材料物理性能復(fù)習(xí)資料(光學(xué))

光傳播的基本理論：波粒二象性：物理學(xué)的研究向我們揭示了“光”的本質(zhì)是一種電磁波，并且具有“波”“?！倍笮粤Ｗ有晕锢砹?￡=hu,p=h/入波動(dòng)性物理量光的電磁性：光既可以看做光波又可以看做光子流。光子是電磁場(chǎng)能量和動(dòng)量量子化粒子，而電磁波是光子的概率波。光和物質(zhì)的相互作用：光子的靜止質(zhì)量為零，它在真空中的傳播速度為光速。(a)光子只能傳遞量子化的能量：￡=hv V為光波電磁場(chǎng)的頻率；h為普朗克常數(shù)。(b)光子還具有動(dòng)量:P=h/A 入為光的波長(zhǎng)。光學(xué)性能:就是材料暴露在電磁輻射，尤其在可見光中的響應(yīng)。折射率：當(dāng)光從真空進(jìn)入較致密的材料時(shí)，其速度是降低的。折射率定義為:光在真空和材料中的速度之比。即：n=v真空/v材料=c/v材料絕對(duì)折射率與相對(duì)折射率絕對(duì)折射率:材料相對(duì)于真空中的折射率稱為絕對(duì)折射率。一般將真空中的折射率定為1。相對(duì)折射率:材料相對(duì)于空氣的折射率稱為相對(duì)折射率：nj=va/v材料⑶絕對(duì)折射率與相對(duì)折射率的關(guān)系： V C/n nn二a二 aVc/n因此，n=na?nz=1.00023n‘材料因此，n=na?nz=1.00023n‘5,材料間的相對(duì)折射率：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?入射角訂，折射角i2與二種材料的折射率n1和n2有下關(guān)系；sminv1? 牛=2n 1V1及v2分別表示光在材料l及2中的傳播速度sinin21 vn21為材料2相對(duì)于材料1的相對(duì)折射率212影響折射率的因素：構(gòu)成材料的離子半徑：介質(zhì)的折射率隨介質(zhì)的介電常數(shù)￡的增大而增大?！昱c介質(zhì)的極化現(xiàn)象有關(guān)。當(dāng)離子半徑增大時(shí)，其介電常數(shù)￡增大，因而折射率n也隨之增大。材料的結(jié)構(gòu)，晶型和非晶態(tài)：均質(zhì)材料:對(duì)于非晶態(tài)和立方晶體材料，當(dāng)光通過時(shí)，光速不因傳播方向改變而改變，材料只有一種折射率，稱為均質(zhì)材料。非均質(zhì)材料：光通過非均質(zhì)材料，一般會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。雙折射:當(dāng)一束光通過一介質(zhì)時(shí)，分為振動(dòng)方向垂直，傳播速度不等的二個(gè)波，他們分別構(gòu)成二條折射光線，這種現(xiàn)象稱為雙折射。外界因素對(duì)折射率的影響：機(jī)械應(yīng)力,超聲波,電場(chǎng)等同質(zhì)異構(gòu)體：雙折射的兩束光束是怎么形成的？有什么特點(diǎn)？常光折射率nO:兩條折射光線中，平行于入射面的光線的折射率稱為常光折射率n0。特性：不論入射光的入射角如何變化，nO始終為一常數(shù)，因而常光折射率嚴(yán)格服從折射定律。非常光折射率ne:與入射面垂直的光線的折射率，稱為非常光折射率ne。

特性：它不遵守折射定律，隨入射光的方向而變化。材料對(duì)光表現(xiàn)出的折射現(xiàn)象的本質(zhì)：發(fā)生折射的本質(zhì)是材料的電磁結(jié)構(gòu)在光波電磁場(chǎng)作用下的極化性質(zhì)或介電性質(zhì)。因?yàn)榻橘|(zhì)的極化，拖住了電磁波的傳播，才使光傳播速度變得比真空慢。色散：材料的折射率隨入射光的頻率的減小(或波長(zhǎng)的增加)而減小的性質(zhì)，稱為折射率的色散。色散率:材料的折射率隨波長(zhǎng)的變化率稱為色散率。色散=dn/dX_光的色散：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。