材料的光学性质-1213.
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材料的光学性能PPT课件
相位的两相邻点之间的距离，即波的空间周期。
振幅：光波中振动着的电场的最大值。光强的大小与振幅的平方成正比，因此振幅
的大小决定着光的强弱。
相位：在一个转动周期或一个波长范围内，各点位置的度量，它是综合频率、时间、
波长、距离在内的一个角度量。是描述振动和波动状态的一个综合性波参量。
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5
线性光学性能
光强度随穿过介质厚度的变化符合指数衰减规律。
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26
4K/
：物质对光的吸收系数，单位为cm-1。K为吸收率。
取决于材料的性质和光的波长。越大，材料越厚，光就被吸收
的越多，透过后的光强度就越小。
不同材料， 差别很大。
空气： 10-5cm-1 玻璃： 10-2cm-1 金属： 为几万～几十万，所以金属实际上时不透明的。
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10
2. 影响因素
（1）构成材料元素的离子半径
根据Maxwell电磁理论，光在介质中的传播速度为：
v c
n
c：真空中的光速； ：介质的介电常数； ：介质的导磁率。
对于无机材料： 1,1
n
介质的折射率随其介电常数的增大而增大。
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11
介电常数
折射率与介质的极化现象有关。
外加电场作用下，介质中的正电荷沿着电场方向移动， 负电荷沿着反电场方向移动，这样正负电荷的中心发 生相对位移，这种现象就是介质的极化。外加电场越 强，正负电荷中心的距离越大。
最新课件
31
2. 影响因素
散射系数与散射质点的大小、数量以及其与基体的相对 折射率等因素有关。
（1）质点大小 当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。
散射质点的体积分数不变：
振幅：光波中振动着的电场的最大值。光强的大小与振幅的平方成正比，因此振幅
的大小决定着光的强弱。
相位：在一个转动周期或一个波长范围内，各点位置的度量，它是综合频率、时间、
波长、距离在内的一个角度量。是描述振动和波动状态的一个综合性波参量。
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5
线性光学性能
光强度随穿过介质厚度的变化符合指数衰减规律。
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26
4K/
：物质对光的吸收系数，单位为cm-1。K为吸收率。
取决于材料的性质和光的波长。越大，材料越厚，光就被吸收
的越多，透过后的光强度就越小。
不同材料， 差别很大。
空气： 10-5cm-1 玻璃： 10-2cm-1 金属： 为几万～几十万，所以金属实际上时不透明的。
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10
2. 影响因素
（1）构成材料元素的离子半径
根据Maxwell电磁理论，光在介质中的传播速度为：
v c
n
c：真空中的光速； ：介质的介电常数； ：介质的导磁率。
对于无机材料： 1,1
n
介质的折射率随其介电常数的增大而增大。
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11
介电常数
折射率与介质的极化现象有关。
外加电场作用下，介质中的正电荷沿着电场方向移动， 负电荷沿着反电场方向移动，这样正负电荷的中心发 生相对位移，这种现象就是介质的极化。外加电场越 强，正负电荷中心的距离越大。
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31
2. 影响因素
散射系数与散射质点的大小、数量以及其与基体的相对 折射率等因素有关。
（1）质点大小 当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。
散射质点的体积分数不变：
材料的光学性能课件.
