材料的光学性能 ppt课件
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光从材料1通过界面传入材料2时，与界面
法向所形成的入射角1 、折射角2与两种
材料的折射率n1和n2之间的关系为：
折射定律： n1sin1= n2sin2
材料2相对于材料1的相对折射率为：
折射率n2 2
1 折射率n1
n21
n2 n1
sin 1 sin 2
v1 v2
分别表示光在材料1和 材料2种的传播速度。
2
s
in
2
(i
r
)
tg2 (i r)
tg
2
(i
r
)
而变化,不服从折射定律。
非常光(e光) 寻常光(o光)
不发生双折射的特殊方 向称为“光轴”，光沿 光轴方向入射时，只有
n0 存 在 ； 与 光 轴 方 向 垂 直 入 射 时 ， ne 达 到 最 大
值。
（3）材料的内应力
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。对于压应力，具有相反的效果。
（4）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；
相同化学组成的玻璃比晶体的折射率低。
如：室温下， 石英玻璃：n=1.46 石英晶体：n=1.55
二、色散
1. 概念
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。
2. 色散系数
……
光参量
光具有波粒二象性，既有波动性，又有粒子性。
照片底片感光、眼睛的视觉作用等都是由光波电场引起，所以用图形表示 光波时，通常略去磁场不画，只画电场。
Einsten光电效应方程：
法向所形成的入射角1 、折射角2与两种
材料的折射率n1和n2之间的关系为：
折射定律： n1sin1= n2sin2
材料2相对于材料1的相对折射率为：
折射率n2 2
1 折射率n1
n21
n2 n1
sin 1 sin 2
v1 v2
分别表示光在材料1和 材料2种的传播速度。
2
s
in
2
(i
r
)
tg2 (i r)
tg
2
(i
r
)
而变化,不服从折射定律。
非常光(e光) 寻常光(o光)
不发生双折射的特殊方 向称为“光轴”，光沿 光轴方向入射时，只有
n0 存 在 ； 与 光 轴 方 向 垂 直 入 射 时 ， ne 达 到 最 大
值。
（3）材料的内应力
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。对于压应力，具有相反的效果。
（4）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；
相同化学组成的玻璃比晶体的折射率低。
如：室温下， 石英玻璃：n=1.46 石英晶体：n=1.55
二、色散
1. 概念
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。
2. 色散系数
……
光参量
光具有波粒二象性，既有波动性，又有粒子性。
照片底片感光、眼睛的视觉作用等都是由光波电场引起，所以用图形表示 光波时，通常略去磁场不画，只画电场。
Einsten光电效应方程：
第四章材料的光学性能材料物理-PPT精品文档
光参量
光具有波粒二象性，既有波动性，又有粒子性。
照片底片感光、眼睛的视觉作用等都是由光波电场引起，所以用图形表示 光波时，通常略去磁场不画，只画电场。
Einsten光电效应方程：
h E h c
频率（）：每秒钟电场完成振动周期的次数（Hz）。
波长（ ）：两相邻波峰或波谷间的距离，亦即在周期性波动的传播方向上具有相同
第四章 材料的光学性能
※§4.1 光通过介质的现象 ※§4.2 无机材料的透光性
§4.3 界面反射与光泽
§4.4 不透明性和半透明性 §4.5 其它光学性能的应用 基础 光 学 性 能 的 应 用
引言
取之不尽的能源
信息载体
生命之源
光学材料分类
透光材料 光纤材料（导光材料）
发光材料
激光材料 光电材料 光信息材料 非线性光学材料 光调制材料（电光、磁光、声光材料） ……
nD，nF，nC分别为以钠的D谱线、氢的F谱线和C谱线（5893Å， 4861Å， 6563Å）为光源，测得的折射率
描述光学玻璃的色散还用平均色散（nF-nC）
3. 讨论
由于光学玻璃一般都或多或少具有色散现象，因而 使用这种材料制成的单片透镜，成像不够清晰，
在自然光的透过下，在像的 周围环绕一圈色带，克服的 办法是用不同牌号的光学玻 璃，分别磨成凸、凹透镜组 成复合镜头，可消除色差， 这种镜头就是消色差镜头。
Fresnel推导：
A' W W A
'
2
' 2 2 W 1 sin ( i r ) tg ( i r ) 2 2 W 2 sin ( i r ) tg ( i r )
