第五章材料的光學性能

第五章材料的光學性能光的現(xiàn)象光的微粒說光的波動說光的電磁說光的波粒二象性光的直線傳播光的傳播速度光的反射光的折射光的干涉光的衍射電磁波譜光譜?一、

光的波粒二象性5.1光傳播的基本理論光的波粒二象性的數(shù)學表示愛因斯坦光電方程光子源決定光的頻率、波長和輻射能。原子核結(jié)構(gòu)變化γ射線原子結(jié)構(gòu)改變x射線、紫外、可見光原子振動晶格振動長波輻射可見光七彩顏色的波長和頻率范圍人眼最為敏感的光是

紫

青

綠

黃

橙

紅中心波長(nm)

頻率(Hz)波長(nm)光色

蘭黃綠光，即555nm附近430455~400460470~455480492~470540577~492570597~577610622~597660760~622黃綠光，即555nm附近。電磁波在真空中的傳播速度：

c=3×108m/s當光在介質(zhì)中傳播時，速度為：粒子性波動性反射透射折射傳播衍射（1）光是一種電磁波，它是由電磁場周期性振動的傳播形成的。

（3）偏振性是橫波的特有性質(zhì)。二、

光的電磁波特性電磁輻射

由于人的視覺、植物的光合作用，以及絕大多數(shù)測量光波的儀器對光的反應(yīng)主要是光波中的電場所引起，磁場對介質(zhì)的作用遠比電場弱，因此討論光波時往往只考慮電場的作用，所以電場強度矢量被直接作為光矢量。

光波的電矢量的振動只確定在某個確定方向稱為平面偏振光，亦稱線偏振光。

光波的電矢量在垂直光傳播方向的平面內(nèi)隨時間規(guī)則變化的軌跡呈橢圓或圓，被分別稱為橢圓偏振光、圓偏振光。

光波在垂直光傳播方向的平面內(nèi)電矢量振動取向機會均等，稱為自然光。光波振動的數(shù)學表達式：

光的波動性主要表現(xiàn)在它有干涉和衍射及偏振等特性。雙光束干涉就是指兩束光（同頻率、同振動方向）相遇以后，在光的疊加區(qū)，光強重新分布，出現(xiàn)明暗相間、穩(wěn)定的干涉條紋。三、光的干涉和衍射

當光波傳播遇到障礙物時，在一定程度上繞過障礙物（尺寸與波長相近）而進入幾何陰影區(qū)，這種現(xiàn)象稱為衍射。四、光通過固體的現(xiàn)象設(shè)入射到固體表面的光輻射能流率為φ0，透過、吸收、反射和散射光的光輻射能流率為φτ，φA

，φ

R和φσ，則有光輻射能流率：表示單位時間內(nèi)通過單位面積（與光線傳播方向垂直）的能量。在固體材料中出現(xiàn)的光學現(xiàn)象的電磁輻射與固體材料中的原子、離子或電子相互作用的結(jié)果。從宏觀上講，當光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，會發(fā)生光的透過、吸收、散射和反射。

光與固體相互作用的本質(zhì)是光子與固體材料中的原子、離子、電子等的相互作用，出現(xiàn)的重要結(jié)果兩種：電子極化：電磁波的分量之一是迅速變化的電場分量；在可見光范圍內(nèi)，電場分量與傳播過程中遇到的每一個原子都發(fā)生相互作用引起電子極化，即造成電子云與原子核的電荷中心發(fā)生相對位移；所以，當光通過介質(zhì)時，一部分能量被吸收，同時光速減小，后者導(dǎo)致折射。電子能態(tài)轉(zhuǎn)變：電磁波的吸收和發(fā)射包含電子從一種能態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種能態(tài)的過程；材料的原子吸收了光子的能量之后可將較低能級上的電子激發(fā)到較高能級上去，電子發(fā)生的能級變化?E與電磁波頻率有關(guān)：?E=hν受激電子不可能無限長時間地保持.在激發(fā)狀態(tài)，經(jīng)過一個短時期后，它又會衰變回基態(tài)，同時發(fā)射出電磁波，即自發(fā)輻射。E1E2E3E4E5能量5.2光與固體的相互作用一、折射：折射率：光在真空和在材料中的傳播速度之比光在界面處的折射與反射（1）三線共面（2）界面入射反射折射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。材料的折射率從本質(zhì)上講，反映了材料的電磁結(jié)構(gòu)（對非鐵磁介質(zhì)主要是電結(jié)構(gòu)）在光波作用下的極化性質(zhì)或介電特性。折射率的影響因素：（1）構(gòu)成材料元素的離子半徑：

