第八章 透光和导光材料

透射率T为: T=(1-R)2e-al α 吸收系数；l介质长度。 一般取介质长度为1Omm的值 作为标准。
EXIT
第八章
§8.1 透光材料
透光和导光材料
3. 内透射率θ 内透射率 θ 所表示光线 在透过介质时，只考虑吸收 不考虑反射的特征值。
I 0 (1 R)e l I 0 (1 R) e l T (1 R) 2
高折射率的聚合物，特别是密度较低 的，其色散往往较大。
EXIT
第八章
§8.1 透光材料
透光和导光材料
二、透光材料的种类 3. 低双折射透光高聚物 透光高聚物的双折射来源于高聚物加工成形时的取向 所产生的折射率各向异性。 4. 耐热的透光高聚物 在透光聚合物分子中引入耐热单体、大的侧基和提高 交联度都可以提高其耐热性。 5. 硬度高的透光高聚物 提高透光高聚物的硬度的主要方法是提高交联度。交 联型含有氨基甲酸酯官能团树脂的铅笔硬度可达 5H～9H。 但交联太高，刚性也增大。
EXIT
吸收系数越大时，θ 值就越小，材料的透光性 能就不好。
第八章
§8.1 透光材料
透光和导光材料
υ D －平均色散系数，也称 阿贝数；（数值越小色散现象 越厉害） nF － 材 料 对 标 准 谱 线 F(λ =4861.3Å) 的折射率； nC － 材 料 对 标 准 谱 线 C(λ =6562.7Å) 的折射率； nD － 材 料 对 标 准 谱 线 D(λ =5892.9Å) 的折射率。 nF-nC －平均色散，也称中 部色散。 对于玻璃， υ D＞50 称冕玻 璃，υ D＜50 称火石玻璃。
EXIT
光功能材料基本知识
二、材料光学性能的本质
2、光子与电子的能量转换 光子是最早发现的构成物质 的基本粒子之一。 光子所具有的能量不是连续 的，与频率v有关，光子能量 E=hv。当电子与光子间发生能量 转换时，或是吸收一个光子的能 量，或是发射出一个光子，而不 能只交换一部分光子的能量。
百度文库
EXIT
EXIT
第八章
§8.1 透光材料
透光和导光材料
二、透光材料的种类 （一）透光高聚物的新品种 1. 高折射率高聚物透光材料 (1)溴取代芳香族聚合物 (2)含重金属的单体聚合物 (3)含苯环的单体 (4)含硫的聚合物 (5)含磷聚合物
2. 低折射率高聚物 透光材料 含氟的透光聚合物 折射率是透光高聚物中 最低的，且具有良好的 色散性、耐热性和耐腐 蚀性。
EXIT
第八章
§8.2 光纤材料
透光和导光材料
一、光在光纤中传输基本原理 4、子午光线和斜光线 光学纤维具有均匀的芯子 (半 径为 r，折射率为 n1) 和均匀的包 层(折射率为n2，n2＜n1)。 通过这种纤维的光线有子午 光线和斜光线两种。 子午光线：在一个平面内弯 曲行进的光线，在一个周期内和 光学纤维的中心轴相交两次。 作为子午光线行进的条件：
EXIT
第八章
§8.1 透光材料
透光和导光材料
二、透光材料的种类 （二）透光玻璃的新品种 1. 透紫外玻璃 光学石英玻璃是透紫外线最好的材料，它在紫外波段 有很好的透过性能。紫外透过限180nm。 透紫外黑色玻璃对400～700nm 的可见光是不透明的， 对300～400nm 的紫外光有很高的透射率，国外称这种玻璃 为伍德氏玻璃。 钠钙硅透短波紫外玻璃能透过 254nm的短波紫外线，是 制作热阴极低压汞灯的理想管壁材料。 钠钙透紫外玻璃允许透过 280 ～ 35Onm 以上的中波紫外 线，不能透过28Onm以下的对人体有害的短波紫外线。
EXIT
入射光强Io，射入介质的 光强为(1-R)Io，反射掉部 分光强为IoR。
第八章
§8.1 透光材料
透光和导光材料
一、透光材料的特征值 1. 透射率 T 射入介质的光在穿过介质 时被吸收一部分后，达到介质另 一面的光强为: Io(1-R)e-al 又被反射回介质内的光强为: IoR(1-R) e-al 最后透射出介质的光强: IT ＝Io(1-R)2e-al
EXIT
sin 0＜ n n
2 1
2 2
