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。
晶体光学性质的观测分析（预习报告） 一、实验目的 熟悉单期自晶光学性质, 晶体的消光现象, 干涉色级序 了解偏光显微镜原理及掌握其使用方法 观察晶体的类别、軸向和光性正负等过程, 估计晶片光程差 二、实验原理 折射率与光的传播方向和光矢振动方向有关的晶体称为各向异性晶体。除立方晶系的晶体外,所有的晶体都是各向异性晶体。如:方解石、水晶、KDP、LiNb03, BaTi03等都是各向异性晶体。 当光通过各向异性晶体时, 会产生双折射现象, 并表现出偏振性质。当光沿各向异性晶体传播时, 总存在一个或画个方向不发生双折射现象, 此方向称为晶体的光轴, 按晶体的光轴分,各向异性品体又可分为単轴晶和双軸晶,单轴晶只有一个光轴,如:四方晶系、六方晶系、三方晶系的晶体;而双軸晶则有西个光抽,如:正交晶系、単斜晶系、三斜晶系的晶体。其中,折射率不随入射光方向而变的称为寻常光或o光(折射率为n。),折射率随入射光方向而变的称为非寻常光或e光(折射率为ne)。o光和e光都是偏振光,并且它们的振动方向互相垂直。 光波各矢量间关系较复杂, 因此需要用一些图形来直观地表示出晶体中光波各矢量间的方向关系, 及各传插方向相对应的光速或折射率在空间的取值分布, 这些几何图形称为晶体光学示性曲面。.折射率椭球(或光率体) 就是描述晶体最常用的晶体光学示性曲面, 它是以主折射率为主值的椭球。 在偏光显微镜中,当上下偏光镜的振动面互相垂直时,称为正父偏光镜。如在正交偏光镜间不放任何介质或放入各相同晶体时, 光线无法通过正交偏光镜, 所以视域是黑暗的; 当' 在正交偏光镜间放人各相异晶体后, 由于晶体双折射效应和晶片厚度、晶抽取向的不同而产生不同的干涉现象。如图4- l -4所示:在正交偏光镜之间加入一晶片,其中PP表示起偏镜(下偏光镜) 的振动方向, AA表示检偏镜(上偏光镜)的振动方向, 00表示晶片光轴方向(00平行于晶片,垂直于透光方向)。如透过起偏镜的偏振光振幅为Aoe, 光线到达厚度为d的晶片后, 分解成振幅分别为Ae和Ao的e光和o光, e光和o光的振动方向分别平行和垂直00方向, 00与PP的夹角为a,则e光和o光的振幅分别为: Ae=Aoe cosα, Ao= Aoe sinα。再经检偏镜(上偏光镜)后, Ae和Ao在检偏镜AA方向的投影。由于各相异晶体e光和o光的折射率不同,其差值为Δn= (ne -n0),所以当它们透过厚度为d的晶片后,必产生光程差Δ=d(ne-n。)
液晶的光学特性分析 光的偏振性 光矢量 麦克斯韦在电磁波理论中指出电磁波是横波，由两个相互垂直的振动矢量即电场强度E和磁场强度H来表征，由于人们从光的偏振现象认识到光是横波，而且光速的测量值与电磁波速的理论计算值相符合，所以肯定光是一种电磁波，大量试验表明：在光波中产生感光作用和生理作用的是电场强度E，所以规定E 为光矢量，我们把E的振动称为光振动，光矢量E的方向就是光振动的方向。自然光： 一个原子或分子在某一瞬间发出的光本来是有确定振动方向的光波列，但是通常的光是大量原子的无规率发射，是一个瞬息万变、无序间歇过程，所以各个波列的光矢量可以分布在一切可能的方位，平均来看，光矢量对于光的传播方向成对成均匀分布，没有任何一个方位较其它方位更占优势，这种光就叫自然光。 自然光在反射、散射或通过某些晶体时，其偏振状态会发生变化。例如阳光是自然光，但经天空漫射后是部分偏振的，一些室内的透明塑料盒，如录音带盒，在某些角度上会出现斑澜色彩，就是偏振光干涉的结果。 自然光的分解： 在自然光中，任何取向的光矢量都可分解为两个相互垂直方向上的分量，很显然，自然光可用振幅相等的两个相互垂直方向上的振动来表示。 应当指出，由于自然光中振动的无序性，所以这两个相互垂直的光振动之间没有恒定的位相差，但应注意的是不能将两个相位无关联的光矢量合成为一个稳定的偏振光，显然对应两个相互垂直振动的光强各为自然光光强的一半。 如果采用某种方法能把两个相互垂直的振动之一去掉，那就获得了线偏振光，如果只能去掉两个振动之一的一部分，则称为部分偏振光。
