材料物理性能复习资料(光学)

1，光传播的基本理论： 波粒二象性：物理学的研究向我们揭示了：“光”的本质是一种电磁波，并且具有“波”、“粒”二象性 粒子性物理量——ε＝h υ，p ＝h/λ——波动性物理量 （1）光的电磁性：光既可以看做光波又可以看做光子流。

光子是电磁场能量和动量量子化粒子，而电磁波是光子的概率波。

（2）光和物质的相互作用：光子的静止质量为零，它在真空中的传播速度为光速。

（a ）光子只能传递量子化的能量：ε= h ν ν为光波电磁场的频率；h 为普朗克常数。

（b ）光子还具有动量 :P = h/λ λ为光的波长。

2，光学性能：就是材料暴露在电磁辐射，尤其在可见光中的响应。

3，折射率： 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 = v 真空/v 材料 = c/v 材料 4，绝对折射率与相对折射率 （1）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。

（2）相对折射率： 材料相对于空气的折射率称为相对折射率： n ′=va/v 材料 （3）绝对折射率与相对折射率的关系： 因此，n=na ·n ′=1.00023 n ′ 5，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与二种材料的折射率n1和n2有下关系; v1及v2分别表示光在材料l 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
6，影响折射率的因素：
（1）构成材料的离子半径：介质的折射率随介质的介电常数ε的增大而增大。

ε与介质的极化现象有关。

当离子半径增大时，其介电常数ε增大，因而折射率n 也随之增大 。

（2）材料的结构，晶型和非晶态：
（a ）均质材料：对于非晶态和立方晶体材料，当光通过时，光速不因传播方向改变而改变，材料只有一种折射率，称为均质材料。

（b ）非均质材料：光通过非均质材料，一般会产生双折射现象。

双折射：当一束光通过一介质时，分为振动方向垂直，传播速度不等的二个波，他们分别构成二条折射光线，这种现象称为双折射。

（3）外界因素对折射率的影响：机械应力，超声波，电场等
（4）同质异构体：
7，双折射的两束光束是怎么形成的？有什么特点？
①常光折射率n0:两条折射光线中，平行于入射面的光线的折射率称为常光折射率n0 。

特性：不论入射光的入射角如何变化，n0始终为一常数，因而常光折射率严格服从折射定律。

②非常光折射率ne:与入射面垂直的光线的折射率，称为非常光折射率ne 。

a a a n n n /c n /c v v n ==='材料2
1211221sin sin v
v n n n i i ===
特性：它不遵守折射定律，随入射光的方向而变化。

8，材料对光表现出的折射现象的本质：发生折射的本质是材料的电磁结构在光波电磁场作用下的极化性质或介电性质。

因为介质的极化，拖住了电磁波的传播，才使光传播速度变得比真空慢。

9，色散：材料的折射率随入射光的频率的减小(或波长的增加)而减小的性质，称为折射率的色散。

色散率： 材料的折射率随波长的变化率称为色散率。

色散 = dn/d λ
光的色散：复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。

10，光投射到材料表面时，一般产生反射、透过和吸收：m(%)+A(%)+T(%)=100% 反射率与折射率： m 称为反射系数。

透射系数：根据能量守恒定律（光在界面上的现象） W=W ′+W ″
(1－m)称为透射系数。

11，界面反射损失：
（1）反射损失与折射
反射率和折射率是由两种介质的折射率决定的。

光在界面上的反射的多少取决于两种介质的相对折射率n21。

垂直入射的情况下，几乎没有反射损失
（2）光线通过x 块2块玻璃板的透射
设一块折射率n=1.5的玻璃，光反射损失为m=0.04，透过部分为1－m=0.96。

如果透射光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，此时透过部分为(1－m)2=0.922。

如果连续透过x 块平板玻璃，则透过部分应为(1－m)*2x
11，全反射：在入射角达到某一角度θc 时，折射角等于90°，此时有一条折射光线沿界面传播。

如果入射角大于θc ，就不再有折射线，入射光的能量全部反射回到第一介质中，这种现象称为全反射， θc 角为全反射的临界角。

根据折射定律求临界角为：sin θc =n2/n1。

普通玻璃对空气的临界角为42°，水对空气的临界角为48.5°。

利用光的全反射原理制作一种新型光学元件——光导纤维。

12，光的吸收：介质中的价电子吸收光子能量而激发，当尚未退激而发出光子时，在运动中与其它分子碰撞，使电子的能量转变成分子的动能亦即热能。

从而构成了光能的衰减。

这就是光的吸收。

朗伯特吸收定律：光强度随厚度的变化符合指数衰减规律。

此式称为朗伯特定律。

设有一块厚度为x 的平板材料(如图)，入射光的强度为I0，通过此材料后光强度为I ′。

式中α为物质对光的吸收系数，其单位为cm-1
α取决于材料的性质和光的波长。

α越大材料越厚，光就被吸收得越多，因而透过后的光强度就越小。

221211()1n W m W n '-==+m W W W W -='-=''11x
e I I α-=0
13，选择性吸收和均匀吸收：
选择性吸收： 同一种物质对某一种波长的吸收系数非常大，而对另一种波长的吸收系数非常小的现象称为“选择吸收”。

