玻璃的光学性质

第8章 玻璃的光学性质

玻璃的光学性质是指玻璃的折射、反射、吸收和透射等性质。玻璃常用作透光材料，因此对其光学性质的研究在理论上和实践上都具有重要意义。

玻璃是一种高度透明的物质，可以通过调整成分、着色、光照、热处理、光化学反应以及涂膜等物理和化学方法，获得一系列重要光学性能，以满足各种光学材料对特定的光性能和理化性能的要求。

玻璃的光学性能涉及范围很广。本章仅

在可见光范围内（包括近紫外和近红外）讨论玻璃的折射率、色散、反射、吸收和透射（玻璃的着色和脱色在第9章中介绍）。 为了便于讨论玻璃的光学性质，先简略介绍光的本质。外来能源激发物质中的分子或原子，使分子或原子中的外层电子，由低能态跃迁到高能态，当电子跳回到原来状态时，吸收的能量便以光的形式对外产生辐射，此过程就叫发光。光是一种电磁波，具有一定的波长和频率，且以极高的速度在空

间传播（光速约为3×108

m/s ）。可见光、紫外线、红外线以及其他电磁辐射的波长频率范围见图8-1。

从图8-1中可看出，可见光在整个电磁波中只是很窄的一个波段（390~770nm ）。在这一狭窄的波段内，存在着各种不同的色光，包括红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等光谱。常说的“白光”应该当作“全色光”来理解。棱镜把太阳光分解为七色颜色光的相应波段，每一波段人眼看来是单一的色，叫做单色光，但它不是单一的值，只不过人眼

区别颜色的能力有限，看不出单色复杂性而已。

8.1玻璃的折射率

当光照射到玻璃时，一般产生反射、透过和吸收。这三种基本性质与折射率有关。

玻璃的折射率可以理解为电磁波在玻璃中传播速度的降低（以真空中的光速为准）。如果用折射率来表示光速的降低，则：

V C n / （8-1）

式中：n —玻璃的折射率

C —光在真空中的传播速度 V —光在玻璃中的传播速度 一般玻璃的折射率为1.5~1.75

频率/Hz 图8-1电磁波的频率和波长范围 波长/nm

nm

光在真空中的传播速度不同于在玻璃中的传播速度，因为光波是电磁波，而玻璃内部有着各种带电的质点，如离子、离子集团和电子。对玻璃来说，光波是一个外加的交变电场， 故光通过玻璃时，必然会引起玻璃内部质点的极化变形。在可见光的频率范围内，这种变化表现为离子或原子核外电子云的变形，并且随着光波电场的交变，电子云也反复来回变形，见图8-2。玻璃内这种极化变形需要能量，这个能量来自光波，因此，光在通过玻璃过程中，光波给出了一部分能量，于是引起光速降低，即低于在空气或真空中的传播速度。

玻璃的折射率也可以用光的入射角的正弦与折射角的正弦之比来表示。如式8-2和图8-3所示。

COD Sin AOB Sin n ∠∠=/ （8-2）

式中 AOB ∠—入射角 COD ∠—折射角

玻璃的折射率与入射光的波长，玻璃的密度、温度、热历史以及玻璃的组成有密切的关系。 8.1.1玻璃折射率与组成的关系

总的来说，玻璃折射率决定于玻璃内部离子的极化率和玻璃的密度。玻璃内部各离子的极化率（即变形性）越大，当光波通过后被吸收的能量也越大，传播速度降低也越大，则其折射率也越大。另外，玻璃的密度越大，光在玻璃中的传播速度也越慢，其折射率也越大。

若把玻璃近似看成是各氧化物均匀的混合物，则就每一种氧化物来说，它的极化率i α，密度i d 与折射率i n 之间有如下关系： d M n n N i

i i i 213412

2

+-∙=

πα （8-3） d

M n n K

i i i ∙

+-=2

1

2

2

式中 N —阿佛加得罗常数 i M —氧化物分子量

图8-3光在玻璃中的折射示意图

图8-2在光波作用下玻璃中离子的电子云变形

用i V 代表

d M i ，用i R 代表K

i α

，则得： i i i i V n n R 2

12

2

+-=

（8-4）

式中 i R —氧化物的分子折射度 i V —氧化物的分子体积 经整理后，式（8-4）可改写成：

i

i i

i

i V R V R n -+=

12

1 （8-5） 从式（8-5）可知，氧化物（组份）的折射率i n 是由它的分子体积i V 和分子折射度i R 决定的。分子折射度越大，玻璃折射率越大；分子体积越大，则玻璃折射率越小。 玻璃的分子体积标志着结构的紧密程度。它决定于结构网络的体积以及网络外空隙的填充程度。它们都与组成玻璃各种阳离子半径的大小有关。对原子价相同的氧化物来说，其阳离子半径越大，玻璃的分子体积越大（对网络离子是增加体积，对网络外离子是扩充网络）。 玻璃的折射度是各组成离子极化程度的总和。阳离子极化率决定于离子半径以及外电子层的结构。原子价相同的阳离子其半径越大，则极化率越高。而外层含有惰性电子对（如Pb 2+、Bi 3+等）或18电子结构（Zn 2+、Cd 2+、Hg 2+等）的阳离子比惰性气体电子层结构的离子有较大的极化率。此外离子极化率还受其周围离子极化的影响，这对阴离子尤为显著。氧离子与其周围阳离子之间的键力越大，则氧离子的外层电子被固定得越牢固，其极化率越小。因此当阳离子半径增大时不仅其本身的极化率上升而且也提高了氧离子的极化率，因而促使玻璃分子折射度迅速上升。

由于当原子价相同的阳离子半径增加时分子体积与分子折射度同时上升，前者降低玻璃的折射率，而后者使之增高，故玻璃折射率与离子半径之间不存在直线关系（见图8-4）。从图8-4可看出，当原子价相同时，阳离子半径小的氧化物和半径大的氧化物都具有较大的折射率，而离子半径居中的氧化物在同族氧化物中具有较低的折射率。这是因为离子半径小的氧化物对降低分子体积起主要作用而离子半径大的氧化物则对提高极化率起主要作用。综合这两种效果，故玻璃的折射率与离子半径之间呈“马鞍形”。 图8-4

阳离子半径与玻璃折射率的关系曲线

r/Å