偏振光 线偏振光：如果光矢量在一个固定平面内只沿一个固定的方向振动，这种光称为线偏振光，也叫面偏振光或全偏振光，线偏振光的光矢量方向和传播方向构成的平面称为振动面，线偏振光的振动面是固定不变的。 部分偏振光： 这是介于偏振光和自然光之间的一种偏振光，在垂直于这种光的传播方向的平面内，各方向的振动都有，但它们的振幅不相等。 值得注意的是，这种偏振光的各方向振动的光矢量之间也没有固定的相位关系，与部分偏振光相对应，有时称线偏振光为完全偏振光。 圆偏振光和椭圆偏振光： 这两种光的特点是在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按一定频率旋转(左旋或右旋)，如果光矢量端点的轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光；如果光矢
1.“晶格振动”理论是半经典理论。 答：晶体中的格点表示原子的平衡位置，晶格振动便是指原子在格点附近的振动。 晶格振动的研究是从晶体热力学性质开始的杜隆-珀替定理总结了固体热容量在室温和更高的温度适合而在较低的温度下固体的热容量开始随温度的降低而不断降低，从而进一步发展出了量子热熔理论。但是经典晶格振动理论知识局限于固体的热学性质，故是半经典理论。首先只能求解牛顿方程，并引入了格波，而且每个格波的能量可用谐振子能量来表示。之后进行了量子力学修正，量子力学修正体现在谐振子能量不用经典谐振子能量表示式，而用量子谐振子能量表示式。 2.声学波和光学波的区别。长光学支格波与长声学支格波的本质差别。格波支数的关系。 定性地讲，声学波描述了元胞质心的运动，光学波描述了元胞内原子的相对运动。描述元胞内原子不同的运动状态是二支格波最重要的区别。 长光学支格波的特征是每个原胞内的不同原子做相对振动, 振动频率较高, 它包含了晶格振动频率最高的振动模式. 长声学支格波的特征是原胞内的不同原子没有相对位移, 原胞做整体运动, 振动频率较低, 它包含了晶格振动频率最低的振动模式, 波速是一常数. 任何晶体都存在声学支格波, 但简单晶格(非复式格子)晶体不存在光学支格波. 独立的波矢q 总点数＝晶体的总胞数N ； 格波总个数＝晶体原子振动自由度数，3nN 个； 格波总支数＝3n ，其中3 支声学波，3(n-1)支光学波。 3.金属的比热与温度的联系。 低温时，由德拜模型，V C 随温度下降而快速下降。当温度趋于零时，V C 亦趋于零。比热随温度的下降速 度T3。 高温时，比热与温度的关系更加符合爱因斯坦模型。比热与温度的一次方呈正比。 当温度T 极大时 3V B C Nk ≈，恰为经典理论的结果。这是因为在高温区，振子的能量近似B k T ，而当B k T 远大于能量量子（?ω）时，量子化效应可以忽略。 4.导体、半导体和绝缘体能带结构的基本特征。 5.费米分布函数的物理意义。费米能级。接触电势差。 费米能级的物理意义是，该能级上的一个状态被电子占据的几率是1/2。 费米能级是绝对零度时电子的最高能级，当f （E ）=1/2时，得出的E 的值对应的能级为费米能级 接触电势差：两种不同的金属相互接触时在它们之间产生的电势差。 其数值决定于金属的性质和接触面的温度。因不同金属的功函数(电子逸出金属表面所需的功)不同而产生。 