3) 电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级而吸收光子。
2、影响介质吸收光的因素
第四章 材料的光学性能
第二节 光与固体介质的相互作用
（1）介质的电子能带结构：
非金属材料吸收光子后电子能态的变化
第四章 材料的光学性能
第二节 光与固体介质的相互作用
介电材料吸收光子后电子能态的变化
第四章 材料的光学性能
当入射光线垂直或接近垂直于介质界面时，其反射率为： R 两种介质的折射率差别越大，反射率也越大 介质的反射率与波长有关，因此同一材料对不同波长有不 同的反射率
第四章 材料的光学性能
第二节 光与固体介质的相互作用
光的全反射和光导纤维：
光在光导纤维中的传播 光的全反射
第四章 材料的光学性能
第二节 光与固体介质的相互作用
4.2.3材料的透射及影响因素一、金属的光透过性质第四章 材料的光学性能
第二节 光与固体介质的相互作用
二、非金属材料的光透过性质
1、介质吸收光的一般规律 非金属材料对可见光的吸收有三种机理：
1) 电子极化，但只有光的频率与电子极化时间的倒数处于 同一数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；
2) 电子受激吸收光子而越过禁带；
双折射现象
第四章 材料的光学性能
第二节 光与固体介质的相互作用
3) 材料存在的内应力 4) 同质异构体 5) 入射波的波长
外部因素
介质中光速（折射率）随波长改变的现象称为色散。 介质的折射率随着波长的增加而减小．其数值大小为：
第四章 材料的光学性能
第二节 光与固体介质的相互作用
4.2.2 材料的反射率及影响因素
第四章 材料的光学性能
第二节 光与固体介质的相互作用
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
一级建筑师（建筑物理与建筑设备）辅导：材料的光学性质
⼆、材料的光学性质(⼀)定向反射和透射1．定向反射：光线照射到玻璃镜、磨光的⾦属等表⾯会产⽣定向反射。
这时在反射⾓的⽅向能清楚地看到光源的影像，⼊射⾓等于反射⾓，⼊射光线、反射光线和法线共⾯。
它主要⽤于把光线反射到需要的地⽅，如灯具；扩⼤空间，如卫⽣间、⼩房间；化妆；地下建筑采光等。
2．定向透射：光线照射玻璃、有机玻璃等表⾯会产⽣定向透射，这时它遵循折射定律。
⽤平板玻璃能透过视线采光；⽤凹凸不平的压花玻璃能隔断视线采光。
经定向反射和定向透射后光源的亮度和发光强度，⽐光源原有的亮度和发光强度有所降低：Lρ=L*ρ或Lτ=L*τ (15-3)Iρ=I*ρ或Iτ=I*τ(cd) (15-4)式中 Lρ,Lτ-----经过反射或透射后的光源亮度；Iρ,Iτ——经过反射或透射后的发光强度；L,I--光源原有亮度或发光强度；ρ,τ--材料的反射⽐或透射⽐。
(⼆)扩散反射和透射1．均匀扩散反射：光线照射到氧化镁、⽯膏、粉刷、砖墙、绘图纸等表⾯时，这些材料将光线向四⾯⼋⽅反射或扩散，各个⾓度亮度相同，看不见光源的影像。
2．均匀扩散透射：光线照射到乳⽩玻璃、乳⽩有机玻璃、半透明塑料等表⾯时，透过的光线各个⾓度亮度相同，看不见光源的影像。
经过均匀扩散反射或透射后的亮度为：L(cd／m2)=E(1x)*ρ/π (15-5)L(cd／m2)=E(1x)*τ/π (15-6)如果⽤另⼀个亮度单位阿熙提(asb)表⽰，则：L(asb)=E(1x)* ρ (15—7)L(asb)=E(1x) *τ (15-8)I asb／π=⼆1 cd／m2均匀扩散反射或透射后，其发光强度在表⾯法线⽅向，其他⽅向的发光强度遵循朗伯余弦定律：Ii=I0*cosi (cd) (15—9)式中 I0——法线⽅向的发光强度；i—法线和所求⽅向的夹⾓。
(三)定向扩散反射和透射定向扩散反射材料如油漆表⾯、光滑的纸、粗糙⾦属表⾯等⼤部分材料，在反射⽅向能看到光源的⼤致影像；定向扩散透射材料如⽑玻璃等，透过它，可以看到光源的⼤致影像。
材料的光学性质
如磨砂玻璃等
材料的光学性质
定向扩散反射
定向扩散透射
室内物理环境
二 材料按光学性质分类 反射和透射光通量的分布变化 决定因素
材料表面光滑程度和材料内部分子结构
定向
光分布的立体 角没有改变
扩散
光分散在更大 的立体角范围内
材料的光学性质
定向 材料
定向反射
光线射到表面很 光滑的不透明材料上 ，就出现定向反射现 象。
定向透射
