無機非金屬材料的光學(xué)性質(zhì)

4-5材料的光學(xué)性能

opticalpropertiesofmaterialsBasicprinciplesandconceptsrelatingtointeractionsofelectromagneticradiation(visiblelight)withsolidmaterials(atoms).Refraction,reflection,absorption,andtransmissionofincidentlight,andtheirrelationship.mechanismof

absorptionandemissionofelectromagneticradiationinmaterialstransparency,translucencyandopacityofmaterialsindexofrefractionanditsapplicationluminescence,photoconductivity,andlightamplification(lasers)4-5材料的光學(xué)性能(opticalproperties)4-5-1電磁輻射及其與原子的相互作用Interactionsofelectromagneticradiationandatoms1、光和物質(zhì)的相互作用——取決于物質(zhì)電磁性質(zhì)的基本參數(shù)。電導(dǎo)率、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率2、相互作用是由電子躍遷和極化效應(yīng)實現(xiàn)的3、光子能量energyEofaphoton

E＝hc／λ＝hνelectrontransitionsandelectronicpolarizationFIGURE19.24、固體材料的光學(xué)性質(zhì)，取決于電磁輻射與材料表面、近表面以及材料內(nèi)部的電子、原子、缺陷之間的相互作用4-5-2吸取、反射和透射1、光的吸取(photonabsorption)（1）光吸取的一般規(guī)律朗伯特定律

I＝I0e－αxAbsorbedintensity空氣:≈10-5cm-1玻璃:＝10-2cm-1金屬:則達幾萬到幾十萬---吸取系數(shù)Absorptioncoefficient（2）光吸取與光波長radiationabsorptionandwavelength在電磁波譜的可見光區(qū)：金屬和半導(dǎo)體的吸取系數(shù)很大；電介質(zhì)材料吸取系數(shù)小。在紫外吸取端：禁帶寬度大的材料，紫外吸取端的波長較小在紅外區(qū)：離子的彈性振動與光子輻射發(fā)生諧振消耗能量所致選擇吸取勻整吸取λ=hc/Eg2、光的反射(reflection)鏡反射、漫反射吸取----放射折射(refractionindex)n21=sini/sinr

m:反射系數(shù)R:反射率（1-m）：透射系數(shù)FIGURE19.4FIGURE19.5Figure19.6.3、光的透射(transmission)透射率：T＝（1－R）2e－αl透射率T(transmissivity)、反射率R(reflectivity)、吸取率A(absorptivity)三者之和為1I＝I0e－αxR=(n-1)2/(n+1)2FIGURE19.84、折射指數(shù)RefractionIndex折射來源于光線通過透亮材料時，由于介質(zhì)的電子極化使得光速降低，光線在界面彎曲的現(xiàn)象。折射指數(shù)的大小與介質(zhì)的性質(zhì)（原子或離子的尺寸、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率等）和波長相關(guān)表4-5-2各種材料在室溫對可見光的折射率物質(zhì)n（折射率）物質(zhì)n（折射率）空氣Al2O3

