材料物理性能-材料的光學(xué)性質(zhì)

1、材料的光學(xué)性質(zhì)材料的光學(xué)性質(zhì)重慶科技學(xué)院.冶金與材料工程學(xué)院授課對(duì)象:功能材料 2012-1、2012-2概述概述 材料對(duì)可見光的不同吸收和反射性能使世界五光十色。 光學(xué)玻璃的應(yīng)用 光通信纖維玻璃 釹玻璃 光學(xué)塑料 微波爐容器 光傳播的基本理論光傳播的基本理論v 波粒二象性波粒二象性v 光子是同時(shí)具有微粒和波動(dòng)兩種屬性的特殊物質(zhì)，是光的雙光子是同時(shí)具有微粒和波動(dòng)兩種屬性的特殊物質(zhì)，是光的雙重本性的統(tǒng)一。重本性的統(tǒng)一。v 在涉及光傳播特性的場合，只要電磁波不是十分微弱，經(jīng)典的電磁波理論還是完全正確的。當(dāng)涉及光與物質(zhì)相互作用并發(fā)生能量、動(dòng)量交換的問題時(shí)，才必須把光當(dāng)做具有確定能量和動(dòng)量的粒子流來看

2、待。（光波和光子)2. 光的電磁性光的電磁性 光是一種電磁波，它是電磁場周期性振動(dòng)的傳播所形成的。光是一種電磁波，它是電磁場周期性振動(dòng)的傳播所形成的。在光波中，電場和磁場總是交織在一起的。變化著的電場周圍會(huì)感生出變化的磁場，而變化著的磁場周圍又會(huì)感生出另一個(gè)變化的電場，如此循環(huán)，電磁場就以波的形式朝著各個(gè)方向向外擴(kuò)展。 可見光可見光：人眼能感受到的，其波長大約在390770nm范圍，對(duì)應(yīng)的頻率范圍是7.710144.11015Hz。 光波是一種橫波。由于人的視覺、植物的光合作用，以及絕大多數(shù)測量光波的儀器對(duì)光的反應(yīng)主要由光波中的電場所引起，磁場對(duì)介質(zhì)的作用遠(yuǎn)比電場要弱，而且一旦得到電場強(qiáng)度就可

3、以算出磁場強(qiáng)度，因此實(shí)際討論中往往只考慮電場的作用，而將磁場忽略。所以電場強(qiáng)度矢量被直接作為電場強(qiáng)度矢量被直接作為“光矢量光矢量”?；竟剑?光波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同，而光振動(dòng)的頻率不變，因此相同頻率的光波在不同介質(zhì)中可有不同的波長。如果不特別說明，通常使用的是真空中的波長值。v電磁波在介質(zhì)中的速度：rrcv 001c rrn cnv 光波的傳播伴隨著光能量的流動(dòng)。在單位時(shí)間里流過垂直于傳播方向的單位截面積的能量稱為光波的能流密度。光波的能流密度。3. 光的干涉和衍射（波動(dòng)性）光的干涉和衍射（波動(dòng)性） 光的波動(dòng)性主要表現(xiàn)在它有干涉和衍射及偏振等特性。光的波動(dòng)性主要表現(xiàn)在它有干涉和衍射及

4、偏振等特性。所謂雙光束干涉就是指兩束光相遇以后，在光的疊加區(qū)，光強(qiáng)重新分布，出現(xiàn)明暗相間、穩(wěn)定的干涉條紋。 雙光束干涉的條件雙光束干涉的條件：兩束光的頻率相同、振動(dòng)方向一致并且有固定的位相關(guān)系。（相干光）光的衍射（繞射）光的衍射（繞射）：當(dāng)光波傳播遇到障礙物時(shí)，在一定程度上能繞過障礙物而進(jìn)入幾何陰影區(qū)。 只有當(dāng)光遇到的障礙物或狹縫的尺寸與其波長相比可以相比擬時(shí)，衍射現(xiàn)象才明顯地表現(xiàn)出來。日常所見到的一般物體與光的波長相比都可稱是巨大的障礙物，所以光波通常表現(xiàn)直線傳播性質(zhì)。4. 光子的能量和動(dòng)量光子的能量和動(dòng)量 最小的能量單元稱為“光子”。 光子具有分立的動(dòng)量，數(shù)值為： 光照射到物體上就相當(dāng)于一