光线射到透明 材料上则产生定向 透射。
玻璃镜、磨得很 光滑的金属表面
室内物理环境
材料的光学性质
【任务解析】
材料的光学性质
一 光遇介质时的传播特性
材料的光学性质
反射光通量 吸收光通量 透射光通量 入射光
(Φρ) + (Φ量(Φ)
反射系数ρ
吸收系数α
透射系数τ
= Φρ/ Φ + = Φα/ Φ + = Φτ/ Φ = 1
能量守恒定律
材料的光学性质
表面平整的玻璃
材料的光学性质
定向反射
定向透射
材料的光学性质
扩散 材料
扩散透射
半透明材料使入 射光线发生扩散透射 。
扩散反射
表面粗糙的不透明材 料使入射光线发生扩散反 射。
均匀扩散 定向扩散 均匀扩散 定向扩散
透射
透射
反射
反射
材料的光学性质
均匀 扩散 材料
将入射光线均匀地向四面八方反射或透射
均匀扩散反射
均匀扩散透射
大部分无光泽、 粗糙的建筑材料 如氧化镁、石膏等
乳白玻璃和 半透明塑料等
材料的光学性质
均匀扩散反射
均匀扩散透射
材料的光学性质PPT课件
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基本公式：
v
光波在不同介质中的传播速度不同，而光振动的频率不变，因此 相同频率的光波在不同介质中可有不同的波长。如果不特别说明， 通常使用的是真空中的波长值。
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电磁波在介质中的速度：
构成材料元素的离子半径
材料的结构、晶型和非晶态
材料所受的内应力
同质异构体
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构成材料元素的离子半径
介质的折射率随介质的介电常数ε的增大而增大。 ε与 介质的极化现象有关。当光的电磁辐射作用到介质上时， 介质的原子受到外加电场的作用而极化，正电荷沿着电场 方向移动，负电荷沿着反电场方向移动，这样正负电荷的 中心发生相对位移。外电场越强，原子正负电荷中心居里 愈大。由于电磁辐射和原子的电子体系的相互作用，光波 被减速了。
同质异构体
在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时 存在的晶型折射率较高。
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2. 折射率与传播速度的关系
材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。 两种介质相比，折射率较大者，光的传播速度较慢，称为 光密介质；折射率较小者，光的传播速度较快，称为光疏 介质。
当光沿晶体光轴入射时，只有n0存在；与光轴方向垂 直入射时，ne达最大值，此值视为材料特性。
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材料所受的内应力
有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大， 平行于受拉主应力方向的n小。
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3. 反射率和透射率
反射光的功率对入射光的功率之比称为反射率（有时 也称反射比）。经过折射进入第二介质的光为透射光，透 射光与入射光之比称为透射率。
第13章材料的光学性质
第13章材料的光学性质材料的光学性质是指材料对光的吸收、透射、反射和散射等过程的特性。
这些性质对于材料的光学应用具有重要的意义，如光学器件的设计和制造、光学透镜的优化以及光学传感器的研发等。
材料的吸收性质是指材料对入射光的能量被吸收的程度。
材料的吸收性质与其结构和成分有关。
当光经过材料时，能量被材料吸收后会转化为热能，这种能量转化的过程称为吸收。
吸收性质是材料的一个重要参数，可以通过吸收光谱来表征。
吸收光谱可以提供有关材料的能带结构和电子能级的信息。
材料的透射性质是指光在材料中传播的过程。
光透过材料时会发生折射现象，即光线的方向发生改变。
材料的透射性质与其折射率有关，折射率的大小决定了光在材料中的传播速度。
透射性质可以通过透射光谱来研究，透射光谱可以提供关于材料的折射率、透明度和色彩等信息。
材料的反射性质是指入射光在材料表面发生反射的现象。
反射性质与材料的表面粗糙度和结构有关，当光线入射到材料表面时，部分光会被反射回去。
