材料性能----光学性能
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Material Performances Shanghai Institute of Technology
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第九章 材料的光学性能
一些玻璃和晶体的折射率
Material Performances
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第九章 材料的光学性能
2、色散及色散系数 （Cd－Chromatic dispersion） － ） 色散：材料的折射率随入射光波长的增加（即频率减小） 色散：材料的折射率随入射光波长的增加（即频率减小） 而减小的性质 表征： 表征：
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第九章 材料的光学性能
第0节 材料的光学性能 节
2、光的波粒二象性
光的粒子说（牛顿） 光的粒子说（牛顿） 解释了反射和折射定律 光的波动说（惠更斯） 光的波动说（惠更斯） 1860年，麦克斯韦尔创立电磁波理论，解释了光的直线行进和反射，又 年 麦克斯韦尔创立电磁波理论，解释了光的直线行进和反射， 解释了光的干涉和衍射； 解释了光的干涉和衍射； 测量到光的有限速度。 测量到光的有限速度。 光的波粒二象性理论（爱因斯坦） 光的波粒二象性理论（爱因斯坦） 1900年，普朗克提出光量子概念，成功解释了黑体辐射； 年 普朗克提出光量子概念，成功解释了黑体辐射； 爱因斯坦将光粒子的能量、动量与光波动的频率、波长联系起来，建立 爱因斯坦将光粒子的能量、动量与光波动的频率、波长联系起来， 了定量关系； 了定量关系； 1924年，德布罗意创立物质波假设，并很快被电子衍射所证实； 年 德布罗意创立物质波假设，并很快被电子衍射所证实； 1927年，狄拉克提出电磁场的量子化理论。 Shanghai Institute of Technology 年 狄拉克提出电磁场的量子化理论。 Material Performances
• 电来自百度文库能态转变
光子被吸收或发射， 光子被吸收或发射，都可能涉及到 固体材料中电子能态的转变。 固体材料中电子能态的转变。电子发生 的能量变化∆E 与入射波的频率 有关： 与入射波的频率ν有关 有关： 的能量变化
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第九章 材料的光学性能
4、反射和反射系数 自然光在各方向振动的机会均等， 自然光在各方向振动的机会均等，可以认为一半能量属于同 入射面平行的振动，另一半属于同入射面垂直的振动， 入射面平行的振动，另一半属于同入射面垂直的振动，所以 总的能量流之比为
材料
c
v材料
如果光从介质 1 通过界面穿入介质 2 时，与界面法线所形成的入射 有如下关系： 角 i 和折射角 r 与两种介质的折射率 n1和 n2有如下关系：
n21为介质2相对与介质1的折射率 Material Performances
sin i n2 v1 = = = n21 sin r n v2 Shanghai Institute1 of Technology
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2、色散及色散系数 色散系数γ 色散系数
nd − 1 γ = n f − nc
nd －以钠的 谱线 以钠的D谱线 谱线(5893Å)作为光源测 作为光源测 得的折射率； 得的折射率； nf －以氢的 谱线 以氢的F谱线 谱线(4861Å)作为光源测 作为光源测 得的折射率； 得的折射率； nc －以氢的 谱线 以氢的C谱线 谱线(6563Å)作为光源测 作为光源测 得的折射率； 得的折射率；
n= ε
在无机材料中 µ= 1
这说明折射率与介质极化程度有关。一般情况下，离子极化率越大， 这说明折射率与介质极化程度有关。一般情况下，离子极化率越大，则折射率 也越大。而离子半径增大时，极化率和介电常数均增大，使介质折射率也增大。 也越大。而离子半径增大时，极化率和介电常数均增大，使介质折射率也增大。
dn Cd = dλ
dn Cd λ0 = 在给定入射光波长λ0 时， dλ λ0
可直接由色散曲线（n ~ λ）作切线求斜率而得。 可直接由色散曲线（ 作切线求斜率而得。
最实用的方法是： 最实用的方法是： 用固定波长下的折射率表示，最常用的是“倒数相对色散” 用固定波长下的折射率表示，最常用的是“倒数相对色散” 即“色散系数γ”： 色散系数 ：