5、串光子打到物體表面，它們對(duì)物體會(huì)產(chǎn)生一定的壓力（光壓）h/ph 光子的能量和動(dòng)量雖小，卻不能再分割。光子的能量和動(dòng)量雖小，卻不能再分割。最微弱的光源至少發(fā)射一個(gè)光子，要么不發(fā)射，不能發(fā)射半個(gè)光子，即光子是不可分的光子是不可分的。 波動(dòng)理論認(rèn)為光強(qiáng)在球面上的均勻分布，在這里只能理解為球面上各個(gè)探測器接收到這個(gè)光子的概率相等。只有等這個(gè)光源發(fā)射了許多光子之后，球面上每個(gè)探測器積累接收到這個(gè)光子數(shù)才會(huì)相等。 總之，光既可以看作光波又可以看作光子流。光子是總之，光既可以看作光波又可以看作光子流。光子是電磁場能量和動(dòng)量量子化的粒子，而電磁波是光子的概率電磁場能量和動(dòng)量量子化的粒子，而電磁波是光子的概率波

6、。光作為波的屬性可以用頻率和波長來描述，而作為光波。光作為波的屬性可以用頻率和波長來描述，而作為光子的屬性則可以用能量和動(dòng)量來表征。子的屬性則可以用能量和動(dòng)量來表征。光的反射和折射光的反射和折射v 反射定律和折射定律反射定律和折射定律v 光波入射到兩種媒質(zhì)的分界面以后，如果不考慮吸收、散射等其他形式的能量損耗，則入射光的能量只在兩種介質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生反射和折射，能量重新分配，而總能量保持不變。基本規(guī)律：（1）光在均勻介質(zhì)中的直線傳播定律；（2）光通過兩種介質(zhì)的分界面時(shí)的反射定律和折射定律；（3）光的獨(dú)立傳播定律和光路可逆性原理。入射角、反射角、折射角含義反射定律：反射定律：反射線與入射線位于同

7、一平面（即入射面）內(nèi)，并分別處在法線的兩側(cè)；反射角等于入射角。折射定律：折射定律：折射線位于入射面內(nèi)，并和入射線分別處在法線的兩側(cè)；對(duì)單色光而言，入射角的正弦和折射角的正弦之比是一個(gè)常數(shù)。1212sinsinn122sinsinn 兩種材料的相對(duì)折射率與它們的絕對(duì)折射率之間的關(guān)系為： n21=n2/n1 折射定律： n1sin1=n2sin2光路可逆原理：光路可逆原理： 當(dāng)光線從第二介質(zhì)中沿著原來的折射線從相反方向入射到界面并經(jīng)過折射后，在第一介質(zhì)中必定逆著原入射線的方向射出。同理，根據(jù)反射定律，若光線沿反射線從相反方向入射，經(jīng)過界面反射后必定逆原入射線的方向射出。 介質(zhì)的折射率是大于1的正數(shù)

8、。 不同組成、不同結(jié)構(gòu)的介質(zhì)的折射率是不同的。影響n值的因素有下列四方面：v 構(gòu)成材料元素的離子半徑構(gòu)成材料元素的離子半徑v 材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)v 材料所受的內(nèi)應(yīng)力材料所受的內(nèi)應(yīng)力v 同質(zhì)異構(gòu)體同質(zhì)異構(gòu)體構(gòu)成材料元素的離子半徑構(gòu)成材料元素的離子半徑 介質(zhì)的折射率隨介質(zhì)的介電常數(shù)介質(zhì)的折射率隨介質(zhì)的介電常數(shù)的增大而增大。的增大而增大。 與介質(zhì)的極化現(xiàn)象有關(guān)。當(dāng)光的電磁輻射作用到介質(zhì)上時(shí)，介質(zhì)的原子受到外加電場的作用而極化，正電荷沿著電場方向移動(dòng)，負(fù)電荷沿著反電場方向移動(dòng)，這樣正負(fù)電荷的中心發(fā)生相對(duì)位移。外電場越強(qiáng)，原子正負(fù)電荷中心居里愈大。由于電磁輻射和原子的電子體

