材料的光學(xué)性能

材料的光學(xué)性能第1頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第2頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五鉆石第3頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第4頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五琥珀瑪瑙琥珀第5頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五藍(lán)寶石紅寶石第6頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五大多數(shù)寶石含有致色元素，常見(jiàn)的致色元素有鈦，釩，鉻，錳，鐵，鈷，鎳，銅等。自色：指寶石所含的主要元素所產(chǎn)生的顏色。例如，橄欖石的化學(xué)成分是鐵鎂硅酸鹽，它所含的鐵元素使橄欖石呈現(xiàn)綠色。他色：指寶石所含微量雜質(zhì)元素所產(chǎn)生的顏色。例如，剛玉Al2O3

純凈時(shí)為無(wú)色；含有微量的鉻（

Cr）元素時(shí)呈紅色，即紅寶石；含有微量的鐵（Fe）元素和鈦（Ti）元素時(shí)呈藍(lán)色，即藍(lán)寶石.第7頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五光的吸收、色散和散射

一束平行光照射材料時(shí)，部分光的能量被吸收，其強(qiáng)度將被減弱；復(fù)色光分解為單色光而形成光譜的現(xiàn)象叫做光的色散。介質(zhì)中光的傳播速度比真空中小，且隨波長(zhǎng)而變化產(chǎn)生色散現(xiàn)象；光在傳播時(shí)，遇到結(jié)構(gòu)成分不均勻的微小區(qū)域，有一部分能量偏離原來(lái)的傳播方向而向四面八方彌散開(kāi)來(lái)，即發(fā)生散射現(xiàn)象。第8頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五1.光的吸收光的吸收是指原子在光照的下吸收光子的能量由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)的現(xiàn)象。比爾定律

1852年A.比爾證明，對(duì)于氣體或溶解于不吸收的溶劑中的物質(zhì)，光的吸收與（吸光物質(zhì)的濃度）成正比；與（液層的厚度）成正比。（比爾定律）。

公式式中x與濃度無(wú)關(guān)的比例常數(shù)。第9頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.色散在給定入射光波長(zhǎng)的情況下，材料的折射率隨波長(zhǎng)的變化率稱為色散率。最常用的數(shù)值是倒數(shù)相對(duì)色散，即色散系數(shù)幾種材料的色散圖第10頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.光的散射在材料中如果有光學(xué)性能不均勻的微小結(jié)構(gòu)區(qū)域，例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(huì)引起一部分光束被散射，由于散射，光在前進(jìn)方向上的強(qiáng)度減弱了，對(duì)于相分布均勻的材料，其減弱的規(guī)律與吸收規(guī)律具有相同的形式。第11頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五4.光的折射※折射現(xiàn)象：當(dāng)光由一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，由于光在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同而產(chǎn)生的折射現(xiàn)象?！凵渎剩旱?2頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五※折光指數(shù)：通常以各種物質(zhì)對(duì)真空的折射率作為該物質(zhì)的折射率，即折光指數(shù)。聚合物的折光指數(shù)一般都在1.5左右。※各向同性的材料：無(wú)應(yīng)力的非晶態(tài)聚合物，在光學(xué)上也是各向同性的，因此只有一個(gè)折光指數(shù)?！Y(jié)晶和各向異性的材料：折光指數(shù)沿不同的主軸方向有不同的數(shù)值，該材料被稱為雙折射的（如非晶態(tài)聚合物因分子取向而產(chǎn)生雙折射。第13頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五聚合物的折光指數(shù)聚合物折光指數(shù)(25?C,l=589.3nm)聚合物折光指數(shù)(25?C,l=589.3nm)PTFE1.3-1.4PB1.515PDMS1.404PAN1.518PVAc1.467Nylon-661.53POM1.48PVC1.544PMMA1.488PC1.585PIB1.509PS1.59PE1.51-1.54PET1.64PP1.495-1.510PVDC1.63多數(shù)碳鏈聚合物的折光指數(shù)～1.5碳鏈上帶有較大側(cè)基時(shí)，折光指數(shù)較大；帶有氟、甲基等時(shí)，折光指數(shù)較小。第14頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五透明性及光澤※大多數(shù)高聚物當(dāng)不含結(jié)晶、雜質(zhì)和疵痕時(shí)都是透明的（如PMMA、聚苯乙烯等），對(duì)可見(jiàn)光的透過(guò)程度達(dá)92%以上?！该鞫葥p失的原因：光的反射和吸收；材料內(nèi)部對(duì)光的散射；與光所經(jīng)的路程（物體厚度）有關(guān)，厚度↑，透明度↓?！⑸洚a(chǎn)生原因：結(jié)構(gòu)的不均勻性，如聚合物表面或內(nèi)部的疵痕、裂紋、雜質(zhì)、填料、結(jié)晶等。第15頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五※光澤：材料表面的光學(xué)性能；越平滑的表面，越光澤?！苯臃瓷湎禂?shù)：從0°-90°的入射角，反射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比稱為直接反射系數(shù)，表示表面光澤程度（光澤度）。第16頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五寶石透過(guò)可見(jiàn)光的能力稱為透明度。寶石的透明度可以大致分為五級(jí)。黃玉透明（transparent）亞透明（semitransparent）半透明（translucent)微透明（semitranslucent)不透明（opaque）

