄的混合颜色。在高温 下材料辐射所有可见光的光子，所以成为 白光辐射，即看到材料呈白亮色。
hc Eg
算得能通过的最短波长。因而得知Si和Ge对较短 的波长（如可见光）是不透过的，产生吸收。而 对于波长较长的红外线则是透过的。
掺杂半导体的光吸收
• 如果是掺杂半导体，只要光子的能量大于施主和 受主能级，（Ed和Ea），就会产生吸收。
• 根据能隙标准判断时，绝缘体和多数半导 体，其对于长波长的光子是能透过的，因 而是透明的。然而一些杂质会产生施主和 受主能级，另一些缺陷象气孔和晶界可使 光子被散射，使材料变得不透明。结晶的 聚合物就比无定形聚合物更容易吸收光子。
长成反比，与频率成正比。当电子吸收光子时每次总是吸 收一个光子，而不能只吸收光子的一部分。
光的速度
• 电磁波在真空中的传播速度为c=3×108m/s
c 1 00
式中ε0、μ0分别为真空中的介电常数和磁导率 • 当光在介质中传播时，其速度v由下式决定
v c
rr
式中εr、μr分别为介质的介电常数和磁导率 • c与v的比值称为介质的折射率n
• 公路交通中应用的夜间路标都用长余辉的 磷光体。
• 例题 ZnS的能隙为，要激发ZnS的电子需要光子的波长使多少？如在ZnS中加 入杂质，使之在导带下的处产生一能量陷阱，试问发光时的波长是多少？
解：（1）激发电子进入导带的最大波长为
这个波长相 当E h 于g紫 c( 外6 ( .线6 3 .5 。 2 1 )1 4 .( 6 3 0 )4 1 3 ( 1 1 0 )9 8)0 m 3 .5 0 1 6 7 0 m 35 A 06
此为可见光，呈黄色。
热辐射
• 当材料开始加热时，电子被热激发到较高 能态。当它们跳回正常能级时就会发射出 低能长波光子（红外线），波长位于可见 光之外。温度增加发射有短波光子，材料 开始显示红、橙、黄的混合颜色。在高温 下材料辐射所有可见光的光子，所以成为 白光辐射，即看到材料呈白亮色。
hc Eg
算得能通过的最短波长。因而得知Si和Ge对较短 的波长（如可见光）是不透过的，产生吸收。而 对于波长较长的红外线则是透过的。
掺杂半导体的光吸收
• 如果是掺杂半导体，只要光子的能量大于施主和 受主能级，（Ed和Ea），就会产生吸收。
• 根据能隙标准判断时，绝缘体和多数半导 体，其对于长波长的光子是能透过的，因 而是透明的。然而一些杂质会产生施主和 受主能级，另一些缺陷象气孔和晶界可使 光子被散射，使材料变得不透明。结晶的 聚合物就比无定形聚合物更容易吸收光子。
长成反比，与频率成正比。当电子吸收光子时每次总是吸 收一个光子，而不能只吸收光子的一部分。
光的速度
• 电磁波在真空中的传播速度为c=3×108m/s
c 1 00
式中ε0、μ0分别为真空中的介电常数和磁导率 • 当光在介质中传播时，其速度v由下式决定
v c
rr
式中εr、μr分别为介质的介电常数和磁导率 • c与v的比值称为介质的折射率n
• 公路交通中应用的夜间路标都用长余辉的 磷光体。
• 例题 ZnS的能隙为，要激发ZnS的电子需要光子的波长使多少？如在ZnS中加 入杂质，使之在导带下的处产生一能量陷阱，试问发光时的波长是多少？
解：（1）激发电子进入导带的最大波长为
这个波长相 当E h 于g紫 c( 外6 ( .线6 3 .5 。 2 1 )1 4 .( 6 3 0 )4 1 3 ( 1 1 0 )9 8)0 m 3 .5 0 1 6 7 0 m 35 A 06
5光学材料
谢谢大家！
光学材料包括光纤材料、发光材料、 红外材料、激光材料和光色材料等
固体激光器材料
激光材料的物化性能要求：热膨胀小、热导率 高、光照稳定性好等 激光材料购成
激活离子：在固体中提供亚稳态能级，决定激 光的波长
基质晶体：对光的吸收接近于零 金属氧化物晶体：应用广，熔点高，制
单晶难 氟化物晶体：低温工作，熔点低，易制
青铜器
望远镜
光学材料在国民经济和人民生活中发挥重要作用 一副直径5厘米左右的光学眼镜片就能消除眼疾给人带来的苦恼。
望远镜让我们看的更远，同时让我们看到了神奇与 绚丽并存的宇宙。形形色色的光学仪器让我们更加 深入的了解大自然的秘密。
光学材料是传输光线的材料，这些 材料以折射、反射和透射的方式， 改变光线的方向、强度和位相，使 光线按预定要求和路径传输，也可 吸收或透过一定波长范围的光线而 改变光线的光谱成分。
•光充满着整个宇宙，各种星体都在发光：远红外光、红外光、 可见光、紫外光，以及X射线等。
•人类生活在光的世界里，白天靠日光，黑夜靠灯光，夜间还要 靠星光。
•要利用光，就要创造工具，就要有制造工具的材料—光学材料 。
