復(fù)材料的光學(xué)性能

復(fù)材料的光學(xué)性能第一頁，共三十四頁，2022年，8月28日4.1光和固體的相互作用1.光的波粒二相性愛因斯坦的光電方程……把光的波動(dòng)性和粒子性結(jié)合起來

E=hν=hc/λ討論光與材料相互作用產(chǎn)生的反射、折射、投射現(xiàn)象----光的粒子性討論光波在介質(zhì)中的傳播、衍射等---光的波動(dòng)性2.光通過固體現(xiàn)象第二頁，共三十四頁，2022年，8月28日可見光：0.38-0.76μm第三頁，共三十四頁，2022年，8月28日Ψ0=ΨR

+ΨA+Ψτ+Ψσ光和固體介質(zhì)的作用第四頁，共三十四頁，2022年，8月28日Ψ0=ΨR+ΨA+Ψτ+Ψσ1=T+R+α+σT:透射系數(shù)R：反射系數(shù)

α：吸收系數(shù)

σ：散射系數(shù)光子與固體材料的相互作用，其實(shí)質(zhì)上就是光子與固體材料中的原子、離子、電子等的相互作用。其中：1）電子極化：電磁輻射的電場(chǎng)分量在傳播的過程中，與每一個(gè)原子都發(fā)生作用，引起電子云與核外電荷重心發(fā)生相對(duì)位移—引起電子極化。結(jié)果是光的部分能量被吸收，光速減慢。第五頁，共三十四頁，2022年，8月28日2）電子能態(tài)轉(zhuǎn)變：光子被材料吸收后，材料中的原子吸收了光子能量（ΔE=hυ42）后，將E2能級(jí)上的電子激發(fā)到E4空能級(jí)上第六頁，共三十四頁，2022年，8月28日注：原子中電子能級(jí)是分立的，即能級(jí)間存在特定的ΔE，只有能量為ΔE的光子才能被原子通過能態(tài)轉(zhuǎn)變而吸收。受激電子不可能長(zhǎng)時(shí)間保持在激發(fā)態(tài)，短時(shí)間后又衰變回基態(tài)，同時(shí)發(fā)出電磁波。折射

當(dāng)光從真空進(jìn)入較致密的材料時(shí)，其速度降低。光在真空和材料中的速度之比即為材料的折射率。第七頁，共三十四頁，2022年，8月28日如果光從材料1，通過界面?zhèn)魅氩牧?時(shí)，與界面法向所形成的入射角i1，折射角i2與兩種材料的折射率n1和n2有下述關(guān)系：

式中:V1和V2分別表示光在材料1及2中的傳播速度，

n21為材料2相對(duì)于材料1的相對(duì)折射率。第八頁，共三十四頁，2022年，8月28日介質(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=1.3~2.7，硅酸鹽玻璃n=1.5~1.9。

影響n值的因素：

1．構(gòu)成材料元素的離子半徑

馬克斯威爾電磁波理論認(rèn)為光在介質(zhì)中的傳播速度為：式中：C—真空中光速，ε—介質(zhì)介電常數(shù)，μ—介質(zhì)導(dǎo)磁率第九頁，共三十四頁，2022年，8月28日當(dāng)離子半徑增大時(shí)，其ε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)、晶型根據(jù)光線通過材料的表現(xiàn)，介質(zhì)分為均質(zhì)介質(zhì)和非均質(zhì)介質(zhì)。對(duì)于均質(zhì)介質(zhì)，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。對(duì)于非均質(zhì)介質(zhì)，光通過時(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。第十頁，共三十四頁，2022年，8月28日中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院平行于入射面的光線的折射率，稱為常光折射率n0，不論入射光的入射角如何變化，n0始終為一常數(shù)，因而常光折射率嚴(yán)格服從折射定律。另一條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ne，它不遵守折射定律，隨入射光的方向而變化。當(dāng)光沿晶體光軸方向入射時(shí)，只有n0存在，與光軸方向垂直入射時(shí)，ne達(dá)最大值。第十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院3．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n大，平行于受拉主應(yīng)力方向的n小。4．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n較低，低溫時(shí)存在的晶型折射率n較高。

下表列出了部分玻璃和晶體的折射率。第十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日反射

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。設(shè)光的總能量流W為W=W’+W’’式中W、W’和W’’分別為單位時(shí)間通過單位面積的入射光、反射光和折射光的能量流，根據(jù)波動(dòng)理論第十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日由于反射波的傳播速度及橫截面積都與入射波相同，所以式中A’

與A分別為反射波與入射波的振幅。把光波振動(dòng)分為垂直于入射面的振動(dòng)和平行于入射面的振動(dòng)，F(xiàn)resnel推導(dǎo)出：第十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日自然光在各方向振動(dòng)的機(jī)會(huì)均等，可以認(rèn)為一半能量屬于同入射面平行的振動(dòng)，另一半屬于同入射面垂直的振動(dòng)，所以總的能量流之比為：當(dāng)角度很小時(shí)：第十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日因介質(zhì)2對(duì)于介質(zhì)1的相對(duì)折射，故

m——反射系數(shù)第十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日根據(jù)能量守恒定律（1-m）稱為透射系數(shù)。例如：設(shè)一塊折射率為n=1.5的玻璃，光反射損失m=0.04透過部分為1-m=0.96。如果透射光又從另一界面射入空氣，即透過兩個(gè)界面，此時(shí)透過部分為(1-m)2=0.922如果連續(xù)透過x塊平板玻璃，則透過部分為第十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日由于陶瓷，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(duì)折射率外，內(nèi)部各界面都是和膠的較小的相對(duì)折射率，從而大大減少界面的反射損失。第十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日材料的透光性一、介質(zhì)對(duì)光的吸收1．吸收的一般規(guī)律設(shè)有一塊厚度為x的平板材料，入射光的強(qiáng)度為I0，通過此材料后光強(qiáng)度為I’。選取其中一薄層dx，并認(rèn)為光通過此層的吸收損失-dx正比于在此處的光強(qiáng)度I和薄層的厚度dx， 第二十頁，共三十四頁，2022年，8月28日第二十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日光強(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α為物質(zhì)對(duì)光的吸收系數(shù)，其單位為cm-1。α取決于材料的性質(zhì)和光的波長(zhǎng)。即:第二十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日?qǐng)D4.5所示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(gè)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?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電子躍遷到導(dǎo)帶，所以在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，吸收系數(shù)很小。2．光吸收與光波長(zhǎng)的關(guān)系第二十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日第二十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日

二、介質(zhì)對(duì)光的散射光波遇到不均勻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次級(jí)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(duì)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，第二十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日

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(duì)折射率等因素有關(guān)，見圖4.6。其單位為。第二十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日從圖4.6中可以看出，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)d<λ時(shí)，則隨著d的增加，散射系數(shù)S也隨之增大；當(dāng)d>λ時(shí)，則隨著d的增加，s反而減小，當(dāng)d=λ時(shí)，s達(dá)最大值，即

當(dāng)光的波長(zhǎng)約等于散射質(zhì)點(diǎn)的直徑時(shí)，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:

第二十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日三、材料的透光性光通過厚度為x的透明陶瓷片時(shí)，各種光能的損失見圖4.7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(duì)折射，因而在表面上有反射損失①:

L①=透進(jìn)材料中的光強(qiáng)度為:第二十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日第二十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日這一部分光能穿過厚度為x的材料后，又消耗于吸收損失②和散射損失③。到達(dá)材料后表面時(shí)，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

L④=

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：第三十頁，共三十四頁，2022年，8月28日

1．吸收系數(shù)對(duì)于陶瓷、玻璃等電介質(zhì)材料，其吸收率或吸收系數(shù)α在可見光范圍內(nèi)是比較低的，見圖4.4所示。

2．反射系數(shù)材料對(duì)周圍環(huán)境的相對(duì)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。①材料宏觀及顯微缺陷②晶粒排列方向③氣孔引起的散射損失第三十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日

四、提高材料透光性的措施

1．提高原材料純度

2．摻加外加劑目的是降低材料的氣孔率，氣孔由于相對(duì)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。

第三十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日第三節(jié)界