材料的光学性能

长的光子——反射光
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大多数金属的反射率在0.9～0.95之间，其余能量转换成 其他形式的能量，如热量
金属对不同波长的光的反射能力不同——反射光的波长不
同——颜色不同
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10. 1. 4 非金属材料对光的反应
(Interfaction between non-metal materials and lights)
第10章 材料的光学性能 (Optical properties of materials)
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10. 1 光与材料的作用 (Interaction between lights and materials)
10. 1. 1 光的物理本质 (Physical essence of lights)
(Absorption and reflection of metallic materials to lights)
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金属对可见光一般不透明——能带结构决定
费米能级以上有许多 空能级——可吸收不 同波长的光子将电子 激发到空能级上
大部分被激发电子又
会衰变回基态，放出
与所吸收的光子同波
n2 n1
v1 v2
n21：称为材料2相对于材料1的相对折射率，n1、n2分别为 材料1、2的折射率，v1、v2分别为材料1、2中的光速。
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由材料中的光速与介电常数和磁导率的关系可得
n c v
r r
其中r和r分别为材料的相对介电常数和相对磁导率。大 多数非金属材料的磁性很弱，r1，有
吸收、反射、散射的能流率。
用0除等式两边，则有 T+A+R+S=1
T T 0
A A 0
R R 0
Байду номын сангаасS S 0
分别称为透射率、吸收率、反射率和散射率。
折射、反射、散射、吸收各有其微观机制——光与固体中 的原子、离子、电子等的相互作用
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光子与固体材料的相互作用的本质有两 种方式：
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颜色随波 长改变。 白光是各 色光的混 合
可见光：波
长处于人眼
能够感知范
围的那部分
电磁波，波
长范围很窄
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光波也由电场分量与磁场分量组成，这两种分量彼此垂直 且都垂直于光的传播方向。
电磁波在真空中的传播速度c=3×108m/s，且有
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c 1
00
其和中磁导0和率。0分别为真空中的介电常数
(General rules of the interaction between lights and materials)
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(a)吸收；
(b)散射；
(b)透射；
(b), (c), (d)反射。
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入射到材料表面的光的能流率为0W/m2，则有 0=T+A+R+S 其中T、A、R、S分别是透射、
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1 非金属材料对光的折射
光从真空进入材料时速度降低，光在真空中的速度c和材 料中的速度v之比即为材料的折射率
n=c/v
当光从材料1中通过界面进入材料2时，在材料1中入射光与
界面法线所成的角即入射角为i1，在材料2中折射光与界面 法线所成的角即折射角为i2
n21
sin i1 sin i2
电子极化 电子能态转变 从微观上分析，其实就是光子与固体材
料的原子、离子、电子之间的相互作用
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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。
在某个时刻其上各 点相位取等值的曲 面称为等相面。
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在日常生活和实验的基础上，人们简单明了地总结：
几 ①光在均匀介质中的直线传播定律; 何 ②光通过两种介质的分界面时的反射定律和折射定律; 光 ③光的独立传播定律和光路可逆性原理。 学
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10. 1. 3 金属材料对光的吸收和反射
n r
由于r>1，材料的折射率总是大于1的。
大离子可以使原子的正负电荷中心产生较大的相对位移，
r增大——可用大离子构成高折射率的材料，小离子构成
低折射率的材料。
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双折射现象
均质介质（非晶态材料和立方晶系的晶体）：对光是各向 同性的，只有一个折射率。
非均质介质（非立方晶系的晶体）：光线入射到该介质中会 产生双折射现象，即出现两条振动方向相互垂直、转播速度 不等的折射线。
一般沿晶体密堆方向ne较大。
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材料折射率的影响因素 (1) 当离子半径增大时，因而n也随之增大。 (2) 材料的结构、晶型和非晶态 双折射是非均质晶体的特性 (3) 材料所受的内应力
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
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这种吸收的条件为
E=hij 其的普能朗中级克i、差常j为，数原。子ij为中能电量子恰的好两为个这能一级能，级差E=的E光i-E子j为的这频两率个，能h级为
——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。
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光在非真空介质中传播时光速
v 1 c
rr
其中和分别为介质的介电常数和磁导率，r和r分别为材料
的相对介电常数和相对磁导率。
考虑光的量子性，将光看成粒子，其能量量子即为光子，光
子的能量 E h hc
其中为频率，为波长，h为普朗克常数。
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10. 1. 2 光与材料作用的一般规律
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
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受限于人们的视野，受制于我们所接触的世界尺度！ 光波的传播方向 光波等相面
双折射导致双折射率：平行于入射面的光线的折射率为常
数律，；与另入一射条角与无之关垂，直称的为光线常不光严折格射遵率守n0，折严射格定服律从，折所射构定成 的折射率的大小随入射光方向变化，称为非常光折射率ne。
例分如别对为1石.6英58，和n10.4和86n。e分别为1.543和1.552；对方解石，n0和ne