太阳光
星光
灯光
自然界存在的天然光学材料：珍珠，猫眼石，夜明 珠等！这些奇异的发光材料时刻的吸引的人们的眼 球，同时也是权利的象征。
制造方法： (1)气相法
气体冷凝法；真空蒸发法；溅射法；化学气相沉积法
(CVD)；等离子体法；化学气相输运法等。 (2)固相法
高温固相合成法；自蔓延燃烧合成法(SHS)；室温和 低热固相反应法；低温燃烧合成法；冲击波化学合成法； 机械合金化法等。 (3)液相法
沉淀法；均相沉淀法；共沉淀法；化合物沉淀法；熔 盐法；水热氧化法；水热沉淀法；水热晶化法；水热合成 法；水热脱水法；水热阳极氧化法；胶溶法；相转变法； 气溶胶法；喷雾热解法；包裹沉淀法；溶胶-凝胶法；微乳 液法；微波合成法等。
功能材料系列光学材料 PPT
引入一个v＝(E2-E1)/h得光子,E2上得一个电子就会受其感应而向E1跃迁,同时向外辐 射一个与入射光子相同得光子,这就就是所谓得受激辐射。
这对光子在红宝石中传播会激发出另外两个相同得光子,实现一次光放大。当这些光 子向红宝石外传播时,由光学谐振腔得反射作用,只有沿腔轴方向传播得光被反射回来 再次通过红宝石,光又一次被放大。如此反复被多次放大最后形成一束极强得相干光 (激光)。
夜明珠 通常“在黑暗中发光”得材料都就是磷光性材料,属于长余辉材料。 闪电:正负极电压大到使气体电离,产生导电电路,正负电荷中与,释放 能量。 地光:磁场异常使大气放电
放射性物质流在低空引起大气电离 极光:
太阳放射出得无数带电微粒进入地球磁场得范围时,受后者得影响, 沿地球磁力线高速进入到南北磁极附近得高层大气中,与氧原子、氮 分子等质点碰撞,使它们激发,由此产生极光。
反
激光束在棒中往返通过,形成 射 镜
了更多得活化中心,就使初始相
干辐射脉冲强度变大。
闪烁灯 红宝石
开关 激光束
红宝石激光器的设计
激光得特点:
相干性好 方向性好 光亮度高 单色性纯
3、红外材料
红外辐射材料 理论上只要T>0K,物体均可对外辐射红外线,故 红外线就是一种热辐射。 但工程上,红外辐射材料仅指能吸收热物体辐射 而发射大量红外线得材料。
合时,可产生白色。例:红、绿、蓝得补色分别就是青、紫、黄。
颜色坐标图
２、发光效率
发光材料得另一重要特性就是发光强度,它随激发强度而 改变。材料得发光本领通常以发光效率表征,有3种表示方法:
量子效率:发射物质辐射得量子数N发光与激发光源输入得量子数N吸收(若就 是光致发光Ｎ为光子数;如系电子发光Ｎ为电子数,余类推)得比值。
南开大学奇妙的材料世界第七讲 磁性材料
6.1 静磁现象
天然磁石 ：主要成分是四氧化三铁 本身具有吸铁的能力(实际上是吸引所有强磁性材料， 如铁、钴、镍、硅钢片、铁氧体等)的材料一般叫做 永磁材料（也叫硬磁材料，恒磁材料）
(1)永磁材料
(2)磁极:N、S极
(3)相互作用：同极相斥 异极相吸 (4)指向性：南北指向
N极或S极不会单独存在, 将一个具有两个磁极的磁体拦腰折断 变成两块较小的条形永磁体，各有一个N极和一个S极。
在外磁场作用下，磁化方向与磁场力向相同，但磁化很弱 铝，镁 –顺磁体 两者的原子磁矩之间的排列方式不同 铬(Cr)，锰(Mn)，氧化亚铁(FeO)---反铁磁体
现代科学认为物质的磁性来源于组 成物质中原子的磁性 1 原子中外层电子的轨道磁矩 2 电子的自旋磁矩 3 原子核的核磁矩
电子绕原子核旋转产生磁场
电子自旋产生磁场
原子的总磁矩应是按照原子结 构和量子力学规律将原子中各个电 子的轨道磁矩和自旋磁矩相加起来 的合磁矩
总的来说，组成宏观物质的原子有两类： 一类原子中的电子数为偶数，即电子 成对地存在于原子中。这些成对电子的自 旋磁矩和轨道磁矩方向相反而互相抵消， 使原子中的电子总磁矩为零，整个原子就 好像没有磁矩一样，习惯上称他们为非磁 原子。
水轮发电机：哈尔滨电机厂有限责任公司生产
载流导体在磁场中的运动——电动机
F q B
磁性是物质的基本属性，就像物 质具有质量和电性一样。 换句更简单的话说就是：
一切物质都具有磁性。
物质磁性的研究和应用已经在 人类社会生活的各个方面都得到深 入而广泛的发展。 磁现象的研究和应用依然是21 世纪科学技术研究的重要领域。
马蹄型电磁铁
电磁铁的优点：可用电流的大小来控制磁场强度 电磁铁的应用：(1)实验用磁场源 (2)工业上的充磁机 (3)钢铁厂的起重机电磁铁 (4)电磁离合器、电磁继电器 等
奇妙的光光学与光学现象的研究
奇妙的光光学与光学现象的研究光学是一门研究光的传播、反射、折射、干涉、衍射等现象的学科，而光学现象则是光学的研究领域中的重要内容之一。
