材料的光學性能課件

第十一章材料的光學性能§11.1光通過介質(zhì)的現(xiàn)象

§11.2無機材料的透光性

§11.3界面反射與光澤

§11.4不透明性和半透明性

§11.5其它光學性能的應用光學性能的應用基礎(chǔ)※※1ppt課件第十一章材料的光學性能§11.1光通過介質(zhì)的現(xiàn)象光取之不盡的能源信息載體生命之源光引言2ppt課件取之不盡的能源光引言2ppt課件透光材料激光材料光纖材料（導光材料）發(fā)光材料光調(diào)制材料（電光、磁光、聲光材料）光電材料光信息材料非線性光學材料……光學材料分類3ppt課件透光材料激光材料光纖材料（導光材料）發(fā)光材料光調(diào)制材料（電光光參量光具有波粒二象性，既有波動性，又有粒子性。照片底片感光、眼睛的視覺作用等都是由光波電場引起，所以用圖形表示光波時，通常略去磁場不畫，只畫電場。4ppt課件光參量光具有波粒二象性，既有波動性，又有粒子性。照片底片感光波長（）：兩相鄰波峰或波谷間的距離，亦即在周期性波動的傳播方向上具有相同相位的兩相鄰點之間的距離，即波的空間周期。Einsten光電效應方程：頻率（）：每秒鐘電場完成振動周期的次數(shù)（Hz）。相位：在一個轉(zhuǎn)動周期或一個波長范圍內(nèi)，各點位置的度量，它是綜合頻率、時間、波長、距離在內(nèi)的一個角度量。是描述振動和波動狀態(tài)的一個綜合性波參量。振幅：光波中振動著的電場的最大值。光強的大小與振幅的平方成正比，因此振幅的大小決定著光的強弱。5ppt課件波長（）：兩相鄰波峰或波谷間的距離，亦即在周期性波動的線性光學性能描述普通光學現(xiàn)象的重要公式表現(xiàn)出數(shù)學上的線性特點，即介質(zhì)的電極化強度P與入射光波的電場E成簡單的線性關(guān)系。x為介質(zhì)的極化率，0位真空介電常數(shù)。6ppt課件線性光學性能描述普通光學現(xiàn)象的重要公式表現(xiàn)出數(shù)學上的線性特點§11.1光通過介質(zhì)的現(xiàn)象一、折射二、色散三、反射四、介質(zhì)對光的吸收五、介質(zhì)對光的散射7ppt課件§11.1光通過介質(zhì)的現(xiàn)象一、折射7ppt課件一、折射1.概念當光線依次通過不同的介質(zhì)時，光的行進方向會發(fā)生改變，稱為“折射”。折射現(xiàn)象的實質(zhì)：介質(zhì)的密度不同，光通過時，傳播速度也不同。2.折射率介質(zhì)對光的折射性質(zhì)用材料的“折射率”n表示。8ppt課件一、折射1.概念當光線依次通過不同的介質(zhì)時，光的行進方向會光從真空進入介質(zhì)材料時，速度降低。光在真空和材料中的速度之比即為材料的絕對折射率。（1）絕對折射率介質(zhì)的折射率永遠為大于1的正數(shù)?？諝猓簄=1.003固體氧化物：n=1.3~2.7硅酸鹽玻璃：n=1.5~1.99ppt課件光從真空進入介質(zhì)材料時，速度降低。光在真空和材料中的速度之比材料2相對于材料1的相對折射率為：分別表示光在材料1和材料2種的傳播速度。折射率n11折射率n22（2）相對折射率折射定律：n1sin1=n2sin2光從材料1通過界面?zhèn)魅氩牧?時，與界面法向所形成的入射角1

、折射角2與兩種材料的折射率n1和n2之間的關(guān)系為：10ppt課件材料2相對于材料1的相對折射率為：分別表示光在材料1和材料22.影響因素（1）構(gòu)成材料元素的離子半徑根據(jù)Maxwell電磁理論，光在介質(zhì)中的傳播速度為：對于無機材料：c：真空中的光速；：介質(zhì)的介電常數(shù)；：介質(zhì)的導磁率。介質(zhì)的折射率隨其介電常數(shù)的增大而增大。11ppt課件2.影響因素（1）構(gòu)成材料元素的離子半徑根據(jù)Maxwell折射率與介質(zhì)的極化現(xiàn)象有關(guān)。介電常數(shù)外加電場作用下，介質(zhì)中的正電荷沿著電場方向移動，負電荷沿著反電場方向移動，這樣正負電荷的中心發(fā)生相對位移，這種現(xiàn)象就是介質(zhì)的極化。外加電場越強，正負電荷中心的距離越大。介質(zhì)的離子半徑增大時，其增大，因而n也隨之增大。大離子得到高折射率材料：PbSn=3.912小離子得到低折射率材料：SiCl4

n=1.41212ppt課件折射率與介質(zhì)的極化現(xiàn)象有關(guān)。介電常數(shù)外加電場作用下，介質(zhì)中（2）材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)（離子的排列）光學均質(zhì)介質(zhì)：非晶態(tài)（無定型體）、等軸系晶體（各向同性）光學非均質(zhì)介質(zhì)：等軸系晶體外的其它晶體材料光通過時，光速不會因傳播方向的改變而變化，材料只有一個折射率光通過時，一般都要分為振動方向相互垂直、傳播速度不等的兩個波，構(gòu)成兩條折射線，這種現(xiàn)象稱為雙折射。晶體中沿密堆積方向上具有最高的折射率。是非均質(zhì)晶體的特性，是材料各向異性的表現(xiàn)。13ppt課件（2）材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)（離子的排列）光學均質(zhì)介質(zhì)：非雙折射：當一束單色自然光在各向異性晶體的界面折射時，一般產(chǎn)生兩束折射光（均為線偏振光）。尋常光(o光)非常光(e光)尋常光：平行于入射面的光線的折射率n0不隨入射角的變化而變化，始終為一常數(shù)，服從折射定律。非常光：與尋常光垂直的光線的折射率ne隨入射線方向的改變而變化,不服從折射定律。不發(fā)生雙折射的特殊方向稱為“光軸”，光沿光軸方向入射時，只有n0存在；與光軸方向垂直入射時，ne達到最大值。14ppt課件雙折射：當一束單色自然光在各向異性晶體的界面折射尋常光(o光（4）同質(zhì)異構(gòu)體垂直于受拉主應力方向的n大，平行于受拉主應力方向的n小。對于壓應力，具有相反的效果。在同質(zhì)異構(gòu)材料中，高溫時的晶型折射率較低，低溫時存在的晶型折射率較高；相同化學組成的玻璃比晶體的折射率低。如：室溫下，石英玻璃：n=1.46

石英晶體：n=1.55（3）材料的內(nèi)應力15ppt課件（4）同質(zhì)異構(gòu)體垂直于受拉主應力方向的n大，平行于受拉主應力二、色散1.概念材料的折射率隨入射光頻率的減?。ɑ虿ㄩL的增加）而減小的性質(zhì)，稱為折射率的色散。16ppt課件二、色散1.概念材料的折射率隨入射光頻率的減?。ɑ虿ㄩL的增2.色散系數(shù)nD，nF，nC分別為以鈉的D譜線、氫的F譜線和C譜線（5893?，4861?，6563?）為光源，測得的折射率描述光學玻璃的色散還用平均色散（nF-nC）實用的測量色散的方法是采用固定波長下的折射率來測量，描述材料色散的光學參量最常用的數(shù)值是倒數(shù)相對色散，即色散系數(shù)。17ppt課件2.色散系數(shù)nD，nF，nC分別為以鈉的D譜線、氫的F譜線在自然光的透過下，在像的周圍環(huán)繞一圈色帶，克服的辦法是用不同牌號的光學玻璃，分別磨成凸、凹透鏡組成復合鏡頭，可消除色差，這種鏡頭就是消色差鏡頭。3.討論由于光學玻璃一般都或多或少具有色散現(xiàn)象，因而使用這種材料制成的單片透鏡，成像不夠清晰，18ppt課件在自然光的透過下，在像的周圍環(huán)繞一圈色帶，克服的辦法是用不同三、反射1.反射系數(shù)反射系數(shù)m：W，W′，W′′分別為單位間內(nèi)通過單位面積的入射光、反射光和折射光的能量流。W=W′+W′′透射系數(shù)1-m：19ppt課件三、反射1.反射系數(shù)反射系數(shù)m：W，W′，W′′分別為單位根據(jù)波動理論：S、v分別為光束的橫截面積和傳播速度A為振幅反射波的傳播速度與橫截面積與入射波相同F(xiàn)resnel推導：20ppt課件根據(jù)波動理論：S、v分別為光束的橫截面積和傳播速度反射波的傳角度很小，即垂直入射時：介質(zhì)2相對于介質(zhì)1的折射率：21ppt課件角度很小，即垂直入射時：介質(zhì)2相對于介質(zhì)1的折射率：21p反射系數(shù)m與折射率n有關(guān)，若介質(zhì)2對于介質(zhì)1的相對折射率為n21，當角度很小，即垂直入射時，則有：2.討論垂直入射條件下，界面反射的多少，取決于相對折射率n21；介質(zhì)1為空氣，可以認為n1=1，于是n21=n2；n1和n2相差很大，界面反射損失嚴重；若n1=n2，則m=0，垂直入射時幾乎沒有反射損失；光通過的界面越多，界面反射就越嚴重。光連續(xù)透過x塊反射率為m的介質(zhì)時，透過部分為(1-m)2x。22ppt課件反射系數(shù)m與折射率n有關(guān)，若介質(zhì)2對于介質(zhì)1的相對折射率為n例：玻璃的折射率n=1.5

