第四章 材料的光学性能

n1 E1 RI 0 I0 n1
2
剩余
I 0 (1 R)
E2 I0 (1 R)e ( s ) x
E3 I0 R(1 R)e ( s ) x
于是初始光能为I0，最后穿透介质的光能为
I I0 (1 R) e
2
( s ) x
nD 1 nF nC
nD:Na D谱线(589.3nm) nF:H F谱线(486.1nm) C谱线(656.3nm)
色散系数中，为可见光中间和两端的 nC:C 三个谱线。色散系数和n越高越好
2、 材料的反射系数 1）反射系数
n1
n2
n21 1 R n 1 21
2
若n1＝1，光从空气或真空入射，则
n1 R n 1
2
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 （α为吸收系数）
k
则 4n
2 n 1 k 2 R 2 n 1 k 2
包括两次反射以及吸收和散射都损失光能 影响透射的因素 （1）吸收系数
（2）反射系数：相对折射率和表面光洁度
（3）散射系数 材料宏观及显微缺陷 晶粒排列方向 气孔引起的反射损失
Al 2O3
TiO2
第四章
材料的光学性能
网线 避雷针 PN结 温度传 感器
电 子
电性能和光学性能的对比 人们利用材料的电 电子在导体半导 性能，通过导体、 体中迁移，微观 半导体、绝缘体来 表现为电子和物 控制电子行为，制 质的相互作用， 造各种电子元件， 宏观表现是材料 实现能量和信息的 的电性能 传输以及转换 光子在真空和介 质中传播，微观 表现为光子和物 质的相互作用， 宏观表现是材料 的光学性能 人们利用材料的光 学性能，通过透明、 半透明、不透明来 控制光子行为，制 造各种光学元件， 实现能量和信息传 输以及转换
散射
散射的原因：光传播的介质不均匀
散射与光程相关
I I 0e
sx
S为散射系数
( s ) x
若散射和吸收都不能忽略
I I 0e
对于可见光中的大多数波段，空气是透明的，但对于蓝 光，空气是不均匀的，容易散射，从白光中分离出来，因此 天空是蓝色的。 散射机制 （1）瑞利散射：散射波长与入射光相同 （2）联合散射：散射波长与入射光不同
（4）同质异构体 石英在不同温度有多种异构体，常温下石英比 高温时折射率大 光的控制 把光比作一辆汽车，那材料的折射率就是方向盘， 一般来说，材料的折射率越高代表我们对光的控制能力 越强。 1.1 色散 dn 色散＝ 材料的折射率与入射波长有关 d 透镜成像由于光的色散 消色差镜头 而在像的周围形成色带 色散表征 色散系数（Abbe数） d
n r r
玻璃掺杂Pb、Ba离子可以提高折射率 （2）材料的晶体结构 非晶态和立方晶体等均质物质只有一个折射率 其他晶体一般数以非均质介质，有双折射现象 沿晶体的密堆方向，离子密度较大，折射率高 （3）材料存在内应力 内应力改变晶体结构和电子能态 垂直于应力方向n较大，平行于应力方向n较小 人的密度与水接近，大大高于空气的密度，因此 靠改变人体折射率才制造透明人不大可能实现
主要内容（可见光及其光谱附近的红外紫外等）
光和固体（电子、离子、原子）的相互作用 材料的发光 红外关学性能 电光效应、光折变效应、非线性光学效应 磁光效应和光导纤维
可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分,波长范围 大致在400～730纳米之间，是电子从高能级向低能级跃 迁而产生的。材料的光学性能体现在光与固体的相互作 用的过程。
4.1.3
材料的透射及其影响因素
某些光学材料的应用都希望其透射系数高，即吸 收和散射较弱
吸收
1、金属的光透过性质 金属对于低频电磁波（无线电波－紫外光）都是不透明的
隐形飞机对于雷达电波是 隐形的，主要采取两种方法： 1、吸收较强（B-2）
2、将雷达波发射到其他方向 （F－117）