当光沿介质晶体的某些特殊方向入射时，可不发生双折射现象， 当光沿介质晶体的某些特殊方向入射时，可不发生双折射现象，只有 no 存在，该特殊方向称为晶体光轴。当光沿垂至于光轴的方向入射时， 存在，该特殊方向称为晶体光轴。当光沿垂至于光轴的方向入射时，ne 达到最大值，此值是材料常数。 达到最大值，此值是材料常数。
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第九章 光学性能
第0节 第一节 第二节
材料的光学性能 线性光学性能 非线性光学性能
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第九章 材料的光学性能
第0节 材料的光学性能 节
1、材料光电性能的应用 传统光学玻璃－望远镜、显微镜、照相机、摄影机； 传统光学玻璃－望远镜、显微镜、照相机、摄影机； 高纯、高透明纤维－光通讯； 高纯、高透明纤维－光通讯； 钕玻璃－大功率激光发射； 钕玻璃－大功率激光发射； 掺钕的钇石榴石晶体－中小型脉冲激光器、连续激光器； 掺钕的钇石榴石晶体－中小型脉冲激光器、连续激光器； 半导体－对红外透明，可制造红外透镜； 半导体－对红外透明，可制造红外透镜； 光学塑料－对红外、紫外、微波透明； 光学塑料－对红外、紫外、微波透明； 光学陶瓷－建筑瓷砖、餐具、艺术瓷、搪瓷、卫生瓷； 光学陶瓷－建筑瓷砖、餐具、艺术瓷、搪瓷、卫生瓷； 发光陶瓷－ 发光陶瓷－信息显示技术
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第九章 材料的光学性能
3、双折射及非常光折射率 “常光折射率 no”：服从折射 常光折射率 ： 定律的光线， 定律的光线，折射率始终为一 常数。 常数。 “非常光折射率 ne”：光线 ： 不遵守折射定律时的光折射率。 不遵守折射定律时的光折射率。 随入射光方向的改变而变化。 随入射光方向的改变而变化。
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4、反射和反射系数
当光线由介质1入射到介质 时 当光线由介质 入射到介质2时，光在界面上 入射到介质 分成了反射光和折射光． 分成了反射光和折射光．当入射光的单位能 量流为w时 量流为 时：
1 ′ / W = [sin 2 ( i − r ) / sin 2 (i + r ) + tan 2 ( i − r ) / tan 2 (i + r )] W 2
当角度很小时，即垂直入射时 当角度很小时，即垂直入射时:
sin 2 (i − r ) tan 2 ( i − r ) (i − r ) 2 (i / r − 1) 2 n 21 −1 = = = = 2 2 2 2 n21 + 1 sin (i + r ) tan ( i + r ) (i + r ) (i / r + 1)
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第一节 线性光学性能
一、线性光学性能的基本参量 1、折射率 现象： 现象：光线依次通过两种不同介 质时，光的行进方向发生改变。 质时，光的行进方向发生改变。 实质： 实质：介质密度不同造成光通过 时传播速度不同。 时传播速度不同。 v n = 真空 = 表征：材料折射率 表征：材料折射率 v
4、反射和反射系数 根据波动理论
A－光波振幅； －光波振幅； S －截面积； 截面积； v －波速； 波速；
W ∝ A vS
2
由于反射波的传播速度和横截面积S都与入射波相同， 由于反射波的传播速度和横截面积 都与入射波相同，所以 都与入射波相同
W ' / W = ( A′ / A) 2
把光波振动分为垂直于入射面的振动和平行于入射面的振动， 把光波振动分为垂直于入射面的振动和平行于入射面的振动， Fresnel推导出 推导出 (W ′ / W ) ⊥ = ( A′s /As) 2 = sin 2 (i − r ) / sin 2 ( i + r ) (W ′ / W ) // = ( A′p / Ap ) 2 = tan 2 ( i − r ) / tan 2 (i + r )
单一频率的光入射到非吸收的透明介质 中时，其频率不发生任何变化； 中时，其频率不发生任何变化； 不同频率的光同时入射到介质中时， 不同频率的光同时入射到介质中时，各 光波之间不发生相互耦合， 光波之间不发生相互耦合，也不产生新的 频率； 频率； 当两束光相遇时，如果是相干光， 当两束光相遇时，如果是相干光，则产 生干涉，如果是非相干光， 生干涉，如果是非相干光，则只有光强叠 即服从线性叠加原理． 加，即服从线性叠加原理．
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第0节 材料的光学性能 节
