第四章材料物理性能PPT课件
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介质中的各种光学现象本质上是光和物质相互作用的 结果。从经典电子模型出发，研究光和物质相互作用的微 观过程，是讨论介质中光的折射、散射、吸收和色散等常 见的线性光学现象的物理本质的基础。
1.光子与固体介质的作用 光从一种介质进入另一种介质时：一部分透过介质，一部分被
吸收，一部分在两种介质的界面上被反射，一部分被散射。
17世纪，瑞士人纪南熔制出光学玻璃，主要用于 天文望远镜；随后，欧洲出现了望远镜和三色棱 镜，人造光学玻璃成为主要光学材料。
20世纪初，以望远镜、显微镜、光谱仪以及物理 光学仪器四大类为主体，建立了光学工业。
青铜镜
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
光学材料包括光纤材料、发光材料、红外材料、 激光材料等。
光学材料
玻璃、石英、金刚石是熟知的可见光透明材料。 金属、陶瓷、橡胶和塑料在一般情况下对可见光是不透 明的。 金和银对红外线的反射能力最强,所以常被用来作为红外 辐射腔内的镀层。 橡胶、塑料、半导体锗和硅却对红外线透明。因为锗和 硅的折射率大,故被用来制造红外透镜。 许多陶瓷和密胺塑料制品在可见光下完全不透明,但却可 以在微波炉中作食品容器,因为它们对微波透明。 玻璃、塑料、晶体、金属和陶瓷都可以成为光学材料。
因此了解材料的光学性能显得非常重要。
4.1 光和固体的相互作用
4.1.1 光的波粒二象性
人们对光的认识始于19世纪。 l1860年，麦克斯韦创立的电磁波理论，解释了光的直线传播、 反射、干涉和衍射现象； l1900年，普朗克提出能量子概念，成功地解释了黑体辐射； l1905年，爱因斯坦创立了光量子假说，将光子表征粒子性质 的能量、动量与表征波动性质的频率、波长等联系起来，揭示 了光的波粒二象性，圆满解释了光电效应，康普顿（Compton） 效应等现象。
第四章 材料的光学性能
主要内容
l光和固体的相互作用 l材料的发光 l光导纤维
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
电磁波谱
无线电波：λ>1m 微波：λ=1mm～1m 红外线：λ=760nm～1mm 可见光：λ=390nm～760nm 紫外线：λ=10nm～390nm X射线：λ=10-3 nm～几十nm γ射线：λ=10-5nm～10-1nm 宇宙射线：λ<10-5nm
3.1.1 光的波动性
光是电磁波，是交变的电磁场在空间的传播。变化着电场 的周围感生出变化的磁场，变化着的磁场周围又会感生出 另一个变化的电场，两者交织在一起。
星光
灯光
自然中存在一些天然光学材料：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，能在无光环境下 放出各种色泽的晶莹光辉。由于这些光学材料稀 有，被视为人间珍宝，成为权力和财富的象征。
夜明珠
珍珠
猫眼石
春秋战国时期，墨子就研究光的传播规律，出现 了最古老的光学材料—青铜反光镜。
1924年，德布罗意创立了物质波假说，被电子束衍射实 验证实。把光的波粒二象性（波动性和粒子性统一）推 广到一切微观粒子的共同属性
1927年，狄拉克提出电磁场的量子化理论，进一步把波 动理论和量子理论严格地统一起来。
电磁波频谱宽，光学研究部分很少； 可见光波长：390－770nm（0.4－0.7μm）， 不同波长的光引起不同的颜色视觉。
光波是横波，电场强度E和磁场强度H的振动方向垂直。并 同时垂直于传播方向S（即光的能量流动方向）。
线偏振光的电振动磁振动及传播方向
1. 光的振动与传播
表征光波振动特征：频率υ、周期T、波长λ：T 1
v—光速
v
➢ 光的振动 用电场强度变化表示：EE 0co 2 st (0)
E 0 —振幅， 0 —初相角
➢ 光的传播
φ0=0时，在z=0点电场强度： EE0co2st
振动传到空间z点，场强： EE0co2s[(tvz)]
【注释】：磁场与介质作用远弱于电场，由电场可算出磁场强度。 电场对人眼或感光、光电效应等方面起主导作用，研究材料光
学性质时只关心电矢量，故电场强度矢量被直接作为“光矢量”。
电磁波在真空中的速度：
带来的苦恼。
科学研究、工农业生产和人类生活等需要使用显微 镜、望远镜、摄像机等各种光学仪器，核心部分都 是由光学材料制造的光学零件。
光学材料已成为人类社会必不可少的功能材料。
眼镜
望远镜
摄相机
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。
c 1 00
电磁波在介质中的速度：
（c＝ 3×108 m／s）
1 1 cc
0r 0 r
rr
Байду номын сангаас
0 、 r —真空、介质的介电常数， 0 、 r —真空、介质的
磁导率。
l光波传播伴随能量流密度： （单位时间垂直流过单位面积的能量）
SEH
l测试用能量流密度平均值——光强：
I
c
4
E02
l应用相对值 I E02 表示光强与光波电场振幅的关系。
u发光材料的进步,它给人类的生活带来了巨大的变化:如电视、 电脑等的显示，激光的应用。 u高纯、高透明的光纤的研制成功，使光通讯成为现实，并使 人们进入网络时代。
Sony-LED电视
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。
3.1.2 光子的能量和动量
爱因斯坦光量子公式：
电磁场（光场）的能量是不连续的，可
分成最小的单元，这个最小的能量单元称为
“光子”。
能量（解释光电效应）：E
h
hc
动量：
P h
光既可以看做（光反波映又光可以的看波做粒光二子象流性。能光子）是电磁场
