材料的光学性能

1、旋光性
不对称碳原子——手性分子
2、非线性光学性质 （1）非线性光学效应——分子（介质）受强光场（激光）作用时会产生极化，诱导极化强度
=0++2+3+…
0---分子永久偶极矩； ---为局域电场强度；
---分子线性极化率；
和---二阶和三阶分子超极化率
宏观物质，极化强度 P=（1）E十（2）E2十（3）E3十···
2、相互作用是由电子跃迁和极化效应实现的 3、光子能量 energy E of a photon
E＝hc／λ＝hν
electron transitions and electronic polarization
FIGURE 19.2
4、固体材料的光学性质，取决于电磁辐射与材料表 面、近表面以及材料内部的电子、原子、缺陷之间 的相互作用
（2）光吸收与光波长radiation absorption and wave length 在电磁波谱的可见光区：金属和半导体的吸收系数很大；
电介质材料吸收系数小。 在紫外吸收端：禁带宽度大的材料，紫外吸收端的波长较小 在红外区：离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致 选择吸收 均匀吸收
λ = hc/Eg
4-5-2 吸收、反射和透射
1、光的吸收( photon absorption) （1）光吸收的一般规律朗伯特定律
I＝I0e－αx Absorbed intensity
---吸收系数 Absorption coefficient
空气: ≈10-5cm-1 玻璃: ＝10-2cm-1 金属: 则达几万到 几十万
玻璃（重燧石） 玻璃（锌牌）
KCl KF
NaCl 石英 熔融石英
SrO 聚丙烯腈 天然橡胶 聚酰胺 高密度聚乙烯 聚氯乙烯 氯丁橡胶 聚苯乙烯
1.65 1.52 1.49 1.36 1.54 1.54 1.47 1.87 1.51 1.52 1.53-1.55 1.54 1.54-1.56 1.55 1.59
E----入射光电场强度 （1）----物质的线性极化率 （2）和（3）----物质的二阶和三阶非线性极化率 二阶或三阶非线性光学材料 （2）功能 变频、增幅、开关、记忆等元件功能 （3）结构特点（有机材料） 二阶：具有A-π-D结构
三阶：具有容易移动的非定域电子体系
A：拉电子基，D：供电子基：共轭结构
物质
表4-5-2 各种材料在室温对可见光的折射率
n（折射率）
物质
来自百度文库
n（折射率）
空气
Al2O3 CaF2 Cl2（气体） Cl2（液体） 金刚石 H2O（水） H2O（冰） 聚四氟乙烯 醋酸纤维素 聚甲基丙烯酸甲酯 聚丙烯 酚醛树脂 环氧树脂 低密度聚乙烯 聚碳酸酯
1.000277 1.63-1.68 1.43 1.000768 1.385 2.417 1.33 1.30 1.35 1.48-1.50 1.49 1.49 1.50-1.70 1.5-1.6 1.51 1.59
I＝I0e－αx
透射率T(transmissivity)、反射率R(reflectivity)、吸收率A(absorptivity) 三者之和为1
R=(n-1)2/(n+1)2
FIGURE 19.8
4、折射指数 Refraction Index 折射来源于光线通过透明材料时，由于介质的电子极化使得光速降低，光线在界面弯曲的现象。 折射指数的大小与介质的性质（原子或离子的尺寸、介电常数、磁导率等）和波长相关
(refraction index)不均匀性产生的光散射 聚合物透明带色，选择性吸收 结晶聚合物通常是半透明(translucent)或不透明(opaque)的
增加聚合物材料透明性的方法
加速成核或由熔体急剧冷却——减少球晶大小；
拉伸——球晶转变为取向微丝
4-5-3 旋光性及非线性光学性(nonlinear optical performance)
例题 19.21 The transmissivity T of a transparent material 20 mm thick to normally incident light is 0.85. If the index of refraction of this material is 1.6, compute the thickness of material that will yield a transmissivity of 0.75. All reflection losses should be considered.
2、光的反射(reflection) 镜反射、漫反射 吸收----发射 折射 (refraction index)
n21=sini/sinr
W W
n21 n21
112
m
m :反射系数 R:反射率 （1-m）：透射系数
FIGURE 19.4
FIGURE 19.5
Figure19.6.
3、光的透射(transmission) 透射率：T＝（1－R）2e－αl
Solution
5、金属材料的光学性质 （1）各种入射辐射被吸收
金属导带中已填充的能级上方有许多空的电子能态——频率分布范围很宽的各种入射辐射都可以激 发电子到能量较高的未填充态从而被吸收；
（2）金属的反射，是由吸收再反射综合造成的 反射率具有频率依赖性
对于红外辐射则透明
6、无机非金属材料的光学性质
（1）对红外线有一定程度的吸收 （2）吸收可见辐射，且不透明（半导体） （3）绝缘体倾向于对可见辐射透明 Eg大 （4）漫透射——由多次内反射造成 （5）加工过程中留下孔洞而不透明 1% 陶瓷
7、高分子材料的光学性质 聚合物多数无色,包括高透明(transparent)到不透明。透明度的损失起源于材料内部折射指数
材料的光学性能
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2020/11/26
4-5 材料的光学性能(optical properties) 4-5-1 电磁辐射及其与原子的相互作用
Interactions of electromagnetic radiation and atoms 1、光和物质的相互作用——取决于物质电磁性质的
基本参数。电导率、介电常数和磁导率