第六章-材料光学性能分析

第六章 材料光学性能分析

一、教学目的

理解并掌握各光学性能、光谱的概念，掌握各光谱仪的测试方法和光谱分析方法。了解光谱仪的结构和测试原理。

二、重点、难点

重点：固体发光原理、荧光光谱测试技术。

难点：荧光光谱测试技术。

三、教学手段

多媒体教学

四、学时分配

6学时

第一节 透射光谱和吸收光谱

材料的光学性能主要包括对光的折射、反射、吸收、透射以及发光等诸多方面，光学性能与材料的某些应用领域密切相关，比如用作反射镜、光导纤维窗口、透镜、棱镜、滤光镜、激光探测器件等。鉴于篇幅，本章着重介绍折射率、色散、透过、吸收以及激发、发射、亮度、效率等发光性能的测试。

一、基本概念

光作为一种能量流，在穿过介质时，能引起介质的价电子跃迁或影响原子的振动而消耗能量。

即使在对光不发生散射的透明介质如玻璃或水溶液中，光也会有能量的损失，即光的吸收。

1.吸收光谱

设有一厚度为x 平板材料，入射光强度设为I 0，通过此材料后光强度为I ′。选取其中一薄层，并认为光通过此薄层的吸收损失-dI 正比于此处光强度 I 和薄层厚度dx ，即:

则可得到光强度随厚度呈指数衰减规律，即朗伯特定律：

α为物质对光的吸收系数，单位为cm-1。 dI I dx α-=⋅⋅'0x

I I e α-=⋅

α的大小取决于材料的性质和光的波长。对于相同波长的光波，α越大，光被吸收得越多，能透过的光强度就越小。

α随入射光波长(或频率)变化的曲线，叫作吸收光谱。

2.透射光谱

透光性是表征材料被光穿透能力的高低，透光性的好坏可用透过率指标T 来衡量。 透过率T 是指光通过材料后，透过光强度占入射光强度的百分比。剩余光强度应是从初始入射光强度I 0中扣除造成光能衰减的表面上的反射损失、试样中的散射损失和吸收损失等。

一般地，反射、吸收和透过的关系可用下式表示：

T ——透过率；R ——反射系数；α——吸收系数；

d ——试样厚度，单位cm 。

透过率T 随波长变化的曲线即称为透射光谱曲线。

➢ 透射光谱曲线可用分光光度计来测定。

➢ 光强的大小用光透过试样照到光电管上产生的电流的大小来表示。 ➢ 某个波长的光通过空气（作为空白样）后的光强设为I 0，再通过一定厚度的试样后的光强设为I ′，即可通过I ′/ I 0得到针对该波长的透过率Tλ，如此依次测得其他各波长的透过率就可得到透过率T 随波长变化的透射光谱。

二、光谱测试

1.测试仪器：分光光度计

图6-1 721型分光光度计的光学系统示意图

1—光源 2, 8—聚光透镜 3—反射镜 4—狭缝 5, 12—保护玻璃 6—准直镜 7—色散棱镜 9—比色皿 10—玻璃试样 11—光门 13—光电管

2.透射光谱测试

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T R d α=--⋅

由光源发出的连续辐射光线，经过聚光透镜汇聚到反射镜，转角90°反射至狭缝内。由此入射到单色器内准直镜的焦面上，被反射后，以一束平行光射向色散棱镜（棱镜背面镀铝），光在棱镜中色散，入射角在最小偏角时，入射光在铝面上反射后按原路返回至准直镜，再反射回狭缝，经聚光透镜再次聚光后进入比色皿中，透过试样到光电管。光电管所产生的电流大小表示试样的透过率，直接从微安表读出，从而可得T—λ曲线，即透射光谱。

图6-2 ZnSe晶体的透过率曲线

3．吸收光谱测试

若试样为粉末状，精确测量粉末试样的吸收光谱存在很大困难，由于粉末层足够厚时，透射很少，可以忽略，光在粉末中通过无数次折射和反射，最后不是被吸收就是折回到入射那一侧，因此通常通过测试其反射光谱来粗略地估计他们对光的吸收。Rλ为被测材料的反射系数，可以认为散射、透射很小，则吸收系数α近似等于（1-Rλ），这样，就可以通过测量材料表面对各波长入射光的反射率来确定其吸收光谱。

图6-3 Cr3+: Al2O3透明陶瓷的室温吸收光谱

第二节荧光材料的光谱特性

一、激发光谱与发射光谱

1.激发光谱与发射光谱概念

发光材料的发射光谱（也称发光光谱）是指发光的能量按波长或频率的分布。由于发光的绝对能量不易测量，通常实验测量的都是发光的相对能量，因此在发光光谱图中，横坐标为波长（或频率），纵坐标为单位波长间隔（或单位频率间隔）里的相对能量（相对强度）。

激发光谱是指发光的某一谱线或谱带的强度随激发光波长（或频率）变化的曲线，横轴代表激发光波长，纵轴代表发光的强弱。发光材料在指定方向的单位立体角内所发出的光通量称为发光材料在该方向的发光强度，简称光强，单位为坎德拉（cd）。

2.激发光谱与发射光谱测试

发光光谱和激发光谱通常使用荧光分光光度计测量。

光源多选用氙灯。激发单色仪用于选择激发光源的波长和调节激发光源的发射能量。发射单色仪用来测量材料发光的波长，精度比激发单色仪高。所使用的光电倍增管要求其波长响应范围宽、灵敏度高。

由光源发出的光，通过激发单色仪后变成单色光，而后照在荧光池中的被测样品上，由此激发出的荧光被发射单色仪收集后，经单色器色散成单色光而照射在光电倍增管上转换成相应的电信号，再经放大器放大反馈进入A/D转换单元，将模拟电信号转换成相应的数字信号，并通过显示器或打印机显示记录下被测样品的谱图。以上就是荧光分光光度计的基本工作原理。荧光分光光度计的工作原理如所示：

图6-4荧光分光光度计工作原理图

二、亮度

1.概念

亮度：发光材料在指定方向上的单位投影面、单位立体角中发射的光通量称为发光材料在该方向的亮度。单位：cd/m2。

光通量：发光材料的辐射通量对人眼引起的视觉强度称为光通量，单位为流明（lm）。光通量实质上就是用眼睛来衡量光的辐射通量。

辐射通量：光材料在单位时间内所辐射的能量。单位：W

2.亮度测量

图6-5亮度计原理示意图

图中，O——物镜，P——带孔反射板，H——小孔，F——滤光片，D——探测器，FD的组合使D的光谱灵敏度和人眼视觉函数V（λ）一致。I/V——交换器，A——放大器，R——显示器。图的上部由反射镜P′和目镜系统E组成，用于观察和对准被测目标。

表6-1 国内外几种亮度计的主要性能指标