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第4章 - 材料的光学性能

《材料物理性能》考前笔记 第四章 材料的光学性质

第四章材料的光学性质 1.光吸收的本质 光作为一种能量流,在穿过介质时,引起介质的价电子跃迁,或使原子振动而消耗能量。此外,介质中的价电子吸收光子能量而激发,当尚未退激时,在运动中与其他分子碰撞,电子的能量转变成分子的动能亦即热能,从而构成光能的衰减。即是在对光不发生散射的透明介质,如玻璃、水溶液中,光也会有能量的损失,这就是产生光吸收的原因。 2.图4.19金属、半导体和电介质的吸收率随波长的变化。 3.光的色散材料的折射率随入射光的频率的减小(或波长的增加)而减小的性质,称为折射率的色散。 4.光的散射 光通过气体、液体、固体等介质时,遇到烟尘、微粒、悬浮液滴或者结构成分不均匀的微小区域,都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来,这种现象称为光的散射。光的散射导致原来传播方向上光强的减弱。 5.弹性散射散射前后,光的波长(或光子能量)不发生变化的散射称为弹性散射。 σλ1 ∝s I (I s 表示散射光强度,参量σ与散射中心尺度大小a 0有关) a.Tyndall 散射当a 0>>λ时,0→σ,即当散射中心的尺度远大于光波的波长,散射光强与入射光波长无关。 B.Mie 散射当a 0λ≈时,即散射中心尺度与入射光波长可以比拟时,σ在0~4之间,具体数值与散射中心尺度有关。 C.Rayleidl 散射当a 0<<λ时,4=σ。换言之,当散射中心线度远小于入射光的波长时,散射强度与波长的4次方成反比(4 /1λ=s I )。这一关系称为瑞利散射定律。 6.非弹性散射当光束通过介质时,从侧向接收到的散射光主要是波长(或频率)不发生变化的瑞利散射光,属于弹性散射。除此之外,使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪器,可以发现散射光中还有其他光谱成分,它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧,强度一般比弹性散射微弱得多,这些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果,称为“非弹性散射”。从波动观点来看,光的非弹性散射机制乃是光波电磁场与介质内微观粒子固有振动之间的耦合,可激 发介质微观结构的振动或导致振动的淬灭,以至散射光波频率相应出现“红移”(频率降低)或“蓝移”(频率升高)。通常能产生拉曼散射的介质多由相互束缚的正负离子所组成。正负离子的周期性振动导致偶极矩与光波电磁场的相互作用引起能量交换,发生光波的非弹性散射。布里渊散射是点阵振动引起的密度起伏或超声波对光波的非弹性散射,也可以说是点阵振动的声学声子(声学摸)与光波之间能量交换的结果。 ωs R AS

纳米材料的光学特性

纳米材料的光学特性 美国著名物理学家,1965年诺贝尔物理奖获得者R.P Feynman在1959年曾经说过:“如果有一天能按人的意志安排一个个原子分子将会产生什么样的奇迹”,纳米科学技术的诞生将使这个美好的设想成为现实。 纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米材料是指由极细晶粒组成,特征维度尺寸在纳米量级(1~100nm)的固态材料。由于极细的晶粒,大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等,纳米材料与同组成的微米晶体(体相)材料相比,在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能,因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。 1 纳米材料的分类和结构 根据不同的结构,纳米材料可分为四类,即:纳米结构晶体或三维纳米结构;二维纳米结构或纤维状纳米结构;一维纳米结构或层状纳米结构和零维原子簇或簇组装。纳米材料的分类如图表1所示。纳米材料包括晶体、赝晶体、无定性金属、陶瓷和化合物。 2 纳米材料的光学性质 纳米材料在结构上与常规晶态和非晶态材料有很大差别,突出地表现在小尺寸颗粒和庞大的体积百分数的界面,界面原子排列和键的组态的较大无规则性。这就使纳米材料的光学性质出现了一些不同于常规材料的新现象。