光的反射損失：透過部分為：1-m=1-0.04=0.96

透射光從另一界面射入空氣，透過兩個界面，透過部分為：

(1-m)2=0.962=0.9216

連續(xù)透過x塊平板玻璃，透過部分為：(1-m)2x陶瓷和玻璃等材料的折射率比空氣大，所以光從空氣進入這些材料時，反射損失嚴重。由多塊玻璃組成的透鏡系統(tǒng)，常常用折射率和玻璃相近的膠粘起來，這樣除了最外和最內(nèi)的兩個表面是玻璃和空氣的相對折射率外，內(nèi)部各界面均是玻璃和膠的較小的相對折射率，從而大大減少了界面的反射損失。23ppt課件例：玻璃的折射率n=1.5陶瓷和玻璃等材料的折射率比空氣大，3.全反射光線從光密介質(zhì)（玻璃）進入光疏介質(zhì)（空氣）中時，折射角2大于入射角1

。當1

為某值時，2可達到90°，這時光線平行于表面?zhèn)鞑ァ?

繼續(xù)增大時，光線就會全部向內(nèi)反射回光密介質(zhì)內(nèi)，這種現(xiàn)象稱為全反射。121折射率n11折射率n22111光纖通訊臨界角：sini臨界=1/n1空氣24ppt課件3.全反射光線從光密介質(zhì)（玻璃）進入光疏介質(zhì)（空氣）中時，四、介質(zhì)對光的吸收1.光吸收的一般規(guī)律光作為一種能量流，在穿過介質(zhì)時，其能量的衰減現(xiàn)象，稱為光的吸收。厚度為x的平板材料，入射光的強度為I0，通過該材料后光強度為I’，則通過材料薄層的吸收損失-dI正比于該處的光強I和薄層的厚度dx。能量衰減使介質(zhì)的價電子躍遷使介質(zhì)的原子振動價電子激發(fā)發(fā)出光子熱能25ppt課件四、介質(zhì)對光的吸收1.光吸收的一般規(guī)律光作為一種能量流，在（朗伯特定律）

(Lambert)光強度隨穿過介質(zhì)厚度的變化符合指數(shù)衰減規(guī)律。26ppt課件（朗伯特定律）光強度隨穿過介質(zhì)厚度的變化符合指數(shù)衰減規(guī)律。2：物質(zhì)對光的吸收系數(shù)，單位為cm-1。K為吸收率。取決于材料的性質(zhì)和光的波長。越大，材料越厚，光就被吸收的越多，透過后的光強度就越小。不同材料，差別很大?？諝猓?0-5cm-1玻璃：10-2cm-1金屬：為幾萬～幾十萬，所以金屬實際上時不透明的。由于吸收引起的光剩余強度為：27ppt課件：物質(zhì)對光的吸收系數(shù)，單位為cm-1。K為吸收率。不同材料2.光吸收與波長的關(guān)系(1)選擇性吸收材料對某一波段的光具有強烈的吸收作用，而對其它波段的光吸收較弱或不吸收，這種現(xiàn)象稱為選擇性吸收。嚴格說一切介質(zhì)都是選擇性吸收介質(zhì)。透明材料在可見光譜內(nèi)的選擇性吸收使其呈現(xiàn)不同的顏色。由于反射和吸收引起的光剩余強度為：反射系數(shù)28ppt課件2.光吸收與波長的關(guān)系(1)選擇性吸收材料對某一波段的光具(2)均勻吸收在可見光范圍內(nèi)，介質(zhì)對各種波長的光的吸收程度相同，這種現(xiàn)象稱為均勻吸收。均勻吸收情況下，隨著吸收程度的增加，顏色從灰變到黑。29ppt課件(2)均勻吸收在可見光范圍內(nèi)，介質(zhì)對各種波長的光的吸收程度相光波在材料中遇到光學性能不均勻的結(jié)構(gòu)，如含有小粒子的透明介質(zhì)、光性能不同的晶界相、氣孔或其它夾雜物，都會引起一部分光束被散射，使光束強度降低。本質(zhì)：光波遇到不均勻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次級波，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，引起散射。S：散射系數(shù)單為為cm-1。相均勻分布的材料，由于散射引起的光強減弱規(guī)律與吸收規(guī)律形式相同：1.光散射的一般規(guī)律五、介質(zhì)對光的散射30ppt課件光波在材料中遇到光學性能不均勻的結(jié)構(gòu)，如含有小粒子的透明介質(zhì)由于吸收和散射引起的光剩余強度為：由于反射、吸收和散射引起的光剩余強度為：I0：光的原始強度；I：透過厚度為x的材料后，由于散射引起的剩余強度。31ppt課件由于吸收和散射引起的光剩余強度為：由于反射、吸收和散射引起的（1）質(zhì)點大小d時，S最大。

d<

時，d

，S;d>

時，d

，S;散射質(zhì)點的體積分數(shù)不變：2.影響因素散射系數(shù)與散射質(zhì)點的大小、數(shù)量以及其與基體的相對折射率等因素有關(guān)。當光的波長約等于散射質(zhì)點的直徑時，出現(xiàn)散射的峰值。32ppt課件（1）質(zhì)點大小d時，S最大。散射質(zhì)點的體積分數(shù)反射、折射引起的總體散射起主導作用。散射系數(shù)正比于散射質(zhì)點的投影面積。d>

時，N：單位體積內(nèi)的散射質(zhì)點數(shù)；R：散射質(zhì)點的平均半徑；K：散射因素，取決于基體與質(zhì)點的相對折射率；V：散射質(zhì)點的體積含量。d>

時，R越小，V越大，S越大。33ppt課件反射、折射引起的總體散射起主導作用。d>時，N：單位體可近似采用瑞利（Rayleigh）散射來處理：主要為米氏（Mie）散射，散射效果主要與粒子橫截面積成比例。d</3時，d=時，d</3時，R越大，V越大，S越大。（2）散射質(zhì)點與基體的相對折射率散射質(zhì)點與基體的相對折射率越大，散射越嚴重。34ppt課件可近似采用瑞利（Rayleigh）散射來處理：主要為米氏（M§4.2無機材料的透光性一、透光率二、材料透光性的影響因素三、提高材料透光性的措施35ppt課件§4.2無機材料的透光性一、透光率35ppt課件一、透光率透光率是個綜合指標，指光通過材料后，剩余光能占入射光能的百分比。原始光材料剩余光反射散射吸收36ppt課件一、透光率透光率是個綜合指標，指光通過材料后，剩余光能占入射透光率：反射損失：吸收和散射損失37ppt課件透光率：反射損失：吸收和散射損失37ppt課件

吸收系數(shù)吸收系數(shù)與材料的性質(zhì)密切相關(guān)。金屬材料：吸收系數(shù)太大，不透光。陶瓷、玻璃、高分子介電材料：

在可見光范圍內(nèi)吸收系數(shù)較低，在影響透光性的因素中不占主要地位。

反射系數(shù)反射損失與相對折射率有關(guān)，也與表面粗糙度有關(guān)。二、材料透光性的影響因素38ppt課件吸收系數(shù)吸收系數(shù)與材料的性質(zhì)密切相關(guān)。金屬材料：吸收系數(shù)