《材料的光性能》PPT课件
• 全反射临界角 2 90
1 csi 1 n (n2/n 1) (n21 1，故 c90 )
石英->空气 水->空气
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22
3、折射率 1)折射原因
n r
介质被光（电磁波）的电场分量极化，导致损耗，减慢 了电磁波（光）的传播速度v=c/n，导致传播方向改变， 从而发生折射(n>1)。
∆E=hν< Eg 价电子不发生跃迁， 不能吸收光子而自由运动。
图2 电子受激越过禁带在价带留下一个空穴
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13
2） 紫外吸收峰 -紫外吸收光谱
紫外区出现紫外吸收端，因为频率增大、波长变短，光子能量变大， ∆E=hν> Eg 电子吸收光子而跃迁到导带，产生紫外吸收峰。
EE0exipt()
固有频率 0 k/m
760 630 600 570 500 450 430 400(nm)
红橙黄 绿
青 蓝紫
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2
电磁波谱
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3
5.1 光和固体的相互作用
5.1.1 概论
1. 宏观现象
0TARS W / m 2
1T R S
透射系数： TT /0 吸收系数： A/0
反射系数： RR/0
镜面反射 慢反射
散射系数： S /0
第5章 材料的光学
5.1 光和固体相互作用
5.1.1 概论 5.1.2 光的吸收 5.1.3 光的散射 5.1.4 光的反射和折射 5.1.5 光的透射
5.2 材料的发光 5.4 光的传输-光纤
• 反射 /镜子 • 反射-散射 /颜色 • 散射 /天空 • 绕过/ 隐形衣 • 全反射 /光纤 • 发光 /LED,激光 • 电光 / LCD • 红外线/夜视仪
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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。
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当电场振动沿 x轴正向传播时，有反映该振动的平面简谐波
EE0co
s([tx)]
u
用麦氏电磁场方程组可推出
HH0co s([tux)]
H0
E0
0u
0 0
E0
材料的光学
光的本性
电磁波 • 在真空中
u1/ 002 .991 780 m 9/sc
• 在介质中
u1/ 0r0rc/ rr c/nc
材料的光学
3、光波是横波 transverse wave
光子同时具有微粒性和波动性——光的双重本质。
材料的光学
2、光的电磁性 photic electromagnetism
麦克斯韦——光是一种电磁波 electromagnetic wave
光是电磁场周期性振动的传播所形成的。在光波 中电场和磁场是交织在一起的。
麦克斯韦的电磁场理论： 变化着的电场周围会感应出变化的磁场，而变 化着的磁场又会感应出另一个变化的电场，如此 循环，电磁场就会以波的形式向各个方向传播。
第六章
天津大学
材料的光学
概述
材料的光学性能是材料对外来光源所作出的选 择性和特异性反应，包括材料对光传播的影响以 及在光吸收或光激发后的光发射。 材料对可见光的反射、吸收——五光十色的色彩
（塑料、陶瓷、金属、晶体的各种颜色） • 光的折射、透射——各种光学透镜、光学仪器
光的折射、透射、色散——颜色、光泽、透明、 半透明的陶瓷的釉彩、餐具、艺术品等，无不是 材料光学性能的体现或应用。
引起人的视觉，可以引起电子的振荡。由于波长很长，一个 金属网笼，甚至桥梁上的钢架就可以将其阻止。
微波——109-1011HZ，波长范围分布从毫米到几十厘米，
材料的光学性质PPT课件
E gE d (3.5 4 1.3)8 1(.6 1 1 0)9
此为可见光，呈黄色。
热辐射
• 当材料开始加热时，电子被热激发到较高 能态。当它们跳回正常能级时就会发射出 低能长波光子（红外线），波长位于可见 光之外。温度增加发射有短波光子，材料 开始显示红、橙、黄的混合颜色。在高温 下材料辐射所有可见光的光子，所以成为 白光辐射，即看到材料呈白亮色。
hc Eg
算得能通过的最短波长。因而得知Si和Ge对较短 的波长（如可见光）是不透过的，产生吸收。而 对于波长较长的红外线则是透过的。
掺杂半导体的光吸收
