第9章高分子材料的光学性能PPT课件

siin1 siin2
n2 n1
n2112
式中：v1及v2分别表示光在材料1及2中的传播速度，n21 为材料2相对于材料l的相对折射率。
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材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。两种 折射率相比，折射率较大者，光的传播速度较慢。材料的 折射率永远是大于1的正数。如空气的n =1.0003，固体氧 化物n=1.3—2.7，硅酸盐玻璃n=1.5—1.9，树脂：1.3-1.7
此外，分子中引入除F以外的卤族元素、S、P、砜基、稠环、重金属离子等均可提高
折射率，而分子中含有甲基和F原子时折射. 能力降低。
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这些基团和元素的引入提高了光学树脂的折射率，同时 也带来了一些不足：（1）引入芳香族或稠环化合物可提 高折射率，但聚合物的色散较大；（2）引入除F以外的 卤素可提高折射率，但树脂的密度增大，耐候性差，易发 黄；（3）引入重金属离子如铅、镧、铌或二氧化钛、硫 化铅、硫化铁纳米微粒等可提高折射率，但树脂的密度增 大、抗冲性降低、实用困难；（4）引入脂肪族多环化合 物，可提高折射率，且色散较低，但折射率提高的范围有 限；（5）引入S、N、P等元素可提高折射率，特别是在 聚合物中引入S是提高折射率的最有效方法，且色散好， 环境稳定性好。
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（2）折射率与离子半径的关系
当离子半径增大时，其ε增大，因而n也随之增 大。因此，可以用大离子得到高折射率的材料， 如PbS的n = 3.912，用小离子得到低折射率的材 料，如SiCl4的n = 1.412。
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（3）折射率与摩尔折射度、分子体积的关系
折射率与材料介质摩尔折射度成正比，与分子体 积成反比；而摩尔折射度与介质极化率成正比，所 以要提高折射率，要求材料具有大的极化率和小的 分子体积。
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根据麦克斯威尔电磁波理论，光在介质中的传播速度应为：
v c
式中：c为真空中的光速，ε为介质的介电常数，μ为介质的导磁率。对于非磁性 材料， 1。在下面讨论中，介质材料一般都是非磁性材料。
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n c c v材料 c
n ε
该式反映了光的折射率和材料的介电常数的关系。材料的极化性质与构成材料原 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 量介电常数来影响光在材料中的传播速度。
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(2)绝对折射率与相对折射率
绝对折射率
材料相对于真空中的折射率称为绝对折射率,一般将真空 中的折射率定为1。 相对折射率
由于在实际工作中使用绝对折射率不方便，因此使用相 对折射率的概念。
材料相对于空气的折射率称为相对折射率：n′=va/v材料
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两种材料间的相对折射率
如果光从材料1，通过界面传入材料2时，与界面法向所 形成的入射角i1、折射角i2与两种材料的折射率n1和n2现有下 述关系:
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2. 影响折射率的因素
（1）折射率与极化率的关系
当一种介质材料置于可见光范围的电磁辐射场中时，辐射的极化 电场引起其中带电的结构单元周期性的位移，辐射导致该材料的宏观 极化。
在可见光的频率范围内仅出现电子极化。 由于光的传播与介质的极化有关，因此介质对光波场的响应可用 宏观物理量------极化率或介电常数来描述。 光波除了与材料中的电结构作用外，还与磁结构作用。正是因为 材料的极化和磁化作用，“拖住”了电磁波的步伐，使电磁波的传播 速度变慢。
nn// n
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（5）材料所受的内应力
有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应 力方向的n小。因此产生双折射。
树脂中的双折射主要是由于加工过程中残留的内应力导致链段或基团取
向，因而应力与双折射有一定的关系，即： n//nC
C为应力光学系数，σ为应力。经验表明，脂肪族聚合物具有较低的应 力光学系数，如PMMA和OZ-1000（聚三环癸甲基丙烯酸脂）双折射很小， 基本是各向同性的；含有易极化和取向的苯环的芳香族聚合物则具有较大 的应力光学系数，如PS和PC，苯环位于主链比位于侧链时应力光学系数增 加更大； 树脂大分子链上含有共聚单元，容易产生双折射现象；树脂中添 加其它助剂，由于助剂与树脂之间的折射率不同而产生双折射。
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（4）与材料的结构、晶型的关系
均质介质（各向同性的材料） 如非晶态(无定型体)和立方晶体材料，当光通过时，
光速不因传源自文库方向改变而变化，材料只有一个折射率。 非均匀介质（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，一般会产生双折射现象。
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双折射：当一束光通过一个介质时，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 光线的现象。 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。
第9章 高分子材料的光学性能
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第一节 光通过介质的现象
一. 折射
1．折射率 (1)定义
光是具有一定波长的电磁波，光的折射可理解为光在介质 中传播速度的降低而产生的（以真空中的光速为基础）
当光从真空进入较致密的材料时，其速度是降低的 折射率定义为：光在真空和材料中的速度之比。 即：
n 真空 c 材料
1. 定义：光在介质中传播速度或折射率随入 射光的波长而改变的性质，称为色散。 折射率随频率的减小(或波长的增加)而减小。
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• 对于一枚镜头而言，不同波长光的焦点位 置实际上是不一样的，这必然导致很多成 像问题，其中之一就是色散。
摩尔折射度(R)是由于在光的照射下分子中电子(主要 是价电子)云相对于分子骨架的相对运动的结果，这种把 光学折射与化学结构联系起来的可加量叫做摩尔折射度， 文献中有多种定义。
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可以看出，具有较大极化率和较小分子体积的苯环具有较高的折射率；含有相同碳数
的碳氢基团，折射率按支化链<直链<脂环<芳环的顺序变大。
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4. 折射率的表示
折射率的大小与入射光波长有关。材料的折射 率n 随入射光波长的降低而减小，所以，谈材料 的折射率时必须指出所用的光的波长。一般常用 nD来比较不同材料的折射率。
nD 是 指 用 钠 光 谱 中 的 D 线 （ λD=589.3nm ， 黄 色）为光源测出的折射率。
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二. 色散