反射性质可以通过反射光谱来研究，反射光谱可以提供关于材料的反射率和镜面反射特性等信息。
材料的散射性质是指光在材料中发生散射的现象。
散射可以分为弹性散射和非弹性散射两种。
弹性散射是指光子在材料中与材料原子或分子发生碰撞后改变其传播方向而不改变能量的散射现象。
非弹性散射是指光子在材料中与材料原子或分子发生碰撞后不仅改变传播方向，还改变能量的散射现象。
散射性质可以通过散射光谱来研究，散射光谱可以提供关于材料的粒子尺寸和表面形貌等信息。
除了吸收、透射、反射和散射等基本光学性质外，材料的光学性质还包括非线性光学性质和光学色彩性质等。
非线性光学性质是指材料对入射光表现出非线性响应的性质。
这种性质在光通信、光信息存储和光计算等领域有着广泛的应用。
光学色彩性质是指材料对不同波长的光显示出的颜色。
材料的光学色彩性质与其吸收光谱和反射光谱有关，不同波长的光被吸收和反射的程度不同，从而呈现出不同的颜色。
最新第四章-材料的光学性能PPT课件
R
n21 n21
1 1
2
若n1＝1，光从空气或真空入射，则
R n 1 2 n1
2）影响反射的因素
（1）两介质折射率相差较大 减少反射的方法：
➢增透膜
➢多层材料之间用折射率相近的透明胶填充 （2）存在吸收
消光系数
k 则
（α为吸收系k2 k2
4.1.3 材料的透射及其影响因素
消毒：指用物理或化学等方法杀灭物体 上或介质中的病原微生物的繁殖体不能 完全杀死芽孢。
灭菌：杀灭或不活化所有生命形式，包 括芽孢
影响无菌的因素
很多，我们前面已提到过，但大体可归类： 人员 设备厂房设施 环境 （空气） 物料（原料、水、包材） 法 （SOP/WI, 验证）
人是药品生产过程中最大污染源
除了技术和管理的措施之外，在洁净室中 人员的正确行为和纪律仍对房间的洁净、 产品的无菌起决定作用。
人员进入无菌室的要求
穿无菌服，戴口罩，眼罩，双手应消毒。 100级和一万级人员需轻手轻脚，轻声细
语，尽量减少不必要的动作和话语。 与生产无关和容易产尘的物件不应带入
无菌室。（手机） 进入洁净室人员需遵守SOP20-0123要求。
人是洁净室中最大和最不易控制的粒子发射源，中等尺 寸的人皮肤表面积大约为4平方米；外衣、内衣表面有12 平方米（每种衣服都有内外表面），洁净服另有4平方米 面积。
– 颗粒贮存（0.3微米或大于0.3微米）：
103 ~ 3 x 108/平方米皮肤； 108 ~ 5 x 108/平方米外衣； 大约107/平方米洁净服。
无菌产品要求所采用的工艺和监控措施应能确 保染菌率小于10-6。
无菌生产
无菌环境：控制微粒
– 尘埃粒子—悬浮状态的气溶胶粒子 – 活的微生物
材料的光学性能
第十二章
材料的光学性能
§12.1材料的线性光学性能
从微观上分析，光子与固体材料相互作用，实际上是光子与固体材料 中的原子、离子、电子之间的相互作用，出现的二种重要结果是：
(1)电子极化 电磁辐射的电场分量，在可见光频率范围内，电场分量
与传播过程中的每个原子都发生作用，引起电子极化，即造成电子云和原 子核电荷重心发生相对位移。其结果，当光线通过介质时，一部分能量被
散射有两种情况，一种是散射光波长与入射光相同，称为瑞利散射；
另一种与入射光波长不同，称为联合散射（亦称拉曼散射）。根据散射效 果是否强烈依赖于波长又可分为瑞利（Reayleigh）散射和米氏（Mie）散 射。
材料性能
第十二章
材料的光学性能
§12.1材料的线性光学性能
二、材料的透光性
1.透光性
材料可以使光透过的性能称为透光性。透光性是一个综合指标，
式中：K为吸收率,其值取决于介质材料的特性。
光透射后的强度与入射时强度的比值称为光透过率T, T=I/I0=exp(-βx)
对于平面状材料，总透过率取决于反射损失和吸收两个方面。
对于垂直入射的情况，总透过率由下式给出： T’=I/I0=（1－R）2exp(-βx)
式中：R为反射系数。不同的材料β差别很大，空气的吸收系数
(2)材料的结构、晶型 （双折射现象） 折射率不仅与构成材料的离子半径有关，还与它们在晶胞中的排列 有关。根据光线通过材料的表现，把介质分为均质介质和非均质介质。 非晶态(无定型体)和立方晶体结构，当光线通过时光速不因入射方向而改 变，故材料只有一个折射率，此乃为均质介质。除立方晶体外的其他晶型 都属于非均质介质。其特点是光进入介质时产生双折射现象。折射定律的 双折射现象使晶体有二个折射率：其一是服从寻常光折射率n0，不论入射 方向怎样变化，n0始终为一常数；而另一折射光的折射率随入射方向而改 变，称为非寻常光的折射率ne。当光沿晶体的光轴方向入射时，不产生双 折射，只有n0存在。当与光轴方向垂直入射时，ne最大，表现为材料特性 。例如，石英的n0=1.543，ne=1.552。—般来说，沿晶体密堆积程度较大 的方向，其ne较大。