在光学现象中，有一些奇妙的现象令人着迷，引发了科学家们长期以来的研究兴趣。
本文将以奇妙的光光学与光学现象为主题，探讨其中的一些有趣现象以及它们背后的科学原理。
一、莱斯特立方体莱斯特立方体是一种具有非常有趣的光学现象的透明体。
当我们在莱斯特立方体上投射一束单色光时，可以看到光线在立方体内部经历多次反射，形成了一种奇妙的图案。
这是由于莱斯特立方体具有特殊的几何形状和光学性质所导致的。
莱斯特立方体的几何形状是一个具有六个完全相等的平面镜反射面的立方体。
当光线从一个面射入时，会发生反射并穿过对面的面，在这个过程中还会发生一次或多次的反射。
这种多次反射使得光线在立方体内部形成了一个虚拟的光源，从而产生了独特的光学效果。
二、菲涅尔镜菲涅尔镜是一种具有非常高效的光学成像能力的透镜。
与传统的凸透镜不同，菲涅尔镜是由一系列由圆环排列而成的连续小透镜构成的。
这些小透镜以一种特殊的方式进行设计，使得光线在通过菲涅尔镜时可以按照一定角度进行折射，从而实现对光的聚焦和成像。
菲涅尔镜的设计原理基于菲涅尔透镜公式，它和传统凸透镜的成像原理是一致的。
然而，由于菲涅尔镜在透镜表面上采用了许多小透镜的设计，从而增加了光线与透镜的接触面积，提高了透镜对光线的吸收和折射效果，因此能够更高效地实现成像。
三、多普勒效应多普勒效应是一种光学现象，描述了当光源与观察者相对运动时，光的频率和波长会发生变化的现象。
这种现象常常用于解释天体物理学中的红移和蓝移现象，以及地球上常见的声音和光的多普勒效应。
多普勒效应的基本原理是当光源与观察者相对运动时，光的波长会发生变化。
当光源和观察者向着彼此靠近时，光的波长会变短，频率增加，产生蓝移现象；而当光源和观察者相互远离时，光的波长会变长，频率减小，产生红移现象。
多普勒效应在遥感技术、光谱学等领域有着广泛的应用。
《光学材料》PPT课件
多模光纤直径为几十至上百微米，与光波长相比大得多， 因此，许多模式的光波进入光纤后都能满足全反射条件， 在光纤中得到正常的传输。在光纤的输出端可以看到光强 度分布的不同花样，即在输出端出现多个亮斑，一个亮斑 代表多模光纤所传输的一种模式的光波。
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58
单模光纤的直径只有3~10μm，同光波的波长接近。在这样细的 光纤中，只有沿着光纤轴线方向传播的一种模式的光波满足全反 射条件，在光纤中得到正常的传输。其余模式的光波由于不满足 全反射条件，在光纤中传送一段距离后很快就被淘汰。
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24
红外材料
可怕的红外镜片
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29
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30
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31
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32
拿一般家用电器的红外线遥控器对着相机镜头按 下遥控器按键,同时从相机的LCD 或EVF看是否可见 明亮光点,如果遥控器上的红外灯的光点明显可见那 就是好消息了。
光纤芯部的材料一般是非晶态的SiO2、掺杂GeO2、P2O5等。 根据设计变化成分取得必要的折射率。包覆层的折射率要与 芯部材料匹配，以改善强度，降低污染，减少光的散射损失。
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51
光纤按芯部折射率变化来分类，有突变(阶跃)光纤和渐变(梯 度)光纤两大类，见图6-3。
图6-3 光纤的种类和光的传播 （a）阶跃型多模光纤（SI光纤） （b）度型多模光纤（GI光纤） （c） 单模光纤（SM光纤）
当θ1=sin-1n2/nl时，折射角θ2为直角，这时入射光线全部返 回到原来的介质中去，这种现象叫光的全反射。此时的入射角 θ1=sin-1n2/nl叫做临界角。在光纤中，光的传送就是利用光的全 反射原理，当入射进光纤芯子中的光与光纤轴线的交角小于一
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单模光纤的直径只有3~10μm，同光波的波长接近。在这样细的 光纤中，只有沿着光纤轴线方向传播的一种模式的光波满足全反 射条件，在光纤中得到正常的传输。其余模式的光波由于不满足 全反射条件，在光纤中传送一段距离后很快就被淘汰。