散射系數(shù)（1）材料的宏觀及顯微缺陷除純晶體和玻璃體具有良好的透光性外，多晶多相材料，內(nèi)含雜質(zhì)、氣孔、晶界、微裂紋等缺陷，看上去是不透明的，主要是由于散射引起的。散射系數(shù)是影響透光性的主要因素。材料中的缺陷與主晶相不同，于是與主晶相具有相對折射率，此值越大，反射系數(shù)越大，散射因子也越大，散射系數(shù)變大。（2）晶粒排列方向的影響各向異性體，存在雙折射。39ppt課件散射系數(shù)（1）材料的宏觀及顯微缺陷除純晶體和玻璃體具有良n0與ne相差較小，反射和散射損失較小。n0與ne相差較大，反射和散射損失較大。多晶無機材料，相鄰晶粒之間的結(jié)晶取向不同。這樣，由于雙折射造成相鄰晶粒之間的折射率也不同。n0n0、ne兩個晶粒尋常光的相對折射率相同，即n0/n0=1，無反射損失；左晶粒的尋常光折射率n0與右晶粒的非尋常光折射率ne不同，形成相對折射率n0/ne1，造成反射系數(shù)和散射系數(shù)，引起很大的散射損失。影響多晶無機材料透光率的主要因素就是晶體的雙折射率。40ppt課件n0與ne相差較小，反射和散射損失較小。n0與ne相差較大，-Al2O3晶體的n0=1.76，ne=1.768，若相鄰晶粒的取向互相垂直，晶界面的反射損失為：材料厚2mm，晶粒平均直徑為10m，理論晶界為200個，由于晶界的反射損失，剩余光強：透明Al2O3的原理，石英玻璃和微晶玻璃的透光率也很高。d>>時，n21=n0/ne=1.768/1.761，K0，S0，散射損失也很小。反射損失很小應用舉例：41ppt課件-Al2O3晶體的n0=1.76，ne=1.768，若相鄰金紅石型TiO2陶瓷n0=2.854，ne=2.567，反射系數(shù)為m=2.810-3，材料厚3mm，晶粒平均直徑為3m，理論晶界為1000個，由于晶界的反射損失，剩余光強：反射損失很大d>>時，n21較大，K較大，S大，散射損失也較大金紅石型TiO2陶瓷不透光的原理各向同性體，立方晶系材料（MgO、Y2O3）沒有雙折射，本身透明度較高，如果使晶界玻璃相的折射率與主晶相相差不大，有可能得到透明陶瓷材料，實現(xiàn)非常困難。多晶陶瓷的透光率不如同成分的玻璃（非晶態(tài)）大，因為玻璃不存在雙折射，也就不存在晶界反射和散射兩種損失。42ppt課件金紅石型TiO2陶瓷n0=2.854，ne=2.567，反射（3）氣孔引起的散射損失氣孔可看作第二相，其折射率n1可看作1，與基體材料的折射率n2相差很大，相對折射率n21=n2也較大，所以氣孔引起的反射、散射損失比雜質(zhì)、不等向晶粒排列等因素引起的損失大。（一）材料中氣孔的體積分數(shù)為0.2%，氣孔的平均直徑為2m（大于可見光波長0.39~0.79m)，散射因子為2~4，則散射系數(shù)為：氣孔引起的散射損失與氣孔的直徑有關(guān)。應用舉例：材料厚3mm：43ppt課件（3）氣孔引起的散射損失氣孔可看作第二相，其折射率n1可看作（二）改善燒結(jié)工藝（熱等靜壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)），使氣孔直徑減小到0.01m（小于可見光波長的1/3)，即使氣孔的含量高達0.63%，Al2O3陶瓷也是透光的。材料厚3mm：

提高原材料純度降低雜質(zhì)含量三、提高材料透光性的措施44ppt課件（二）改善燒結(jié)工藝（熱等靜壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)），使氣孔直徑減小

摻加外加劑雜質(zhì)的折射率與基體的不同，等于在基體中形成分散的散射中心，使S提高。雜質(zhì)顆粒大?。篸>>或d<<雜質(zhì)含量：少雜質(zhì)與基體之間的相對折射率：小降低氣孔率摻加劑雜質(zhì)質(zhì)點，使散射損失提高。降低氣孔率，顯著提高了材料的透光率。>>從吸收損失考慮，在使用光的波段范圍內(nèi)，要求基體和雜質(zhì)的吸收系數(shù)不能出現(xiàn)峰值。45ppt課件摻加外加劑雜質(zhì)的折射率與基體的不同，等于在基體中形成分散的少量MgO+Y2O3、La2O3應用舉例：Al2O3少量MgO新生晶粒表面形成MgO·Al2O3尖晶石細化晶粒，改善力學性能降低氣孔率，提高透光性n=1.72摻加量過多，使反射和散射提高。適量（0.05~0.5%）Al2O3氧化物溶于尖晶石中形成固溶體半徑大的離子置換半徑小的離子，使尖晶石的折射率提高，接近于基體Al2O3的折射率，減少了界面反射和散射。進一步提高Al2O3陶瓷的透光率：離子半徑分別為0.65?，0.93?，1.15?46ppt課件少量MgO應用舉例：Al2O3少量MgO新生晶粒表面形成Mg