第五章 材料的光学性质
ng nC na
2
只要入射角小于临界值 可以在光导纤维内部通
2012-10-25
i C，光线便 过多次反射传输到另一 端。
• • • • • • • • •
2、光纤的种类 玻璃纤维 聚合物纤维 3、光纤的主要性能 损耗<4dB/km （λ =1.55um，损耗=0.2dB/km） 力学性能（抗拉强度、抗扭曲性） 4、优点 可弯曲传播、抗干扰性强、能量损耗小、信息容 量大、保密性好。
， 、反射率。
A
0
，
R
0
。
2012-10-25
• • • 1.
透明材料：τ 大，α 、ρ小； 半透明材料：透过时发生漫散射； 不透明材料:τ 极小的材料。 金属对整个可见光谱都是不透明的， 即所有可见光的入射不是被吸收，就 是被反射； 2. 所有的电绝缘材料都可能制成透明材 料； 3. 半导体材料中有些是透明的，有些是 不透明的。
2012-10-25
§5-4 光学现象
• 一、光纤（光导纤维） • 光纤是20世纪60年代激光发现之后，人们 期望使用的光通讯传输介质，由于中国科 学家高锟（Kao K C）的这个预见，他被誉 为光纤通讯的先驱。目前，光纤已广泛应 用于通讯、传感器、医学等领域。
2012-10-25
• 1、光纤的工作原理 • 从折射定律可知，当光线从折射率较高 的透明介质入射到折射率较低的透明介质 时，折射角大于入射角。因此当入射角大 于某一临界值时，折射角将大于/等于90度， 从而发生全反射。光纤做为传输光的介质 的道理就在于此。
eV .s * 3 * 10 m .s m
max
1 . 8eV
7 * 10
• • • •
材料的光学性能
石英等透明材料在红外区的反常色散
当光束通过平整光滑的表面入射到各向同性介质中去时,它将按照折射定律沿某一方向折射,这是常见的折射现象。研究发现,当光束通过各向异性介质表面时,折射光会分成两束沿着不同的方向传播,见图,这种由一束入射光折射后分成两束的现象称为双折射。许多晶体具有双折射性质,但也有些晶体(例如岩盐)不发生双折射。双折射的两束光中有一束光的偏折方向符合折射定律, 所以称为寻常光(或O光)。另一束光的折射方向不符合折射定律,被称为非常光(或e光)。一般地说,非常光的折射线不在入射面内,并且折射角以及入射面与折射面之间的夹角不但和原来光束的入射角有关,还和晶体的方向有关。
晶体结构的各向异性不仅能产生折射率的各向异性(双折射),而且能产生吸收率的各向异性(称为“二向色性”)。电气石是在可见光区域有明显二向色性的晶体。一块厚度为1mm的这种晶体,几乎可以完全吸收寻常光,而让非常光通过。它对非常光也有一些选择吸收,使得白光透射后呈黄绿色。具有明显二向色性的材料也可以用来制造偏振元件,即二向色性偏振片。
吸收光谱 研究物质的吸收特性发现,任何物质都只对特定的波长范围表现为透明的,而对另一些波长范围则不透明。例如石英在整个可见光波段都很透明,且吸收系数几乎不变,这种现象称为“一般吸收”。但是,在 的红外线区,石英表现为强烈吸收,且吸收率随波长剧烈变化,这种现象称为“选择吸收”。任何物质都有这两种形式的吸收,只是出现的波长范围不同而已。
(1)正常色散 我们已经了解光在介质中的传播速度低于真空中的光速,其关系为y=c/n,据此可以解释光在通过不同介质界面时发生的折射现象。若将一束白光斜射到两种均匀介质的分界面上,就可以看到折射光束分散成按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序排列而成的彩色光带,这是在介质中不同波长的光有不同的速度的直接结果。所以,介质中光速或折射率随波长改变的现象称为色散现象。研究色散最方便的实验可以通过棱镜来进行。测量不同波长的光线经棱镜折射的偏转角,就可以得到折射率随波长变化的曲线。下图给出了几种常用光学材料的色散曲线,分析这些曲线可以得出如下的规律。 (a)对于同一材料而言,波长愈短则折射率愈大; (b)折射率随波长的变化率dn/dλ称为“色散率”。波长愈短色散率愈大(一般不考虑负号); (c) 不同材料,对同一波长,折射率大者色散率dn/dλ也大; (d)不同材料的色散曲间线没有简单的数量关系。 由于人们早期对色散现象的研究都是在可见光波段为透明的光学材料上进行的,结果都符合上述规律,故称之为“正常色散”。这里“正常”二字是相对于后来发现的一些“反常”现象而言的。