与功函数的关系：Va-Vb=1/e(Φb -Φa) 产生接触电势差的原因是：⑴两种金属电子的逸出功不同。⑵两种金属的电子浓度不同。若 A 、 B 两种金属的逸出功分别为Va 和Vb ，电子浓度分别为Na 和Nb ，则它们之间的接触电势差为Vab=Va-Vb+(kT/e)×ln(Na/Nb) 式中的k 为玻尔兹曼（Boltzmann ）常数，e 是电子电量，T 是金属的绝对温度。几种金属依次连接时，接触电势差只与两端金属的性质有关，与中间金属无关。 6.晶体结合的基本类型。 7.金属自由电子论的假设与结果。 解：金属自由论假设金属中的价电子在一个平均势场中彼此独立，如同理想气体中的粒子一样是“自由”的，每个电子的运动由薛定谔方程来描述；电子满足泡利不相容原理，因此，电子不服从经典统计而服从 3 cT c VD =
圆锥曲线光学性质的证明及应用初探 一、 圆锥曲线的光学性质 1．1 椭圆的光学性质： 从椭圆一个焦点发出的光，经过椭圆反射后，反射光线都汇聚到椭圆的另 一个焦点上； (见图1.1) 椭圆的这种光学特性，常被用来设计一些照明设备或聚热装置．例如在1F 处放置一个热源，那么红外线也能聚焦于2F 处，对2F 处的物体加热。电影放映机的反光镜也是这个原理。 证明：由导数可得切线l 的斜率0 20 20x x b x k y a y =-' ==， 而1PF 的斜率010 y k x c =+，2PF 的斜率020y k x c =- ∴l 到1PF 所成的角α'满足()()200 2 2222 2000001222 2 001000 2 00 tan 11y b x x c a y a y b x b cx k k b x y kk a b x y a cy x c a y α++++-'===+-+-+， ()00,P x y 在椭圆上，∴20tan b cy α'=，同理，2PF 到l 所成的角β'满足2 220 tan 1k k b kk cy β-'==+， ∴tan tan αβ''=，而,0, 2παβ?? ''∈ ?? ? ，∴αβ''= 1．2双曲线的光学性质 ：从双曲线一个焦点发出的光，经过双曲线反射后，反射光线的反向延长线都汇聚到双曲线的另一个焦点上；(见图1.2)． 双曲线这种反向虚聚焦性质，在天文望远镜的设计等方面，也能找到实际应用． 1．3 抛物线的光学性质 ： 从抛物线的焦点发出的光，经过抛物线反射后，反射光线都平行于抛物线的轴（如图1.3） 抛物线这种聚焦特性，成为聚能装置或定向发射装置的最佳选择．例如探照灯、汽车大灯等反射镜面的纵剖线是抛物线，把光源置于它的焦点处，经镜面反射后能成为平行光束，使照射距离加大，并可通过转动抛物线的对称轴方向，控制照射方向．卫星通讯像碗一样接收或发射天线，一般也是以抛物线绕对称轴旋转得到的，把接收器置于其焦点，抛物线的对称轴跟踪对准卫星，这样可以把卫星发射的微弱电磁波讯号射线，最大限度地集中到接收器上，保证接收效果；反之，把发射装置安装在焦点，把对称轴跟踪对准卫星，则可以使发射的电磁波讯号射线能平行地到达卫星的接收装置，同样保证接收效果．最常见的太阳能热水器，它也是以抛物线镜面聚集太阳光，以加热焦点处的贮水器的． 图1.3 图1.2 图1.1