能量和动量量子化的粒子，而光波是光子的概率波。
4.1.2 光通过固体现象
设 0 为入射到材料表面的光辐射能流率(单位时间通过单
1.光子与固体介质的作用 光从一种介质进入另一种介质时：一部分透过介质，一部分被
吸收，一部分在两种介质的界面上被反射，一部分被散射。
17世纪，瑞士人纪南熔制出光学玻璃，主要用于 天文望远镜；随后，欧洲出现了望远镜和三色棱 镜，人造光学玻璃成为主要光学材料。
20世纪初，以望远镜、显微镜、光谱仪以及物理 光学仪器四大类为主体，建立了光学工业。
青铜镜
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
光学材料包括光纤材料、发光材料、红外材料、 激光材料等。
光学材料
玻璃、石英、金刚石是熟知的可见光透明材料。 金属、陶瓷、橡胶和塑料在一般情况下对可见光是不透 明的。 金和银对红外线的反射能力最强,所以常被用来作为红外 辐射腔内的镀层。 橡胶、塑料、半导体锗和硅却对红外线透明。因为锗和 硅的折射率大,故被用来制造红外透镜。 许多陶瓷和密胺塑料制品在可见光下完全不透明,但却可 以在微波炉中作食品容器,因为它们对微波透明。 玻璃、塑料、晶体、金属和陶瓷都可以成为光学材料。
因此了解材料的光学性能显得非常重要。
4.1 光和固体的相互作用
4.1.1 光的波粒二象性
人们对光的认识始于19世纪。 l1860年，麦克斯韦创立的电磁波理论，解释了光的直线传播、 反射、干涉和衍射现象； l1900年，普朗克提出能量子概念，成功地解释了黑体辐射； l1905年，爱因斯坦创立了光量子假说，将光子表征粒子性质 的能量、动量与表征波动性质的频率、波长等联系起来，揭示 了光的波粒二象性，圆满解释了光电效应，康普顿（Compton） 效应等现象。
第四章 材料的光学性能
主要内容
l光和固体的相互作用 l材料的发光 l光导纤维
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
电磁波谱
无线电波：λ>1m 微波：λ=1mm～1m 红外线：λ=760nm～1mm 可见光：λ=390nm～760nm 紫外线：λ=10nm～390nm X射线：λ=10-3 nm～几十nm γ射线：λ=10-5nm～10-1nm 宇宙射线：λ<10-5nm
3.1.1 光的波动性
光是电磁波，是交变的电磁场在空间的传播。变化着电场 的周围感生出变化的磁场，变化着的磁场周围又会感生出 另一个变化的电场，两者交织在一起。
星光
灯光
自然中存在一些天然光学材料：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，能在无光环境下 放出各种色泽的晶莹光辉。由于这些光学材料稀 有，被视为人间珍宝，成为权力和财富的象征。
夜明珠
珍珠
猫眼石
春秋战国时期，墨子就研究光的传播规律，出现 了最古老的光学材料—青铜反光镜。
1924年，德布罗意创立了物质波假说，被电子束衍射实 验证实。把光的波粒二象性（波动性和粒子性统一）推 广到一切微观粒子的共同属性
1927年，狄拉克提出电磁场的量子化理论，进一步把波 动理论和量子理论严格地统一起来。
电磁波频谱宽，光学研究部分很少； 可见光波长：390－770nm（0.4－0.7μm）， 不同波长的光引起不同的颜色视觉。
光波是横波，电场强度E和磁场强度H的振动方向垂直。并 同时垂直于传播方向S（即光的能量流动方向）。
线偏振光的电振动磁振动及传播方向
1. 光的振动与传播
表征光波振动特征：频率υ、周期T、波长λ：T 1
v—光速
v
➢ 光的振动 用电场强度变化表示：EE 0co 2 st (0)
E 0 —振幅， 0 —初相角
➢ 光的传播
φ0=0时，在z=0点电场强度： EE0co2st
振动传到空间z点，场强： EE0co2s[(tvz)]
【注释】：磁场与介质作用远弱于电场，由电场可算出磁场强度。 电场对人眼或感光、光电效应等方面起主导作用，研究材料光
学性质时只关心电矢量，故电场强度矢量被直接作为“光矢量”。
电磁波在真空中的速度：
带来的苦恼。
科学研究、工农业生产和人类生活等需要使用显微 镜、望远镜、摄像机等各种光学仪器，核心部分都 是由光学材料制造的光学零件。
光学材料已成为人类社会必不可少的功能材料。
眼镜
望远镜
摄相机
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。
c 1 00
电磁波在介质中的速度：
（c＝ 3×108 m／s）
1 1 cc
0r 0 r
rr
Байду номын сангаас
0 、 r —真空、介质的介电常数， 0 、 r —真空、介质的
磁导率。
l光波传播伴随能量流密度： （单位时间垂直流过单位面积的能量）
SEH
l测试用能量流密度平均值——光强：
I
c
4
E02
l应用相对值 I E02 表示光强与光波电场振幅的关系。
u发光材料的进步,它给人类的生活带来了巨大的变化:如电视、 电脑等的显示，激光的应用。 u高纯、高透明的光纤的研制成功，使光通讯成为现实，并使 人们进入网络时代。
Sony-LED电视
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。
3.1.2 光子的能量和动量
爱因斯坦光量子公式：
电磁场（光场）的能量是不连续的，可
分成最小的单元，这个最小的能量单元称为
“光子”。
能量（解释光电效应）：E
h
hc
动量：
P h
光既可以看做（光反波映又光可以的看波做粒光二子象流性。能光子）是电磁场
能量和动量量子化的粒子，而光波是光子的概率波。
4.1.2 光通过固体现象
设 0 为入射到材料表面的光辐射能流率(单位时间通过单