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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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。
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。
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
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
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：
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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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
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
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。
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 ：
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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。
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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
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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4、全反射 当光从折ຫໍສະໝຸດ Baidu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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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）；
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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 r
材料对光速影响的实质：电子极化及磁矩影响光的速度
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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