9、系的相互作用，光波被減速了。 當(dāng)介質(zhì)材料的離子半徑增大時(shí)，其當(dāng)介質(zhì)材料的離子半徑增大時(shí)，其增大，因而增大，因而n也隨也隨之增大。之增大。材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài) 折射率除與離子半徑有關(guān)外，還與離子的排列密切相關(guān)。對(duì)于非晶態(tài)（無定型體）和立方晶體這些各向同性的材料，當(dāng)光通過時(shí)，光速不因傳播方向改變而變化，材料只有一個(gè)折射率，稱之為均質(zhì)介質(zhì)。但是除立方晶體以外的其他晶型，都是非均質(zhì)介質(zhì)。光進(jìn)入非均質(zhì)介質(zhì)時(shí)，一般都要分為振動(dòng)方向相互垂直、傳播速度不等的兩個(gè)波，它們分別構(gòu)成兩條折射光線，這個(gè)現(xiàn)象稱為雙折射雙折射。 雙折射是非均質(zhì)晶體的特性，這類晶體的所有光學(xué)性雙折射是非均質(zhì)晶體

10、的特性，這類晶體的所有光學(xué)性能都和雙折射有關(guān)。能都和雙折射有關(guān)。 平行于入射面的光線的折射率，稱為常光折射率常光折射率n0。常光折射率嚴(yán)格服從折射定律。常光折射率嚴(yán)格服從折射定律。 與之垂直的光線所構(gòu)成的折射率，則隨入射線方向的改變而變化，稱為非常光折射率非常光折射率ne。它不遵守折射定律，它不遵守折射定律，隨入射光的方向而變化。隨入射光的方向而變化。 當(dāng)光沿晶體光軸入射時(shí)，只有n0存在；與光軸方向垂直入射時(shí)，ne達(dá)最大值，此值視為材料特性。材料所受的內(nèi)應(yīng)力材料所受的內(nèi)應(yīng)力 有內(nèi)應(yīng)力的透明材料，垂直于受拉主應(yīng)力方向的有內(nèi)應(yīng)力的透明材料，垂直于受拉主應(yīng)力方向的n n大，大，平行于受拉主應(yīng)力方向的

11、平行于受拉主應(yīng)力方向的n n小。小。同質(zhì)異構(gòu)體同質(zhì)異構(gòu)體 在同質(zhì)異構(gòu)材料中，高溫時(shí)的晶型折射率較低，低溫在同質(zhì)異構(gòu)材料中，高溫時(shí)的晶型折射率較低，低溫時(shí)存在的晶型折射率較高。時(shí)存在的晶型折射率較高。2. 折射率與傳播速度的關(guān)系折射率與傳播速度的關(guān)系 材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。兩種介質(zhì)相比，折射率較大者，光的傳播速度較慢，稱為光密介質(zhì)光密介質(zhì)；折射率較小者，光的傳播速度較快，稱為光疏光疏介質(zhì)介質(zhì)。 材料表現(xiàn)出一定的折射率，從本質(zhì)上講，反映了材料材料表現(xiàn)出一定的折射率，從本質(zhì)上講，反映了材料的電磁結(jié)構(gòu)（對(duì)非鐵磁介質(zhì)主要是電結(jié)構(gòu)的電磁

12、結(jié)構(gòu)（對(duì)非鐵磁介質(zhì)主要是電結(jié)構(gòu)) )在光波電磁場在光波電磁場作用下的極化性質(zhì)或介電特性。作用下的極化性質(zhì)或介電特性。 正是因?yàn)榻橘|(zhì)的極化，“拖住”了電磁波的步伐，才使其傳播速度變得比真空中慢。材料的極化性質(zhì)又與構(gòu)成材料的原子的原子量、電子分布情況、化學(xué)性質(zhì)等微觀因素有關(guān)。這些微觀因素通過宏觀量介電系數(shù)來影響光在材料中的傳播速度。3. 反射率和透射率反射率和透射率 反射光的功率對(duì)入射光的功率之比稱為反射率反射率（有時(shí)也稱反射比反射比）。經(jīng)過折射進(jìn)入第二介質(zhì)的光為透射光，透射光與入射光之比稱為透射率透射率。 當(dāng)光線由介質(zhì)1入射到介質(zhì)2時(shí)，光在介質(zhì)面上分成了反射光和折射光，如圖，這種反射和折射，可以

13、連續(xù)發(fā)生。當(dāng)光線從空氣進(jìn)入介質(zhì)時(shí)，一部分反射出來了，另一部分折射進(jìn)入介質(zhì)。當(dāng)遇到另一界面時(shí)，又有一部分發(fā)生反射，另一部分折射進(jìn)入空氣。布儒斯特定律：布儒斯特定律： 自然光在電介質(zhì)界面上反射和折射時(shí)，一般情況下反射光和折射光都是部分偏振光，只有當(dāng)入射角為某特定角時(shí)反射光才是線偏振光，其振動(dòng)方向與入射面垂直，此特定角稱為布儒斯特角或起偏角。布儒斯特角或起偏角。 光以布儒斯特角入射時(shí)，反射光與折射光相互垂直。光以布儒斯特角入射時(shí)，反射光與折射光相互垂直。21tanBnn 利用布儒斯特角可以產(chǎn)生偏振光。介質(zhì)的折射率與波長有關(guān)，因此同一材料對(duì)不同波長有不同的反射率。如，金對(duì)綠光的垂直反射率為50%，而對(duì)

14、紅外線的反射率可達(dá)96%以上。W-光的總能量W-反射光的總能量W-折射光的總能量m-反射系數(shù)，根據(jù)能量守恒定律，其中1-m稱為透射系數(shù)221211()1nWmWnWWW11WWmWW 由于陶瓷、玻璃等材料的折射率較空氣的大，所以反由于陶瓷、玻璃等材料的折射率較空氣的大，所以反射損失嚴(yán)重。射損失嚴(yán)重。如果透鏡系統(tǒng)由許多塊玻璃組成，則反射損失更可觀。為了減少這種界面損失，常常采用折射率和玻璃相近的膠將它們粘起來，這樣，除了最外和最內(nèi)的表面是玻璃和空氣的相對(duì)折射率外，內(nèi)部各界面都是玻璃和膠的較小的相對(duì)折射率，從而大大減小了界面的反射損失。 常用的光學(xué)窗口材料常用的光學(xué)窗口材料：玻璃和熔石英是最常見的

15、非金屬光學(xué)材料，它們?cè)诳梢姽鈪^(qū)是透明的，但光線正入射時(shí)，每個(gè)表面仍約有4%的反射。高分子材料中有機(jī)玻璃在可見光波段與普通玻璃一樣透明，在紅外區(qū)也有相當(dāng)?shù)耐干渎?，可作為各種裝置的光學(xué)窗口。聚乙烯在可見光波段不透明，但在遠(yuǎn)紅外區(qū)透明，可作遠(yuǎn)紅外波段的窗口和保護(hù)膜。4. 光的全反射和光導(dǎo)纖維光的全反射和光導(dǎo)纖維 當(dāng)光束從折射率n1較大的光密介質(zhì)進(jìn)入折射率n2較小的光疏介質(zhì)，即n2n1時(shí)，則折射角大于入射角。因此入射角達(dá)到某一角度c時(shí)，折射角可等于90，此時(shí)有一條很弱的折射光線沿界面?zhèn)鞑?。如果入射角大于c，就不再有折射光線，入射光的能量全部回到第一介質(zhì)中。這種現(xiàn)象稱為全反射， c就稱為全反射的臨界角。

16、21sincnn不同介質(zhì)的臨界角大小不同。不同介質(zhì)的臨界角大小不同。 普通玻璃對(duì)空氣42 水對(duì)空氣48.5 鉆石因折射率很大（n=2.417），故臨界角很小，容易發(fā)生全反射。切割鉆石時(shí)，利用特殊的角度選擇，可使進(jìn)入的光線全反射并經(jīng)色散后向其頂部射出，看起來就會(huì)光彩奪目。 利用光的全反射原理，可以制作一種新型光學(xué)元件光導(dǎo)纖維（光纖）。 光纖是由光學(xué)玻璃、光學(xué)石英或塑料制成的直徑為幾光纖是由光學(xué)玻璃、光學(xué)石英或塑料制成的直徑為幾微米至幾十微米的細(xì)絲（纖芯），在纖芯外面覆蓋直徑微米至幾十微米的細(xì)絲（纖芯），在纖芯外面覆蓋直徑100100150150m的包層和涂敷層。的包層和涂敷層。包層的折射率比纖芯

17、略低，在內(nèi)外兩層之間產(chǎn)生多次全反射而傳播到另一端。在光導(dǎo)纖維內(nèi)傳播的光線，其方向與纖維表面的法向所成夾角如果大于42，則光線全部內(nèi)反射，無折射能量損失。 目前常用的光纖材料有石英系玻璃、多成分玻璃和復(fù)合材料。5. 棱鏡、透鏡和反射鏡棱鏡、透鏡和反射鏡 利用材料的折射性質(zhì)可以制成有用的光學(xué)元件，應(yīng)用最外廣泛的是棱鏡和透鏡。材料對(duì)光的吸收和色散材料對(duì)光的吸收和色散 一束平行光照射各向同性的材料時(shí)，除了可能發(fā)生反射和折射而改變其傳播方向之外，進(jìn)入材料之后還會(huì)發(fā)生兩種變化。v 光吸收光吸收v 光的色散光的色散1. 光的吸收光的吸收（1）吸收系數(shù)與吸收率吸收系數(shù)與吸收率 入射光強(qiáng)減少量dI/I應(yīng)與吸收層

18、的厚度dl成正比。即為吸收系數(shù)，其單位為cm-1，它取決于材料的性質(zhì)和光的波長。dIdlI 朗伯特（朗伯特（Lambert)定律：定律： 它表明，在介質(zhì)中光強(qiáng)隨傳播距離呈指數(shù)式衰減。在介質(zhì)中光強(qiáng)隨傳播距離呈指數(shù)式衰減。 光作為一種能量流，在穿過介質(zhì)時(shí)，引起介質(zhì)的價(jià)電光作為一種能量流，在穿過介質(zhì)時(shí)，引起介質(zhì)的價(jià)電子躍遷，或使原子振動(dòng)而消耗能量。此外，介質(zhì)中的價(jià)電子躍遷，或使原子振動(dòng)而消耗能量。此外，介質(zhì)中的價(jià)電子吸收光子能量而激發(fā)，當(dāng)尚未退激時(shí)，在運(yùn)動(dòng)中與其他子吸收光子能量而激發(fā)，當(dāng)尚未退激時(shí)，在運(yùn)動(dòng)中與其他分子碰撞，電子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥膭?dòng)能亦即熱能，從而分子碰撞，電子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥膭?dòng)能亦

19、即熱能，從而構(gòu)成光能的衰減。即使對(duì)光不發(fā)生散射的透明介質(zhì)，光也構(gòu)成光能的衰減。即使對(duì)光不發(fā)生散射的透明介質(zhì)，光也會(huì)有能量的損失，這就是產(chǎn)生光吸收的原因。會(huì)有能量的損失，這就是產(chǎn)生光吸收的原因。0lII e（2）光吸收與波長的關(guān)系）光吸收與波長的關(guān)系 任何物質(zhì)只對(duì)特定的波長范圍表現(xiàn)為透明，而對(duì)另一任何物質(zhì)只對(duì)特定的波長范圍表現(xiàn)為透明，而對(duì)另一些波長范圍則不透明。些波長范圍則不透明。金屬對(duì)光能吸收很強(qiáng)烈，這是因?yàn)榻饘俚膬r(jià)電子處于未滿帶，吸收光子后即呈激發(fā)態(tài)，用不著躍遷到導(dǎo)帶即能發(fā)生碰撞而發(fā)熱。 在電磁波譜的可見光區(qū)，金屬和半導(dǎo)體的吸收系數(shù)都是很大的。但是電介質(zhì)材料、包括玻璃、陶瓷等無機(jī)材料的大部分

20、在這個(gè)波譜區(qū)內(nèi)都有良好的透過性。也就是說吸收系數(shù)很小。這是因?yàn)殡娊橘|(zhì)材料的價(jià)電子所處的能帶是填滿了的。它不能吸收光子而自由運(yùn)動(dòng)，而光子的能量又不足以使價(jià)電子躍遷到導(dǎo)帶，所以在一定的波長范圍內(nèi)，吸收系數(shù)很小。 但電介質(zhì)材料在紫外區(qū)出現(xiàn)了紫外吸收端，這是因?yàn)椴ㄩL越短，光子能量越大。當(dāng)光子能量達(dá)到禁帶寬度時(shí)，電子就會(huì)吸收光子能量從滿帶躍遷到導(dǎo)帶，此時(shí)吸收系數(shù)將驟然增大。此紫外吸收端相應(yīng)的波長可根據(jù)材料的禁帶狂度Eg求得，即gcEhh 另外，在紅外區(qū)的吸收峰是因?yàn)殡x子的彈性振動(dòng)與光子輻射發(fā)生諧振消耗能量所致。吸收分為選擇吸收和均勻吸收。吸收分為選擇吸收和均勻吸收。 如石英在整個(gè)可見光波段都很透明，且吸

21、收系數(shù)幾乎不變，這種現(xiàn)象稱為“一般吸收一般吸收”。但是在3.55.0m的紅外線區(qū)，石英表現(xiàn)為強(qiáng)烈吸收，且吸收率隨波長劇烈變化，這種同一物質(zhì)對(duì)某一種波長的吸收系數(shù)可以非常大，而對(duì)另一種波長的吸收系數(shù)可以非常小的現(xiàn)象稱為“選擇吸收選擇吸收”。 任何物質(zhì)都有兩種形式的吸收，只是出現(xiàn)的波長范圍任何物質(zhì)都有兩種形式的吸收，只是出現(xiàn)的波長范圍不同而已。透明材料的選擇吸收使其呈不同的顏色。不同而已。透明材料的選擇吸收使其呈不同的顏色。2. 光的色散光的色散 材料的折射率隨入射光的頻率的減?。ɑ虿ㄩL的增加）材料的折射率隨入射光的頻率的減小（或波長的增加）而減小的性質(zhì)，稱為折射率的色散。而減小的性質(zhì)，稱為折射率

22、的色散。 在給定入射光波長的情況下，材料的色散為 色散=dn/d 色散值可以由色散曲線確定，但最實(shí)用的方法是用固定波長下的折射率來表達(dá)，而不是去確定完整的色散曲線。最常用的數(shù)值是倒數(shù)相對(duì)色散，即色散系數(shù)色散系數(shù)1DFCnnn 經(jīng)典色散理論采用了阻尼受迫振子的模型。經(jīng)典色散理論采用了阻尼受迫振子的模型。根據(jù)這個(gè)模型，介質(zhì)原子的電結(jié)構(gòu)-正負(fù)電荷之間由一根無形的彈簧束縛在一起的振子。 在光波電磁場的作用下，正負(fù)電荷發(fā)生相反方向的位在光波電磁場的作用下，正負(fù)電荷發(fā)生相反方向的位移，并跟隨光波的頻率作受迫振動(dòng)，受迫振動(dòng)的位相既與移，并跟隨光波的頻率作受迫振動(dòng)，受迫振動(dòng)的位相既與光波電矢量振動(dòng)的頻率有關(guān)，

23、又和振子的固有頻率有關(guān)。光波電矢量振動(dòng)的頻率有關(guān)，又和振子的固有頻率有關(guān)。光波引起介質(zhì)中束縛電荷的受迫振動(dòng)，這只是光與介質(zhì)相互作用的一個(gè)方面；另一方面是作受迫振動(dòng)的振子（束縛電荷）也可以作為電磁波的波源，向外發(fā)射“電磁次波電磁次波”（或稱為散射波散射波）。晶體的雙折射晶體的雙折射1. 雙折射雙折射 當(dāng)光束通過平整光滑的表面入射到各向同性介質(zhì)中去時(shí)，它將按照折射定律沿某一方向折射，這是常見的折射現(xiàn)象。 當(dāng)光束通過各向異性介質(zhì)表面時(shí)，折射光會(huì)分成兩束當(dāng)光束通過各向異性介質(zhì)表面時(shí)，折射光會(huì)分成兩束沿著不同的方向傳播。這種由一束入射光折射后分成兩束沿著不同的方向傳播。這種由一束入射光折射后分成兩束光的

24、現(xiàn)象稱為雙折射。光的現(xiàn)象稱為雙折射。 雙折射的兩束光中有一束光的偏折方向符合折射定律，稱為尋常光（或o光）。另一束光的折射方向不符合折射定律，稱為非常光（或e光） 通過改變?nèi)肷涔馐姆较颍梢哉业骄w中存在一些特殊的方向，沿著這些方向傳播的光并不發(fā)生雙折射，這些特殊的方向稱為晶體的光軸晶體的光軸。光軸所標(biāo)志的是一定的方向，而不限于一條具體的直線。單軸晶體單軸晶體：只有一個(gè)光軸。雙軸晶體雙軸晶體：具有兩個(gè)光軸。2. 雙折射現(xiàn)象的解釋雙折射現(xiàn)象的解釋 在介質(zhì)中的光波是入射波與介質(zhì)中振子（原子、分子、離子等微觀粒子的抽象概念）受迫振動(dòng)所發(fā)射的次波的合成波。合成波的頻率與入射光波相同，但其位相卻因受到

25、合成波的頻率與入射光波相同，但其位相卻因受到振子固有振動(dòng)頻率的制約而滯后。振子固有振動(dòng)頻率的制約而滯后。因此，波合成的結(jié)果使介質(zhì)中的光束比真空中慢。位相滯后的程度與振子固有頻率和入射光波頻率的差值有關(guān)，因此介質(zhì)中的光速又與入射光的頻率（或波長）有關(guān)。 晶體結(jié)構(gòu)的各向異性決定了晶體中振子固有振動(dòng)的各向異性，所以，一般認(rèn)為晶體中的振子，在三個(gè)獨(dú)立的空間方向上有不同的固有振動(dòng)頻率。介質(zhì)的光散射介質(zhì)的光散射1. 1. 散射與其他光學(xué)現(xiàn)象的關(guān)系散射與其他光學(xué)現(xiàn)象的關(guān)系 光在通過氣體、液體、固體等介質(zhì)時(shí)，遇到煙塵、微粒、懸浮液滴或者結(jié)構(gòu)不均勻的微小區(qū)域，都會(huì)有一部分能量偏離原來的傳播方向而向四面八方彌散開

26、來，這種現(xiàn)象稱為光的散射光的散射。 光的散射導(dǎo)致原來傳播方向上光強(qiáng)的減弱。（光在均勻介質(zhì)中的吸收符合朗伯特定律）同時(shí)計(jì)及各種散射因素，光強(qiáng)隨傳播距離的減弱仍符合指數(shù)衰減規(guī)律，只是比單一吸收時(shí)衰減得更快，關(guān)系為：()00asllII eI e 散射系數(shù)與散射（質(zhì)點(diǎn)）的大小、數(shù)量以及散射質(zhì)點(diǎn)散射系數(shù)與散射（質(zhì)點(diǎn)）的大小、數(shù)量以及散射質(zhì)點(diǎn)與基體的相對(duì)折射率等因素有關(guān)。與基體的相對(duì)折射率等因素有關(guān)。當(dāng)光的波長約等于散射質(zhì)點(diǎn)的直徑時(shí)，出現(xiàn)散射的峰值。 光的波長不同時(shí)散射系數(shù)達(dá)最大時(shí)的質(zhì)點(diǎn)直徑也有所變化。 若散射質(zhì)點(diǎn)的體積濃度不變，當(dāng)d時(shí)，則隨著d的增加，散射系數(shù)反而減?。划?dāng)d時(shí)，散射系數(shù)達(dá)最大值。 材料

27、對(duì)光的散射是光與物質(zhì)相互作用的基本過程之一。原則上，當(dāng)光波的電磁場作用于物質(zhì)中具有電結(jié)構(gòu)的原子、原則上，當(dāng)光波的電磁場作用于物質(zhì)中具有電結(jié)構(gòu)的原子、分子等微觀粒子時(shí)將激起粒子的受迫振動(dòng)，這些受迫振動(dòng)分子等微觀粒子時(shí)將激起粒子的受迫振動(dòng)，這些受迫振動(dòng)就會(huì)成為發(fā)光中心，向各個(gè)方向發(fā)射球面次波。就會(huì)成為發(fā)光中心，向各個(gè)方向發(fā)射球面次波。 與散射現(xiàn)象不同，光的衍射是由個(gè)別不均勻的介質(zhì)小區(qū)域（如小孔、狹縫、小障礙物等）所形成的，這些區(qū)域的尺度一般可與光的波長相比擬。由于介質(zhì)分子的振動(dòng)產(chǎn)生次波并疊加，使所形成的波面上出現(xiàn)不同強(qiáng)度分布的衍射特性。一般空氣中微粒的散射是由大量排列無序的小區(qū)集合形成的，因此散射

28、波在總體上觀察不到衍射現(xiàn)象。 光的散射現(xiàn)象有多種多樣的表現(xiàn)。然而，根據(jù)散射前后光子能量（或光波波長）變化與否，可以區(qū)分為彈性散彈性散射射和非彈性散射非彈性散射兩大類。與彈性散射相比，通常非彈性散射要弱幾個(gè)數(shù)量級(jí)。2. 彈性散射彈性散射 散射前后，光的波長（或光子能量）不發(fā)生變化的散射稱為彈散射前后，光的波長（或光子能量）不發(fā)生變化的散射稱為彈性散射。性散射。從經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)，這個(gè)過程被看成光子和散射中心的彈性碰撞。散射結(jié)果只是把光子碰到不同的方向上去，并沒有改變光子的能量。 彈性散射的規(guī)律除了波長（或頻率）不變之外，散射光的強(qiáng)度與波長的關(guān)系可因散射中心尺度的大小而具有不同的規(guī)律。 參量與散射中