• 如果是掺杂半导体，只要光子的能量大于施主和 受主能级，（Ed和Ea），就会产生吸收。
• 根据能隙标准判断时，绝缘体和多数半导 体，其对于长波长的光子是能透过的，因 而是透明的。然而一些杂质会产生施主和 受主能级，另一些缺陷象气孔和晶界可使 光子被散射，使材料变得不透明。结晶的 聚合物就比无定形聚合物更容易吸收光子。
长成反比，与频率成正比。当电子吸收光子时每次总是吸 收一个光子，而不能只吸收光子的一部分。
光的速度
• 电磁波在真空中的传播速度为c=3×108m/s
c 1 00
式中ε0、μ0分别为真空中的介电常数和磁导率 • 当光在介质中传播时，其速度v由下式决定
v c
rr
式中εr、μr分别为介质的介电常数和磁导率 • c与v的比值称为介质的折射率n
• 公路交通中应用的夜间路标都用长余辉的 磷光体。
• 例题 ZnS的能隙为，要激发ZnS的电子需要光子的波长使多少？如在ZnS中加 入杂质，使之在导带下的处产生一能量陷阱，试问发光时的波长是多少？
解：（1）激发电子进入导带的最大波长为
这个波长相 当E h 于g紫 c( 外6 ( .线6 3 .5 。 2 1 )1 4 .( 6 3 0 )4 1 3 ( 1 1 0 )9 8)0 m 3 .5 0 1 6 7 0 m 35 A 06
此为可见光，呈黄色。
热辐射
• 当材料开始加热时，电子被热激发到较高 能态。当它们跳回正常能级时就会发射出 低能长波光子（红外线），波长位于可见 光之外。温度增加发射有短波光子，材料 开始显示红、橙、黄的混合颜色。在高温 下材料辐射所有可见光的光子，所以成为 白光辐射，即看到材料呈白亮色。
hc Eg
算得能通过的最短波长。因而得知Si和Ge对较短 的波长（如可见光）是不透过的，产生吸收。而 对于波长较长的红外线则是透过的。
掺杂半导体的光吸收
• 如果是掺杂半导体，只要光子的能量大于施主和 受主能级，（Ed和Ea），就会产生吸收。
• 根据能隙标准判断时，绝缘体和多数半导 体，其对于长波长的光子是能透过的，因 而是透明的。然而一些杂质会产生施主和 受主能级，另一些缺陷象气孔和晶界可使 光子被散射，使材料变得不透明。结晶的 聚合物就比无定形聚合物更容易吸收光子。
长成反比，与频率成正比。当电子吸收光子时每次总是吸 收一个光子，而不能只吸收光子的一部分。
光的速度
• 电磁波在真空中的传播速度为c=3×108m/s
c 1 00
式中ε0、μ0分别为真空中的介电常数和磁导率 • 当光在介质中传播时，其速度v由下式决定
v c
rr
式中εr、μr分别为介质的介电常数和磁导率 • c与v的比值称为介质的折射率n
• 公路交通中应用的夜间路标都用长余辉的 磷光体。
• 例题 ZnS的能隙为，要激发ZnS的电子需要光子的波长使多少？如在ZnS中加 入杂质，使之在导带下的处产生一能量陷阱，试问发光时的波长是多少？
解：（1）激发电子进入导带的最大波长为
这个波长相 当E h 于g紫 c( 外6 ( .线6 3 .5 。 2 1 )1 4 .( 6 3 0 )4 1 3 ( 1 1 0 )9 8)0 m 3 .5 0 1 6 7 0 m 35 A 06
材料的光学性能PPT课件
图4-23 方解材料石的晶光学体性能的光轴
一般地说 属于四角晶系、三角晶系和六角晶系的晶 体为单轴晶体,如红宝石、电气石、石英、 冰等;而属于正交晶系、单斜晶系和三斜晶 系的晶体为双轴晶体,如云母、蓝宝石、硫 磺等。 具有立方结构的晶体无双折射性质。
材料的光学性能
利用晶体材料的双折射性质可以制成特殊的光学元件,在光
(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。
材料的光学性能
图4-22双折射现象
可以制成各种晶体波片,使O光和e光之间产生预期的位相
差,从而实现光束偏振状态的转换(四分之一波片,又称λ/4片,
可实现线偏振光和圆偏振光之间的互相转换;二分之一波
片,又称λ/2片,可根据需要随意改变线偏振光的偏振方向);
利用双折射元件装配的偏光干涉仪,可用于测量微小的相位
差;偏光显微镜可用于检测材料中的应力分布;利用不同厚
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。发光是人类研究最早也应用最广泛 的物理效应之一。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,如白炽灯的发光就属于平衡或准平衡辐射;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
材料的光学性能
波粒二象性