纳米材料的光学性质研究之一为其线性光学性质。纳米材料的红外吸收研究是近年来比较活跃的领域,主要集中在纳米氧化物、氮化物和纳米半导体材料上,如纳米Al2O3、Fe2O3、SnO2中均观察到了异常红外振动吸收,纳米晶粒构成的Si膜的红外吸收中观察到了红外吸收带随沉积温度增加出现频移的现象,非晶纳米氮化硅中观察到了频移和吸收带的宽化且红外吸收强度强烈地依赖于退火温度等现象。对于以上现象的解释基于纳米材料的小尺寸效应、量子尺寸效应、晶场效应、尺寸分布效应和界面效应。目前,纳米材料拉曼光谱的研究也日益引起研究者的关注。 半导体硅是一种间接带隙半导体材料,在通常情况下,发光效率很弱,但当硅晶粒尺寸减小到5nm或更小时,其能带结构发生了变化,带边向高能态迁移,观察到了很强的可见光发射。研究纳米晶Ge的光致发光时,发现当Ge晶体的尺寸减小到4nm以下时,即可产生很强的可见光发射,并认为纳料晶的结构与金刚石结构的Ge 不同,这些Ge纳米晶可能具有直接光跃迁的性质。Y.Masumato发现掺CuCl纳米晶体的NaCl在高密度激光下能产生双激子发光,并导致激光的产生,其光学增益比CuCl 大晶体高得多。不断的研究发现另外一些材料,例如Cds、CuCl、ZnO、SnO2、Bi2O3、Al2O3、TiO2、SnO2、Fe2O3、CaS、CaSO4等,当它们的晶粒尺寸减小到纳米量级时,也同样观察到常规材料中根本没有的发光观象。纳米材料的特有发光现象的研究目前正处在开始阶段,综观研究情况,对纳米材料发光现象的解释主要基于电子跃迁的选择定则,量子限域效应,缺陷能级和杂质能级等方面。 纳米材料光学性质研究的另一个方面为非线性光学效应。纳米材料由于自身的特性,光激发引发的吸收变化一般可分为两大部分:由光激发引起的自由电子-空穴对所产生的快速非线性部分;受陷阱作用的载流子的慢非线性过程。其中研究最深入的为CdS纳米微粒。由于能带结构的变化,纳米晶体中载流子的迁移、跃迁和复合过程均呈现与常规材料不同的规律,因而其具有不同的非线性光学效应。 纳米材料非线性光学效应可分为共振光学非线性效应和非共振非线性光学效应。非共振非线性光学效应是指用高于纳米材料的光吸收边的光照射样品后导致的非线性效应。共振光学非线性效应是指用波长低于共振吸收区的光照射样品而导致的光学非线性效应,其来源于电子在不同电子能级的分布而引起电子结构的非线性,电子结构的非线性使纳米材料的非线性响应显著增大。目前,主要采用Z-扫找(Z-SCAN)和DFWM技术来测量纳米材料的光学非线性。

光学材料特性

光学材料特性表:

常用光学塑料-聚甲基丙烯甲酯PMMA 密度(kg/m3):(1.17~1.20)×10E3 nD ν:1.49 57.2~57.8 透过率(%):90~92 吸水率(%):0.3~0.4 玻璃化温度:10E5 熔点(或粘流温度):160~200 马丁耐热:68 热变形温度:74~109(4.6 ×10Pa) 68~99(18.5×10Pa) 线膨胀系数:(5~9)×10E-5 计算收缩率(%):1.5~1.8 比热J/kgK:1465 导热系数W/m K:0.167~0.251 燃烧性m/min:慢 耐酸性及对盐溶液的稳定性:出强氧化酸外,对弱碱较稳定 耐碱性:对强碱有侵蚀对弱碱较稳定 耐油性:对动植物油,矿物油稳定 耐有机溶剂性:对芳香族,氯化烃等能溶解,醇类脂肪族无影响日光及耐气候性:紫外透过滤73.5% 常用光学塑料-苯乙烯甲基丙烯酸甲酯共聚物 密度(kg/m3):(1.12~1.16)×10E3 nD ν:1.533 42.4 透过率(%):90 吸水率(%):0.2 玻璃化温度: 熔点(或粘流温度): 马丁耐热:<60 热变形温度:85~99 (18.5×105Pa) 线膨胀系数:(6~8)×10E-5 计算收缩率(%): 比热J/kgK: 导热系数W/m K:0.125~0.167 燃烧性m/min:慢

