材料物理性能：第五章 材料的光學(xué)性能

1、1 顯示材料的應(yīng)用2第五章 材料的光學(xué)性能為什么要研究光學(xué)性能？ 新型的功能材料在新的技術(shù)中的應(yīng)用。如激光技術(shù)、光通訊、光機(jī)電一體化技術(shù)飛速發(fā)展，為滿足上述技術(shù)的發(fā)展，對光學(xué)性能提出更高的要求。光學(xué)性能有哪些? 材料光的折射、色散、反射、吸收、散射等線性光學(xué)性能以及非線性光學(xué)性能。本章內(nèi)容： 光學(xué)性能的概念、光學(xué)特性、光發(fā)射等。 非線性光學(xué)性能產(chǎn)生條件、光學(xué)測量、光學(xué)材料應(yīng)用3頻率（Hz）1021041061081012101410161018102010221061041021101010-210-410-610-810-1010-1210-14波長名稱長波中波短波超短波微波毫米波紅外線可見

2、光紫外線X射線10mm1mm100m10m1m100nm10nm1nm 紅外線可見光紫外線光電磁波譜4人眼所感受的叫可見光的波長范圍： = 400760 nm 對應(yīng)的頻率范圍： = 3.94 7.5 1014 Hz5電磁波譜波長與頻率的對應(yīng)關(guān)系 可見，肉眼可見的光頻段窄小c0 真空中光速，c0 = 3.0108 m/s6光學(xué)性能線性光學(xué)性能的物理基礎(chǔ)（P 介質(zhì)的電極化強(qiáng)度， 介質(zhì)的極化率，E 入射光波中的電場） 介質(zhì)對光的作用與介質(zhì)本身的電極化特性是有關(guān)的，極化特性決定了其光學(xué)性能，光和電是不可分割的，許多光現(xiàn)象是用電子理論解釋的。 71、折射1、折射與折射率折 射光線依次通過兩種不 同的介質(zhì)

3、時，光的行 進(jìn)方向發(fā)生改變的現(xiàn) 象。折射實質(zhì)由于介質(zhì)密度不同， 光通過時，傳播速 度不同。 光的折射現(xiàn)象， i入射角，r折射角85.3.1 折射絕對折射率n光從真空進(jìn)入介質(zhì)材料時，光在兩者中的傳播速度之 比為材料的絕對折射率，即n 真空/材料 c/材料 1相對折射率n21光從材料1通過界面進(jìn)入材料2，兩種材料的絕對折 射率之比為“材料2相對材料1的相對折射率。n21 n2/n1 1/2 sin i/sin r介質(zhì)的n總是大于1的正數(shù)，例如空氣 n=1.0003 ，固體氧化物n=1.32.7，硅酸鹽玻璃 n=1.5-1.9 。折射率n與介質(zhì)的極化現(xiàn)象有關(guān)，影響極化率的因素即影響n。9折射率n是物

4、質(zhì)重要的特性參數(shù)，影響 因素有： 1構(gòu)成材料元素的離子半徑和電子結(jié)構(gòu) 麥克斯韋電磁波理論認(rèn)為光在介質(zhì)中的傳播速度式中：C真空中光速， 介質(zhì)介電常數(shù)， 介質(zhì)導(dǎo)磁率10 對于無機(jī)材料電介質(zhì) ，故 當(dāng)離子半徑增大時，其增大，因而n也增大。因此，可以用大離子得到高n的材料， ，用小離子得到低n的材料，如 。 2材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài) 象非晶態(tài)和立方晶體這些各向同性材料，當(dāng)光通過時，光速不因傳播方向改變而變化，材料只有一個折射率，稱為均質(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)。115.3.1 雙折射 均質(zhì)非晶、等軸晶系：介質(zhì)只有一個折射率 光學(xué)材料 非均質(zhì)非等軸晶系：具有雙折射特性 自然光

5、進(jìn)入非勻質(zhì)介質(zhì)（非等軸晶系晶體）時，一般要分為振動方向相互垂直傳播速率不等的兩個波，分別構(gòu)成兩條折射光線，這種現(xiàn)象稱為雙折射（原因：各向異性的表現(xiàn)）。12尋常光和非常光 對于各向異性晶體，一束光射入晶體后，可以觀察到有兩束折射光的現(xiàn)象。尋常光線(o光) -遵守折射定律非常光線(e光) -不遵守折射定律o光和e光都是線偏振光。13 方解石oeeon1n2irore(各向異性媒質(zhì))自然光o光e光尋常光和非尋常光o光 : 遵從折射定律e光 : 一般不遵從折射定律e光折射線也不一定在入射面內(nèi)。14光光當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時o光不動，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)雙折射紙面方解石 晶體15光光雙折射當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時o光