早期以牛顿为代表的一种观点认为,光是粒子流。 后来以惠更斯为代表的观点,认为光是一种波动。 麦克斯韦创立了电磁波理论,既能解释光的直线行进和反射, 又能解释光的干涉和衍射,表明光是一种电磁波。 然而在19世纪末,当人们深入研究光的发生及其与物质的相 互作用(如黑体辐射和光电效应)时,波动说却遇到了难题。 于是普朗克提出了光的量子假设并成功地解释了黑体辐射。 接着爱因斯坦进一步完善了光的量子理论,不仅圆满地解释 了光电效应,而且解释了后来的康普顿效应等许多实验。 爱因斯坦理论中的光量子(光子)不同于牛顿微粒学说中的粒 子。他将光子的能量、动量等表征粒子性质的物理量与频率、 波长等表征波动性质的物理量联系起来,并建立了定量关系。 因此光子是同时具有微粒和波动两种属性的特殊物质,是光 的双重本性的统一。这一切都说明,波动性和粒子性的统一 不仅是光的本性,而且也是一切微观粒子的共同属性。
一般地说 属于四角晶系、三角晶系和六角晶系的晶 体为单轴晶体,如红宝石、电气石、石英、 冰等;而属于正交晶系、单斜晶系和三斜晶 系的晶体为双轴晶体,如云母、蓝宝石、硫 磺等。 具有立方结构的晶体无双折射性质。
材料的光学性能
利用晶体材料的双折射性质可以制成特殊的光学元件,在光
(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。
材料的光学性能
图4-22双折射现象
可以制成各种晶体波片,使O光和e光之间产生预期的位相
差,从而实现光束偏振状态的转换(四分之一波片,又称λ/4片,
可实现线偏振光和圆偏振光之间的互相转换;二分之一波
片,又称λ/2片,可根据需要随意改变线偏振光的偏振方向);
利用双折射元件装配的偏光干涉仪,可用于测量微小的相位
差;偏光显微镜可用于检测材料中的应力分布;利用不同厚
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。发光是人类研究最早也应用最广泛 的物理效应之一。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,如白炽灯的发光就属于平衡或准平衡辐射;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
材料的光学性能
波粒二象性
早期以牛顿为代表的一种观点认为,光是粒子流。 后来以惠更斯为代表的观点,认为光是一种波动。 麦克斯韦创立了电磁波理论,既能解释光的直线行进和反射, 又能解释光的干涉和衍射,表明光是一种电磁波。 然而在19世纪末,当人们深入研究光的发生及其与物质的相 互作用(如黑体辐射和光电效应)时,波动说却遇到了难题。 于是普朗克提出了光的量子假设并成功地解释了黑体辐射。 接着爱因斯坦进一步完善了光的量子理论,不仅圆满地解释 了光电效应,而且解释了后来的康普顿效应等许多实验。 爱因斯坦理论中的光量子(光子)不同于牛顿微粒学说中的粒 子。他将光子的能量、动量等表征粒子性质的物理量与频率、 波长等表征波动性质的物理量联系起来,并建立了定量关系。 因此光子是同时具有微粒和波动两种属性的特殊物质,是光 的双重本性的统一。这一切都说明,波动性和粒子性的统一 不仅是光的本性,而且也是一切微观粒子的共同属性。
《材料的光学性能》PPT课件
波长较短（部分颜色）的可见光——可能是带色 透明的。
杂质和缺陷在禁 带中引入中间能 级，使低能量光 子能够将电子从 满价带激发到中 间能级或从中间 能级激发到空导 带，吸收光子。
——禁带较宽的介电材 料不纯时也可吸收光子
红外吸收，与 晶格振动有关， 离子的弹性振 动与光子辐射 发生谐振消耗
能量所致
第一次反射损失
E1
RI0
n n
1
2
1
I0
R其为能反量射损率失，n为介质2的折射率。所以进入介质2的光强度为I0(1-R)，经吸收和散射后 E23=I0(1-R)[1-e-(+S)x]
其中和S分别为介质2的吸收系数和散射系数。
光(二+线次S)x到放达射介的质能2量的损右失表面E4=的I0强R(度1-只R)有e-I(0+(S1)x-R)e传(+出S)x介质2的透射光强度只有I=I0(1-R)2e此射后时形的成I/的I0才透是射近光似—的—透略射低率于—实—际忽测略得了的多透次射反率
第一：引起材料中的电子极化——光波的电场分 量与传播路径上的原子作用，造成电子云的负电 荷中心与原子核的正电荷中心发生相对位移—— 光的部分能量被吸收，光速降低——折射。
第二：引起材料中电子能态的改变。
光子能量恰好为孤立 原子两能级差，将电 子激发到高能级。光 子消失——吸收
这种吸收的条件为
E=hij 其为中这i一、能j级为差原的子光中子电的子频的率两，个h能为级普，朗克E=常Ei-数Ej。为这两个能级的能级差，ij为能量恰好