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自发 辐射
E2
= (E2-E1) / h
E1
激发态原子或分子的受激辐射
第29页
材料的光发射 光致发光
通过光（光频波段、X射线或γ射线波段）的辐照将材料中的电子激发到高 能态从而发光。光致发光经过吸收、能量传递及光发射三个阶段。光的吸 收及发射都发生于能级之间的跃迁，能量传递则是激发态的运动。如荧光 灯，就是紫外线激发荧光粉而发光。
第17页
各种类型材料的光吸收行为
a) 金属：吸收，不透明； b) 绝缘体：不吸收，透明； c) 半导体：取决于入射光波 长与施主和受主能级Ed, Ea大 小。
第18页
一般吸收和选择吸收
除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。 任何一种物质，它对特定波长范围内的光是透明的，而对另一些波长范 围内的光却是不透明的。 例如，在光学材料中，石英对所有可见光几 乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性 能，且吸收系数不变，这种现象为一般吸收； 但是对于波长范围为3.5-5.0μm的红外光却 是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，
这种现象为选择吸收。换言之，石英对可见光
和紫外线的吸收甚微，而对上述红外光有强烈 的吸收。
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吸收光谱
用具有连续谱的光（例如白光）通过具有选择吸收的物质，然后利用摄谱仪或 分光光度计，可以观测到在连续光谱的背景上呈现有一条条暗线或暗带，这表 明某些波长或波段的光被吸收了，因而形成了吸收光谱（absorption spectrum） 大致说来，原子气体的光谱是线状谱，而分子气体、液体和固体的光谱 是带状谱，吸收光谱的情况也是如此。 物质的发射谱（emission spectrum）有：线状谱（line spectrum）， 带状谱（band spectrum）和连续谱等。 值得注意的是，同一物质的发射光谱和吸收光谱之间有严格的对应关系， 即物质自身发射哪些波长的光，它就强烈吸收这些波长的光。
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晶体结构的各向异性不仅能产生折射率的各向异性（双折射），而且能产生 吸收率的各向异性，这种选择吸收的性能称作二向色性。
天然的电气石晶体呈六角型的片状，长对角线的方向为其光轴。当光线照射 在这种晶体表面时，振动的电矢量与光轴平行时被吸收得较少，光可以较多 地通过；电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得很少。
媒质中波动传到的各点，都可以看作是发射子波的波源，而在其后的任意 时刻，这些子波的包络面就是新的波面。 也就是说，光波波前（最前沿的波面）上的每一点都可看作球面次波源， 每一次波源发射的球面波以光波的速度v传播，经过时间∆t之后形成球面 半径为v∆t的球面次波。如此产生的无数个次波的包络就是∆t时间后的新 波前。 垂直于波前（或等相面）的直线代表光波的传播方向，也就是光线。 该原理适用于机械波和电磁波
阴极射线发光
利用高能量的电子轰击材料，通过电子在材料内部的多次散射碰撞，使材 料中发光中心被激发或电离而发光。如彩电的颜色就是采用电子束扫描、 激发不同成分的荧光粉，使它们发射红、绿、蓝三种基色光波。
电致发光
对绝缘发光体施加强电场导致发光，或从外电路将电子（空穴）注入到 半导体的导带（价带），导致载流子复合而发光。由于是在电场作用下 的发光，所以也叫场致发光。如仪器指示灯的发光二极管。
（2）电子能态转变
光子被吸收和发射，涉及到固体材料中电子能态的转变。材料的原子吸收了 光子能量之后将较低能级上的电子激发到较高能量上去，电子发生的能级 变化与电磁波频率有关：△E=hv 受激电子不可能无限长时间地保持在激发状态，经过一个短时期后又衰变回 基态，同时发射出电磁波，即自发辐射。