3、光与固体相互作用
材料的线性光学效应
反射 吸收
散射 透射 折射 介质 电子 质点
电子在一个能带内跃迁 －发射连续光谱 电子在主壳层之间跃迁 －发射特征谱线 电子在亚壳层（即能带） 电子在亚壳层（即能带）之间跃迁 －发射单色光 材 料 的 发 光 性
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第九章 材料的光学性能
1、折射率 折射率与介质介电常数的关系
v=
已知光在介质中的传播速度为： 已知光在介质中的传播速度为：
c
两式联立可得
而根据折射率定义有： 而根据折射率定义有：
εµ c n= v
n = εµ
可见，随介质的介电常数 增 可见，随介质的介电常数ε增 介质的折射率也增高。 高，介质的折射率也增高。
W = W ′ + W ′′
• W －入射光单位时间能量流； 入射光单位时间能量流； • W′－反射光单位时间能量流； －反射光单位时间能量流； • W″－折射光单位时间能量流 －
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第九章 材料的光学性能
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第九章 材料的光学性能
第一节 线性光学性能
线性光学的概念： 线性光学的概念： 在解释介质的折射、散射和双折射等现象时， 在解释介质的折射、散射和双折射等现象时，均假定介 质的电极化强度P与入射光波中的电场E 质的电极化强度P与入射光波中的电场E成简单的线性关 系，即
P = ε 0χE
介质的极化率
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3、双折射及非常光折射率
光学均质介质 光学材料
非晶态和等 轴系晶体 介质只有一个折射率 其他晶体材料
光学非均质介质
双折射
自然光进入非均 质介质时， 质介质时，一般都要 分为振动方向相互垂 直、传播速度不等的 两个波， 两个波，分别构成两 条折射光线， 条折射光线，这种现 象称为双折射。 象称为双折射。
入射光子
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第0节 材料的光学性能 节
4、光与固体相互作用的微观过程 • 电子极化
可见光波的电场分量与每个原子都 发生作用， 发生作用，造成电子云和原子核电荷中 心分离（即极化）。 ）。其结果是当光线通 心分离（即极化）。其结果是当光线通 过介质时，一部分能量被吸收， 过介质时，一部分能量被吸收，同时光 波速度减小，导致折射产生。 波速度减小，导致折射产生。
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一些玻璃和晶体的折射率
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2、色散及色散系数 （Cd－Chromatic dispersion） － ） 色散：材料的折射率随入射光波长的增加（即频率减小） 色散：材料的折射率随入射光波长的增加（即频率减小） 而减小的性质 表征： 表征：
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第0节 材料的光学性能 节
2、光的波粒二象性
光的粒子说（牛顿） 光的粒子说（牛顿） 解释了反射和折射定律 光的波动说（惠更斯） 光的波动说（惠更斯） 1860年，麦克斯韦尔创立电磁波理论，解释了光的直线行进和反射，又 年 麦克斯韦尔创立电磁波理论，解释了光的直线行进和反射， 解释了光的干涉和衍射； 解释了光的干涉和衍射； 测量到光的有限速度。 测量到光的有限速度。 光的波粒二象性理论（爱因斯坦） 光的波粒二象性理论（爱因斯坦） 1900年，普朗克提出光量子概念，成功解释了黑体辐射； 年 普朗克提出光量子概念，成功解释了黑体辐射； 爱因斯坦将光粒子的能量、动量与光波动的频率、波长联系起来，建立 爱因斯坦将光粒子的能量、动量与光波动的频率、波长联系起来， 了定量关系； 了定量关系； 1924年，德布罗意创立物质波假设，并很快被电子衍射所证实； 年 德布罗意创立物质波假设，并很快被电子衍射所证实； 1927年，狄拉克提出电磁场的量子化理论。 Shanghai Institute of Technology 年 狄拉克提出电磁场的量子化理论。 Material Performances
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光子被吸收或发射， 光子被吸收或发射，都可能涉及到 固体材料中电子能态的转变。 固体材料中电子能态的转变。电子发生 的能量变化∆E 与入射波的频率 有关： 与入射波的频率ν有关 有关： 的能量变化