——只有能量为电子能级差的光子才能被吸收 ——可被孤立原子吸收的光子是不多的。 固体中——能带准连续，不同能量（频率）的光 子都有可能被吸收。 吸收了光子的电子处于高能量的受激态——不稳 定——又会按不同途径衰变返回基态，同时发射 不同波长（能量）的电磁波 受激电子又直接衰变回原能级——发射与入射光 同样波长的光波——反射
杂质和缺陷在禁 带中引入中间能 级，使低能量光 子能够将电子从 满价带激发到中 间能级或从中间 能级激发到空导 带，吸收光子。
——禁带较宽的介电材 料不纯时也可吸收光子
红外吸收，与 晶格振动有关， 离子的弹性振 动与光子辐射 发生谐振消耗
能量所致
第一次反射损失
E1
RI0
n n
1
2
1
I0
R其为能反量射损率失，n为介质2的折射率。所以进入介质2的光强度为I0(1-R)，经吸收和散射后 E23=I0(1-R)[1-e-(+S)x]
其中和S分别为介质2的吸收系数和散射系数。
光(二+线次S)x到放达射介的质能2量的损右失表面E4=的I0强R(度1-只R)有e-I(0+(S1)x-R)e传(+出S)x介质2的透射光强度只有I=I0(1-R)2e此射后时形的成I/的I0才透是射近光似—的—透略射低率于—实—际忽测略得了的多透次射反率
第一：引起材料中的电子极化——光波的电场分 量与传播路径上的原子作用，造成电子云的负电 荷中心与原子核的正电荷中心发生相对位移—— 光的部分能量被吸收，光速降低——折射。
第二：引起材料中电子能态的改变。
光子能量恰好为孤立 原子两能级差，将电 子激发到高能级。光 子消失——吸收
这种吸收的条件为
E=hij 其为中这i一、能j级为差原的子光中子电的子频的率两，个h能为级普，朗克E=常Ei-数Ej。为这两个能级的能级差，ij为能量恰好
——只有能量为电子能级差的光子才能被吸收 ——可被孤立原子吸收的光子是不多的。 固体中——能带准连续，不同能量（频率）的光 子都有可能被吸收。 吸收了光子的电子处于高能量的受激态——不稳 定——又会按不同途径衰变返回基态，同时发射 不同波长（能量）的电磁波 受激电子又直接衰变回原能级——发射与入射光 同样波长的光波——反射
材料的光学性能201401218ppt课件
短复合发光，单分子过程，<10-10s 长复合发光，双分子过程
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38
材料的发光特征
1. 颜色特征
不同的发光材料有着不同的发光颜色。
2. 发光强度特征
发光强度代表发射光的能量，是一个客观数值；发光的亮度是人眼的 感觉，是主观判断的结果，其中包含了眼睛对不同颜色视觉的差别。
发光效率用来表征材料的发光本领。
量子效率：发光的量子数与激发源输入的量子数的比值。
能量效率（功率效率）：发光的能量与激发源输入的能量的比值。
流明效率（光度效率）：发光的流明数与激发源输入的能量的比值 （lm/W）。
3. 发光持续时间特征
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39
规定当激发停止时，其发光亮度L衰减
发光持续时间特征 到初始亮度L0的10%时所经历的时间为 余辉时间，简称余辉。 人眼能够感觉到余辉的长发光期间者为磷光； 人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光。 荧光与磷光无严格区别。
黄 597~577 5.0110 4 ~5.4110 4 570 绿 577~492 5.4110 4 ~6.1110 4 540
青 492~470 6.1110 4 ~6.4110 4 480
兰 470~455 6.4110 4 ~6.6110 4 460
紫 455~400 6.6110 4 ~7.5110 4 430
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23
激子吸收
除了基础吸收以外，还有一类吸收， 其能量低于能隙宽度，它对应于电子 由价带向稍低于导带底处的的能级的 跃迁有关。这些能级可以看作是一些 电子-空穴（或叫做激子，excition） 的激发能级。
导带 激子能级
能隙(禁带）
价带
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材料的发光特征
1. 颜色特征
不同的发光材料有着不同的发光颜色。
2. 发光强度特征
发光强度代表发射光的能量，是一个客观数值；发光的亮度是人眼的 感觉，是主观判断的结果，其中包含了眼睛对不同颜色视觉的差别。
发光效率用来表征材料的发光本领。
量子效率：发光的量子数与激发源输入的量子数的比值。
能量效率（功率效率）：发光的能量与激发源输入的能量的比值。
流明效率（光度效率）：发光的流明数与激发源输入的能量的比值 （lm/W）。
3. 发光持续时间特征
