第五章——材料的光学性能..

5.1 材料的透光性
可见光的波长和频率范围
光色 波长(nm) 频率(Hz) 中心波长 (nm)
14
红
橙 黄
760~622
622~597 597~577
绿
青 兰 紫
577~492
492~470 470~455 455~400
3.9 ~ 4.8 10 4.8 ~ 5.0 1014 5.0 ~ 5.4 1014 5.4 ~ 6.11014 14 6.1 ~ 6.4 10 6.4 ~ 6.6 1014 14 6.6 ~ 7.5 10
折射率的影响因素-1
• 构成材料元素的离子半径 Maxwell电磁波理论认为光在介质中的传播速度

c
真空 c （n ） 材料

c
c：真空中光速；ε：介质介电常数；μ：介质磁导率
n

对于无机材料电介质， μ≈1
n
c
• 本质：材料的电磁结构在光波电磁场作用下的极化性 质或介电特性
材料的折射率
• 材料的折射率反映了光在该材料中的传播速度 光密介质：在折射率大的介质中，光的传播速度慢 光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快 介质的n总是大于1的正数 如，空气 n=1.0003；固体氧化物n=1.3~2.7；硅酸盐玻 璃n=1.5~1.9 折射率与两种介质的性质和入射光的波长有关 波长越长，折射率越小 • 材料的折射率从本质上讲，反映了材料的电磁结构（ 对非铁磁介质主要是电结构）在光波作用下的极化性 质或介电特性


材料的极化
• 介质的极化 “拖住”了电磁波的步伐，使其传播速度变得比真空 中慢 • 材料的极化性质 与构成材料的原子的原子量、电子分布情况、化学性 质等微观因素有关 这些微观因素通过宏观量介电常数影响光在材料中的 传播速度
当离子半径增大时，其ε增大，因而n也增大 可以用大离子物质得到高n的材料，如nPbS=3.912，用小离 子物质得到低n的材料，如nSiCl4=1.412
双折射是非均质晶体的特性，这类晶体的所有光学性 能都和双折射有关
• 方解石（CaCO3，六方晶系）
双折射现象
• 两种折射率 平行于入射面的光线的折射率，称为常光折射率n0 不论入射光的入射角如何变化，n0始终为一常数，因 而常光折射率严格服从折射定律 另一条与之垂直的光线所构成的折射率，则随入射线 方向的改变而变化，称为非常光折射率ne 不遵守折射定律，随入射光的方向而变化 当光沿晶体光轴方向入射时，只有n0存在，与光轴方 向垂直入射时，ne达最大值，此值是材料的特性 沿晶体密堆积程度较大的方向ne较大
折射率的影响因素-2
• 材料的结构、晶型和非晶态 对非晶态和立方晶体等各向同性材料，当光通过时， 光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折射率 ，称为均质介质 除立方晶体以外的其他晶型，都是非均质介质 • 光进入非均质介质时 分为振动方向相互垂直、传播速度不等的两个波，它 们分别构成两条折射光线，这个现象称为双折射
5.1.3 光透过固体的现象
• • • • • 反射（能量的变化） 折射（光速的变化） 吸收（能量的变化） 散射（能量的变化） 透过（能量）
界面1 ② ③ I1
界面2
① 界面1反射 ② 吸收
I0
①
④ I2
③ 散射
I
④ 界面2反射 透射+吸收+反射+散射
0 A R
当光在晶体内沿某个方向传播时不发 生双折射，该方向称为晶体的光轴 单轴晶体：只有一个光轴的晶体，如方解石、 石英、红宝石、冰等；
双轴晶体：有两个光轴的晶体，如云毋、结 晶硫磺、蓝宝石、橄榄石等
5.1.4光的反射和折射
• 折射 当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。光在 真空Leabharlann Baidu材料中的速度之比即为材料的折射率 真空 c n 材料 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θi，折射角θr与两种材料的折射率n1和n2有 下述关系 sin i n2 v1 n21 sin r n1 v2
《材料物理》 第五章 材料的光学性能
理学院 材料科学与工程系 李煜璟
光 的 现 象
光 的 微 粒 说
（牛顿）
光 的 波 动 说
（胡克， 惠更斯）
光 的 电 磁 说
（麦克 斯韦）
光 的 波 粒 二 象 性
（普朗克， 爱因斯坦）
光的直线传播
光的干涉 光的衍射
电磁波谱 光谱
提纲
• • • • 材料的透光性 激光与发光材料 光的传输与光线材料 材料的非线性光学效应
x
T R 1
电子极化
• 电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量 在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的 每一个原子都发生相互作用引起电子极化，即造 成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移 所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同 时光速减小，后者导致折射
电子能态转变
660
610 570
540
480 460 430
人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。
5.1.1 光的波粒二象性
• 光的粒子性 爱因斯坦 hc E h 光子能量： h 光子动量： p • 波粒二象性 光子是电磁波能量和动量量子化的粒子 电磁波是光子的概率波 波的属性：频率、波长 光子：能量、动量
5.1.2 光的干涉和衍射
• 光的波动性主要表现在它有干涉、衍射及偏振等特性 • 双光束干涉(Interference) 两束光相遇以后，在光的叠加区，光强重新分布，出 现明暗相间、稳定的干涉条纹 • 衍射(diffraction)(绕射) 当光波传播遇到障碍物时，在一定程度上能绕过障碍 物而进入几何阴影区，这种现象称为衍射
• 电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一 种能态的过程
材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的 电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化∆E与 电磁波频率有关 ∆E=hν
受激电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，即自发辐射