mm稱為反射系數(shù)。光投射到材料表面一般產(chǎn)生反射、透過和吸收：m(%)+A(%)+T(%)=100%反射率與折射率： —( 21 mm稱為反射系數(shù)。n+121:根據(jù)能量守恒定律(光在界面上的現(xiàn)象)w=w‘+w〃—1_…—1—m— (1_m)稱為透射系數(shù)。界面反射損失：反射損失與折射反射率和折射率是由兩種介質(zhì)的折射率決定的。光在界面上的反射的多少取決于兩種介質(zhì)的相對(duì)折射率n21。垂直入射的情況下，幾乎沒有反射損失光線通過x塊2塊玻璃板的透射設(shè)一塊折射率n=1.5的玻璃，光反射損失為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，則透過部分應(yīng)為(1—m)*2x全反射:在入射角達(dá)到某一角度ec時(shí)，折射角等于90°,此時(shí)有一條折射光線沿界面?zhèn)鞑?。如果入射角大于ec,就不再有折射線，入射光的能量全部反射回到第一介質(zhì)中，這種現(xiàn)象稱為全反射，ec角為全反射的臨界角。根據(jù)折射定律求臨界角為：sin0c=n2/n1。普通玻璃對(duì)空氣的臨界角為42°，水對(duì)空氣的臨界角為48.5°。利用光的全反射原理制作一種新型光學(xué)元件一一光導(dǎo)纖維。光的吸收:介質(zhì)中的價(jià)電子吸收光子能量而激發(fā)，當(dāng)尚未退激而發(fā)出光子時(shí)，在運(yùn)動(dòng)中與其它分子碰撞，使電子的能量轉(zhuǎn)變成分子的動(dòng)能亦即熱能。從而構(gòu)成了光能的衰減。這就是光的吸收。朗伯特吸收定律:光強(qiáng)度隨厚度的變化符合指數(shù)衰減規(guī)律。此式稱為朗伯特定律。設(shè)有一塊厚度為x的平板材料(如圖)，入射光的強(qiáng)度為I0,通過此材料后光強(qiáng)度為】 I—Ie—x0式中a為物質(zhì)對(duì)光的吸收系數(shù)，其單位為cm-1a取決于材料的性質(zhì)和光的波長(zhǎng)。a越大材料越厚，光就被吸收得越多，因而透過后的光強(qiáng)度就越小。

選擇性吸收和均勻吸收：選擇性吸收:同一種物質(zhì)對(duì)某一種波長(zhǎng)的吸收系數(shù)非常大，而對(duì)另一種波長(zhǎng)的吸收系數(shù)非常小的現(xiàn)象稱為“選擇吸收”透明材料的選擇吸收使其呈不同的顏色。均勻吸收:如果介質(zhì)在可見光范圍對(duì)各種波長(zhǎng)的吸收程度相同，則稱為均勻吸收。在此情況下，隨著吸收程度的增加，顏色從灰變到黑。光的散射:光在通過氣體、液體、固體等介質(zhì)時(shí)，遇到煙塵、微粒、懸浮液或者結(jié)構(gòu)不均勻的微小區(qū)域，都會(huì)有一部分能量偏離原來的傳播方向而向四面八方彌散開來,這種現(xiàn)象稱為散射。散射規(guī)律：由于散射，光在前進(jìn)方向上的強(qiáng)度減弱了，尹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，I=0式中，I為在光前進(jìn)方向上的剩余強(qiáng)度。S為散射系數(shù)其單位為cm-1，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)。吸收定律與散射規(guī)律統(tǒng)一：I—015，材料的透光性:透光性是指光能通過材料后，剩余光能所占的百分比。 透光性=I/IO_MF嚴(yán)：16，(1)反射損失L1_MF嚴(yán)：L—ml10此時(shí)，透進(jìn)材料中的光強(qiáng)度為I0(1-m)。