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红外材料
可怕的红外镜片
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拿一般家用电器的红外线遥控器对着相机镜头按 下遥控器按键,同时从相机的LCD 或EVF看是否可见 明亮光点,如果遥控器上的红外灯的光点明显可见那 就是好消息了。
光纤芯部的材料一般是非晶态的SiO2、掺杂GeO2、P2O5等。 根据设计变化成分取得必要的折射率。包覆层的折射率要与 芯部材料匹配，以改善强度，降低污染，减少光的散射损失。
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51
光纤按芯部折射率变化来分类，有突变(阶跃)光纤和渐变(梯 度)光纤两大类，见图6-3。
图6-3 光纤的种类和光的传播 （a）阶跃型多模光纤（SI光纤） （b）度型多模光纤（GI光纤） （c） 单模光纤（SM光纤）
当θ1=sin-1n2/nl时，折射角θ2为直角，这时入射光线全部返 回到原来的介质中去，这种现象叫光的全反射。此时的入射角 θ1=sin-1n2/nl叫做临界角。在光纤中，光的传送就是利用光的全 反射原理，当入射进光纤芯子中的光与光纤轴线的交角小于一
光学材料ppt课件
5．机械强度和弹性模量好．可以承受较大应力而变形量小：
6．硬度高，表四不易划伤；
玻璃 2．防X射线玻璃 3．防中子玻璃
防辐射光学玻璃
• 光学眼镜玻璃
光
1．用于制造各种眼镜片的光学玻璃。
学
材
2．矫正视力用眼镜玻璃
料
3．遮阳用眼镜玻璃
4．工业保护目镜玻璃
11
光学晶体的重要性能表现在光谱透过范围和光学色散。虽然玻璃 比人工晶体易于制造而且价格低廉，在可见光区范围内大多采用玻璃 制作光学器件，但在紫外和红外波段，则仍然大量使用各种天然或人 工晶体。晶体的优点是透过长波限较长，折射率和色散的变化大，物 理化学性能多样化，不少晶体的熔点高，热稳定性好，能满足特殊要 求。只有晶体具有双折射性能。
光 学 材 料
12
光学晶体的应用
• 氧化物光学晶体中，金红石在1μm～5 μm范围内的折射率较高，常
用于制作元件窗口或探测器的前置透镜。蓝宝石可以作为从紫外光到
近红外光谱区的各种光学元件、电子绝缘基片以及用于人造卫星及火
箭导弹上的光学屏蔽罩，还可以利用其双折射特性做成滤光片和延迟
光
器等光学元件。
学
批量较大的光学仪器中，用于制造光学基板、透镜、隐
形眼镜、有机光导纤维等。已获得应用的光学塑料主要
有透明类塑料
光 学
材
料
14
光学塑料的性能
• 折射率发生变化
通常光学塑料的折射率在1.45～1.60。塑料元件的折射率均匀性变
化可维持在±0.0005，但光学塑料的折射率温度系数dn/dt值比相应
玻璃高出5倍到50倍。
• 聚苯乙烯折射率为1.590，价格较低，注射成型性能好。但在近紫外
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材料对光的反射和吸收；
材料在光作用下的发光；
光在材料中的传播和作用；
作用又包括：光电作用、光磁作用等。
基于这些性质，可以开发出各种光学 功能材料，如发光材料、光导纤维、激 光材料、光电材料等。
2020/9/20
3
内容： 1、光学材料的应用举例 2、材料的光学特性 3、光学性能的本质 (1) 光速、折射率与ε及μ的关系 (2) 光吸收的本质 4、光学材料分类 (1)发光材料 (2)光导纤维 (3)光存储材料 (4) 激光材料
外科手术激光刀由光导纤维将激光传递至 手术部位，不必开刀直接切除癌瘤组织 。
(3)照明和光能传送
实现一个光源多点照明，光缆照明，可 利用塑料光纤光缆传输太阳光作为水下、 地下照明。
2020/9/20
6
2、激光材料 二十世纪最大的发明之一。
(1)激光加工: 宝石打孔；切割； (2)激光测距：从地球到月球；从地面到云
2020/9/20
4
7.1 光学材料的神奇作用
1、光导纤维 (1)光纤通讯—信息高速公路 0.1mm直径光缆：同时能传送100亿路电
话，100万路高质量的电视节目，且不受电 磁干扰，信息损失也极小。 0．65毫米的铜线仅能同时提供24路电话。
2020/9/20
5
(2)医用内窥镜
光导纤维可以用于食道、胃等深部探查内 窥镜（胃镜、血管镜等）；