透明材料的选择吸收使其呈不同的颜色。

均匀吸收： 如果介质在可见光范围对各种波长的吸收程度相同,则称为均匀吸收。

在此情况下,随着吸收程度的增加,颜色从灰变到黑。

14，光的散射：光在通过气体、液体、固体等介质时，遇到烟尘、微粒、悬浮液或者结构不均匀的微小区域，都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来,这种现象称为散射。

散射规律：由于散射，光在前进方向上的强度减弱了，对于相分布均匀的材料，其减弱的规律与吸收规律具有相同的形式，
式中，I 为在光前进方向上的剩余强度。

S 为散射系数其单位为cm-1，散射系数与散射(质点)的大小、数量以及散射质点与基体的相对折射率等因素有关。

吸收定律与散射规律统一：
15， 材料的透光性：透光性是指光能通过材料后，剩余光能所占的百分比。

透光性=I/I0 16，（1）反射损失L1：
此时，透进材料中的光强度为I0(1-m)。

I=I0(1-m)2e -(α+S)x
Sx e I I -=0x S e I I )(0+-=α020111I n n mI L ⎪⎭
⎫ ⎝⎛+-==
显然I/I0才是真正的透光率注意：上式中所得的I中并未包括L④反射回去的光能。

17，影响材料透光性的因素：
18，提高材料透过性的措施：
（1）．提高原材料纯度，降低杂质对光的散射损失。

（2）．掺加外加剂，降低材料的气孔率，可有效提高材料的透光性，由于外加剂本身也是杂质，所以掺多了也会影响透光性。

（3）．采取适当的工艺措施排除气孔，使晶粒定向排列，可提高材料的透光性。

19，材料的光发射：材料的光发射(emission)是材料以某种方式吸收能量之后，将其转化为光能，即发射光子的过程。

固体发光的微观过程：第一步，对材料进行激励，即以各种方式输人能量，将固体中电子的能量提高到一个非平衡态，称为“激发态”；
第二步，处于激发态的电子自发地向低能态跃迁。

辐射复合引起的发光称为发光。

如果材料存在多个低能态，发光跃迁可以有多种渠道，那么材料就可能发射多种频率的光子。

在很多情况下发射光子和激发光子的能量不相等，通常前者小于后者。

20，激励：材料发光前需要向材料中注入能量，当材料吸收外界能量后部分能量将以发光形式发射出来。

常用的激励方式：(1)光致发光，指通过光的辐照将材料中的电子激发到高能态从而导致的发光。

(2)场致发光，又称电致发光：是利用直流或交流电场能量来激发发光。

(3)阴极射线致发光，在真空中利用高能量的电子来轰击材料，通过电子在材料内部的多次散射碰撞，使材料中多种发光中心被激发或电离而发光的过程称为“阴极射线发光”。

21，发光材料的发光特性：发射光谱、激发光谱、发光寿命
（1）．发射光谱：发射光谱是指材料在一定激发条件下发射光强按波长的分布。

（2）．激发光谱：激发光谱是指发光的某一谱线或谱带的强度对激发光波长(或频率)的变化
（3）．发光寿命：发光体在激发停止之后持续发光时间的长短称为发光寿命(荧光寿命或余辉时间)。

22，荧光：电子从激发能级向较低能级的衰变可能伴随有热量向周围传递，或者产生辐射，
在此过程中，光的发射称为荧光或磷光，取决于激发和发射之间的时间。

23，电光：
24，声光效应：当超声波传过介质时，在其内产生周期性弹性形变，从而使介质的折射率产生周期性变化，相当于一个移动的相位光栅，称为声光效应。

声光衍射：若同时有光传过介质，光将被相位光栅所衍射，称为声光衍射。

声光器件：利用声光衍射效应制成的器件，称为声光器件。

声光器件能快速有效地控制激光束的强度、方向和频率，还可把电信号实时转换为光信号。

此外，声光衍射还是探测材料声学性质的主要手段。

声光器件：在实际器件中，超声波是由压电换能器激发，声光互作用介质和压电换能器相结合即为声光器件。