1、请阐述一下非晶态高聚物的力学特点？ 答：线性定型高聚物是典型的非晶态结构，线形非晶态高聚物有三种力学状态，温度不同，高聚物处于不同的力学状态，性能也不同：1）玻璃态，在Tg温度以下，变形量小，而弹性模量较高，高聚物较刚硬，处于玻璃态，此时的变形是可逆的，形变属于普弹性变。2）高弹态：Tg之后，变形量很大但弹性模量显著降低。外力去除之后形变可以恢复，即弹性是可逆的。高弹态是橡胶使用状态，Tf称为粘流温度。3）粘流态。温度高于Tf之后，形变迅速发展，弹性模量再次很快下降，高聚物开始产生粘性流动，处于粘流态，此时变形已为不可逆，高聚物成型加工时，都是在粘流态下进行。 2、什么是Tg,影响因素？请举例说明其应用？ 答：玻璃化温度Tg是温度升降时，高聚物由玻璃态向高弹态或者由高弹态向玻璃态转化的温度，其本质是高聚物的分子链段运动被解冻或被冻结的温度。凡影响高聚物的柔顺性和分子间作用力的因素都会影响玻璃化温度。主要有：分子量；分子链的柔顺性；添加剂。高聚物的分子量增加，Tg也随之升高，当分子量升高到临界分子量时，Tg趋向一恒定值，高聚物的分子链的柔顺性越好，Tg也就越低。高聚物中的添加剂通过影响分子链运动而对Tg产生强烈的影响。应用举例：如研究了玻璃化温度对可再分散性胶粉质量的影响和作用，指出低可再分性胶粉的玻璃化温度可以提高可再分性散性胶粉的变形性和韧性。 3、高分子材料的典型特征是什么？请举例？ 答：1）密度小，与镁铝相当，比钢铁轻得多；2）有足够的强度和模量能够代替部分金属材料制造各种机械零件；3）优良电绝缘性能；4）优良减摩，耐磨和自润滑性能；5）优良耐腐蚀性能；6）易于合金化；7）高弹性；8）优良透光性；9）优良的隔热、隔音性；10）富于粘结力；11）耐热性差，高分子材料使用温度一般低于200℃；12）可燃性；13）易老化。 4、橡胶为什么有弹性？ 答：橡胶之所以具有高弹性，与橡胶的结构有关，由于橡胶大分子链上C—C键，C—O键，Si—O键等都易于内旋，部分孤立的C=C双键虽然不能内旋，但却能促进邻近的C—C键更好旋转，使其分子链表现出很好的柔顺性。而且橡胶分子量很大，分子链长度可达4000——8000A，而直径仅约为3——7.5A，处于卷曲状态，虽然硫化交联使长链分子出现交联键，但未改变其卷曲状态，相反使大分子链所受拉伸与回缩应为更大，从而大大增强其回弹性。 5、高分子化合物的单体，链节，聚合度，多分散性，平均分子量，分子质量分布的概念是什么？答：单体：可以聚合成高分子化合物的低分子化合物；链节;组成高分子化合物相同的结构单元；聚合度：大分子链中链节的重复次数；多分散性：高分子化合物中各个链的分子量不相等的现象；平均分子量：由于高分子化合物的多分散性，任何一种高分子化合物没有确切分子质量，常用平均分子量来表示，常有重均分子量和数均分子量；分子质量分布：用以表示具体每一种分子质量在高分子化合物中所占比例的大小和范围的量。 6、加成聚合与缩合聚合的不同？答：（1）反应的单体不同：加成聚合的单体必须具有不饱和的键，并能形成两个和两个以上的新键，缩合聚合的单体应该具有两个或两个以上的反应基团的低分子化合物。（2）反应产物不同：加成聚合没有副产物，反应产物与单体成分相同，缩聚反应有低分子物质的析出，缩聚产物与单体成分不同 7、影响大分子链柔顺性的主要因素？答：A，主链结构：主链全由单链组成时，柔顺性最
材料科学实验讲义 (一级实验指导书) 东华大学材料科学与工程中心实验室汇编 2009年7月
一、实验目的和要求 1、掌握透过率、全反射和漫反射测定的基本原理； 2、掌握透过率、全反射和漫反射测定的操作技能； 3、测定聚合物膜和无机非金属材料的薄膜的透过率和全反射率，学会测定无机材料粉末的漫反射光谱。 4、针对不同的材料形式(如薄膜，粉末等)能判断该如何选择不同的测试模式。 二、实验原理 光学性能是材料的重要也是最常用的性能之一，薄膜、陶瓷、玻璃、粉末、聚合物、人工晶体甚至胶体的性能评价都离不开光学性能的表征。本实验中所涉及到材料的光学性能主要是指透过率、反射率尤其是漫反射模式测定的反射率等光学性能的测定，涉及的材料包括聚合物、粉末和玻璃等。 