工藝措施降低氣孔率，使晶粒定向排列熱壓燒結(jié)熱等靜壓燒結(jié)熱鍛法有利于排除氣孔使晶粒定向排列47ppt課件工藝措施降低氣孔率，使晶粒定向排列熱壓燒結(jié)有利于排除氣孔使§4.3界面反射與光澤一、鏡反射和漫反射二、光澤三、顏色48ppt課件§4.3界面反射與光澤一、鏡反射和漫反射48ppt課件一、鏡反射和漫反射（1）鏡反射材料表面光潔度非常高時，反射光線具有明確的方向性，稱為鏡反射。具有鏡反射現(xiàn)象的物體只能在反射光線方向才能看見。光的反射使人們能看到自身不發(fā)光物體的存在。材料表面粗糙不平時，局部的入射角參差不一，反射光的方向也各式各樣，稱為漫反射。材料表面越粗糙，鏡反射所占的能量分數(shù)越小。漫反射使人們在各個方向都能看到物體。（2）漫反射49ppt課件一、鏡反射和漫反射（1）鏡反射材料表面光潔度非常高時，反射光光反射應用舉例：雕花玻璃器皿：高折射率，高反射率，裝飾效果好。寶石：強折射、高反射，耀眼。通訊用光導纖維：光束總的內(nèi)反射高。高折射高反射高折射低反射“不可見”窗戶：涂層玻璃大小相等，位相相反50ppt課件光反射應用舉例：雕花玻璃器皿：高折射率，高反射率，裝飾效果好光澤：與鏡反射和漫反射的相對含量密切相關(guān)。表面光澤與反射影像的清晰度和完整性，即與鏡反射光帶的寬度和它的強度有密切的關(guān)系。其因素主要由折射率和表面光潔度決定。二、光澤提高表面光澤提高表面光潔度增加表面粗糙度減小表面光澤51ppt課件光澤：與鏡反射和漫反射的相對含量密切相關(guān)。表面光澤與反射影像三、顏色由于光吸收的選擇性，導致物體吸收一定波長范圍的光，而反射或透射其它波長范圍的光，從而使物體呈現(xiàn)出不同的顏色。如：純銅吸收可見光譜的藍或紫端的光子，而反射較長波長的可見光，所以，純銅顯紅色。52ppt課件三、顏色由于光吸收的選擇性，導致物體吸收一定波長范圍的光，而光的顏色是人眼對具有不同頻率的光的視覺生理反應的結(jié)果。眼睛對不同光的視覺靈敏度是隨著光的頻率（或波長），即光色的不同而變化的。大家都戴著“有色眼鏡”哦！53ppt課件光的顏色是人眼對具有不同頻率的光的視覺生理反應的結(jié)果。眼睛對§4.4不透明性和半透明性一、不透明性和半透明性二、乳濁劑的成分三、改善乳濁性能的工藝措施四、半透明材料及改善措施54ppt課件§4.4不透明性和半透明性一、不透明性和半透明性54ppt一、不透明性和半透明性建筑衛(wèi)生陶瓷表面常常用釉覆蓋，搪瓷盆也用釉遮蓋。遮蓋底層或坯體的不良顏色釉：表面光澤好、不透明半透明的乳白玻璃使光線非常柔和55ppt課件一、不透明性和半透明性建筑衛(wèi)生陶瓷表面常常用釉覆蓋，搪瓷盆也為了提高不透明性和覆蓋能力，要求光在達到具有不同光學性能的底層前被漫反射掉。影響不透明性和半透明性的光學特性包括：鏡反射光的分數(shù)（決定光澤）；入射光漫反射的分數(shù)；直接透射光的分數(shù)；入射光漫透射的分數(shù)。半透明性：透射的光是擴散開的，大部分入射光應該透射過去而不是被漫反射掉，也就是說入射光中漫透射的分數(shù)對于材料的半透明性起著決定性作用。不透明性、半透明性取決于材料的反射和透射性能。56ppt課件為了提高不透明性和覆蓋能力，要求光在達到具有不同光學性能的底決定乳濁度的主要因素是：第二相的顆粒尺寸；第二相的體積分數(shù)；第二相與基體的相對折射率n21。為了達到最大的散射效果，提高乳濁度，降低透明性：乳濁劑顆粒不能與基體玻璃相發(fā)生反應；顆粒與基體的相對折射率n21要大；顆粒的體積分數(shù)要高；顆粒的尺寸與入射光波長相當。為了達到不透明或半透明性能，方法就是在基質(zhì)中引入第二相粒子—乳濁劑來實現(xiàn)。反射系數(shù)散射系數(shù)57ppt課件決定乳濁度的主要因素是：第二相的顆粒尺寸；為了達到最大的散射二、乳濁劑的成分（不透明性）構(gòu)成釉及搪瓷的主要成分（基體相）是硅酸鹽玻璃，折射率限定在1.49—1.65。乳濁劑的折射率和基體玻璃相的折射率要相差很大，還必須能在玻璃基體中形成小顆粒，根據(jù)乳濁劑的來源，乳濁劑可分為：惰性添加物；反映產(chǎn)生的惰性產(chǎn)物；玻璃溶體中成核結(jié)晶產(chǎn)物。58ppt課件二、乳濁劑的成分（不透明性）構(gòu)成釉及搪瓷的主要成分（基體相）59ppt課件59ppt課件折射率特別高，是非常有效地乳濁劑，廣泛用于要求高乳濁度的搪瓷釉中。但是沒有被用作釉和玻璃中。TiO2原因：高溫，特別是還原氣氛下，使釉著色。搪瓷燒成溫度低不會出現(xiàn)變色。SnO2普遍用于釉和琺瑯的優(yōu)質(zhì)乳濁劑。缺點：還原氣氛下，被還原成SnO，乳濁效果消失。稀少，介格昂貴，應用受到限制。ZrSiO4（鋯英石）優(yōu)點：乳濁效果穩(wěn)定，不受氣氛影響，成本低。推廣使用效果好常用的乳濁劑：60ppt課件折射率特別高，是非常有效地乳濁劑，廣泛用于要求高乳濁度的搪瓷三、改善乳濁性能（不透明性）的工藝措施釉和琺瑯的制作工藝：配料細磨成漿施于坯體煅燒熔融淬冷，制成熔塊乳濁劑顆粒：細小、均勻、熔體析晶產(chǎn)物—微晶粒隨燒結(jié)溫度的提高，乳濁度先增加，后下降，最后達到透明，所以焙燒溫度要適宜。溫度太高，釉塊完全熔透，無相界，造成晶核形成困難。61ppt課件三、改善乳濁性能（不透明性）的工藝措施釉和琺瑯的制作工藝：配四、半透明材料及改善措施乳白玻璃：明顯的散射，吸收最小，最大的漫透射。在玻璃中摻入和基質(zhì)材料的折射率相近的NaF和CaF2，促進其它晶體（方石英）從熔體中析出。單相氧化物陶瓷：半透明性是其質(zhì)量標志，半透明性幾乎只取決于氣孔的含量。對于含有小氣孔的高密度單相陶瓷，半透明度是衡量殘留氣孔率的一中敏感尺度，是瓷品一種良好的質(zhì)量標志。62ppt課件四、半透明材料及改善措施乳白玻璃：明顯的散射，吸收最小，最大工藝瓷（骨灰瓷和硬瓷）：半透明性是其主要的鑒定指標。構(gòu)成相：玻璃（折射率接近1.5），莫來石（折射率1.64）和石英。其中莫來石對于散射和降低半透明性起著主要作用。增加玻璃含量，減少莫來石的量，可提高半透明性。改善半透明性的措施降低氣孔含量，使焙燒溫度足夠高；調(diào)整各相的折射率，使之匹配較好，以減少散射，增加漫透射。液相（折射率1.56）+莫來石+石英=骨灰瓷63ppt課件工藝瓷（骨灰瓷和硬瓷）：半透明性是其主要的鑒定指標。構(gòu)成相：§4.5其它光學性能的應用一、發(fā)光材料二、熒光材料三、激光材料四、電光與聲光材料五、光通訊材料64ppt課件§4.5其它光學性能的應用一、發(fā)光材料64ppt課件一、發(fā)光材料光的發(fā)射是物體中電子從高能態(tài)到低能態(tài)的躍遷產(chǎn)生的，物體要發(fā)光，首先就得使物體中的電子處于高能態(tài)。1.發(fā)光白熾燈絲2000℃光與熱相伴而行爐火純青要靠輻射有效地產(chǎn)生可見光，物體的溫度必須足夠高！熱輻射決定于物體的溫度，是一種普遍存在的現(xiàn)象。65ppt課件一、發(fā)光材料光的發(fā)射是物體中電子從高能態(tài)到低能態(tài)的躍遷產(chǎn)生的太陽表面5800℃66ppt課件太陽表面5800℃66ppt課件冷光不需要提高物體的溫度，是物體在某種外界條件的刺激下偏離熱平衡狀態(tài)時由激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷所產(chǎn)生的輻射。是一種非平衡輻射。以某種方式將能量傳遞給物體使電子提升到一定高能態(tài)的過程，稱為激發(fā)過程。發(fā)光就是將所吸收的激發(fā)能轉(zhuǎn)化為光輻射的過程。能量來源：物理能、機械能、化學能、生物能等;相應地有：物理發(fā)光、機械發(fā)光、化學發(fā)光、生物發(fā)光等。67ppt課件冷光不需要提高物體的溫度，是物體在某種外界條件的刺激下偏離熱2.自發(fā)發(fā)光與受迫發(fā)光自發(fā)發(fā)光：受激發(fā)的粒子（如電子），受粒子內(nèi)部電場作用從激發(fā)態(tài)A而回到基態(tài)G時的發(fā)光。受迫發(fā)光：受激發(fā)的電子只有在外界因素的影響下才發(fā)光。3.材料的發(fā)光特征顏色特征

不同的發(fā)光材料有著不同的發(fā)光顏色。發(fā)光強度特征

發(fā)光強度代表發(fā)射光的能量，是一個客觀數(shù)值；發(fā)光的亮度是人眼的感覺，是主觀判斷的結(jié)果，其中包含了眼睛對不同顏色視覺的差別。68ppt課件2.自發(fā)發(fā)光與受迫發(fā)光自發(fā)發(fā)光：受激發(fā)的粒子（如電子），受發(fā)光持續(xù)時間特征

規(guī)定當激發(fā)停止時，其發(fā)光亮度L衰減到初始亮度L0的10%時所經(jīng)歷的時間為余輝時間，簡稱余輝。人眼能夠感覺到余輝的長發(fā)光期間者為磷光；人眼感覺不到余輝的短發(fā)光期間者為熒光。熒光與磷光無嚴格區(qū)別。4.發(fā)光材料分類（按激發(fā)方式來分）

光致發(fā)光材料發(fā)光材料在光（紫外光、紅外光、可見光等）照射下激發(fā)發(fā)光。

電致發(fā)光材料發(fā)光材料在電場或電流作用下的激發(fā)發(fā)光。69ppt課件發(fā)光持續(xù)時間特征人眼能夠感覺到余輝的長發(fā)光期間者為磷光；4.發(fā)光材料在電子束或其它射線束的轟擊下的激發(fā)發(fā)光。發(fā)光材料在熱作用下的激發(fā)發(fā)光。發(fā)光材料在等離子體的作用下的激發(fā)發(fā)光。

射線致發(fā)光材料

熱致發(fā)光材料

等離子發(fā)光材料70ppt課件發(fā)光材料在電子束或其它射線束的轟擊下的激發(fā)發(fā)光。發(fā)光材料在熱二、熒光材料電子從激發(fā)態(tài)向低能態(tài)的躍遷時，若伴隨有熱量向周圍的傳遞或輻射，此過程中發(fā)射的光為熒光或磷光，取決于激發(fā)和發(fā)射之間的時間。熒光材料的光發(fā)射主要受其中的雜質(zhì)影響，低濃度的雜質(zhì)就可起到激活劑的作用。應用：熒光燈工作原理：汞蒸氣和惰性氣體混合氣體中的放電電能光輻射激發(fā)放電管壁上的熒光劑71ppt課件二、熒光材料電子從激發(fā)態(tài)向低能態(tài)的躍遷時，若伴隨有熱量向周圍陰極射線管熒光屏閃爍計數(shù)器工作原理：電子束激發(fā)熒光劑彩色電視：采用不同的熒光劑，電子束激發(fā)，產(chǎn)生不同頻率范圍的光的發(fā)射，這樣不同的顏色就形成彩色。對于這種電子掃描顯示屏幕，熒光劑的衰減時間是個重要的性能參數(shù)。72ppt課件陰極射線管熒光屏閃爍計數(shù)器工作原理：電子束激發(fā)熒光劑彩色電視三、激光材料激光材料由基質(zhì)和激活離子組成，基質(zhì)的作用主要是為激活離子（發(fā)光中心）提供一個合適的晶格場，使其產(chǎn)生受激發(fā)射?；|(zhì)：氧化物及氟化物晶體

