第六章 材料光学性能分析

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College of Physics ,Mechanical and Electrical Engineering
6.1 光的折射、吸收与透射
一、折射
1、概念
当光线依次通过两种不同的介质时，光的行进方向发 生改变，称为光的折射。 折射现象的实质：介质的密度不同，光通过时传播速 度不同。
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（2）测试原理
当一束垂直于V棱镜入射面的平行光进 入V棱镜后，若n=n0时，光线将不偏折 地通过V棱镜； 当被测试样n≠n0，光线按折射定律发 生折射，出射光线与入射光线夹角为α， 按折射定律推导出α与n之间的关系：
光源 热辐射光源：碘钨灯，用于可见红外光区域（340~2500nm） 气体放电光源：氘灯，用于紫外区域（190~375nm） 单色器 作用：从光源的复合光分出单色光的光学装置 构造：入射狭缝、准直镜、色散元件、出射狭缝等级部分。 核心部件：色散元件，起分光作用。 光栅或棱镜。 检测器 光电转换元件，是检测样品通过样品吸收后透射光的强度， 将光信号转换为电信号。 主要含：光电倍增管——紫外-可见区域 PbS检测器——近红外区域
n n0 2 sin
n0 2 sin 2
α可通过测角仪的转盘读数
计算不同测试波长的n值和色散系数或平均色散。
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4、透明样品的吸收和透射光谱测试
1.测试仪器：分光光度计
光源 单色器 样品池 检测器 信号显 示系统
图 ZnSe晶体的透过率曲线
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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I0，再 通过一定厚度的试样后的光强设为I′，即可通过I′/I0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。
四、吸收与透过
1、光吸收的一般规律
光作为一种能量流，在穿过介质时，引起光衰减的现象— —光的吸收。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。
介质的价电子跃迁 介质的原子振动 价电子激发发出光子热能 能量衰减
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第六章 材料光学性能分析
光的折射、吸收与透射
材料发光性能测试
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sin
sin i n2
n1 sin n2 2 sin 2 i cos sin i
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三、折射率、色散测试
1、V棱镜法
（1）仪器构造 V棱镜折射仪
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n1 n2 sin( ) n2 (sin cos sin cos )
而 n2 2 sin 2 sin 2 i
2 2 n sin i 2 2 2 2 n2 (1 cos ) sin i cos n2
T (1 R)2 exp( d )
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。
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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
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2、光吸收与波长的关系
（1）选择性吸收 材料对某一波段的具有强烈的 吸收作用，而对其他波段的光 吸收较弱或不吸收，这种现象 为选择性吸收。 严格说一切介质都是选择性吸 收介质。 透明材料在可见光谱内的选择 性吸收使其呈现不同的颜色。 （2）均匀吸收 在可见光范围内，材料对各种波长的吸收程度相同，这种现象 为均匀吸收。 在均匀吸收的情况下，随着吸收程度的增加，颜色由灰变黑。
（2）相对折射率： 光从 介质1通过界面进入介质2，与界面法线所形成的入射 角i和折射角r与两种介质的折射率n1和n2有下述关系： sin i n 2 v1 = n21 sin r n1 v2
n21——介质2相对介质1的相对折射率
3、影响折射率大小的因素
（1）构成材料元素的离子半径 根据Maxwell电磁理论，光在介质中的传播速度为： c c：真空中的光速 v n=

nd 1 n 1 以前常用 D nF nC nF nC
式中：nd——氦d谱线（黄）587.46nm为光源测得的折射率。 nF——氢F谱线486.13nm为光源测得的折射率。 nC ——氢C谱线656.27nm为光源测得的折射率。 描述光学玻璃色散还 nD ——钠D谱线589.3nm为光源测得的折射率。 用平均色散——nF-nC
2、折射率
介质对光的折射性质用折射率“n”表示。 （1）绝对折射率： 光在真空中的传播速度与在介质中的传播速度之比称为绝对 折射率。 v真空 c
n
介质的折射率永远是大于1的常数
v介质
=
v介质
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（2）材料的结构、晶型和非晶态 晶体密排面上具有最高折射率 光性均质体：非晶态、立方晶系晶体只有一个折射率 n 光性非均质体：立方晶系以外晶体发生双折射现象ne n0 光性非均质体产生双折射现象，是材料各向异性的性质的表现。 （3）材料的内应力 垂直受拉主应力方向的n大，平行受拉主应力方向的n小。 对于压应力效果相反。 （4）同质异构体 同质异构体，高温晶型n小，低温晶型n大。 相同化学组成的玻璃比晶体的n小。 如室温下：石英晶体：n=1.55 石英玻璃：n=1.46

对于无机材料：μ=1，ε≠1
n=
ε：介质的介电常数 μ：介质的导磁率
介质折射率随介电常数的增大而增加
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二、色散
1、概念
材料的折射率随入射光频率减小而减小的性质——折 射率的色散。
2、色散系数
给定入射光波长，由式dn/dλ计算各波长色散值，得 到某种材料完整的色散曲线。 最常用的测定色散值的方法是用固定波长下的折射率 来表示，用得较多的是倒数相对色散，即色散系数：
dI I dx
则可得到光强度随厚度呈指数衰减规律，即朗伯特定律：
I ' I 0 e x
α 为物质对光的吸收系数，单位为cm-1。 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，材料越 厚，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、阿贝折射仪法
（1）仪器构造
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（2）测试原理 由折射定律可得：
n1 sin 90 n2 sin n2 sin sin i
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
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3、透光性
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数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I0中扣 除造成光能百度文库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：
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2.透射光谱测试
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。
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吸收光谱 设有一厚度为 x 平板材料，入射光强度设为 I0 ，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: