第5章 無(wú)機(jī)材料的光學(xué)性能116

主要內(nèi)容5.1光通過(guò)介質(zhì)的現(xiàn)象5.2無(wú)機(jī)材料的透光性5.3界面反射與光澤5.4不透明性與半透明性第5章無(wú)機(jī)材料的光學(xué)性能§5.1光透過(guò)介質(zhì)的現(xiàn)象

1.光的波粒二象性可見(jiàn)光是電磁輻射波譜的波長(zhǎng)在400nm到750nm范圍的一個(gè)波段。與電磁輻射波一樣，可見(jiàn)光在傳播時(shí)，存在呈周期變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量，且電場(chǎng)、磁場(chǎng)和傳播方向三者之間相互垂直。光色

波長(zhǎng)(nm)

頻率(Hz)中心波長(zhǎng)(nm)

紅750~622660

橙622~597610

黃597~577570

綠577~492540

青492~470480

蘭470~455460

紫455~400430可見(jiàn)光七彩顏色的波長(zhǎng)和頻率范圍人眼最為敏感的光是黃綠光，即555nm附近。電磁波譜無(wú)線電波－波長(zhǎng)比可見(jiàn)光長(zhǎng)得多，不能引起人的視覺(jué)。微波－波長(zhǎng)范圍分布從毫米到幾十厘米，他們?cè)谑澄锢锖苋菀妆凰肿游?，可是食物迅速被加熱。紅外線（IR）－分布在微波和可見(jiàn)光之間，且僅能夠在它聚集熱的地方探測(cè)到。紫外線（UV）：頻率高于可見(jiàn)光的，不能引起視覺(jué)，對(duì)生命有危害。X射線：波長(zhǎng)比紫外線還短的電磁波，它們很易穿過(guò)大多數(shù)物質(zhì)。致密的物質(zhì)、固體材料比稀疏物質(zhì)容易吸收更多的X射線。γ射線和宇宙射線：波長(zhǎng)最短，波長(zhǎng)尺寸約為原子核大小量級(jí)γ射線產(chǎn)生于核反應(yīng)及其他特殊的激發(fā)過(guò)程宇宙射線來(lái)自地球之外的空間。光子與固體介質(zhì)的作用折射入射角、折射角與材料的折射率、有下述關(guān)系：入射束折射束12材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。光密介質(zhì)：在折射率大的介質(zhì)中，光的傳播速度慢；光疏介質(zhì)：在折射率小的介質(zhì)中，光的傳播速度快。影響材料折射率的因素構(gòu)成材料元素的離子半徑材料的結(jié)構(gòu)、晶型材料所受的內(nèi)應(yīng)力同質(zhì)異構(gòu)體①內(nèi)因：②外因：色散麥克斯韋電磁理論

光在介質(zhì)中的傳播速度為：其中：ε為介電常數(shù)；μ為導(dǎo)磁率無(wú)機(jī)材料：μ＝1，ε≠1影響折射率的因素

1、離子半徑：介電常數(shù)隨著離子半徑的增大而增大，因而折射率n隨著離子半徑的增大而增大?？梢杂么箅x子得到高折射率的材料；可以用小離子得到低折射率的材料。2、材料的結(jié)構(gòu)和晶型：材料的n主要由離子的堆積密度和極化率決定。（1）均質(zhì)介質(zhì)（各向同性）：經(jīng)驗(yàn)公式：Pi和Ki是第i組分的重量分?jǐn)?shù)和折射系數(shù)，ρ是密度。（2）非均質(zhì)介質(zhì)（各向同性）：雙折射常光：折射線在入射面內(nèi)，遵守各向同性材料折射定律非常光：折射線不一定在入射面內(nèi)（3）內(nèi)應(yīng)力：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：結(jié)構(gòu)敞廣的高溫態(tài)比結(jié)構(gòu)緊密的低溫態(tài)折射率小。常溫：SiO2玻璃態(tài)的折射率是1.46石英晶體折射率1.55

高溫：磷石英折射率1.47

方石英折射率1.49

倒數(shù)相對(duì)色散，即色散系數(shù)：材料的折射率隨入射光的頻率的減小而減小的性質(zhì)，稱為折射率的色散。

在給定入射光波長(zhǎng)的情況下：色散nD：鈉的D譜線為光源測(cè)得的折射率；nF：氫的F譜線為光源測(cè)得的折射率；nC：氫的C譜線為光源測(cè)得的折射率。二、色散幾種玻璃的色散