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惠更斯-菲涅耳原理：说明光的传播定律
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光的全反射
当光束从折射率n1较大的光密介质进入折射率n2较小的光 疏介质，且入射角大于临界角时，光线被100％反射的现象。 这时不再有折射光线，入射光的能量全部回到第一介质中。 临界角
n2 sin c (n1 n2 ) n1
折射光
全反射应用：光导纤维
光导纤维通常用来传送无线电、 电话、电视和电子计算机数据。
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光散射分类
根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，分为弹性 散射与非弹性散射 • 弹性散射：散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化， 只改变方向的散射。
• 非弹性散射：当光通过介质时，从侧向接受到的散射光主 要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散 射。当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪，可以发现散射光 中还有其它光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性 散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱地多。这 些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞 的结果，称为非弹性散射。
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弹性散射分类 按照散射中心尺度a0与入射光波长λ的大小，分为三类： 廷德尔（Tyndall）散射 米氏（Mie）散射 瑞利（Rayleidl）散射
早晨
瑞利散射
太 阳 光
中 午
Global
按照瑞利散射定律，我们不难 理解晴天时晨阳与午阳的颜色 不同。 入射波长越长，散射光强越小， 即长波散射要小于短波散射。 因为大气及尘埃对光谱上蓝紫 色光的散射比红橙色光为甚， 阳光透过大气层越厚，其中蓝 紫色光成分损失越多，太阳显 得越红。
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2、材料的结构、晶型和非晶态
根据光通过材料的表现，介质分为均质介质和非均质介质。 均质介质，材料只有一个折射率，如非晶态（无定型体）和立方晶体。 非均质介质，光通过时构成两条折射光线。
3、材料存在的内应力
有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方向的n小。
4、同质异构体
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材料的光发射
1、概 述
材料的光发射：是材料以某种方式吸收能量后，将其转化为光 能即发射光子的过程。这种性质与材料的能量结构密切相关。 自然界中很多物质都可发光，但近代显示技术所用的发光材 料主要是无机化合物，在固体材料中主要是采用禁带宽度较大 的绝缘体，其次是半导体，它们通常以多晶粉末、薄膜或单晶 的形式被应用。 从应用的角度，主要关注材料的光学性能包括：发光颜色、 发光强度及延续时间等。
吸收系数与吸收率：朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律
I I 0e
l
l
I A cl lg T log I0
吸收系数（消光系数），单位cm-1 介质厚度 c 溶液的摩尔浓度（mol/L）
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光吸收的物理机制