I0ITIAIR
透射率：T I T I0
反射率： R I R I0
2020/9/20
吸收率： A I A
I0
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2、折射率
当光从真空进入较致密的材料时，其速 度降低，且传播方向发生变化，即发生了 折射。
用光在真空中传播速度与在材料中传播 速度之比来表征材料的折射能力，称之为 折射率n ：
响应速度很高，对可见光的额率也能够响应 ； 对材料介电常数的贡献不大 。 材料的相对光频介电常数等于材料折射率的平方：
ε＝n2 在频率比紫外高时，电子极化不再存在，介电常数便 降到真空的数值
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21
1、光速、折射率与介电常数及导磁率
由于电子极化影响介电常数，而光在介 质中传播的速度 与介电常数ε 有关
可见光波长： 0.4~0.7um,
光子能量： 0.8~4eV
10
1、光的吸收、反射、透过
材料的光学性能是指材料对电磁波辐射、 特别是对可见光的反应，主要是用材料对 电磁波的吸收，反射和透射特性来衡量。
2020/9/20
11
玻璃： 一束强度为 I0的光入射时，透射光IT、
反射光IR 、吸收光IA。
17
5、荧光性
物质在吸收电能或光能后，通过电子跃 迁，再释放出光的现象。
许多稀土化合物本身就是荧光体。一般 材料需要激活剂引发荧光性，如银激活ZnS 荧光体可写为ZnS：Ag。
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7.3 光学性能的本质
固体材料光学性能的本质涉及电磁波与材 料中原子、离子或电子的相互作用，其中 最重要的二点是电子极化和电子的能量转 换。
作业：
3、什么叫剩余磁感应强度、矫顽力？ 剩余磁感应强度：磁体被磁化至最大磁感应强度
再去掉外磁场后所保留的磁感应强度称为剩余磁 感应强度。 矫顽力：使磁体中的剩余磁感应强度降为零所需 要的外加反向磁场强度叫做矫顽力。
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1
第七章 光学材料
2020/9/20
2
材料的光性质，从本质上讲，就是 材料和电磁波的相互作用。包括：
当外界以任一形式的能量将电子由价带 激发至导带后,该电子又返回到价带时发出 的光子频率在可见光范围内的材料。
荧光材料：日光灯、高压水银灯等
磷光材料：电视屏幕、显像管等
2020/9/20
8
7.2 材料的光学性质
光是一种电磁波，各种电磁波的能量、 波长见图
2020/9/20
9
2020/9/20
2020/9/20
16
4、全反射 当光从折射率n1大
的物质中入射进入折 射率n2小的物质中：
n1siin 1n2siin 2
由于折射角大于入射角，当入射角达到某个 值时（<90°），折射角就已经达到90°，这时 就没有折射光，光全部都反射回水里了。这就是 全反射现象。这时的入射角称为临界角。
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n 真空 C 材料 材料
折射率永远大于1
2020/9/20
13
当光从材料1, 通过界面传入材料2, 与界面 法向形成入射角 和折射角 , 与 间关系与两种 材料的折射率有关。
sin i1 n2 sin i2 n1
n1siin 1n2siin 2
n21
n2 n1
1 2
ν1、ν2为光在材料1和材料2中的传播速度
1
所以电子极化对光学性能有很大影响, 式中 μ为介质的磁导率。根据折射率的定义：
nc
00
r磁矩影响光的速度
2020/9/20
22
介电常数： 电介质引起电容值增加的比例，称为
相对介电常数ε，也叫电容率。
Q0 Q1 C
Q0
C0
磁导率 磁导率是物质中磁感应强度B与外磁场
n21为材料2相对于材料1的折射率
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14
3、色散
折射率还与入射光的频率有关，随频率 的减小（或波长的增加）而减小，这种性 质称为折射率的色散。利用这种性质可以 将各种频率的光混合组成的白光通过三棱 镜分解为单色光。
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15
由于外加电场、磁场、应力的作用，而 使折射率变化的现象，称为电光效应、磁 光效应和光弹性。