斜光线：不通过光学 纤维的中心轴的光线。
第八章
§8.2 光纤材料
透光和导光材料
一、光在光纤中传输的基本原理 5、数值孔径NA 光学纤维的数值孔径NA定义为:
光功能材料基本知识
一、材料的光学性能
光是一种电磁波， 各种电磁波的能量、 波长和频率见左图。 材料的光学性 能是指材料对电磁 波辐射、特别是对 可见光的反应，主 要是用材料对电磁 波的吸收、反射和 透射特性来衡量。
EXIT
光功能材料基本知识
一、材料的光学性能
当一束强度为I0的光入射到玻璃 中时，在材料的表面会发生光的反 射，另外光也会透过玻璃，常常透 过的光的强度小于入射强度，这往 往是由于玻璃会吸收一部分光。 光的入射、反射、透射、吸收 和强度关系：I0＝ IR+ IT+ IA 透射率T：T= IT / I0 吸收率A：A= IA / I0 反射率R：R= IR / I0
EXIT
第八章
§8.1 透光材料
透光和导光材料
透光材料包括透可见 光( 波长 0.39～ 0.76 μ m)、 红外光 (波长1 ～ 1000 μ m ) 和紫外光(波长0.01～ 0.4μ m)的材料。 一、透光材料的特征值 1. 透射率 T 透射率 T 为透射光强 IT 与入射光强 I0 之比 T=IT/I0 ， 也称透光率。
EXIT
第八章
§8.2 光纤材料
透光和导光材料
一、光在光纤中传输的基 入射光束以大于 φ0 的角度 本原理 入射到芯子与包层的界面上 ， 2、光在光纤中传播原理 光线在界面上发生全反射，在 光学纤维中光的传送是利 芯中以锯齿状路径曲折前进 ， 用光的全反射原理。 不会穿出包层，避免光在传播 时的折射损耗。 光纤材料按结构分类： （1）包层型：折射率在皮和 芯界面上呈突跃变化。 （2）自聚焦型：折射率随半 径呈梯度指数变化。
光功能材料基本知识
二、材料光学性能的本质
2、光子与电子的能量转换 对于电子来说，从光子处吸收的 能量或给光子的能量也不是任意的， 而是要刚好等于材料中电子可能存在 的能级的能量差。 电子和光子彼此间能量交换的这 种“苛刻”条件，导致不同的材料具 有完全不同的光学性能。 当光子的能量给了电子，光被材 料吸收；当受光激发的电子回落到低 能级放出光子，光被材料反射。
EXIT
T+A+R=1 透射率、吸收率和反射 率的大小不仅与材料有 关，还与光波的波长有 关。
光功能材料基本知识
一、材料的光学性能
根据透射率、吸收率和反射率之间 的相对大小，材料可分为： 光透明的 (transparent) 材料： A 、 R 很小，可见光几乎可以全部透过。 光半透明的 (translucent) 材料：可见 光穿透比较困难。 光不透明的(opaque)材料：不能透过 可见光。 光的折射 折射率和相对折射率 折射率与材料和入射光的频率有关。
EXIT
第八章
§8.1 透光材料
透光和导光材料
二、透光材料的种类 高聚物材料：另一类透光材料，发展较快，主要有 聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、苯乙烯丙烯 腈共聚体、聚甲基异戍二烯、透明聚酰胺等。 高聚物材料材料的透射率已达到 90 ％左右，有的原 来透射率不太高的树脂如 PVC也已经制出透射率达到 90 ％的产品。 不仅已用于眼镜和低档照相机上，而且已逐步应用 于显微镜、天文望远镜、夜视仪、制导系统、测距机等 各种中高档光学仪器上。
EXIT
第八章
§8.2 光纤材料
透光和导光材料
一、光在光纤中传输的基本原理 3、传输模式 光在纤维中传输有一定的传输模式。 （1）一种模式或波型 具有一定频率、一定的偏振状态和传播方向的光波。 传输模式是光学纤维最基本的传输特性之一。 （2）光纤按传输模式分类 单模光纤：一种光学纤维只允许传输一个模式的光波。 多模光纤：一种光纤允许同时传输多个模式的光波。
EXIT
光功能材料基本知识
二、材料光学性能的本质
