材料物理性能测试技术讲课-光学特性

弹性散射
散射前后，光的波长（或光子能量）不发生变 化的散射称为弹性散射 散射的结果只是把光子碰到不同的方向上去， 并没有改变光子的能量 弹性散射的规律除了波长（或频率）不变之外， 散射光的强度和波长的关系可因散射中心尺度 的大小具有不同的规律 廷德尔（Tyndall）散射 米氏（Mie）散射 瑞利（Rayleigh）散射
材料光学性能的测试技术
高智勇
Байду номын сангаас 本章知识结构体系
前言 光的透射、折射和反射 材料对光的吸收和色散 光的散射及散射光谱 材料的光发射
前言
材料的光学性能给予了极大的关注，光在高科技
中的地位正在不断提高 光集成器件和光子计算机都是人们追求的对象 不同的领域对光学性能有不同要求 金和银对红外线的反射能力最强，所以常被用 来作为红外辐射腔的镀层 半导体锗和硅对可见光不透明，却对红外线透 明，故被用来制造红外透镜
材料的折射率及影响因素
光子进入材料，其能量将受到损失，因此光
子的速度将要改变。当光从真空浸入较致密 的材料时，其速度下降，光在真空和材料中 的速度之比，称为材料的折射率n，材料的 折射率是永远大于1的正数 光从材料1通过界面进入材料2时，与界面法 线所形成的入射角为1,折射角为2，材料2 相对材料1的相对折射率为：
弹性散射的规律
假如以Is表示散射光强度，表示入射光的波 长，一般有如下关系
Is
1


参量与散射中心尺度大小a0有关
按照a0与的大小比较，弹性散射又可分为
三种情况 ：廷德尔（Tyndall）散射 、米氏 （Mie）散射 和瑞利（Rayleigh）散射
廷德尔（Tyndall）散射
积分 dI dx I
l dI I0 I 0 dx ln I ln I 0 l I
I I 0 e l
在介质中光强随传播距离呈指数式衰减。
当光的传播距离达到1/时，强度衰减到入 射时的1/e 如果上式中l<<1，则可以近似的写成
I0 I l I0
材料对光的吸收和色散
一束平行光照射均质的材料时，除了发生
反射和折射而改变其传播方向外，进入材 料之后还会发生两种变化
随着光束的深入，一部分光的能量被材料吸收， 其强度将被减弱 介质中光的传播速度比真空中小，且随波长而 变化，这种现象被成为光的色散
光的吸收
假设强度为I0的平行光束通过
光的色散
介质中光速或折射率随波长改变的现象称为
光的色散现象 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速 度的直接结果。
研究色散最方便的试验可以通过棱镜进行，
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。 色散可分为：正常色散和反常色散
电子能态转变:该原子吸
收了光子能量之后，可 能将E2能级上的电子激 发到能量更高的E4空能 级上，电子发生的能量 变化E与电磁波的频率 有关：
E h 42
孤立原子吸收光子后电子态转变示意图
电子能态转变:
原子中的电子能级是分立的，能级间存在特定 的E。因此，只有能量为E的光子才能被该原 子通过电子能态转变而吸收 原子吸收了光子能量之后，可能将低能级上的 电子激发到能量更高的空能级上 受激原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，它又会衰变回基态，同时 发射出电磁波
对光的认识也随科技的发展不断进步
牛顿 光的粒子性 惠更斯 光的波动性 麦克斯韦 光的波粒二重性 普朗克 光的量子学说 hc h 爱因斯坦 光量子－粒子性和波动性 狄拉克 电磁场的量子化－结合波动与量子
电磁波谱
光的透射、折射和反射
当光从一种介质进入另一种介质时，一部分透过介
1＝T/0＋A/0＋R/0＋/0