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规定当激发停止时，其发光亮度L衰减
发光持续时间特征 到初始亮度L0的10%时所经历的时间为 余辉时间，简称余辉。 人眼能够感觉到余辉的长发光期间者为磷光； 人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光。 荧光与磷光无严格区别。
黄 597~577 5.0110 4 ~5.4110 4 570 绿 577~492 5.4110 4 ~6.1110 4 540
青 492~470 6.1110 4 ~6.4110 4 480
兰 470~455 6.4110 4 ~6.6110 4 460
紫 455~400 6.6110 4 ~7.5110 4 430
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激子吸收
除了基础吸收以外，还有一类吸收， 其能量低于能隙宽度，它对应于电子 由价带向稍低于导带底处的的能级的 跃迁有关。这些能级可以看作是一些 电子-空穴（或叫做激子，excition） 的激发能级。
导带 激子能级
能隙(禁带）
价带
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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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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。
介质的离子半径增大时，其增大，因而n也随之增大。
材料
介质的折射率永远为大于1的正数。
空气：n=1.003 固体氧化物： n= 1.3~2.7 硅酸盐玻璃： n= 1.5~1.9
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（2）相对折射率
光从材料1通过界面传入材料2时，与界面
法向所形成的入射角1 、折射角2与两种
材料的折射率n1和n2之间的关系为：
折射定律： n1sin1= n2sin2
光学非均质介质：等轴系晶体外的其它晶体材料 光通过时，一般都要分为振动方向相互垂直、传播速度不
等的两个波，构成两条折射线，这种现象称为双折射。
是非均质晶体的特性，是材料各向异性的表现。
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双折射：当一束单色自然光在各向异性晶体的界面折射
时，一般产生两束折射光（均为线偏振光）。
✓ 寻常光：平行于入射面的光线的折射率n0不随入射角的变化而
描述普通光学现象的重要公式表现出数学上的线性特 点，即介质的电极化强度P与入射光波的电场E成简 单的线性关系。
P 0 xE
x为介质的极化率，0位真空介电常数。
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§11.1 光通过介质的现象
一、折射 二、色散 三、反射 四、介质对光的吸收 五、介质对光的散射
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一、折射
1. 概念
第十一章 材料的光学性 能
※§11.1 光通过介质的现象 ※§11.2 无机材料的透光性
基础 光 学
§11.3 界面反射与光泽
性
§11.4 不透明性和半透明性
能 的
§11.5 其它光学性能的应用
应
用
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1
引言
取之不尽的能源 信息载体 生命之源
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2
光学材料分类
透光材料 光纤材料（导光材料） 发光材料 激光材料 光电材料 光信息材料 非线性光学材料 光调制材料（电光、磁光、声光材料）
反射波的传播速度与横截面积与入射波相同
W' W
A' A
2
Fresnel推导：
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二、色散 1. 概念
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。
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2. 色散系数
实用的测量色散的方法是采用固定波长下的折射率 来测量，描述材料色散的光学参量最常用的数值是