Al2O3、Y3Al5O15、YAlO3BaF、SrF、YLiF激活離子：作為激活中心的少量摻雜離子主要是過渡金屬離子和3價稀土離子等。73ppt課件三、激光材料激光材料由基質(zhì)和激活離子組成，基質(zhì)的作用主要是為

方向性好，亮度高，能量集中單色性好相干性好激光傳遞信息的容量大激光特點：激光器模型：74ppt課件方向性好，亮度高，能量集中激光特點：激光器模型：74ppt常見的激光材料及其應用：紅寶石CrAl2O3激光器：激光加工、激光測距、激光醫(yī)療器械摻w(Nd)1%的釔鋁石榴石單晶（Y3Al5O15）摻Nd3＋離子的激光玻璃：光通訊的光纖放大器、醫(yī)學75ppt課件常見的激光材料及其應用：紅寶石CrAl2O3激光器：激光加工三、電光與聲光材料電光效應：外加電場作用引起材料光折射率或光吸收變化的效應。

外加電場：靜電場、微波電場、光學電磁場利用電場、磁場或外加應力來調(diào)整材料的光學性能，使之按規(guī)定的方式與光學信號相互作用。1.電光材料電光材料：利用材料的電光效應可實現(xiàn)對光波強度、相位、頻率、偏振和傳播方向的控制。

76ppt課件三、電光與聲光材料電光效應：外加電場作用引起材料光折射率或光電光效應隨著外加電場呈線性或二次方變化。光調(diào)制器、光開關(guān)、光雙穩(wěn)態(tài)、光空間調(diào)制器、光顯示器、光波導器件等常見的電光材料及其應用：LiNbO3、LiTaO3、Ca2Nb2O7、SrxBa1-xNb2O6、KH2PO4等聲光效應：聲波是一種彈性應變波，當其通過介質(zhì)時，將引起材料的彈性變形，從而引起材料折射率隨時間和空間的周期變化，即聲光效應。2.聲光材料77ppt課件電光效應隨著外加電場呈線性或二次方變化。光調(diào)制器、光開關(guān)、光本質(zhì)：應變改變了晶格的內(nèi)部勢能，使得約束較弱的電子軌道的形狀和尺寸發(fā)生了變化，因而引起了極化率及折射率的變化。應變對晶體折射率的影響取決于應變軸的方向以及光學極化相對于晶軸的方向

聲光材料：光通過載有聲波的材料時，將產(chǎn)生光的衍射，其傳播方向、頻率和強度均發(fā)生變化，利用材料的聲光特性可實現(xiàn)對光波的控制。

78ppt課件本質(zhì)：應變改變了晶格的內(nèi)部勢能，使得約束較弱的電子軌道的形狀調(diào)制器、偏轉(zhuǎn)器、移頻器、濾波器、頻譜分析器常見的聲光材料及其應用：LiNbO3、LiTaO3、PbMoO5等79ppt課件調(diào)制器、偏轉(zhuǎn)器、移頻器、濾波器、頻譜分析器常見的聲光材料及其四、光通訊材料全反射：11臨界角：sini臨界=1/n1空氣玻璃纖維：n＝1.5，i臨界＝42°

1>42°，光線全部向內(nèi)反射，無折射能量損失。80ppt課件四、光通訊材料全反射：11臨界角：空氣玻璃纖維：n＝1.圖像清晰度低圖像清晰度高圖像減少散射損耗折射率較低的玻璃，該包覆層與纖維的熱膨脹性能與光學性能要相匹配。81ppt課件圖像清晰度低圖像清晰度高圖像減少散射損耗折射率較低的玻璃，該第十一章材料的光學性能§11.1光通過介質(zhì)的現(xiàn)象

§11.2無機材料的透光性

§11.3界面反射與光澤

§11.4不透明性和半透明性

§11.5其它光學性能的應用光學性能的應用基礎(chǔ)※※82ppt課件第十一章材料的光學性能§11.1光通過介質(zhì)的現(xiàn)象光取之不盡的能源信息載體生命之源光引言83ppt課件取之不盡的能源光引言2ppt課件透光材料激光材料光纖材料（導光材料）發(fā)光材料光調(diào)制材料（電光、磁光、聲光材料）光電材料光信息材料非線性光學材料……光學材料分類84ppt課件透光材料激光材料光纖材料（導光材料）發(fā)光材料光調(diào)制材料（電光光參量光具有波粒二象性，既有波動性，又有粒子性。照片底片感光、眼睛的視覺作用等都是由光波電場引起，所以用圖形表示光波時，通常略去磁場不畫，只畫電場。85ppt課件光參量光具有波粒二象性，既有波動性，又有粒子性。照片底片感光波長（）：兩相鄰波峰或波谷間的距離，亦即在周期性波動的傳播方向上具有相同相位的兩相鄰點之間的距離，即波的空間周期。Einsten光電效應方程：頻率（）：每秒鐘電場完成振動周期的次數(shù)（Hz）。相位：在一個轉(zhuǎn)動周期或一個波長范圍內(nèi)，各點位置的度量，它是綜合頻率、時間、波長、距離在內(nèi)的一個角度量。是描述振動和波動狀態(tài)的一個綜合性波參量。振幅：光波中振動著的電場的最大值。光強的大小與振幅的平方成正比，因此振幅的大小決定著光的強弱。86ppt課件波長（）：兩相鄰波峰或波谷間的距離，亦即在周期性波動的線性光學性能描述普通光學現(xiàn)象的重要公式表現(xiàn)出數(shù)學上的線性特點，即介質(zhì)的電極化強度P與入射光波的電場E成簡單的線性關(guān)系。x為介質(zhì)的極化率，0位真空介電常數(shù)。87ppt課件線性光學性能描述普通光學現(xiàn)象的重要公式表現(xiàn)出數(shù)學上的線性特點§11.1光通過介質(zhì)的現(xiàn)象一、折射二、色散三、反射四、介質(zhì)對光的吸收五、介質(zhì)對光的散射88ppt課件§11.1光通過介質(zhì)的現(xiàn)象一、折射7ppt課件一、折射1.概念當光線依次通過不同的介質(zhì)時，光的行進方向會發(fā)生改變，稱為“折射”。折射現(xiàn)象的實質(zhì)：介質(zhì)的密度不同，光通過時，傳播速度也不同。2.折射率介質(zhì)對光的折射性質(zhì)用材料的“折射率”n表示。89ppt課件一、折射1.概念當光線依次通過不同的介質(zhì)時，光的行進方向會光從真空進入介質(zhì)材料時，速度降低。光在真空和材料中的速度之比即為材料的絕對折射率。（1）絕對折射率介質(zhì)的折射率永遠為大于1的正數(shù)?？諝猓簄=1.003固體氧化物：n=1.3~2.7硅酸鹽玻璃：n=1.5~1.990ppt課件光從真空進入介質(zhì)材料時，速度降低。光在真空和材料中的速度之比材料2相對于材料1的相對折射率為：分別表示光在材料1和材料2種的傳播速度。折射率n11折射率n22（2）相對折射率折射定律：n1sin1=n2sin2光從材料1通過界面?zhèn)魅氩牧?時，與界面法向所形成的入射角1