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4、反射和反射系数 自然光在各方向振动的机会均等， 自然光在各方向振动的机会均等，可以认为一半能量属于同 入射面平行的振动，另一半属于同入射面垂直的振动， 入射面平行的振动，另一半属于同入射面垂直的振动，所以 总的能量流之比为
材料
c
v材料
如果光从介质 1 通过界面穿入介质 2 时，与界面法线所形成的入射 有如下关系： 角 i 和折射角 r 与两种介质的折射率 n1和 n2有如下关系：
n21为介质2相对与介质1的折射率 Material Performances
sin i n2 v1 = = = n21 sin r n v2 Shanghai Institute1 of Technology
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2、色散及色散系数 色散系数γ 色散系数
nd − 1 γ = n f − nc
nd －以钠的 谱线 以钠的D谱线 谱线(5893Å)作为光源测 作为光源测 得的折射率； 得的折射率； nf －以氢的 谱线 以氢的F谱线 谱线(4861Å)作为光源测 作为光源测 得的折射率； 得的折射率； nc －以氢的 谱线 以氢的C谱线 谱线(6563Å)作为光源测 作为光源测 得的折射率； 得的折射率；
n= ε
在无机材料中 µ= 1
这说明折射率与介质极化程度有关。一般情况下，离子极化率越大， 这说明折射率与介质极化程度有关。一般情况下，离子极化率越大，则折射率 也越大。而离子半径增大时，极化率和介电常数均增大，使介质折射率也增大。 也越大。而离子半径增大时，极化率和介电常数均增大，使介质折射率也增大。
dn Cd = dλ
dn Cd λ0 = 在给定入射光波长λ0 时， dλ λ0
可直接由色散曲线（n ~ λ）作切线求斜率而得。 可直接由色散曲线（ 作切线求斜率而得。
最实用的方法是： 最实用的方法是： 用固定波长下的折射率表示，最常用的是“倒数相对色散” 用固定波长下的折射率表示，最常用的是“倒数相对色散” 即“色散系数γ”： 色散系数 ：
当光沿介质晶体的某些特殊方向入射时，可不发生双折射现象， 当光沿介质晶体的某些特殊方向入射时，可不发生双折射现象，只有 no 存在，该特殊方向称为晶体光轴。当光沿垂至于光轴的方向入射时， 存在，该特殊方向称为晶体光轴。当光沿垂至于光轴的方向入射时，ne 达到最大值，此值是材料常数。 达到最大值，此值是材料常数。
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第0节 第一节 第二节
材料的光学性能 线性光学性能 非线性光学性能
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第0节 材料的光学性能 节
1、材料光电性能的应用 传统光学玻璃－望远镜、显微镜、照相机、摄影机； 传统光学玻璃－望远镜、显微镜、照相机、摄影机； 高纯、高透明纤维－光通讯； 高纯、高透明纤维－光通讯； 钕玻璃－大功率激光发射； 钕玻璃－大功率激光发射； 掺钕的钇石榴石晶体－中小型脉冲激光器、连续激光器； 掺钕的钇石榴石晶体－中小型脉冲激光器、连续激光器； 半导体－对红外透明，可制造红外透镜； 半导体－对红外透明，可制造红外透镜； 光学塑料－对红外、紫外、微波透明； 光学塑料－对红外、紫外、微波透明； 光学陶瓷－建筑瓷砖、餐具、艺术瓷、搪瓷、卫生瓷； 光学陶瓷－建筑瓷砖、餐具、艺术瓷、搪瓷、卫生瓷； 发光陶瓷－ 发光陶瓷－信息显示技术
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3、双折射及非常光折射率 “常光折射率 no”：服从折射 常光折射率 ： 定律的光线， 定律的光线，折射率始终为一 常数。 常数。 “非常光折射率 ne”：光线 ： 不遵守折射定律时的光折射率。 不遵守折射定律时的光折射率。 随入射光方向的改变而变化。 随入射光方向的改变而变化。
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4、反射和反射系数
当光线由介质1入射到介质 时 当光线由介质 入射到介质2时，光在界面上 入射到介质 分成了反射光和折射光． 分成了反射光和折射光．当入射光的单位能 量流为w时 量流为 时：
1 ′ / W = [sin 2 ( i − r ) / sin 2 (i + r ) + tan 2 ( i − r ) / tan 2 (i + r )] W 2