幾種晶體和玻璃的色散（2）材料的反射系數(shù)和影響因素反射系數(shù)若介質(zhì)1是空氣，則若兩種介質(zhì)的折射率相差越大，則反射損失越大，光的透過(guò)率越低。5.2無(wú)機(jī)材料的透光性無(wú)機(jī)非金屬材料對(duì)可見(jiàn)光可能透明，也可能不透明。透過(guò)率除光在界面被反射外，還與光進(jìn)入材料中被吸收和散射狀況有關(guān)。①介質(zhì)吸收光的一般規(guī)律：α為物質(zhì)對(duì)光的吸收系數(shù)，α取決于材料的性質(zhì)和光的波長(zhǎng)。α越大，材料越厚，光就被吸收得越多，而透過(guò)后的光強(qiáng)度就越小。在電磁波譜的可見(jiàn)光區(qū)：金屬和半導(dǎo)體的吸收系數(shù)很大，所以不透明；電介質(zhì)材料（如玻璃），吸收系數(shù)小，透過(guò)性較好。介質(zhì)對(duì)光的吸收與光的波長(zhǎng)的關(guān)系1、可見(jiàn)光區(qū)：因?yàn)榻饘賰r(jià)電子處于未滿帶，吸收光子后呈激發(fā)態(tài)，發(fā)生碰撞而消耗能量；無(wú)機(jī)介質(zhì)材料價(jià)電子所處的能帶是滿帶，不能吸收光子而自由運(yùn)動(dòng)，光子的能量不足以使之躍遷，吸收系數(shù)很小。2、紫外光區(qū)：無(wú)機(jī)電介質(zhì)材料有很強(qiáng)的吸收；波長(zhǎng)短、能量大，電子吸收光子能量躍遷，吸收系數(shù)大。選擇吸收：同一物質(zhì)對(duì)某種波長(zhǎng)的吸收系數(shù)很大，對(duì)另一種波長(zhǎng)的吸收很小的現(xiàn)象。光的選擇性吸收使透明材料呈現(xiàn)不同顏色。均勻吸收：在可見(jiàn)光范圍內(nèi)對(duì)各種波長(zhǎng)的波的吸收程度相同，稱為均勻吸收。隨著吸收程度的增加，顏色從灰變?yōu)楹谏?.2.2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，就會(huì)出現(xiàn)干涉，而偏離原來(lái)方向，引起散射。

散射系數(shù)s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)，其單位為cm-1。如果將吸收定律和散射定律結(jié)合起來(lái)：質(zhì)點(diǎn)尺寸對(duì)散射系數(shù)的影響無(wú)機(jī)材料的透光性光通過(guò)材料后，剩余光能所占的百分比。光通過(guò)陶瓷片的吸收損失與反射損失I/I0：透光率。其中損失包括：表面上的反射損失；通過(guò)材料后的吸收損失；散射損失；I=mI0影響無(wú)機(jī)非金屬材料透光性的因素分析1.吸收系數(shù)

無(wú)機(jī)非金屬材料的吸收率或吸收系數(shù)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)是比較低的，在影響透光率的因素中不占主要地位。

材料對(duì)周圍環(huán)境的相對(duì)折射率大，反射損失也大。此外，材料表面的光潔度也影響透光性能。

2.反射系數(shù)

3.散射系數(shù)

a）材料宏觀及顯微缺陷：材料中的夾雜物、摻雜、晶界等對(duì)光的折射性能與主晶相不同，因而在不均勻界面上形成相對(duì)折射率。此值越大則反射系數(shù)（在界面上的，不是指材料表面的）越大，因而散射系數(shù)變大。

b)晶粒排列方向影響：對(duì)于各向異性材料存在有雙折射問(wèn)題，這樣，由多晶材料構(gòu)成的無(wú)機(jī)非金屬材料，晶粒與晶粒之間，可引起晶界處的反射及散射損失。c)氣孔引起的散射損失：存在于晶粒之內(nèi)的以及在晶界玻璃相內(nèi)的氣孔、孔洞，從光學(xué)上講構(gòu)成了第二相。其折射率nl與基體材料之n2相差較大。由此引起的反射損失、散射損失遠(yuǎn)較雜質(zhì)、不等向晶粒排列等因素引起的損失為大。

思考：提高無(wú)機(jī)材料透光性的措施有哪些？①提高原材料純度在無(wú)機(jī)材料中雜質(zhì)形成的異相，其折射率與基體不同，等于在基體中形成分散的散射中心，使s提高。②摻加外加劑