6、不動，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)紙面方解石 晶體16光光當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時o光不動，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)雙折射紙面方解石 晶體17光光當(dāng)方解石晶體旋轉(zhuǎn)時o光不動，e光圍繞o光旋轉(zhuǎn)雙折射紙面方解石 晶體183同質(zhì)異構(gòu)體在同質(zhì)異構(gòu)材料中，高溫時的晶型折射率n較低，低溫時存在的晶型折射率n較高。 4外界因素（應(yīng)力、電場等）有內(nèi)應(yīng)力的透明材料，垂直于受拉主應(yīng)力方向的n大，平行于受拉主應(yīng)力方向的n小。19表 各種玻璃和晶體的折射率 205.3.2 反射和透射當(dāng)光線由介質(zhì)1入射到介質(zhì)2時，光在介質(zhì)面上分成了反射光和折射光，所圖所示。單位能量流： WWW“反射系數(shù)： 透射系數(shù)： 21 m反射系數(shù)， 根據(jù)能量守恒定律（1-

7、m）稱為透射系數(shù)。由上式可知，在垂直入射的情況下，光在界面上的反射的多少取決于兩種介質(zhì)的相對折射率 。 22 設(shè)一塊折射率為 的玻璃，光反射損失為 ,透過部分為 。如果透射光又從另一界面射入空氣，即透過兩個界面，此時透過部分為 如果連續(xù)透過x塊平板玻璃，則透過部分為23 由于陶瓷，玻璃等材料的折射率較空氣大，所以反射損失嚴(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折射率外，內(nèi)部各界面都是和膠的較小的相對折射率，從而大大減少界面的反射損失。24全反射sin iC 1/n1光纖利用

8、了全反射特性。光在其中傳播無能量損失。思考題： 界面能造成光反射損失，如何減少多層玻璃造成的光反射損失？iic光密介質(zhì)光疏介質(zhì)i=iciic25通信用光纖、光纜光纖種類與尺寸包層纖芯包層與纖芯的主要材料均為玻璃，但它們摻雜不同的雜質(zhì)，使包層與纖芯具有不同的折射率。包層的外面還有一層保護(hù)層保護(hù)光纖簡單說模式就是指電磁場的“波形”26光纖中光波的傳輸原理-全反射之字線傳輸n2n1n2空氣ABMAX只要滿足全內(nèi)反射條件連續(xù)改變?nèi)肷浣堑娜魏喂馍渚€都能在光纖纖芯內(nèi)傳輸入射光反射光折射光折射率n1折射率n1 n2127光纖制造與衰減 光纖制造：現(xiàn)在光纖制造方法主要有：管內(nèi)CVD(化學(xué)汽相沉積)法，棒內(nèi)CV

9、D法，PCVD(等離子體化學(xué)汽相沉積)法VAD(軸向汽相沉積)法.28光纖制造高純度金屬氧化物的蒸汽氧氣汽相沉積法管狀玻璃或者石英體拉絲機(jī)光纖制造光纖預(yù)制棒拉制成形2930光纖衰減造成光纖衰減的主要因素有： 本征，彎曲，擠壓，雜質(zhì)，不均勻和對接 本征： 是光纖的固有損耗，包括：瑞利散射，固有吸收 彎曲： 光纖彎曲時部分光纖內(nèi)的光會因散射而損失掉，造成的損耗。 31色散 色 散材料的折射率隨入射光波長的增加而減少的性質(zhì)，稱為材料的色散。 色 散 dn/d 色散系數(shù) r (na-1)/(nf-nc)nd、nf、nc分別為用波長一定的納的D譜線、氫的F譜線和C譜線測得的折射率代入上式。為倒數(shù)相對色散

10、系數(shù)。32331吸收的一般規(guī)律 設(shè)有一塊厚度為x的平板材料，如圖5-3，入射光的強(qiáng)度為I0，通過此材料后光強(qiáng)度為 。選取其中一薄層 ，并認(rèn)為光通過此層的吸收損失 正比于在此處的光強(qiáng)度 I 和薄層的厚度 ， 5.3.3 光的吸收34圖5-3 光的吸收35 上式表明光強(qiáng)度隨厚度的變化符合指數(shù)衰減規(guī)律，即朗伯特定律。 式中為物質(zhì)對光的吸收系數(shù)，其單位為cm-1。 取決于材料的性質(zhì)和光的波長。 即:362光吸收與光波長的關(guān)系37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)材料的大部分在這個波譜區(qū)內(nèi)都有良好的透過性，即吸收系數(shù)很小。這是因為電介質(zhì)材料的價電

11、子所處的能帶是填滿了的,它不能吸收光子而自由運(yùn)動，而光子的能量又不足以使電子躍遷到導(dǎo)帶，所以在一定的波長范圍內(nèi)，吸收系數(shù)很小。38在紫外區(qū)出現(xiàn)紫外吸收端，當(dāng)光子能量達(dá)到禁帶寬度時，電子就會吸收光子能量從滿帶躍遷到導(dǎo)帶，此時吸收系數(shù)將驟然增大。此紫外吸收端相應(yīng)的波長可根據(jù)材料的禁帶寬度 Eg 求得：式中，普朗克常數(shù) ，C光速。 39 另外，在紅外區(qū)的吸收峰是因為離子的彈性振動與光子輻射發(fā)生諧振消耗能量所致。要使諧振點(diǎn)波長盡可能遠(yuǎn)離可見光區(qū)，即吸收峰的頻率盡可能小，則需選擇較小的材料熱振頻率 v 。式中 與力有關(guān)的常數(shù)，由離子間結(jié)合力決定， Mc和Ma分別為陽離子和陰離子質(zhì)量。 40光波遇到不均勻

12、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次級波，與主波方向不一致，與主波合成出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，使光偏離原來的方向，從而引起散射。 對于相分布均勻的材料，由于散射而光強(qiáng)度減弱的規(guī)律與吸收規(guī)律具有相同的形式： 式中 I0為光的原始強(qiáng)度，5.3.4 光的散射41 I 為光束通過厚度為x的試件后，由于散射在光前進(jìn)方向上的剩余強(qiáng)度， S 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)與基體的相對折射率等因素有關(guān)其單位為 。 42 當(dāng)光的波長約等于散射質(zhì)點(diǎn)的直徑時，出現(xiàn)散射的峰值。 如果將吸收定律與散射規(guī)律的式子統(tǒng)一起來，則: 從上圖可以看出，曲線由左右兩條不同形狀的曲線所組成，各自有著不同的規(guī)律。當(dāng) 時，則隨著d的增加，散射系數(shù)S也隨之增

13、大；當(dāng) 時，則隨著d的增加，s 反而減小，當(dāng) 時，s 達(dá)最大值。43 對于散射，可以認(rèn)為散射系數(shù)正比于散射質(zhì)點(diǎn)的投影面積： 式中： N單位體積內(nèi)的散射質(zhì)點(diǎn)數(shù)； R 散射質(zhì)點(diǎn)的平均半徑； K散射因素，取決于基體與質(zhì)點(diǎn)的相對折射率。 設(shè)散射質(zhì)點(diǎn)體積 ，則 44 故 由上式可知， 時，R越小，V越大，則S愈大，這符合實驗規(guī)律。當(dāng) 時，此時散射系數(shù)。 總之，不管在上述哪種情況下，散射質(zhì)點(diǎn)的折射率與基體的折射率相差越大，將產(chǎn)生越嚴(yán)重的散射。 45材料的透光性 光通過厚度為x的透明陶瓷片時，各種光能的損失見圖所示。強(qiáng)度為I0的光束垂直地入射到陶瓷左表面，由于陶瓷片與左側(cè)介質(zhì)之間存在相對折射 ，因而在表面上

14、有反射損失: L=透進(jìn)材料中的光強(qiáng)度為:46材料的透光性47 這一部分光能穿過厚度為x的材料后，又消耗于吸收損失和散射損失。到達(dá)材料后表面時，光強(qiáng)度剩下 。 再經(jīng)過表面，一部分光能反射進(jìn)材料內(nèi)部，其數(shù)量為 L= 另一部分傳至右側(cè)空間，其光強(qiáng)度為 顯然 才是真正的透光率。 影響材料透過率的因素有：48 1吸收系數(shù) 對于陶瓷、玻璃等電介質(zhì)材料，其吸收率或吸收系 數(shù)在可見光范圍內(nèi)是比較低的。 2反射系數(shù) 材料對周圍環(huán)境的相對折射率大，反射損失也大。 3散射系數(shù) 這一因素最影響陶瓷材料的透光率。 材料宏觀及顯微缺陷 晶粒排列方向 氣孔引起的散射損失49提高材料透光性的措施 1提高原材料純度 2摻加外加

15、劑 目的是降低材料的氣孔率，氣孔由于相對折射率的 關(guān)系，其影響程度遠(yuǎn)大于雜質(zhì)等其它結(jié)構(gòu)因素。 3工藝措施 采取熱壓法比普通燒結(jié)法更便于排除氣孔，因而是獲得透明陶瓷較為有效的工藝，熱等靜壓法效果更好。 50非線性光學(xué)性能一、概念 在強(qiáng)光光學(xué)范圍內(nèi)，光波在介質(zhì)中傳播時不再服從獨(dú)立傳播原理，兩束光波相遇時，也不再滿足線性疊加原理，而要發(fā)生強(qiáng)的相互作用，并由此使光波的頻率發(fā)生變化。 物理基礎(chǔ)：激光作用下，介質(zhì)的電極化強(qiáng)度與入射光場強(qiáng)的關(guān)系為一般的冪級數(shù)關(guān)系，即非線性關(guān)系 不同的晶體結(jié)構(gòu)（對稱性）產(chǎn)生的非線性極化階次不同。51激光的特性 單色性相干性好方向性好亮度高 52非線性光學(xué)性能二、條件 1. 入射光為強(qiáng)光 2. 晶體對稱性要求 3.位相匹配。53非線性光學(xué)性能非線性光學(xué)性能的理論模型電荷轉(zhuǎn)移理論陰離子基團(tuán)理論非諧振振子模型