、折射角2與兩種材料的折射率n1和n2之間的關(guān)系為：91ppt課件材料2相對于材料1的相對折射率為：分別表示光在材料1和材料22.影響因素（1）構(gòu)成材料元素的離子半徑根據(jù)Maxwell電磁理論，光在介質(zhì)中的傳播速度為：對于無機材料：c：真空中的光速；：介質(zhì)的介電常數(shù)；：介質(zhì)的導磁率。介質(zhì)的折射率隨其介電常數(shù)的增大而增大。92ppt課件2.影響因素（1）構(gòu)成材料元素的離子半徑根據(jù)Maxwell折射率與介質(zhì)的極化現(xiàn)象有關(guān)。介電常數(shù)外加電場作用下，介質(zhì)中的正電荷沿著電場方向移動，負電荷沿著反電場方向移動，這樣正負電荷的中心發(fā)生相對位移，這種現(xiàn)象就是介質(zhì)的極化。外加電場越強，正負電荷中心的距離越大。介質(zhì)的離子半徑增大時，其增大，因而n也隨之增大。大離子得到高折射率材料：PbSn=3.912小離子得到低折射率材料：SiCl4

n=1.41293ppt課件折射率與介質(zhì)的極化現(xiàn)象有關(guān)。介電常數(shù)外加電場作用下，介質(zhì)中（2）材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)（離子的排列）光學均質(zhì)介質(zhì)：非晶態(tài)（無定型體）、等軸系晶體（各向同性）光學非均質(zhì)介質(zhì)：等軸系晶體外的其它晶體材料光通過時，光速不會因傳播方向的改變而變化，材料只有一個折射率光通過時，一般都要分為振動方向相互垂直、傳播速度不等的兩個波，構(gòu)成兩條折射線，這種現(xiàn)象稱為雙折射。晶體中沿密堆積方向上具有最高的折射率。是非均質(zhì)晶體的特性，是材料各向異性的表現(xiàn)。94ppt課件（2）材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)（離子的排列）光學均質(zhì)介質(zhì)：非雙折射：當一束單色自然光在各向異性晶體的界面折射時，一般產(chǎn)生兩束折射光（均為線偏振光）。尋常光(o光)非常光(e光)尋常光：平行于入射面的光線的折射率n0不隨入射角的變化而變化，始終為一常數(shù)，服從折射定律。非常光：與尋常光垂直的光線的折射率ne隨入射線方向的改變而變化,不服從折射定律。不發(fā)生雙折射的特殊方向稱為“光軸”，光沿光軸方向入射時，只有n0存在；與光軸方向垂直入射時，ne達到最大值。95ppt課件雙折射：當一束單色自然光在各向異性晶體的界面折射尋常光(o光（4）同質(zhì)異構(gòu)體垂直于受拉主應力方向的n大，平行于受拉主應力方向的n小。對于壓應力，具有相反的效果。在同質(zhì)異構(gòu)材料中，高溫時的晶型折射率較低，低溫時存在的晶型折射率較高；相同化學組成的玻璃比晶體的折射率低。如：室溫下，石英玻璃：n=1.46

石英晶體：n=1.55（3）材料的內(nèi)應力96ppt課件（4）同質(zhì)異構(gòu)體垂直于受拉主應力方向的n大，平行于受拉主應力二、色散1.概念材料的折射率隨入射光頻率的減小（或波長的增加）而減小的性質(zhì)，稱為折射率的色散。97ppt課件二、色散1.概念材料的折射率隨入射光頻率的減?。ɑ虿ㄩL的增2.色散系數(shù)nD，nF，nC分別為以鈉的D譜線、氫的F譜線和C譜線（5893?，4861?，6563?）為光源，測得的折射率描述光學玻璃的色散還用平均色散（nF-nC）實用的測量色散的方法是采用固定波長下的折射率來測量，描述材料色散的光學參量最常用的數(shù)值是倒數(shù)相對色散，即色散系數(shù)。98ppt課件2.色散系數(shù)nD，nF，nC分別為以鈉的D譜線、氫的F譜線在自然光的透過下，在像的周圍環(huán)繞一圈色帶，克服的辦法是用不同牌號的光學玻璃，分別磨成凸、凹透鏡組成復合鏡頭，可消除色差，這種鏡頭就是消色差鏡頭。3.討論由于光學玻璃一般都或多或少具有色散現(xiàn)象，因而使用這種材料制成的單片透鏡，成像不夠清晰，99ppt課件在自然光的透過下，在像的周圍環(huán)繞一圈色帶，克服的辦法是用不同三、反射1.反射系數(shù)反射系數(shù)m：W，W′，W′′分別為單位間內(nèi)通過單位面積的入射光、反射光和折射光的能量流。W=W′+W′′透射系數(shù)1-m：100ppt課件三、反射1.反射系數(shù)反射系數(shù)m：W，W′，W′′分別為單位根據(jù)波動理論：S、v分別為光束的橫截面積和傳播速度A為振幅反射波的傳播速度與橫截面積與入射波相同F(xiàn)resnel推導：101ppt課件根據(jù)波動理論：S、v分別為光束的橫截面積和傳播速度反射波的傳角度很小，即垂直入射時：介質(zhì)2相對于介質(zhì)1的折射率：102ppt課件角度很小，即垂直入射時：介質(zhì)2相對于介質(zhì)1的折射率：21p反射系數(shù)m與折射率n有關(guān)，若介質(zhì)2對于介質(zhì)1的相對折射率為n21，當角度很小，即垂直入射時，則有：2.討論垂直入射條件下，界面反射的多少，取決于相對折射率n21；介質(zhì)1為空氣，可以認為n1=1，于是n21=n2；n1和n2相差很大，界面反射損失嚴重；若n1=n2，則m=0，垂直入射時幾乎沒有反射損失；光通過的界面越多，界面反射就越嚴重。光連續(xù)透過x塊反射率為m的介質(zhì)時，透過部分為(1-m)2x。103ppt課件反射系數(shù)m與折射率n有關(guān)，若介質(zhì)2對于介質(zhì)1的相對折射率為n例：玻璃的折射率n=1.5

光的反射損失：透過部分為：1-m=1-0.04=0.96

透射光從另一界面射入空氣，透過兩個界面，透過部分為：

(1-m)2=0.962=0.9216

連續(xù)透過x塊平板玻璃，透過部分為：(1-m)2x陶瓷和玻璃等材料的折射率比空氣大，所以光從空氣進入這些材料時，反射損失嚴重。由多塊玻璃組成的透鏡系統(tǒng)，常常用折射率和玻璃相近的膠粘起來，這樣除了最外和最內(nèi)的兩個表面是玻璃和空氣的相對折射率外，內(nèi)部各界面均是玻璃和膠的較小的相對折射率，從而大大減少了界面的反射損失。104ppt課件例：玻璃的折射率n=1.5陶瓷和玻璃等材料的折射率比空氣大，3.全反射光線從光密介質(zhì)（玻璃）進入光疏介質(zhì)（空氣）中時，折射角2大于入射角1

。當1

為某值時，2可達到90°，這時光線平行于表面?zhèn)鞑ァ?

繼續(xù)增大時，光線就會全部向內(nèi)反射回光密介質(zhì)內(nèi)，這種現(xiàn)象稱為全反射。121折射率n11折射率n22111光纖通訊臨界角：sini臨界=1/n1空氣105ppt課件3.全反射光線從光密介質(zhì)（玻璃）進入光疏介質(zhì)（空氣）中時，四、介質(zhì)對光的吸收1.光吸收的一般規(guī)律光作為一種能量流，在穿過介質(zhì)時，其能量的衰減現(xiàn)象，稱為光的吸收。厚度為x的平板材料，入射光的強度為I0，通過該材料后光強度為I’，則通過材料薄層的吸收損失-dI正比于該處的光強I和薄層的厚度dx。能量衰減使介質(zhì)的價電子躍遷使介質(zhì)的原子振動價電子激發(fā)發(fā)出光子熱能106ppt課件四、介質(zhì)對光的吸收1.光吸收的一般規(guī)律光作為一種能量流，在（朗伯特定律）

(Lambert)光強度隨穿過介質(zhì)厚度的變化符合指數(shù)衰減規(guī)律。107ppt課件（朗伯特定律）光強度隨穿過介質(zhì)厚度的變化符合指數(shù)衰減規(guī)律。2：物質(zhì)對光的吸收系數(shù)，單位為cm-1。K為吸收率。取決于材料的性質(zhì)和光的波長。越大，材料越厚，光就被吸收的越多，透過后的光強度就越小。不同材料，差別很大?？諝猓?0-5cm-1玻璃：10-2cm-1金屬：為幾萬～幾十萬，所以金屬實際上時不透明的。由于吸收引起的光剩余強度為：108ppt課件：物質(zhì)對光的吸收系數(shù)，單位為cm-1。K為吸收率。不同材料2.光吸收與波長的關(guān)系(1)選擇性吸收材料對某一波段的光具有強烈的吸收作用，而對其它波段的光吸收較弱或不吸收，這種現(xiàn)象稱為選擇性吸收。嚴格說一切介質(zhì)都是選擇性吸收介質(zhì)。透明材料在可見光譜內(nèi)的選擇性吸收使其呈現(xiàn)不同的顏色。由于反射和吸收引起的光剩余強度為：反射系數(shù)109ppt課件2.光吸收與波長的關(guān)系(1)選擇性吸收材料對某一波段的光具(2)均勻吸收在可見光范圍內(nèi)，介質(zhì)對各種波長的光的吸收程度相同，這種現(xiàn)象稱為均勻吸收。均勻吸收情況下，隨著吸收程度的增加，顏色從灰變到黑。110ppt課件(2)均勻吸收在可見光范圍內(nèi)，介質(zhì)對各種波長的光的吸收程度相光波在材料中遇到光學性能不均勻的結(jié)構(gòu)，如含有小粒子的透明介質(zhì)、光性能不同的晶界相、氣孔或其它夾雜物，都會引起一部分光束被散射，使光束強度降低。本質(zhì)：光波遇到不均勻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次級波，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，引起散射。S：散射系數(shù)單為為cm-1。相均勻分布的材料，由于散射引起的光強減弱規(guī)律與吸收規(guī)律形式相同：1.光散射的一般規(guī)律五、介質(zhì)對光的散射111ppt課件光波在材料中遇到光學性能不均勻的結(jié)構(gòu)，如含有小粒子的透明介質(zhì)由于吸收和散射引起的光剩余強度為：由于反射、吸收和散射引起的光剩余強度為：I0：光的原始強度；I：透過厚度為x的材料后，由于散射引起的剩余強度。112ppt課件由于吸收和散射引起的光剩余強度為：由于反射、吸收和散射引起的（1）質(zhì)點大小d時，S最大。