2)吸收損失臨與散射損失匕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)材料右表面吋，光強(qiáng)度剩下：lo(l-nn)"a+s)x3)反射損失L④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L(zhǎng)@=l0(l-m)e(a+s)xI=I0(1-m)2e-(a+S)x另…部分傳至右側(cè)空間,其光強(qiáng)度為顯然I/I0才是真正的透光率注意：上式中所得的I中并未包括L④反射回去的光能。影響材料透光性的因素：1)吸收系數(shù)對(duì)于陶瓷、玻璃等電介丿貢材料，材料的吸收率或吸收系數(shù)在可見光范圉內(nèi)是比較低的，見圖4.4所示，這部分損失鮫小，在影口向透光率屮不占主導(dǎo)地位。2＞反.射系數(shù)反射損失對(duì)材料的透光性影響比較大。材料對(duì)周圍環(huán)境的相對(duì)折射率大，反射損失也大。另外，界面反射也影響透光性能。3)散射系數(shù)散射對(duì)材料的透光性景卻向最大。材料的宏觀及顯微缺陷均能引起散射材料屮的夾雜物、摻雜在不均勻界面卜.形成相對(duì)扌)r射率。此值越大則反射系數(shù)越大，散射因子也越大，囚而散射系數(shù)變大。提咼材料透過性的措施：.提高原材料純度，降低雜質(zhì)對(duì)光的散射損失。.摻加外加劑，降低材料的氣孔率，可有效提高材料的透光性，由于外加劑本身也是雜質(zhì)，所以摻多了也會(huì)影響透光性。.采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┡懦龤饪?，使晶粒定向排列，可提高材料的透光性。材料的光發(fā)射:材料的光發(fā)射(emission)是材料以某種方式吸收能量之后，將其轉(zhuǎn)化為光能，即發(fā)射光子的過程。固體發(fā)光的微觀過程：第一步，對(duì)材料進(jìn)行激勵(lì)，即以各種方式輸人能量，將固體中電子的能量提高到一個(gè)非平衡態(tài)，稱為“激發(fā)態(tài)”第二步，處于激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)地向低能態(tài)躍遷。輻射復(fù)合引起的發(fā)光稱為發(fā)光。如果材料存在多個(gè)低能態(tài)，發(fā)光躍遷可以有多種渠道，那么材料就可能發(fā)射多種頻率的在很多情況下發(fā)射光子和激發(fā)光子的能量不相等，通常前者小于后者。20，激勵(lì)：材料發(fā)光前需要向材料中注入能量，當(dāng)材料吸收外界能量后部分能量將以發(fā)光形式發(fā)射出來。常用的激勵(lì)方式：(1)光致發(fā)光,指通過光的輻照將材料中的電子激發(fā)到高能態(tài)從而導(dǎo)致的發(fā)光。場(chǎng)致發(fā)光，又稱電致發(fā)光:是利用直流或交流電場(chǎng)能量來激發(fā)發(fā)光。陰極射線致發(fā)光,在真空中利用高能量的電子來轟擊材料，通過電子在材料內(nèi)部的多次散射碰撞，使材料中多種發(fā)光中心被激發(fā)或電離而發(fā)光的過程稱為“陰極射線發(fā)光”。發(fā)光材料的發(fā)光特性：發(fā)射光譜、激發(fā)光譜、發(fā)光壽命.發(fā)射光譜:發(fā)射光譜是指材料在一定激發(fā)條件下發(fā)射光強(qiáng)按波長(zhǎng)的分布。.激發(fā)光譜:激發(fā)光譜是指發(fā)光的某一譜線或譜帶的強(qiáng)度對(duì)激發(fā)光波長(zhǎng)(或頻率)的變化.發(fā)光壽命:發(fā)光體在激發(fā)停止之后持續(xù)發(fā)光時(shí)間的長(zhǎng)短稱為發(fā)光壽命(熒光壽命或余輝時(shí)間)。熒光：電子從激發(fā)能級(jí)向較低能級(jí)的衰變可能伴隨有熱量向周圍傳遞，或者產(chǎn)生輻射,在此過程中，光的發(fā)射稱為熒光或磷光，取決于激發(fā)和發(fā)射之間的時(shí)間。23,電光：lo電光效應(yīng)^某些各向同性的透明物質(zhì)在電場(chǎng)作用下顯示出光學(xué)各向界性，物質(zhì)的折射率因外加電場(chǎng)產(chǎn)生聲光性變化當(dāng)超聲波傳過