T＝T/0称为透射系数 ＝A/0称为吸收系数 R＝R/0称为反射系数 ＝/0称为散射系数
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：
石英等透明材料在红外区的反常色散
光的散射及散射光谱
光的散射
光在通过气体、液体、固体等介质时，遇 到烟尘、微粒、悬浮液滴或者结构成分不 均匀的微笑区域，都会有一部分能量偏离 原来的传播方向而向四面八方弥散开来， 这种现象称为光的散射 光的散射分为弹性散射、非弹性散射
弹性散射
光在通过气体、液体、固体等介质时，遇 到烟尘、微粒、悬浮液滴或者结构成分不 均匀的微笑区域，都会有一部分能量偏离 原来的传播方向而向四面八方弥散开来， 这种现象称为光的散射 光的散射分为弹性散射、非弹性散射
n 21 1 R n 1 21
2
材料的透射及其影响因素
光学材料的应用，一般情况下都希望材料的
透射系数高。除了界面反射损失外，材料对 入射光的吸收及其散射，是影响材料光透射 比的二个重要方面 反射系数 材料与环境的相对折射率和材料 表面光洁度是二个重要因素 散射吸收：主要反映在（1）材料的宏观及 显微缺陷；（2）晶粒排列方向
图4－13给出了金刚
石从紫外到远红外之 间的吸收光谱的大致 轮廓。由图可见，金 刚石的吸收区出现在 紫外和红外波长范围 内。在整个可见光区 都是透明的，是优良 的可见光区透光材料。
金刚石的吸收光谱
吸收光谱的获得
将能发射连续光谱的白光源（如卤钨灯）所 发的光经过分光仪器（如单色仪、分光光度 计等）分解出单色光束，并使之相继通过待 测材料，可以测量吸收系数与波长的关系， 得到吸收光谱
当a0>>时，0，即当散射中心的尺度远大于光波的波 长时，散射光强与入射光波长无关。 粉笔灰颗粒的尺寸对所有可见光波长均满足这一条件， 所以，粉笔灰对白光中所有单色成分均有相同的散射 能力，看起来是白色的 天上的白云，是由水蒸气凝成较大的水滴而组成的， 线度也在此范围，所以散射光也呈白色
米氏（Mie）散射
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，一部分能量被吸收，同时 光波速度被减小，导致折射产生 电子能态转变: 光子被吸收和发射，都可能涉及到固体 材料中电子能态的转变
质称之为色散 ，主要采用色散系数d（Abbe’数） 来表征
构成材料元素的离子半径
一般说来，大离子构成高折射率材料，小 离子构成低折射率材料
材料的结构、晶型
均质晶体：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， 因此材料只有一个折射率，称为均质介质 非均质介质：除立方晶体外的其他晶体均属于 非均质介质。其特点是光进入介质时产生双折 射现象。双折射现象使得晶体有二个折射率， 其一是服从折射定律的寻常光折射率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。
n21 sin 1 n2 v2 n21 sin 2 n1 v1
材料的折射率与下列因素有关：
材料自身因素 构成材料元素的离子半径 材料的结构、晶型 材料存在的内应力 同质异构体 还与入射光的波长有关光的色散 材料的折射率总是随着波长的增加而减小，这种性
记A＝l，A称为吸收率
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。 假如物质对某个波长范围的光很透明，且吸收系 数几乎不变，这种现象称为“一般吸收”。而对 在某个波长区域内的光表现出强烈吸收，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。
正常色散 对于同一材料而言，波长愈
短，则折射率愈大 折射率随波长的变化率 （dn/d）称为“色散率”。
波长愈短，色散率愈大 不同材料，对同一波长，折 射率大者色散率也大
反常色散
石英之类透明材料，把测量波长延伸到红外区域，这时所得到的色散曲 线在吸收带的附近出现明显偏离。 色散曲线的PQ段可以准确的符合科希公式，但从R点起折射率开始急剧 下降 ，而不是随的增加缓慢下降并趋近于极限A 在接近吸收带的短波测，折射率n愈降愈快，直到进入完全不透光的吸 收区。在吸收带的长波侧测得的n值很高，离开吸收区后，n先是迅速下 降，距离渐远再缓慢降低。在S点到T点的范围内，n值回复正常，但数 值较大
地球大气层结构和阳光在一天中不同时刻到达观测者所通 过的大气厚度不同 由于大气及尘埃对光谱上蓝紫色的散射比对红橙色为甚， 阳光透过大气层越厚，蓝紫色成分损失越多，因此到达观 测者的阳光中蓝紫色的比例就较少。
地球表面尘埃和大气引起的光散射
非弹性散射
当光束通过介质时，从侧向接收到的散射 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。除此之外，在 频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低 频和高频侧，分布着其他一些光谱，这些 光谱强度一般比弹性散射微弱得多。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
当a0时，即散射中心尺度与入射光波长可以 比拟时，在0～4之间，具体数值与散射中心 尺寸有关
瑞利（Rayleigh）散射
当a0<<时，＝4。换言之，当散射中心的 线度远小于入射光波长时，散射强度与波长 的四次方成反比。这一关系被称为瑞利散射 定律 根据瑞利定律，微小粒子对长波的散射不如 短波有效。
厚度为l的均匀介质，光在传播 一段距离x之后，强度减弱为I， 再通过一个极薄的薄层dx后， 强度变为I+dI。因为光强是减 弱的，此处dI为负值 假定光通过单位距离时能量损 失的比例为，则
dI dx I
负号表示光强随着x的增加而减弱，为吸收系数。 对于一定波长的光波而言，吸收系数是和介质的性质有关的常数
对材料进行激励，即以各种方式输入能量，将 固体中的电子能量提高到一个非平衡态，称为 “激发态” 处于激发态的电子自发地向低能态跃迁，同时 发射光子。 如果材料存在多个低能态，发光跃迁可以有多 个渠道，那么材料就可能发射多种频率的光子。 在很多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。倘若发射光子与激发 光子的能量相等，发出的辐射就称为“共振荧 光”
材料存在的内应力
有内应力的透明材料，垂直于主应力方向的n 值大，平行于主应力方向的n值小还与入射光 的波长有关
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
材料的反射系数
当一束光从介质1（折射率为n’）穿过界
面进入介质2（折射为n）出现一次反射； 当光在介质2中经过第二个界面时，仍要发 生反射和折射。从反射定律和能量守恒定 律可以推导出，当入射光线垂直或接近垂 直于介质界面时，其反射系数为
在可见光的短波侧 (=400nm处）处，紫外的 散射强度要比长波侧 =720nm处红光的散射强 度大约大10倍
瑞利散射强度与波长的关系
在可见光的短波侧 (=400nm处）处，紫外的 散射强度要比长波侧 =720nm处红光的散射强 度大约大10倍
瑞利散射强度与波长的关系
根据瑞利定律，我们不难理解晴天早晨的太阳为 何呈红色，而中午却变成白色？
材料的光发射
材料的光发射是材料以某种方式吸收能量之
后，将其转化为光能即发射光子的过程 一般地说，物体发光可分为平衡辐射和非平 衡辐射两大类
平衡辐射的性质只与辐射体的温度和发射本领 有关 非平衡辐射是在外界激发下物体偏离了原来的 热平衡态，继而发出的辐射
固体发光的微观过程可以分为两个步骤
质，一部分被吸收，一部分在两种介质的界面上被 反射，还有一部分被散射 假如入射到材料表面的光辐射能流率为0，透过、 吸收、反射和散射的光辐射能流率分别为T、A、 R、，则
0＝T＋A＋R＋
光辐射能流率的单位为W/m2，表示单位时间内通
过单位面积（与光线传播方向垂直）的能量