第17頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五光線可以透過(guò)，通過(guò)寶石可以看到對(duì)面的物體，但不太清晰。此類寶石如：月光石、磷灰石、頑火輝石等。磷灰石

透明（transparent）亞透明（semitransparent）半透明（translucent)微透明（semitranslucent)不透明（opaque）

第18頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五雖然光線可以透過(guò)，但通過(guò)寶石不能看到對(duì)面的物體。此類寶石如：硅孔雀石、蛇紋石玉、拉長(zhǎng)石等硅孔雀石

透明（transparent）亞透明（semitransparent）半透明（translucent)微透明（semitranslucent)不透明（opaque）

第19頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五透光能力較差，在靠近光源時(shí)寶石邊部薄的地方可透過(guò)少量光線。此類寶石如：瑪瑙、軟玉、綠松石、玉髓等。綠松石透明（transparent）亞透明（semitransparent）半透明（translucent)微透明（semitranslucent)不透明（opaque）

第20頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五不透明光線不能透過(guò)，即使在靠近光源時(shí)寶石邊部薄的地方也不透光。此類寶石如：孔雀石、赤鐵礦等。赤鐵礦透明（transparent）亞透明（semitransparent）半透明（translucent)微透明（semitranslucent)不透明（opaque）

第21頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五光澤

材料的光澤取決于三類反射：鏡面反射（mirroreflection）：平行光射向界面為平面的物體，反射出來(lái)的仍將是平行光，表現(xiàn)出很強(qiáng)的光澤。漫反射（diffusionreflection）：如果平行光射向界面粗燥的物體，反射出來(lái)的光均勻地射向各個(gè)方向，表現(xiàn)出均勻而柔和的光澤。散射光（scattering）：因光子的多次碰撞從材料表層散射出的光線，其與入射光的角度無(wú)關(guān)，與入射光能量和材料表層結(jié)構(gòu)與組成有關(guān)。光澤是指礦物表面對(duì)可見(jiàn)光的反射能力。第22頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五光澤度主要取決于礦物本身的折光率。樹(shù)脂光澤（琥珀）

第23頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五亞玻璃光澤（螢石）第24頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五玻璃光澤（水晶）第25頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五半金剛光澤（鋯石）

第26頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五金剛光澤（鉆石）

第27頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五反射和內(nèi)反射※透明材料的反射：當(dāng)光垂直射入時(shí)，透過(guò)光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比：大多數(shù)聚合物≈1.5，則T=92％，反射光約占8％左右。在不同入射角時(shí)，反射率也不太高。第28頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五※內(nèi)反射：設(shè)光從聚合物射入空氣的入射角為α，若sinα≥1/n，即發(fā)生內(nèi)反射，即光線不能射人空氣中而全部折回聚合物中。大多數(shù)聚合物，n=1.5，α最小為42°左右?！鶅?nèi)反射的應(yīng)用：使聚合物顯得很明亮→發(fā)光制品，如汽車的尾燈、信號(hào)燈、光導(dǎo)管（外科手術(shù)局部照明）、光導(dǎo)纖維等。第29頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五彎曲部分的曲率半徑γ不小于棒直徑d的3倍，即滿足sinα≥2/3的條件第30頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五光在纖維中的反射與折射現(xiàn)象

光與平行界面介質(zhì)的相互作用:反射、折射與透射作用在介質(zhì)中發(fā)生多次，強(qiáng)度隨作用次數(shù)衰減，因介質(zhì)對(duì)光有吸收作用

入射主反射次反射次透射主透射介質(zhì)1(空氣或液體)介質(zhì)1(空氣或液體)介質(zhì)2(纖維)2211(a)層狀結(jié)構(gòu)第31頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五入射反射1反射3折射2折射1折射3反射2(b)纖維普通纖維截面形狀多為圓形，光在纖維內(nèi)多次反射、折射和透射