d<

時，d

，S;d>

時，d

，S;散射質(zhì)點的體積分數(shù)不變：2.影響因素散射系數(shù)與散射質(zhì)點的大小、數(shù)量以及其與基體的相對折射率等因素有關(guān)。當光的波長約等于散射質(zhì)點的直徑時，出現(xiàn)散射的峰值。113ppt課件（1）質(zhì)點大小d時，S最大。散射質(zhì)點的體積分數(shù)反射、折射引起的總體散射起主導作用。散射系數(shù)正比于散射質(zhì)點的投影面積。d>

時，N：單位體積內(nèi)的散射質(zhì)點數(shù)；R：散射質(zhì)點的平均半徑；K：散射因素，取決于基體與質(zhì)點的相對折射率；V：散射質(zhì)點的體積含量。d>

時，R越小，V越大，S越大。114ppt課件反射、折射引起的總體散射起主導作用。d>時，N：單位體可近似采用瑞利（Rayleigh）散射來處理：主要為米氏（Mie）散射，散射效果主要與粒子橫截面積成比例。d</3時，d=時，d</3時，R越大，V越大，S越大。（2）散射質(zhì)點與基體的相對折射率散射質(zhì)點與基體的相對折射率越大，散射越嚴重。115ppt課件可近似采用瑞利（Rayleigh）散射來處理：主要為米氏（M§4.2無機材料的透光性一、透光率二、材料透光性的影響因素三、提高材料透光性的措施116ppt課件§4.2無機材料的透光性一、透光率35ppt課件一、透光率透光率是個綜合指標，指光通過材料后，剩余光能占入射光能的百分比。原始光材料剩余光反射散射吸收117ppt課件一、透光率透光率是個綜合指標，指光通過材料后，剩余光能占入射透光率：反射損失：吸收和散射損失118ppt課件透光率：反射損失：吸收和散射損失37ppt課件

吸收系數(shù)吸收系數(shù)與材料的性質(zhì)密切相關(guān)。金屬材料：吸收系數(shù)太大，不透光。陶瓷、玻璃、高分子介電材料：

在可見光范圍內(nèi)吸收系數(shù)較低，在影響透光性的因素中不占主要地位。

反射系數(shù)反射損失與相對折射率有關(guān)，也與表面粗糙度有關(guān)。二、材料透光性的影響因素119ppt課件吸收系數(shù)吸收系數(shù)與材料的性質(zhì)密切相關(guān)。金屬材料：吸收系數(shù)

散射系數(shù)（1）材料的宏觀及顯微缺陷除純晶體和玻璃體具有良好的透光性外，多晶多相材料，內(nèi)含雜質(zhì)、氣孔、晶界、微裂紋等缺陷，看上去是不透明的，主要是由于散射引起的。散射系數(shù)是影響透光性的主要因素。材料中的缺陷與主晶相不同，于是與主晶相具有相對折射率，此值越大，反射系數(shù)越大，散射因子也越大，散射系數(shù)變大。（2）晶粒排列方向的影響各向異性體，存在雙折射。120ppt課件散射系數(shù)（1）材料的宏觀及顯微缺陷除純晶體和玻璃體具有良n0與ne相差較小，反射和散射損失較小。n0與ne相差較大，反射和散射損失較大。多晶無機材料，相鄰晶粒之間的結(jié)晶取向不同。這樣，由于雙折射造成相鄰晶粒之間的折射率也不同。n0n0、ne兩個晶粒尋常光的相對折射率相同，即n0/n0=1，無反射損失；左晶粒的尋常光折射率n0與右晶粒的非尋常光折射率ne不同，形成相對折射率n0/ne1，造成反射系數(shù)和散射系數(shù)，引起很大的散射損失。影響多晶無機材料透光率的主要因素就是晶體的雙折射率。121ppt課件n0與ne相差較小，反射和散射損失較小。n0與ne相差較大，-Al2O3晶體的n0=1.76，ne=1.768，若相鄰晶粒的取向互相垂直，晶界面的反射損失為：材料厚2mm，晶粒平均直徑為10m，理論晶界為200個，由于晶界的反射損失，剩余光強：透明Al2O3的原理，石英玻璃和微晶玻璃的透光率也很高。d>>時，n21=n0/ne=1.768/1.761，K0，S0，散射損失也很小。反射損失很小應用舉例：122ppt課件-Al2O3晶體的n0=1.76，ne=1.768，若相鄰金紅石型TiO2陶瓷n0=2.854，ne=2.567，反射系數(shù)為m=2.810-3，材料厚3mm，晶粒平均直徑為3m，理論晶界為1000個，由于晶界的反射損失，剩余光強：反射損失很大d>>時，n21較大，K較大，S大，散射損失也較大金紅石型TiO2陶瓷不透光的原理各向同性體，立方晶系材料（MgO、Y2O3）沒有雙折射，本身透明度較高，如果使晶界玻璃相的折射率與主晶相相差不大，有可能得到透明陶瓷材料，實現(xiàn)非常困難。多晶陶瓷的透光率不如同成分的玻璃（非晶態(tài)）大，因為玻璃不存在雙折射，也就不存在晶界反射和散射兩種損失。123ppt課件金紅石型TiO2陶瓷n0=2.854，ne=2.567，反射（3）氣孔引起的散射損失氣孔可看作第二相，其折射率n1可看作1，與基體材料的折射率n2相差很大，相對折射率n21=n2也較大，所以氣孔引起的反射、散射損失比雜質(zhì)、不等向晶粒排列等因素引起的損失大。（一）材料中氣孔的體積分數(shù)為0.2%，氣孔的平均直徑為2m（大于可見光波長0.39~0.79m)，散射因子為2~4，則散射系數(shù)為：氣孔引起的散射損失與氣孔的直徑有關(guān)。應用舉例：材料厚3mm：124ppt課件（3）氣孔引起的散射損失氣孔可看作第二相，其折射率n1可看作（二）改善燒結(jié)工藝（熱等靜壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)），使氣孔直徑減小到0.01m（小于可見光波長的1/3)，即使氣孔的含量高達0.63%，Al2O3陶瓷也是透光的。材料厚3mm：

提高原材料純度降低雜質(zhì)含量三、提高材料透光性的措施125ppt課件（二）改善燒結(jié)工藝（熱等靜壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)），使氣孔直徑減小

摻加外加劑雜質(zhì)的折射率與基體的不同，等于在基體中形成分散的散射中心，使S提高。雜質(zhì)顆粒大小：d>>或d<<雜質(zhì)含量：少雜質(zhì)與基體之間的相對折射率：小降低氣孔率摻加劑雜質(zhì)質(zhì)點，使散射損失提高。降低氣孔率，顯著提高了材料的透光率。>>從吸收損失考慮，在使用光的波段范圍內(nèi)，要求基體和雜質(zhì)的吸收系數(shù)不能出現(xiàn)峰值。126ppt課件摻加外加劑雜質(zhì)的折射率與基體的不同，等于在基體中形成分散的少量MgO+Y2O3、La2O3應用舉例：Al2O3少量MgO新生晶粒表面形成MgO·Al2O3尖晶石細化晶粒，改善力學性能降低氣孔率，提高透光性n=1.72摻加量過多，使反射和散射提高。適量（0.05~0.5%）Al2O3氧化物溶于尖晶石中形成固溶體半徑大的離子置換半徑小的離子，使尖晶石的折射率提高，接近于基體Al2O3的折射率，減少了界面反射和散射。進一步提高Al2O3陶瓷的透光率：離子半徑分別為0.65?，0.93?，1.15?127ppt課件少量MgO應用舉例：Al2O3少量MgO新生晶粒表面形成Mg