29、心尺度大小a0有關(guān)。按a0與的大小比較，彈性散射可分為三種情況。1sI（1）廷德爾（）廷德爾（Tyndall）散射）散射 當(dāng)a0遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于時(shí)，趨于0，即當(dāng)散射中心的尺度遠(yuǎn)大于光波的波長時(shí)，散射光強(qiáng)與入射光波長無關(guān)。（2）米氏（）米氏（Mie)散射散射 當(dāng)a0時(shí)，即散射中心尺度與入射光波長可以比擬時(shí)，在04之間，具體數(shù)值與散射中心尺寸有關(guān)。（3）瑞利）瑞利(Rayleidl)散射散射 當(dāng)a0遠(yuǎn)小于時(shí)，=4，即當(dāng)散射中心的線度遠(yuǎn)小于入射光的波長時(shí)，散射強(qiáng)度與波長的4次方成正比。此為瑞利散射定律。41sI 瑞利散射并非氣體介質(zhì)所特有。固體光學(xué)材料在制備瑞利散射并非氣體介質(zhì)所特有。固體光學(xué)材料在制備過程

30、中形成的氣泡、條紋、雜質(zhì)顆粒、位錯(cuò)等等都可成為過程中形成的氣泡、條紋、雜質(zhì)顆粒、位錯(cuò)等等都可成為散射中心，在許多情況下，當(dāng)線度滿足散射中心，在許多情況下，當(dāng)線度滿足a0遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于的條件，的條件，也可引起瑞利散射。也可引起瑞利散射。 人們通過根據(jù)散射光的強(qiáng)弱判斷材料光學(xué)均勻性的好壞。對(duì)各種介質(zhì)彈性光散射性質(zhì)的測量和分析，可以獲取膠體溶液、渾濁介質(zhì)、晶體和玻璃等光學(xué)材料的物理化學(xué)性質(zhì)，確定流體中散射微粒的大小和運(yùn)動(dòng)速率。利用激光在大氣中的散射可以測量大氣中懸浮微粒的密度和監(jiān)測大氣污染的程度等。 激光粒度分析儀3. 非彈性散射非彈性散射 當(dāng)光束通過介質(zhì)時(shí)，從側(cè)向接收到的散射光主要是波長（或頻率）不

31、發(fā)生變化的瑞利散射光，屬于彈性散射。除此之外，還可以發(fā)現(xiàn)散射光中還有其他光譜成分，它們?cè)陬l率坐標(biāo)上對(duì)稱分布在彈性散射光的低頻和高頻側(cè)，強(qiáng)度一般比彈性散射微弱得多。這些頻率發(fā)生改變的光散射是入射光子與介質(zhì)發(fā)生非彈性碰撞的結(jié)果，稱為“非彈性非彈性散射散射”。 從波動(dòng)觀點(diǎn)來看，光的非彈性散射機(jī)制，乃是光波電從波動(dòng)觀點(diǎn)來看，光的非彈性散射機(jī)制，乃是光波電磁場與介質(zhì)內(nèi)微觀粒子固有振動(dòng)之間的耦合，可激發(fā)介質(zhì)磁場與介質(zhì)內(nèi)微觀粒子固有振動(dòng)之間的耦合，可激發(fā)介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的振動(dòng)或?qū)е抡駝?dòng)的淬滅，以致散射光波頻率相微觀結(jié)構(gòu)的振動(dòng)或?qū)е抡駝?dòng)的淬滅，以致散射光波頻率相應(yīng)出現(xiàn)應(yīng)出現(xiàn)“紅移紅移”（頻率降低）或（頻率降低）或“藍(lán)移藍(lán)移”（頻率增高）。（頻率增高）。通常能產(chǎn)生拉曼散射的介質(zhì)多由相互束縛的正負(fù)離子所組成。正負(fù)離子的周期性振動(dòng)導(dǎo)致偶極矩的周期性變化，這種振動(dòng)偶極矩與光波電磁場的相互作用引起能量變化，發(fā)生光波的非彈性散射。拉曼散射過程用能級(jí)躍遷圖來說明。拉曼散射過程用能級(jí)躍遷圖來說明。瑞利散射過程拉曼散射的斯托克斯過程拉曼散射的反斯托克斯過程 由于拉曼散射和布里淵散射中散射光的頻率與散射物質(zhì)的能態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，研究非彈性光散射已經(jīng)成為獲得固體結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣振動(dòng)、聲學(xué)動(dòng)力學(xué)以及分子的能級(jí)特征信息的有效手段。 材料測試方法：拉曼散射光譜材料測試方法：拉曼