，當離子半徑增大時，其ε增大，因而n也增大。PbSn=3.912SiCl4

n=1.412（2）材料的結(jié)構(gòu)與晶型：非晶態(tài)和立方晶體這些各向同性材料，當光通過時，光速不因傳播方向改變而變化，材料只有一個折射率，稱為均質(zhì)介質(zhì)。但是除立方晶體以外的其他晶型，都是非均質(zhì)介質(zhì)（雙折射現(xiàn)象）。（3）內(nèi)應(yīng)力：垂直于主應(yīng)力方向，n值大（4）同素異構(gòu)：在同質(zhì)異構(gòu)材料中，高溫時的晶型折射率n較低，低溫時存在的晶型折射率n較高。石英1.55磷石英1.47方石英1.49二、色散：這種光在介質(zhì)中的傳播速度（或介質(zhì)的折射率）隨其頻率（或波長）而變化的現(xiàn)象。色散系數(shù)（Abbé數(shù)）nd：氦的d譜線（587.56nm）；nF：氫的F譜線（486.1nm）;nC：氫的C譜線（656.3nm）三、反射1.反射系數(shù)反射系數(shù)m：W，W′，W′′分別為單位間內(nèi)通過單位面積的入射光、反射光和折射光的能量流。W=W′+W′′透射系數(shù)1-m：根據(jù)波動理論：S、v分別為光束的橫截面積和傳播速度A為振幅反射波的傳播速度與橫截面積與入射波相同

Fresnel推導(dǎo)：角度很小，即垂直入射時：介質(zhì)2相對于介質(zhì)1的折射率：

反射系數(shù)m與折射率n有關(guān)，若介質(zhì)2對于介質(zhì)1的相對折射率為n21，當角度很小，即垂直入射時，則有：2.討論垂直入射條件下，界面反射的多少，取決于相對折射率n21；介質(zhì)1為空氣，可以認為n1=1，于是n21=n2；n1和n2相差很大，界面反射損失嚴重；若n1=n2，則m=0，垂直入射時幾乎沒有反射損失；光通過的界面越多，界面反射就越嚴重。光連續(xù)透過x塊反射率為m的介質(zhì)時，透過部分為(1-m)2x。例：玻璃的折射率n=1.5

光的反射損失：透過部分為：1-m=1-0.04=0.96

透射光從另一界面射入空氣，透過兩個界面，透過部分為：

(1-m)2=0.962=0.9216

連續(xù)透過x塊平板玻璃，透過部分為：(1-m)2x陶瓷和玻璃等材料的折射率比空氣大，所以光從空氣進入這些材料時，反射損失嚴重。由多塊玻璃組成的透鏡系統(tǒng)，常常用折射率和玻璃相近的膠粘起來，這樣除了最外和最內(nèi)的兩個表面是玻璃和空氣的相對折射率外，內(nèi)部各界面均是玻璃和膠的較小的相對折射率，從而大大減少了界面的反射損失。3.全反射光線從光密介質(zhì)（玻璃）進入光疏介質(zhì)（空氣）中時，折射角