工藝措施降低氣孔率，使晶粒定向排列熱壓燒結(jié)熱等靜壓燒結(jié)熱鍛法有利于排除氣孔使晶粒定向排列128ppt課件工藝措施降低氣孔率，使晶粒定向排列熱壓燒結(jié)有利于排除氣孔使§4.3界面反射與光澤一、鏡反射和漫反射二、光澤三、顏色129ppt課件§4.3界面反射與光澤一、鏡反射和漫反射48ppt課件一、鏡反射和漫反射（1）鏡反射材料表面光潔度非常高時，反射光線具有明確的方向性，稱為鏡反射。具有鏡反射現(xiàn)象的物體只能在反射光線方向才能看見。光的反射使人們能看到自身不發(fā)光物體的存在。材料表面粗糙不平時，局部的入射角參差不一，反射光的方向也各式各樣，稱為漫反射。材料表面越粗糙，鏡反射所占的能量分數(shù)越小。漫反射使人們在各個方向都能看到物體。（2）漫反射130ppt課件一、鏡反射和漫反射（1）鏡反射材料表面光潔度非常高時，反射光光反射應用舉例：雕花玻璃器皿：高折射率，高反射率，裝飾效果好。寶石：強折射、高反射，耀眼。通訊用光導纖維：光束總的內(nèi)反射高。高折射高反射高折射低反射“不可見”窗戶：涂層玻璃大小相等，位相相反131ppt課件光反射應用舉例：雕花玻璃器皿：高折射率，高反射率，裝飾效果好光澤：與鏡反射和漫反射的相對含量密切相關(guān)。表面光澤與反射影像的清晰度和完整性，即與鏡反射光帶的寬度和它的強度有密切的關(guān)系。其因素主要由折射率和表面光潔度決定。二、光澤提高表面光澤提高表面光潔度增加表面粗糙度減小表面光澤132ppt課件光澤：與鏡反射和漫反射的相對含量密切相關(guān)。表面光澤與反射影像三、顏色由于光吸收的選擇性，導致物體吸收一定波長范圍的光，而反射或透射其它波長范圍的光，從而使物體呈現(xiàn)出不同的顏色。如：純銅吸收可見光譜的藍或紫端的光子，而反射較長波長的可見光，所以，純銅顯紅色。133ppt課件三、顏色由于光吸收的選擇性，導致物體吸收一定波長范圍的光，而光的顏色是人眼對具有不同頻率的光的視覺生理反應的結(jié)果。眼睛對不同光的視覺靈敏度是隨著光的頻率（或波長），即光色的不同而變化的。大家都戴著“有色眼鏡”哦！134ppt課件光的顏色是人眼對具有不同頻率的光的視覺生理反應的結(jié)果。眼睛對§4.4不透明性和半透明性一、不透明性和半透明性二、乳濁劑的成分三、改善乳濁性能的工藝措施四、半透明材料及改善措施135ppt課件§4.4不透明性和半透明性一、不透明性和半透明性54ppt一、不透明性和半透明性建筑衛(wèi)生陶瓷表面常常用釉覆蓋，搪瓷盆也用釉遮蓋。遮蓋底層或坯體的不良顏色釉：表面光澤好、不透明半透明的乳白玻璃使光線非常柔和136ppt課件一、不透明性和半透明性建筑衛(wèi)生陶瓷表面常常用釉覆蓋，搪瓷盆也為了提高不透明性和覆蓋能力，要求光在達到具有不同光學性能的底層前被漫反射掉。影響不透明性和半透明性的光學特性包括：鏡反射光的分數(shù)（決定光澤）；入射光漫反射的分數(shù)；直接透射光的分數(shù)；入射光漫透射的分數(shù)。半透明性：透射的光是擴散開的，大部分入射光應該透射過去而不是被漫反射掉，也就是說入射光中漫透射的分數(shù)對于材料的半透明性起著決定性作用。不透明性、半透明性取決于材料的反射和透射性能。137ppt課件為了提高不透明性和覆蓋能力，要求光在達到具有不同光學性能的底決定乳濁度的主要因素是：第二相的顆粒尺寸；第二相的體積分數(shù)；第二相與基體的相對折射率n21。為了達到最大的散射效果，提高乳濁度，降低透明性：乳濁劑顆粒不能與基體玻璃相發(fā)生反應；顆粒與基體的相對折射率n21要大；顆粒的體積分數(shù)要高；顆粒的尺寸與入射光波長相當。為了達到不透明或半透明性能，方法就是在基質(zhì)中引入第二相粒子—乳濁劑來實現(xiàn)。反射系數(shù)散射系數(shù)138ppt課件決定乳濁度的主要因素是：第二相的顆粒尺寸；為了達到最大的散射二、乳濁劑的成分（不透明性）構(gòu)成釉及搪瓷的主要成分（基體相）是硅酸鹽玻璃，折射率限定在1.49—1.65。乳濁劑的折射率和基體玻璃相的折射率要相差很大，還必須能在玻璃基體中形成小顆粒，根據(jù)乳濁劑的來源，乳濁劑可分為：惰性添加物；反映產(chǎn)生的惰性產(chǎn)物；玻璃溶體中成核結(jié)晶產(chǎn)物。139ppt課件二、乳濁劑的成分（不透明性）構(gòu)成釉及搪瓷的主要成分（基體相）140ppt課件59ppt課件折射率特別高，是非常有效地乳濁劑，廣泛用于要求高乳濁度的搪瓷釉中。但是沒有被用作釉和玻璃中。TiO2原因：高溫，特別是還原氣氛下，使釉著色。搪瓷燒成溫度低不會出現(xiàn)變色。SnO2普遍用于釉和琺瑯的優(yōu)質(zhì)乳濁劑。缺點：還原氣氛下，被還原成SnO，乳濁效果消失。稀少，介格昂貴，應用受到限制。ZrSiO4（鋯英石）優(yōu)點：乳濁效果穩(wěn)定，不受氣氛影響，成本低。推廣使用效果好常用的乳濁劑：141ppt課件折射率特別高，是非常有效地乳濁劑，廣泛用于要求高乳濁度的搪瓷三、改善乳濁性能（不透明性）的工藝措施釉和琺瑯的制作工藝：配料細磨成漿施于坯體煅燒熔融淬冷，制成熔塊乳濁劑顆粒：細小、均勻、熔體析晶產(chǎn)物—微晶粒隨燒結(jié)溫度的提高，乳濁度先增加，后下降，最后達到透明，所以焙燒溫度要適宜。溫度太高，釉塊完全熔透，無相界，造成晶核形成困難。142ppt課件三、改善乳濁性能（不透明性）的工藝措施釉和琺瑯的制作工藝：配四、半透明材料及改善措施乳白玻璃：明顯的散射，吸收最小，最大的漫透射。在玻璃中摻入和基質(zhì)材料的折射率相近的NaF和CaF2，促進其它晶體（方石英）從熔體中析出。單相氧化物陶瓷：半透明性是其質(zhì)量標志，半透明性幾乎只取決于氣孔的含量。對于含有小氣孔的高密度單相陶瓷，半透明度是衡量殘留氣孔率的一中敏感尺度，是瓷品一種良好的質(zhì)量標志。143ppt課件四、半透明材料及改善措施乳白玻璃：明顯的散射，吸收最小，最大工藝瓷（骨灰瓷和硬瓷）：半透明性是其主要的鑒定指標。構(gòu)成相：玻璃（折射率接近1.5），莫來石（折射率1.64）和石英。其中莫來石對于散射和降低半透明性起著主要作用。增加玻璃含量，減少莫來石的量，可提高半透明性。改善半透明性的措施降低氣孔含量，使焙燒溫度足夠高；調(diào)整各相的折射率，使之匹配較好，以減少散射，增加漫透射。液相（折射率1.56）+莫來石+石英=骨灰瓷144ppt課件工藝瓷（骨灰瓷和硬瓷）：半透明性是其主要的鑒定指標。構(gòu)成相：§4.5其它光學性能的應用一、發(fā)光材料二、熒光材料三、激光材料四、電光與聲光材料五、光通訊材料145ppt課件§4.5其它光學性能的應用一、發(fā)光材料64ppt課件一、發(fā)光材料光的發(fā)射是物體中電子從高能態(tài)到低能態(tài)的躍遷產(chǎn)生的，物體要發(fā)光，首先就得使物體中的電子處于高能態(tài)。1.發(fā)光白熾燈絲2000℃光與熱相伴而行爐火純青要靠輻射有效地產(chǎn)生可見光，物體的溫度必須足夠高！熱輻射決