影響材料透光性的主要因素是材料中所含的氣孔。摻加外加劑，降低材料的氣孔率，特別是降低材料燒成時(shí)的閉孔，是提高透光率的有力措施。③工藝措施

用盡可能能排除氣孔的工藝方法來(lái)生產(chǎn)，采取熱壓法要比普通燒結(jié)法更便于排除氣孔，而用熱等靜壓法效果更好?！?.3界面反射與光澤

鏡反射和漫反射

在光潔度非常高的材料表面上的反射，反射光線具有明確的方向性，稱為鏡反射。

陶瓷中大多數(shù)表面并不是十分光滑的，因此當(dāng)光照射到粗糙不平的材料表面上時(shí)，發(fā)生相當(dāng)?shù)穆瓷?。釉或搪瓷的鏡反射和漫反射不透明性和半透明性：鏡面反射和漫反射釉或者搪瓷（不透明）毛玻璃或者瓷體（半透明）不透明性（高乳濁性）：光在達(dá)到具有不同光學(xué)特性的物質(zhì)的底層之前被漫反射；半透明性：光應(yīng)該在經(jīng)過(guò)不同光學(xué)特性的物質(zhì)的過(guò)程中，被散射，不要求最大的散射，但是要求內(nèi)部散射光產(chǎn)生的漫透射要大，吸收要小。二、乳濁劑的成分：

在熔制時(shí)，形成惰性產(chǎn)物，或者在冷卻或再加熱時(shí)從熔體中結(jié)晶出小顆粒；硅酸鹽玻璃的折射率為1.49－1.65，乳濁劑折射率必須與此不同。適用于硅酸鹽介質(zhì)（n＝1.5）的乳濁劑素?zé)沾捎源捎?無(wú)機(jī)材料的顏色一、顏色的起因：

白光完全被物質(zhì)吸收：黑色；對(duì)所有的光吸收程度差不多（不存在選擇性吸收）：灰色；選擇性吸收：顯示顏色。吸收光波長(zhǎng)越短，顏色越淺；吸收光波長(zhǎng)越長(zhǎng)，顏色越深。由于在可見(jiàn)光譜中存在吸收帶而產(chǎn)生顏色。引起電子躍遷光的吸收顏色二、電子躍遷形式：

1、電子內(nèi)部躍遷：

過(guò)渡金屬、稀土金屬、未填滿電子殼層離子。如：Cr3＋、Fe2＋、Co2＋、Ni2＋、Ca2＋……

電子未被填滿，當(dāng)光照射時(shí)，電子吸收能量，由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，呈現(xiàn)出不同的顏色。

2、禁帶躍遷：（許多半導(dǎo)體出現(xiàn)的本征著色）

本征吸收：晶體受到光照射時(shí)，電子吸收光子能量，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。只有當(dāng)hυ≥Eg時(shí)，才能發(fā)生躍遷，半導(dǎo)體顯示一定的顏色。硅：灰黑色，具有金屬光澤。是因?yàn)闊o(wú)選擇性的吸收可見(jiàn)光，具有灰黑色。同時(shí)一部分光發(fā)生鏡面反射，形成光澤。（1）熒光：原子的外層電子受激發(fā)，從基態(tài)或低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，約經(jīng)10-8

s后，又躍回基態(tài)或低能態(tài)，同時(shí)發(fā)射的光子，稱為熒光。應(yīng)用：利用熒光現(xiàn)象制作的原子熒光光譜儀，可應(yīng)用于冶金、石化、材料、環(huán)境生物樣品等的痕量元素分析測(cè)定。（2）磷光：激發(fā)停止后一段時(shí)間發(fā)出的。延遲發(fā)射10-2s~10s。含有雜質(zhì)和缺陷由基體和激活劑兩部分組成。基體一般為硫化物，如CaS、SrS、BaS、ZnS、CdS等；激活劑主要是金屬，由基質(zhì)選定。例如對(duì)于ZnS和CdS，最好的激活劑是Ag、Cu、Mn。應(yīng)用：磷光現(xiàn)象的應(yīng)用是制作磷光體或熒光劑。如：電視機(jī)的熒光屏，公路交通中的夜間路標(biāo)采用長(zhǎng)余光的磷光體。

激光（Laser）是受激輻射光放大的簡(jiǎn)稱，是一種單色性好,亮度高、相干性強(qiáng)、方向性好的相干光束。激光（Laser）激光激光的產(chǎn)生條件：①能量輸入系統(tǒng)（維持連續(xù)不斷的受激輻射）；②實(shí)現(xiàn)粒子反轉(zhuǎn)的激光器（工作物質(zhì)與激活物質(zhì)）。紅寶石激光器中的Cr的能級(jí)

平衡態(tài)時(shí)各能級(jí)的粒子數(shù)n1>n2>n3

波長(zhǎng)為5500埃的黃綠光照射后n2>n1

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：高能級(jí)的原子數(shù)大于低能級(jí)的原子數(shù)。Al