在通常所用的分光光度法中，常常将待测定的物质溶解在溶剂中，通过比色来定性或定量物质的含量或浓度等。一些无机粉末或者聚合物本身并不溶于常见的溶剂中，将这些不溶解的物质分散在液体介质中得到的是消光光谱而不是吸收光谱，测定的是消光(Extinction)而不仅仅是吸收(Absorption)。另外，对薄膜材料来说，能进行原位测定是重要的，因为在溶解过程中往往改变了材料的状态，所测定的也不再是实际应用中所要知道的结果。薄膜、粉末等是实际应用中常见的材料形式，这些材料的光学性能的测定对材料提出了更高的要求。 目前中高档的紫外-可见分光光度计均可选配积分球附件来测定物质的漫反射光谱(UV-vis diffuse reflenctance spectrum，UV-vis DRS)，UV-vis DRS特别适用粉末样品的测定。聚合物、聚合物与无机物的杂化材料、多种无机化合物半导体均可用UV-vis DRS进行测定。带积分球的分光光度计还可测定玻璃、有机玻璃、塑料制品的透过率和反射率等。下面就有机物、无机物和化合物的紫外－可见光谱的原理作详细的介绍： 1、有机物的紫外—可见吸收光谱： 分子的紫外—可见吸收光谱是基于物质分子吸收紫外辐射或可见光，其外层电子跃迁而成，又称分子的电子跃迁光谱。紫外—可见分光光度法是基于物质分子的紫外—可见吸收光谱而建立的一种定性、定量分析方法。有机化合物此外吸收光谱(电子光谱)是由分子外层电子或价电子跃迁所产生的。按分子轨道理论，有机化合物分子中有：成键σ轨道，反键σ*轨道；成键π轨道，反键π*轨道(不饱和烃)；另外还有非键轨道(杂原子存在)。各种轨道的能级不同，如图1所示。
圆锥曲线的光学性质及其应用 尹建堂 一、圆锥曲线的光学性质 圆锥曲线的光学性质源于它的切线和法线的性质，因而为正确理解与掌握其光学性质，就要掌握其切线、法线方程的求法及性质。 设P（）为圆锥曲线（A、B、C不同时为零）上一定点，则在该点处的切线方程为： 。（该方程与已知曲线方程本身相比，得到的规律就是通常所说的“替换法则”，可直接用此法则写出切线方程）。 该方程的推导，原则上用“△法”求出在点P处的切线斜率，进而用点 斜式写出切线方程，则在点P处的法线方程为 。 1、抛物线的切线、法线性质 经过抛物线上一点作一条直线平行于抛物线的轴，那么经过这一点的法线平分这条直线和这一点的焦半径的夹角。如图1中。 事实上，设为抛物线上一点，则切线MT的方程可由替换法则，得 ，即，斜率为，于是得在点M处的法线方程为 令，得法线与x轴的交点N的坐标为，
所以 又焦半径 所以，从而得即 当点M与顶点O重合时，法线为x轴，结论仍成立。 所以过M的法线平分这条直线和这一点的焦半径的夹角。 也可以利用点M处的切线方程求出，则，又故 ，从而得 也可以利用到角公式来证明 抛物线的这个性质的光学意义是：“从焦点发出的光线，经过抛物线上的一点反射后，反射光线平行于抛物线的轴”。 2、椭圆的切线、法线性质 经过椭圆上一点的法线，平分这一点的两条焦点半径的夹角。如图2中 证明也不难，分别求出，然后用到角公式即可获证。 椭圆的这个性质的光学意义是：“从椭圆的一个焦点发出的光线，经过椭圆反射后，反射光线交于椭圆的另一个焦点上”。 3、双曲线的切线、法线性质 经过双曲线上一点的切线，平分这一点的两条焦点半径的夹角，如图3中。仍可利用到角公式获证。
第六章 材料光学性能分析 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。 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： dI I dx α-=??'0x I I e α-=?2(1)exp() T R d α=--?