光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出的能量交换 过程。 当光的频率与电子极化时间的倒数处在同一个数量级时，由此引起的吸 收才变得比较重要； 电子受激吸收光子而越过禁带； 电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光；
多数情况下发射光子和激发光子的能量不相等，通常前者 小于后者。若发射光子与激发光子的能量相等，发出的辐 射就称为“共振荧光”。向下跃迁未必都发光，也可能存 在激发的能量转变为热能的无辐射跃迁过程。
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材料的光发射
2、激励方式
材料发光前可以有多种方式向其注入能量 （1）热辐射 （2）电致发光 （3）光致发光 （4）化学发光 （5）阴极射线发光 （6）同步辐射光源 （7）激光光源 受激 辐射 激发态原子或分子的自发辐射
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物体发光可分为平衡辐射和非平衡辐射两大类
1. 平衡辐射 只与辐射体的温度和发射本领有关，如白炽灯的发光。 2. 非平衡辐射 在外界激发下物体偏离了原来的热平衡，继而发出的辐射。 固体发光的微观过程可以分为两步：
① 对材料进行激励，即以各种方式输入能量，将固体中的电子的能 量提高到一个非平衡态，称为“激发态”； ② 处于激发态的电子自发地向低能态跃迁，同时发射光子。
只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时，光 量子才可能被吸收。同时，材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。
禁带较宽的介电固体材料也可以吸收光波，但吸收机理不是激发电子从价 带跃迁到导带，而是因其杂质在禁带中引进了附加能级，使电子能够吸收光子 后实现从价带到受主能级或从施主能级到导带的跃迁。
概述 光与固体材料的相互作用 材料对光的反射和折射 光的色散和全反射 材料对光的吸收 材料的光发射 材料的受激辐射和激光
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材料的光学性质——基础篇 光的本质
光 的 现 象 光 的 微 粒 说 光 的 波 动 说 光 的 电 磁 说 光 的 波 粒 二 象 性
光的直线传播 光的传播速度
光的干涉
电磁波谱
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光纤结构示意图
纤芯：575μm掺杂了的SiO2， n一定或随半径增加而减小。 包层: 总直径为100 200μm, 折射率稍小于纤芯的掺杂了的SiO2。 涂敷层：硅铜或丙烯酸盐，隔离杂光。 护套：尼龙或有机材料，增加强度，保护光纤。
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材料对光的吸收
光作为一种能量流，在光通过材料传播时，会引起材料的电 子跃迁或使原子振动而消耗能量，使光能的一部分变成热能， 导致光能的衰减，这种现象称为介质对光的吸收。。
在同质异构材料中，高温时的晶型折射率低，低温时存在的晶型折射率高。
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光的色散
材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）而减 小的性质，称为折射率的色散。
dn 色散 d
色散对于光学玻璃是重要参量，因为色散 严重造成单色片透镜成像不够清晰。
用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和 凹透镜复合镜头，以消除色差，称为消色差 镜头。
光波的偏振性。E、H分别在各自的 平面内振动。振动方向对传播方向不 具有对称性，旋光现象。 光波的能流密度。光波的传播伴随着光能量的流动，光强与其振 幅成正比。
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电 磁 波 谱 图
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远紫外
（真空紫外）
近紫外 可见
380nm ~ 780