当角度很小时，即垂直入射时 当角度很小时，即垂直入射时:
sin 2 (i − r ) tan 2 ( i − r ) (i − r ) 2 (i / r − 1) 2 n 21 −1 = = = = 2 2 2 2 n21 + 1 sin (i + r ) tan ( i + r ) (i + r ) (i / r + 1)
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第一节 线性光学性能
一、线性光学性能的基本参量 1、折射率 现象： 现象：光线依次通过两种不同介 质时，光的行进方向发生改变。 质时，光的行进方向发生改变。 实质： 实质：介质密度不同造成光通过 时传播速度不同。 时传播速度不同。 v n = 真空 = 表征：材料折射率 表征：材料折射率 v
4、反射和反射系数 根据波动理论
A－光波振幅； －光波振幅； S －截面积； 截面积； v －波速； 波速；
W ∝ A vS
2
由于反射波的传播速度和横截面积S都与入射波相同， 由于反射波的传播速度和横截面积 都与入射波相同，所以 都与入射波相同
W ' / W = ( A′ / A) 2
把光波振动分为垂直于入射面的振动和平行于入射面的振动， 把光波振动分为垂直于入射面的振动和平行于入射面的振动， Fresnel推导出 推导出 (W ′ / W ) ⊥ = ( A′s /As) 2 = sin 2 (i − r ) / sin 2 ( i + r ) (W ′ / W ) // = ( A′p / Ap ) 2 = tan 2 ( i − r ) / tan 2 (i + r )
单一频率的光入射到非吸收的透明介质 中时，其频率不发生任何变化； 中时，其频率不发生任何变化； 不同频率的光同时入射到介质中时， 不同频率的光同时入射到介质中时，各 光波之间不发生相互耦合， 光波之间不发生相互耦合，也不产生新的 频率； 频率； 当两束光相遇时，如果是相干光， 当两束光相遇时，如果是相干光，则产 生干涉，如果是非相干光， 生干涉，如果是非相干光，则只有光强叠 即服从线性叠加原理． 加，即服从线性叠加原理．
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第0节 材料的光学性能 节
3、光与固体相互作用
材料的线性光学效应
反射 吸收
散射 透射 折射 介质 电子 质点
电子在一个能带内跃迁 －发射连续光谱 电子在主壳层之间跃迁 －发射特征谱线 电子在亚壳层（即能带） 电子在亚壳层（即能带）之间跃迁 －发射单色光 材 料 的 发 光 性
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1、折射率 折射率与介质介电常数的关系
v=
已知光在介质中的传播速度为： 已知光在介质中的传播速度为：
c
两式联立可得
而根据折射率定义有： 而根据折射率定义有：
εµ c n= v
n = εµ
可见，随介质的介电常数 增 可见，随介质的介电常数ε增 介质的折射率也增高。 高，介质的折射率也增高。
W = W ′ + W ′′
• W －入射光单位时间能量流； 入射光单位时间能量流； • W′－反射光单位时间能量流； －反射光单位时间能量流； • W″－折射光单位时间能量流 －
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第一节 线性光学性能
线性光学的概念： 线性光学的概念： 在解释介质的折射、散射和双折射等现象时， 在解释介质的折射、散射和双折射等现象时，均假定介 质的电极化强度P与入射光波中的电场E 质的电极化强度P与入射光波中的电场E成简单的线性关 系，即
P = ε 0χE
介质的极化率
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3、双折射及非常光折射率
光学均质介质 光学材料
非晶态和等 轴系晶体 介质只有一个折射率 其他晶体材料
光学非均质介质
双折射
自然光进入非均 质介质时， 质介质时，一般都要 分为振动方向相互垂 直、传播速度不等的 两个波， 两个波，分别构成两 条折射光线， 条折射光线，这种现 象称为双折射。 象称为双折射。
入射光子
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4、光与固体相互作用的微观过程 • 电子极化
可见光波的电场分量与每个原子都 发生作用， 发生作用，造成电子云和原子核电荷中 心分离（即极化）。 ）。其结果是当光线通 心分离（即极化）。其结果是当光线通 过介质时，一部分能量被吸收， 过介质时，一部分能量被吸收，同时光 波速度减小，导致折射产生。 波速度减小，导致折射产生。