层或飞机；飞机、大炮、坦克，甚至步枪 都装上了激光测距仪 。
(3) 激光通讯：与光导纤维同时使用。
激光手术、激光育种、激光准直、激光致 导、激光影碟等
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3、光存储材料
掺铁铌酸锂晶体（Fe：LiNbO3） 12cm的标准光盘，普通已达4GB，最高已
达到 100GB。
4、发光材料
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复习： 极化机制
介电材料的电学性质是由于极化引起的。 四种类型： 1、电子极化-可见光频率范围内 2、离子极化-对红外光频率范围 3、偶极子极化-无线电频率范围 4、空间电荷极化-低电工频率下
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电子极化：在电场作用下，电子相对于原 子核发生偏移．使原子的正负电荷中心不 相重合，形成偶极子
材料在光作用下的发光；
光在材料中的传播和作用；
作用又包括：光电作用、光磁作用等。
基于这些性质，可以开发出各种光学 功能材料，如发光材料、光导纤维、激 光材料、光电材料等。
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内容： 1、光学材料的应用举例 2、材料的光学特性 3、光学性能的本质 (1) 光速、折射率与ε及μ的关系 (2) 光吸收的本质 4、光学材料分类 (1)发光材料 (2)光导纤维 (3)光存储材料 (4) 激光材料
外科手术激光刀由光导纤维将激光传递至 手术部位，不必开刀直接切除癌瘤组织 。
(3)照明和光能传送
实现一个光源多点照明，光缆照明，可 利用塑料光纤光缆传输太阳光作为水下、 地下照明。
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2、激光材料 二十世纪最大的发明之一。
(1)激光加工: 宝石打孔；切割； (2)激光测距：从地球到月球；从地面到云
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4
7.1 光学材料的神奇作用
1、光导纤维 (1)光纤通讯—信息高速公路 0.1mm直径光缆：同时能传送100亿路电
话，100万路高质量的电视节目，且不受电 磁干扰，信息损失也极小。 0．65毫米的铜线仅能同时提供24路电话。
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(2)医用内窥镜
光导纤维可以用于食道、胃等深部探查内 窥镜（胃镜、血管镜等）；
I0ITIAIR
透射率：T I T I0
反射率： R I R I0
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吸收率： A I A
I0
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2、折射率
当光从真空进入较致密的材料时，其速 度降低，且传播方向发生变化，即发生了 折射。
用光在真空中传播速度与在材料中传播 速度之比来表征材料的折射能力，称之为 折射率n ：
响应速度很高，对可见光的额率也能够响应 ； 对材料介电常数的贡献不大 。 材料的相对光频介电常数等于材料折射率的平方：
ε＝n2 在频率比紫外高时，电子极化不再存在，介电常数便 降到真空的数值
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1、光速、折射率与介电常数及导磁率
由于电子极化影响介电常数，而光在介 质中传播的速度 与介电常数ε 有关
可见光波长： 0.4~0.7um,
光子能量： 0.8~4eV
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1、光的吸收、反射、透过
材料的光学性能是指材料对电磁波辐射、 特别是对可见光的反应，主要是用材料对 电磁波的吸收，反射和透射特性来衡量。
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玻璃： 一束强度为 I0的光入射时，透射光IT、
反射光IR 、吸收光IA。
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5、荧光性
物质在吸收电能或光能后，通过电子跃 迁，再释放出光的现象。