發(fā)生全反射的條件：光從光密到光疏介質(zhì)；入射角大于臨界角第32頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五影響材料透光性的因素1）吸收系數(shù)——這部分損失較小，在影響透光率中不占主導(dǎo)地位。對(duì)于陶瓷、玻璃等電介質(zhì)材料，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。所以陶瓷材料的可見(jiàn)光吸收損失相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較小的，在影響透光率的因素中不占主要地位。2）反射系數(shù)——這部分損失較大材料對(duì)周圍環(huán)境的相對(duì)折射率大，反射損失也大。另一方面，材料表面的光潔度也影響透光性能，這一點(diǎn)在后面界面反射這一節(jié)中細(xì)述。3）散射系數(shù)——影響最大這一因素最影響陶瓷材料的透光率。第33頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

反蛋白石結(jié)構(gòu)的制備典型反蛋白石結(jié)構(gòu)SEM蛋白石(opa1)是自然界中存在的一種具有幾百納米空隙、排列規(guī)則的無(wú)定形二氧化硅，在光照射下能顯出絢爛的色彩?？障犊商畛涓鞣N無(wú)機(jī)或有機(jī)物，如能將膠體顆粒去除而不影響晶體結(jié)構(gòu)，就能得到空氣孔結(jié)構(gòu)的光子晶體，該結(jié)構(gòu)就是所謂的反蛋白石結(jié)構(gòu)。第34頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

(反)蛋白石結(jié)構(gòu)的制備Adv.Mater.2000,12,1176?11801973年，吉爾森在實(shí)驗(yàn)室造出仿蛋白石。第35頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五光子晶體

光子晶體是由兩種以上具有不同折射率的材料在空間按照一定的周期順序排列所形成的有序結(jié)構(gòu)材料。具有特征的Bragg衍射，衍射峰波長(zhǎng)：

k為衍射級(jí)數(shù)，neff為光子晶體的平均折射率，θ為光線入射的角度。在光子晶體材料中填充其他物質(zhì)或者溶劑改變平均折射率，或者通過(guò)電場(chǎng)，機(jī)械力，改變溫度，pH環(huán)境對(duì)晶格參數(shù)的調(diào)節(jié)可以使衍射峰位置明顯移動(dòng)。第36頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五光子晶體

(A)在刻蝕硅表面自組裝電鏡圖(B)蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝模板實(shí)物照片(C)垂直蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝電鏡圖(D)旋涂法實(shí)物圖。第37頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五光子晶體利用模板法制備出聚NIPA-冠醚的反蛋白石結(jié)構(gòu)的離子傳感器，對(duì)溫度和K+響應(yīng)，具備自表達(dá)的特性，直接通過(guò)顏色的變化向人們指示溫度和離子濃度。Angew.Chem.Int.Ed,2003,42:4197Chem.Commun,2003,2126(A)傳感器對(duì)溫度響應(yīng)(B)傳感器對(duì)不同濃度鉀離子響應(yīng)第38頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五光子晶體光子晶體技術(shù)和分子印跡技術(shù)為平臺(tái)，制備除草劑莠去津的傳感材料。1）高親和性的分子傳感材料；2）傳感器材料具有一系列傳感的優(yōu)勢(shì)：高靈敏度、高選擇性、快速響應(yīng)以及可再生性；3）微孔穴的分子識(shí)別過(guò)程可以通過(guò)有序大孔的光衍射信號(hào)直接表達(dá)出來(lái)，并可方便的用裸眼觀察到顏色變化。

第39頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五含有不同指示劑的海藻酸鈣水凝膠加酸后顏色的變化第40頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五含有不同指示劑的海藻酸鈣水凝膠及加酸后顏色的變化第41頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五纖維的顏色纖維的顏色取決于纖維對(duì)不同波長(zhǎng)色光的吸收和反射能力。天然纖維的顏色：取決于品種（即天然色素）；生長(zhǎng)過(guò)程中的外界因素合成纖維的顏色：取決于原料（是否含有雜質(zhì)）；紡絲工藝（如溫度、加熱時(shí)間等）纖維的光學(xué)性質(zhì)第42頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

纖維的光澤

評(píng)價(jià)光澤應(yīng)同時(shí)考慮兩個(gè)方面：反射光量的大小和反射光量的分布規(guī)律反射光量很大，分布不均勻