物理解释：反射和吸收 （1）金属对光的反射系数为0.9－0.95 金属的颜色由反射光决定 铝为银白色－全部反射 黄金为金黄色－选择反射 （2）吸收 膜的颜色由透射光决定 铝
光 子
光纤 眼镜 镜子 激光炮
本章关键词：光和固体的相互作用
光在高科技中的地位不断提高。光集成器件和光子计算 机都是人们追求的对象（集成电路和电子计算机虽然取得了 很大的成就，但是有其自身难以克服的缺点-热效应较大、速 度慢）。 光学信息是人类获得的最重要的信息，将光学信号转变 为电信号，以使得计算机帮助人类存储和处理信息，将是人 类科学进步的方向。 激光测距仪器 激光 望远镜
电影《透明人》Hollow Man
玻璃杯是透明的，但我们仍然可以看得到玻璃，因为玻璃 杯的折射率和空气不同，光线在玻璃与空气的交接面发生折射 而改变方向。若玻璃杯的折射率等于空气，则隐形。 透明人是如何实现？在水中是否还能隐形？
影响折射率的因素 （1）材料的离子半径 离子半径越大，对光子影响越大，折射率越高
光 子 能 量 逐 步 降 低
3、电磁波的传播 真空中
c 1
0 0
介质中
c v r r n
1
c
4.1.2 光通过固体的现象 1、四种理想现象
T T 1) 透过，透射系数 0 3) 反射，反射系数 2) 吸收，吸收系数 4) 散射，散射系数 0 能量守恒 0 T R
光和物体相互作用之后进入 人的眼睛，或发射或吸收，人眼 能看到的光线决定物体的颜色 黄 金
2、非金属材料的光透过性质
介质吸收光的一般规律
（1）电子吸收的机制： 电子极化：微波炉 电子受激发越过禁带 电子受激发进入杂质和缺陷能级 可见光最大波长为0.7微米 hc Eg 1.8eV 最小禁带宽度 min max 对于禁带宽度为1.8～3.1Biblioteka BaiduV之间 的材料一般吸收部分可见光，是带色 透明
影响因素 （1）入射波长 （2）散射颗粒大小、分布、数量 （3）散射相与基体相对折射率（若相同则没有散 射）
散射尺寸对散射系数的影响 散射尺寸
d max
4.1 2 ( n 1)
散 射 系 数 粒子直径
对于制造透明材料，其中杂质离子应该避免这 样的尺寸，使得散射较大 陶瓷材料透光性影响因素 多相、杂质、气孔、晶界、微裂纹 设入射能量为I0 一次反射损失 吸收和散射 二次反射损失
云海由空气和小水 滴组成，不透明
很多非金属材料不透明是因为不纯
材料吸收能量的释放：
高能级电子与空穴复合
多能级转移，放出两个光子 多能级转移，放出一个声子（原子热振动）和一个光子 3、光程影响吸收 光强度随通过介质厚度下降 小结 可见光金属半导体对吸收很大，电介质材料吸收很小 紫外光子能量很大，吸收较大 红外吸收是由于晶格谐振，选择吸收
I I 0e
x
共价晶体的固有频率
1 1 f 2k ( ) Mc Ma
2
K为离子小位移时候的弹性常数 McMa为阳离子和阴离子质量
例如：硅中的Si-O键 这种结构的氧原子振动只 吸收波长约为9微米的红外线， 可以用来测量硅晶体中的氧含 量。
制作透明材料的时候，应该尽量降低吸收，使吸收频率 远离可见光的频率
4.1 光和固体的相互作用
4.1.1 光的波粒二象性 1、爱因斯坦将光的粒子性和波动性相联系（统一的）
E h
hc

粒子性：反射、透射、折射的解释 波动性：传播和衍射、干涉
2、电磁波的产生
电磁波是物质的存在方式之一 γ射线是原子核结构改变 X射线、紫外线、可见光是由于原子核外电子能态改变 红外辐射、微波、无线电波是由于原子振动或晶格改变
R 0 0
R
1 T R
四种光现象的解释:光进入固体引起固体内部微观变化
(1)电子极化：吸收和折射
E h
(2)电子能态转变：光子的吸收、反射、散射
材料光学性能的表征
1、材料折射率 真空中光速与介质中速度之比称为折射率n
n2 sin1 折射实验测得 n1 sin 2