许多稀土化合物本身就是荧光体。一般 材料需要激活剂引发荧光性，如银激活ZnS 荧光体可写为ZnS：Ag。
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7.3 光学性能的本质
固体材料光学性能的本质涉及电磁波与材 料中原子、离子或电子的相互作用，其中 最重要的二点是电子极化和电子的能量转 换。
作业：
3、什么叫剩余磁感应强度、矫顽力？ 剩余磁感应强度：磁体被磁化至最大磁感应强度
再去掉外磁场后所保留的磁感应强度称为剩余磁 感应强度。 矫顽力：使磁体中的剩余磁感应强度降为零所需 要的外加反向磁场强度叫做矫顽力。
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第七章 光学材料
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2
材料的光性质，从本质上讲，就是 材料和电磁波的相互作用。包括：
当外界以任一形式的能量将电子由价带 激发至导带后,该电子又返回到价带时发出 的光子频率在可见光范围内的材料。
荧光材料：日光灯、高压水银灯等
磷光材料：电视屏幕、显像管等
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7.2 材料的光学性质
光是一种电磁波，各种电磁波的能量、 波长见图
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4、全反射 当光从折射率n1大
的物质中入射进入折 射率n2小的物质中：
n1siin 1n2siin 2
由于折射角大于入射角，当入射角达到某个 值时（<90°），折射角就已经达到90°，这时 就没有折射光，光全部都反射回水里了。这就是 全反射现象。这时的入射角称为临界角。
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n 真空 C 材料 材料
折射率永远大于1
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13
当光从材料1, 通过界面传入材料2, 与界面 法向形成入射角 和折射角 , 与 间关系与两种 材料的折射率有关。
sin i1 n2 sin i2 n1
n1siin 1n2siin 2
n21
n2 n1
1 2
ν1、ν2为光在材料1和材料2中的传播速度
1
所以电子极化对光学性能有很大影响, 式中 μ为介质的磁导率。根据折射率的定义：
nc
00
r磁矩影响光的速度
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介电常数： 电介质引起电容值增加的比例，称为
相对介电常数ε，也叫电容率。
Q0 Q1 C
Q0
C0
磁导率 磁导率是物质中磁感应强度B与外磁场
n21为材料2相对于材料1的折射率
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3、色散
折射率还与入射光的频率有关，随频率 的减小（或波长的增加）而减小，这种性 质称为折射率的色散。利用这种性质可以 将各种频率的光混合组成的白光通过三棱 镜分解为单色光。
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由于外加电场、磁场、应力的作用，而 使折射率变化的现象，称为电光效应、磁 光效应和光弹性。
层或飞机；飞机、大炮、坦克，甚至步枪 都装上了激光测距仪 。
(3) 激光通讯：与光导纤维同时使用。
激光手术、激光育种、激光准直、激光致 导、激光影碟等
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3、光存储材料
掺铁铌酸锂晶体（Fe：LiNbO3） 12cm的标准光盘，普通已达4GB，最高已
达到 100GB。
4、发光材料
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复习： 极化机制
介电材料的电学性质是由于极化引起的。 四种类型： 1、电子极化-可见光频率范围内 2、离子极化-对红外光频率范围 3、偶极子极化-无线电频率范围 4、空间电荷极化-低电工频率下
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电子极化：在电场作用下，电子相对于原 子核发生偏移．使原子的正负电荷中心不 相重合，形成偶极子