耐酸性及对盐溶液的稳定性:除强氧化酸外,对酸盐水均稳定 耐碱性:对强碱有侵蚀,对弱碱较稳定 耐油性:对动植物油,矿物油稳定 耐有机溶剂性:对芳香族,氯化烃等能溶解,醇类脂肪族无影响 日光及耐气候性:紫外透过滤73.5% 常用光学塑料-聚碳酸酯PC 密度(kg/m3):1.2 ×10E3 nD ν:1.586(25) 29.9 透过率(%):80~90 吸水率(%):23CRH50% 0.15 水中0.35 玻璃化温度:149 熔点(或粘流温度):225~250(267) 马丁耐热:116~129 热变形温度:132~141(4.6×105Pa) 132138(18.5×105Pa) 线膨胀系数:6×10-5 计算收缩率(%):0.5~0.7 比热J/kgK:1256 导热系数W/m K:0.193 燃烧性m/min:自熄 耐酸性及对盐溶液的稳定性:强氧化剂有破坏作用,在高于60水中水解,对稀酸,盐,水稳定 耐碱性:强碱溶液,氨和胺类能腐蚀和分解,弱碱影响较轻 耐油性:对动物油和多数烃油及其酯类稳定 耐有机溶剂性:溶于氯化烃和部分酮,酯及芳香烃中,不溶于脂肪族,碳氢化合物,醚和醇类 日光及耐气候性:日光照射微脆化 常用光学塑料-烯丙基二甘碳酸酯CR39 密度(kg/m3):25 1.32×10E3 nD ν:1.498 53.6~57.8 透过率(%):92 吸水率(%):0.2 24h 25 玻璃化温度:

第六章 材料光学性能分析

第六章 材料光学性能分析 一、教学目的 理解并掌握各光学性能、光谱的概念,掌握各光谱仪的测试方法和光谱分析方法。了解光谱仪的结构和测试原理。 二、重点、难点 重点:固体发光原理、荧光光谱测试技术。 难点:荧光光谱测试技术。 三、教学手段 多媒体教学 四、学时分配 6学时 第一节 透射光谱和吸收光谱 材料的光学性能主要包括对光的折射、反射、吸收、透射以及发光等诸多方面,光学性能与材料的某些应用领域密切相关,比如用作反射镜、光导纤维窗口、透镜、棱镜、滤光镜、激光探测器件等。鉴于篇幅,本章着重介绍折射率、色散、透过、吸收以及激发、发射、亮度、效率等发光性能的测试。 一、基本概念 光作为一种能量流,在穿过介质时,能引起介质的价电子跃迁或影响原子的振动而消耗能量。 即使在对光不发生散射的透明介质如玻璃或水溶液中,光也会有能量的损失,即光的吸收。 1.吸收光谱 设有一厚度为x 平板材料,入射光强度设为I 0,通过此材料后光强度为I ′。选取其中一薄层,并认为光通过此薄层的吸收损失-dI 正比于此处光强度 I 和薄层厚度dx ,即: 则可得到光强度随厚度呈指数衰减规律,即朗伯特定律: α为物质对光的吸收系数,单位为cm-1。 d I I d x α-=??' 0x I I e α-=?

α的大小取决于材料的性质和光的波长。对于相同波长的光波,α越大,光被吸收得越多,能透过的光强度就越小。 α随入射光波长(或频率)变化的曲线,叫作吸收光谱。 2.透射光谱 透光性是表征材料被光穿透能力的高低,透光性的好坏可用透过率指标T 来衡量。 透过率T 是指光通过材料后,透过光强度占入射光强度的百分比。剩余光强度应是从初始入射光强度I 0中扣除造成光能衰减的表面上的反射损失、试样中的散射损失和吸收损失等。 一般地,反射、吸收和透过的关系可用下式表示: T ——透过率;R ——反射系数;α——吸收系数; d ——试样厚度,单位cm 。 透过率T 随波长变化的曲线即称为透射光谱曲线。 透射光谱曲线可用分光光度计来测定。 光强的大小用光透过试样照到光电管上产生的电流的大小来表示。 某个波长的光通过空气(作为空白样)后的光强设为I 0,再通过一定厚度 的试样后的光强设为I ′,即可通过I ′/ I 0得到针对该波长的透过率Tλ,如此依次测得其他各波长的透过率就可得到透过率T 随波长变化的透射光谱。 二、光谱测试 1.测试仪器:分光光度计 图6-1 721型分光光度计的光学系统示意图 1—光源 2, 8—聚光透镜 3—反射镜 4—狭缝 5, 12—保护玻璃 6—准直镜 7—色散棱镜 9—比色皿 10—玻璃试样 11—光门 13—光电管 2.透射光谱测试 2 (1)exp() T R d α=--?