倒数相对色散，即色散系数。
nD 1
nF nC
nD，nF，nC分别为以钠的D谱线、氢的F谱线和C谱线（5893Å， 4861Å， 6563Å）为光源，测得的折射率
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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线性光学性能
大离子得到高折射率材料：PbS n=3.912 小离子得到低折射率材料： SiCl4 n=1.412
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（2）材料的结构、晶型和非晶态（离子的排列）
晶体中沿密堆积方向上具有最高的折射率。
光学均质介质：非晶态（无定型体）、等轴系晶体（各向同性） 光通过时，光速不会因传播方向的改变而变化，材料只有 一个折射率
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三、反射 1. 反射系数
W=W´+ W´´
W，W´，W´´分别为单位 间内通过单位面积的入射 光、反射光和折射光的能 量流。
反射系数m： m W '
W
透射系数1-m：
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W'' 1 m 1W'
W
W
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根据波动理论：
W A2vS
S、v分别为光束的横截面积和传播速度 A为振幅
当光线依次通过不同的介质时，光的行进方向会发生改
变，称为“折射”。
折射现象的实质：介质的密度不同，光通过时，传播速 度也不同。
2. 折射率 介质对光的折课件
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（1）绝对折射率
光从真空进入介质材料时，速度降低。光在真空和材料
中的速度之比即为材料的绝对折射率。
n c
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（3）材料的内应力
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。对于压应力，具有相反的效果。
（4）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；
❖ 相同化学组成的玻璃比晶体的折射率低。
如：室温下， 石英玻璃：n=1.46 石英晶体：n=1.55
变化，始终为一常数，服从折射定律。
✓ 非常光：与寻常光垂直的光线的折射率ne随入射线方向的改变
而变化,不服从折射定律。
非常光(e光) 寻常光(o光)
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不发生双折射的特殊方
向称为“光轴”，光沿
光轴方向入射时，只有
n0 存 在 ； 与 光 轴 方 向 垂
直 入 射 时 ， ne 达 到 最 大
值。
描述光学玻璃的色散还用平均色散（nF-nC）
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3. 讨论
由于光学玻璃一般都或多或少具有色散现象，因而 使用这种材料制成的单片透镜，成像不够清晰，
在自然光的透过下，在像的 周围环绕一圈色带，克服的 办法是用不同牌号的光学玻 璃，分别磨成凸、凹透镜组 成复合镜头，可消除色差， 这种镜头就是消色差镜头。
材料2相对于材料1的相对折射率为：
折射率n2
2
1
折射率n1
n21
n2 n1
sin 1 sin 2
v1 v2
分别表示光在材料1和 材料2种的传播速度。
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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。
……
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3
光参量
光具有波粒二象性，既有波动性，又有粒子性。
照片底片感光、眼睛的视觉作用等都是由光波电场引起，所以用图形表示
光波时，通常略去磁场不画，只画电场。
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Einsten光电效应方程：
E h h c
频率（）：每秒钟电场完成振动周期的次数（Hz）。 波长（ ）：两相邻波峰或波谷间的距离，亦即在周期性波动的传播方向上具有相同