2大于入射角

1

。當

1

為某值時，

2可達到90°，這時光線平行于表面?zhèn)鞑ァ?/p>

1

繼續(xù)增大時，光線就會全部向內(nèi)反射回光密介質(zhì)內(nèi)，這種現(xiàn)象稱為全反射。

1

2

1折射率n1

1折射率n2

2

1

1

1光纖通訊臨界角：sini臨界=1/n1空氣四、介質(zhì)對光的吸收1.光吸收的一般規(guī)律光作為一種能量流，在穿過介質(zhì)時，其能量的衰減現(xiàn)象，稱為光的吸收。厚度為x的平板材料，入射光的強度為I0，通過該材料后光強度為I’，則通過材料薄層的吸收損失-dI正比于該處的光強I和薄層的厚度dx。能量衰減使介質(zhì)的價電子躍遷使介質(zhì)的原子振動價電子激發(fā)發(fā)出光子熱能（朗伯特定律）

(Lambert)光強度隨穿過介質(zhì)厚度的變化符合指數(shù)衰減規(guī)律。

：物質(zhì)對光的吸收系數(shù)，單位為cm-1。K為吸收率。

取決于材料的性質(zhì)和光的波長。

越大，材料越厚，光就被吸收的越多，透過后的光強度就越小。不同材料，

差別很大?？諝猓?/p>

10-5cm-1玻璃：

10-2cm-1金屬：

為幾萬～幾十萬，所以金屬實際上時不透明的。由于吸收引起的光剩余強度為：2.光吸收與波長的關(guān)系(1)選擇性吸收材料對某一波段的光具有強烈的吸收作用，而對其它波段的光吸收較弱或不吸收，這種現(xiàn)象稱為選擇性吸收。嚴格說一切介質(zhì)都是選擇性吸收介質(zhì)。透明材料在可見光譜內(nèi)的選擇性吸收使其呈現(xiàn)不同的顏色。由于反射和吸收引起的光剩余強度為：反射系數(shù)(2)均勻吸收在可見光范圍內(nèi)，介質(zhì)對各種波長的光的吸收程度相同，這種現(xiàn)象稱為均勻吸收。均勻吸收情況下，隨著吸收程度的增加，顏色從灰變到黑。光波在材料中遇到光學性能不均勻的結(jié)構(gòu)，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，都會引起一部分光束被散射，使光束強度降低。本質(zhì)：光波遇到不均勻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次級波，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，引起散射。S：散射系數(shù)單為為cm-1。相均勻分布的材料，由于散射引起的光強減弱規(guī)律與吸收規(guī)律形式相同：1.光散射的一般規(guī)律五、介質(zhì)對光的散射由于吸收和散射引起的光剩余強度為：由于反射、吸收和散射引起的光剩余強度為：I0：光的原始強度；I：透過厚度為x的材料后，由于散射引起的剩余強度。（1）質(zhì)點大小d

時，S最大。

d<

時，d

，S;d>

時，d

，S;散射質(zhì)點的體積分數(shù)不變：2.影響因素散射系數(shù)與散射質(zhì)點的大小、數(shù)量以及其與基體的相對折射率等因素有關(guān)。當光的波長約等于散射質(zhì)點的直徑時，出現(xiàn)散射的峰值。反射、折射引起的總體散射起主導(dǎo)作用。散射系數(shù)正比于散射質(zhì)點的投影面積。d>

時，N：單位體積內(nèi)的散射質(zhì)點數(shù)；R：散射質(zhì)點的平均半徑；K：散射因素，取決于基體與質(zhì)點的相對折射率；V：散射質(zhì)點的體積含量。d>

時，R越小，V越大，S越大?？山撇捎萌鹄≧ayleigh）散射來處理：主要為米氏（Mie）散射，散射效果主要與粒子橫截面積成比例。d</3時，d=

時，d</3時，R越大，V越大，S越大。（2）散射質(zhì)點與基體的相對折射率散射質(zhì)點與基體的相對折射率越大，散射越嚴重。六、

材料的透射及其影響因素金屬的光透過性質(zhì)金屬對可見光不透明。原因：費米能級以上存在許多空能級臨界厚度：0.1μm費米能EfΔE入射光子hυE費米能EfΔE反射光子hυE應(yīng)用：大多數(shù)金屬的反射系數(shù)在0.9~0.95之間?？捎闷渌牧系囊r底。鍍上一薄金屬層作為反光鏡。金屬的顏色由其反光決定。

非金屬材料的透過性（1