纳米材料光学性质

纳米材料的特性 美国著名物理学家,1965年诺贝尔物理奖获得者R.P Feynman 在1959年曾经说过:“如果有一天能按人的意志安排一个个原子分子将会产生什么样的奇迹”,纳米科学技术的诞生将使这个美好的设想成为现实。 纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米材料是指由极细晶粒组成,特征维度尺寸在纳米量级(1~100nm)的固态材料。由于极细的晶粒,大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等,纳米材料与同组成的微米晶体(体相)材料相比,在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能,因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。 固体材料的光学性质与其内部的微结构,特别是电子态、缺陷态和能级结构有密切的关系。 纳米结构材料在结构上与常规的晶态和非晶态体系有很大的差别,表现为:小尺寸、能级离散性显著、表(界)面原子比例高、界面原子排列和键的组态的无规则性较大等。这些特征导致纳米材料的光学性质出现一些不同于常规晶态和非晶态的新现象。 1、宽频带强吸收性 大块金属具有不同的金属光泽,表明它们对可见光中的各种波长的光的反射和吸收能力不同。当尺寸减小到纳米级时,各种金属纳米粒子

几乎都呈黑色,它们对可见光的反射率极低,而吸收率相当高。例如,Pt纳米粒子的反射率为1%,Au纳米粒子的反射率小于10%。 纳米SiN、SiC以及Al2O3粉等对红外有一个宽频强吸收谱。 不同温度退火下纳米Al2O3材料的红外吸收谱 纳米材料的红外吸收谱宽化的主要原因: (1)尺寸分布效应:通常纳米材料的粒径有一定的分布,不同的颗粒的表面张力有差异,引起晶格畸变程度的不同,这就导致纳 米材料键长有一个分布,造成带隙的分布,这是引起红外吸收 宽化的原因之一。 (2)界面效应:界面原子的比例非常高,导致不饱和键、悬挂键以及缺陷非常多,界面原子除与体相原子能级不同外,相互之间 也可能不同,从而导致能级分布的展宽,与常规大块材料不同,

种光学塑料的材料特点

种光学塑料的材料特点

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14种光学塑料的材料特点 一、光学塑料分类塑料材料一般分为热塑性和热固性塑料。热塑性塑料指的是可反复加热仍可塑的塑料。光学塑料大部分为热塑性塑料,常用的有:聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)聚苯乙烯(PS)聚碳酸脂(PC)等。热固性塑料:指的是在所用的合成树脂在加热初期软化,具有可塑性,继续加热则随着化学反应燮硬使形状固定不再发生变化。常用的材料有:烯丙基二甘醇碳酸脂(CR-39)环氧光学塑料 二、主要的光学塑料 1.聚甲基丙烯酸甲脂PMMA Pol ymethylmethacrylate,简称PMMA,也称Acrylic。摩尔量约为50万---100万,(摩尔量对聚合物的性能有很大的影响)nd=1.491,色散系数Vd=57.2,是“王冕”材料,透过率约92%,加速老化后240H透过率仍能达到92%,在室外使用10年后只降到88%,能透过波长270nm以上的紫外光。PMMA能透过X射线和Y射线,其薄片能透过α射线和β射线,但是能吸收中子线。PMMA密度为1.19kg/m3,在20℃*109Pa时的平均吸水率为2%,在所有光学塑料中它的吸水率最高,弹性模量为3.16*109Pa,泊松比为0.32,抗张强度为(462---703)*109Pa。PMMA的线形膨胀系数为8.3*10-5 K-1,比K9玻璃大10倍,但

PMMA从高温冷却时的光学记忆即组件恢复到它原来尺寸的性能要比玻璃好,它的折射率随温度的变化dn/dt为-8.5*10-5,比K9玻璃大出约30倍,但是它是负值。热导率为0.192W/(m*k),比热容为1465J/(kg*k),它的玻璃化温度为105℃,熔化温度为180℃。PMMA耐稀无机酸去污液,油脂和弱碱的性能优良,耐浓无机酸中等,不耐醇,酮,溶于芳烃,氯化烃有机溶剂,为强碱及温热的NaOH,KOH所侵蚀,与显影液不起反应。PMMA有优良的耐气候性,在热带气候下曝晒多年,它的透明度和色泽变化小。PMMA 目前于广泛被用于制造照相机,摄录一体机,投影机,光盘读出头以及军用火控和制导系统中的非球面透镜和反射镜,还用来制造菲涅尔透镜,微透镜数组,隐形眼镜,光纤,光盘基板等零件。 2.聚苯乙烯PS Polystyrene,简称PS,也称Styrene。这是一种火石类热塑性光学塑料,尽管它的抗紫外辐射性能,抗划伤性能都不如PMMA,但它折射率高,nd=1.59—1.660,阿贝系数小Vd=30.8,所以当它和PMMA组合时可以成为对F和C谱线进行校正的消色差透镜,二级光谱的校正一般比玻璃的消色差透镜还要更好一些。它的透过率为88%,它的双折射率较大,在阳光作用下聚苯乙烯容易变黄。PS能自由着色,无嗅无味无毒,不致产生霉菌,吸湿性小吸只有0.02%。PS热变形温度为70--98℃,与配方及后

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