固体材料的透射、吸收和反射等光学性能的本质涉及 电磁波与材料中原子、离子或电子的相互作用，最重要的 二点是电子极化和电子的能量转换。 1、电子极化 电子极化影响介电常数，折射率与介电 常数有关，反射率与反射界面二侧介质 的折射率有关，所以电子极化对光学性 能有很大影响。 2、光子与电子的能量转换 光具有波动和微粒二重性，当考虑光与 电子之间的能量转换时，光当成粒子， 称为光子。
EXIT
第八章
§8.1 透光材料
透光和导光材料
二、透光材料的种类 （二）透光玻璃的新品种 2. 水合玻璃和梯度折射 率光学材料 水合玻璃由于不易控制 其含水量尚未实际应用。 梯度折射率光学材料可 用玻璃、高分子和晶体制成。 材料的折射率可沿轴向、 径向、球向三个方向之一而 变化。
EXIT
为了提高透光材料的透射 率，往往在其表面涂上一层增 透膜。单层膜材料的折射率小 于被涂材料。 常用的材料有MgF2、 SiO3、Al2O3、Ti02、SiO2和有 机硅(钛)化合物等，取决于镀 膜方法和膜的层数。 镀膜方法有：真空蒸镀、 化学镀、激光镀和离子镀。 膜层有：单、双和三层。
EXIT
第八章
§8.1 透光材料
透光和导光材料
二、透光材料的种类 （二）透光玻璃的新品种 1. 透紫外玻璃 除此之外，许多碱卤化合物晶体和碱土 -卤化物晶体在紫 外区域也有较好的透过性能，但由于这些晶体的物理化学，性 能大多不如光学石英玻璃稳定，制备工艺也比较复杂，真正能 够在紫外光谱分析仪上代替光学石英作分光棱镜的晶体材料为 数很少。 2. 水合玻璃和梯度折射率光学材料 在透光材料的开发研究中，值得提出的是水合玻璃和梯度 折射率光学材料。
EXIT
第八章
§8.1 透光材料
透光和导光材料
二、透光材料的种类 高聚物透光材料的优点： 重量轻 ( 密度为 0.83 ～1.46g/cm3)、成本低、制造工艺 简单、不易破碎，可用来制作各种透镜、棱镜、非球面镜、 反射镜等各种光学元件。 透光高聚物的缺点： 折射率范围窄，热胀系数、双折射和色散大，耐热、 耐磨、硬度、耐湿和抗化学性能差。
第八章
§8.2 光纤材料
透光和导光材料
光纤材料：光通信中用于传播光信息的光学纤维所 用的材料，又称为光波导纤维材料。 光通讯可能是未来重要的通讯方式，通讯用光纤材 料成为当今最引人注目的新型光传输材料，并得到了日 益广泛的应用。 一、光在光纤中传输的基本原理 1、全反射现象 光的全内反射现象是一切光纤的 工作基础。 折射率n1＞n2，入射角φ1＞临界 角φ0。
一、透光材料的特征值 4. 平均色散系数υ D 透光材料中光学玻璃通常 按折射率 nD 和平均色散系数 υ D 两个光学常数进行分类。 平均色散系数的表示为:
nD 1 D n F nC
EXIT
第八章
§8.1 透光材料
透光和导光材料
二、透光材料的种类 透可见光的材料常用的有玻璃和高聚物两大类。 玻璃材料的优点：透射率最高 ( 可高达 98 ％以上 ) ， 折射率范围大(1.44～1.94)，色散系数范围大(υD= 20～90) 光学稳定性好，耐磨损。 玻璃材料的缺点：密度大(2.27～6.26g/cm3)，耐冲击 强度低，加工困难，制造周期长。 目前，玻璃仍是制造各种光学元件特别是高、精光 学元件的最主要的材料。
一、透光材料的特征值 2. 光密度 D
D lg 1 T 1 D lg (1 R ) 2 e al a l lg e 2 lg(1 R ) 0.4 3 4 a l Dr Dr 2 lg(1 R )
Dr－反射修正值。 光密度的物理意义：吸收 (0.434αl)和反射 (Dr)两部分损 失之和。
EXIT
第八章
§8.1 透光材料
透光和导光材料
二、透光材料的种类 6. 高吸水率透光高聚物 随着隐形眼镜等接触透镜的实用化，要求高吸水率透 光聚合物。常用单体MMA、HEMA、乙烯基吡咯烷酮等。如聚 N-乙烯基吡咯烷酮-MMA-VAE-EMA的吸水率达87％。 （二）透光玻璃的新品种 1. 透紫外玻璃 透紫外玻璃仍是应用最普遍的透紫外光学材料，包括 有光学石英玻璃、透紫外黑色玻璃、钠钙硅透短波紫外玻 璃以及钠钙透紫外玻璃等。