CaF2Cl2（氣體）Cl2（液體）金剛石H2O（水）H2O（冰）聚四氟乙烯醋酸纖維素聚甲基丙烯酸甲酯聚丙烯酚醛樹脂環(huán)氧樹脂低密度聚乙烯聚碳酸酯1.0002771.63-1.681.431.0007681.3852.4171.331.301.351.48-1.501.491.491.50-1.701.5-1.61.511.59玻璃（重燧石）玻璃（鋅牌）KClKFNaCl石英熔融石英SrO聚丙烯腈天然橡膠聚酰胺高密度聚乙烯聚氯乙烯氯丁橡膠聚苯乙烯1.651.521.491.361.541.541.471.871.511.521.53-1.551.541.54-1.561.551.59例題19.21ThetransmissivityTofatransparentmaterial20mmthicktonormallyincidentlightis0.85.Iftheindexofrefractionofthismaterialis1.6,computethethicknessofmaterialthatwillyieldatransmissivityof0.75.Allreflectionlossesshouldbeconsidered.Solution5、金屬材料的光學(xué)性質(zhì)（1）各種入射輻射被吸取金屬導(dǎo)帶中已填充的能級上方有很多空的電子能態(tài)——頻率分布范圍很寬的各種入射輻射都可以激發(fā)電子到能量較高的未填充態(tài)從而被吸??；（2）金屬的反射，是由吸取再反射綜合造成的反射率具有頻率依靠性對于紅外輻射則透亮6、無機非金屬材料的光學(xué)性質(zhì)（1）對紅外線有確定程度的吸取（2）吸取可見輻射，且不透亮（半導(dǎo)體）（3）絕緣體傾向于對可見輻射透亮Eg大（4）漫透射——由多次內(nèi)反射造成（5）加工過程中留下孔洞而不透亮1%陶瓷7、高分子材料的光學(xué)性質(zhì)聚合物多數(shù)無色,包括高透亮(transparent)到不透亮。透亮度的損失起源于材料內(nèi)部折射指數(shù)(refractionindex)不勻整性產(chǎn)生的光散射聚合物透亮帶色，選擇性吸取結(jié)晶聚合物通常是半透亮(translucent)或不透亮(opaque)的增加聚合物材料透亮性的方法加速成核或由熔體急劇冷卻——削減球晶大??；拉伸——球晶轉(zhuǎn)變?yōu)槿∠蛭⒔z4-5-3旋光性及非線性光學(xué)性(nonlinearopticalperformance)1、旋光性

不對稱碳原子——手性分子2、非線性光學(xué)性質(zhì)（1）非線性光學(xué)效應(yīng)——分子（介質(zhì)）受強光場（激光）作用時會產(chǎn)生極化，誘導(dǎo)極化強度

=0++2+3+…

0---分子永久偶極矩；---為局域電場強度；---分子線性極化率；和---二階和三階分子超極化率宏觀物質(zhì)，極化強度P=（1）E十（2）E2十（3）E3十···E----入射光電場強度（1）----物質(zhì)的線性極化率（2）和（3）----物質(zhì)的二階和三階非線性極化率二階或三階非線性光學(xué)材料（2）功能變頻、增幅、開關(guān)、記憶等元件功能（3）結(jié)構(gòu)特點（有機材料）二階：具有A-π-D結(jié)構(gòu)三階：具有簡潔移動的非定域電子體系A(chǔ)：拉電子基，D：供電子基：共軛結(jié)構(gòu)4-5-4光澤：取決于材料的表面反射狀態(tài)4-5-5發(fā)光luminescence熒光(fluorescence)：延遲放射10-8s磷光(phosphorescence)：延遲放射10-2s~10s含有雜質(zhì)和缺陷價帶與導(dǎo)帶重疊沒有能隙，放射光波長長于可見光價帶與導(dǎo)帶間有能隙為Eg

激光(laser)------材料發(fā)光性能的重要應(yīng)用必要條件維持連綿起伏的受激輻射，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：高能級的原子數(shù)大于低能級的原子數(shù)紅寶石激光器中的Cr的能級平衡態(tài)時各能級的粒子數(shù)n1>n2>n3波長為5500埃的黃綠光照射后n2>n1Al2O3+CrFIGURE19.124-5-6光敏性（物理）(photosensitivity)在光的作用下，材料的某些性能發(fā)生可逆變更的性質(zhì)光敏物質(zhì)智能材料

光致變色器光力學(xué)現(xiàn)象光敏凝膠高聚物4-5-7光纖OPTICALFIBERSINCOMMUNICATIONS

Guidetheselightpulsesoverlongdistanceswithoutsignificantsignalpowerloss(i.e.,attenuation)andpulsedistortion.Fibercomponentsarethecore,cladding,andcoating;Thesignalpassesthroughthecore,whereasthesurroundingcladding

constrainsthelightraystotravelwithin

thecore;theoutercoatingprotectscoreandcladdingAnylightraystravelingatobliquean