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I0，再通过一定厚度的试样后的光强设为I′，即可通过I′/ I0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 由光源发出的连续辐射光线，经过聚光透镜汇聚到反射镜，转角90°反射至狭缝内。由此入射到单色器内准直镜的焦面上，被反射后，以一束平行光射向色散棱镜（棱镜背面镀铝），光在棱镜中色散，入射角在最小偏角时，入射光在铝面上反射后按原路返回至准直镜，再反射回狭缝，经聚光透镜再次聚光后进入比色皿中，透过试样到光电管。光电管所产生的电流大小表示试样的透过率，直接从微安表读出，从而可得T—λ曲线，即透射光谱。
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=--?
晶体光学性质的观测分析 学号：10329056 姓名：林兰凤 班别：10光信息二班 合作人：陈蕾清 实验日期：2012/11/08, 2012/11/15 一、实验目的 1． 熟悉单轴晶体光学性质，晶体的消光现象，干涉色级序； 2． 了解偏光显微镜原理及掌握其使用方法； 3． 观测晶体的类别，轴向和光性正负等过程，估计晶片光程差。 二、实验仪器 XP-201型透射显微镜：光源，起偏镜，聚光镜，旋转载物台，物镜，补偿器插口，检偏镜，勃氏镜，目镜。 三、实验原理 （一）晶体双折射、光率体。 折射率与光的传播方向及光矢振动方向有关的晶体称为各向异性晶体。光通过各向异性晶体时会出现双折射现象，并表现出偏振性质。在各向异性晶体中总是存在一个或两个方向不会不会发生双折射现象，称为晶体的光轴。据此又可将晶体分为单轴晶跟双轴晶。其中，折射率不随入射方向而改的成为o 光或寻常光，折射率随入射方向而改的成为e 光或非寻常光。o 、e 光都是偏振光。 可以用几何图形直观地表示晶体中光波各矢量间的方向关系，及各传播方向相对应的光速或折射率在空间的取值分布，这类图形称为晶体光学示性曲面。光率体就是最常见的晶体光学示性曲面，它是以主折射率为主值的椭球。单晶体中e o n n 的称为正光性单轴晶，反之称为负光性单轴晶。
图1 单轴晶光率体的三种中心截面 图1给出了单轴晶光率体的三种中心截面。圆截面：垂直光轴的圆，半径为o n ；主截面：包含光轴的椭圆截面，它的一个半径为o n ，与光轴垂直，另一个半径为e n ，与光轴平行。O 光振动方向必垂直于主截面，e 光的振动方向则平行主截面；任意截面：是一个椭圆，截面法向N 与光轴成 角。 （二）正交偏光干涉： 在偏光显微镜中，当上下偏光镜的振动面互相垂直时，称为正交偏光镜。如在正交偏光镜间不放入任何介质或放入各相同性晶体时，光线无法通过正交偏光镜，所以视域是黑暗的；当放入各相异性晶体时，由于晶体双折射效应和晶片厚度、晶轴取向的不同而产生不同的干涉现象。 图2 正交偏光镜间的干涉现象 由光学知识：如图2所示：当在正交偏光镜之间加入一各相异性晶体时，一束波长为λ的光波经正交偏光镜和晶片后，会变成大小相等而振动方向相反，频率相同，位相差恒定的 两束光（o 光和e 光），它们满足干涉条件，由平面波叠加原理，其合成光波振幅为：
晶体光学性质的观测分析 实验人：吴家燕学号：15346036 日期：2017.10.26 一．实验目的 1.熟悉单轴晶体光学性质，晶体的消光现象，干涉色级序； 2.了解偏光显微镜原理并掌握其使用方法； 3.观察晶体的类别，轴向和光性正负等过程，估计晶片的光程差 二．实验仪器 透射偏光显微种类很多，但基本原理都大同小异。下图为本实验所用的XP-201型透射偏光显 微镜的构造图，主要结构包括： 1.光源：卤素灯12V/20W,亮度可调节。 2．起偏镜：用于产生偏振光，可转动调节方向。 3．聚光镜：位于物台下面，有一组透镜组成，可以把来自下偏光镜的平行光聚敛成锥形偏光，聚光镜连有手柄，可根据需要旋入或旋出光路。 4．旋转载物台：用于放置观察样品，可360度旋转。
5．物镜：由四个放大倍数分别我为4x,10x,40x,60x 的物镜，物镜的前镜片与样品之间的距离称为工作距离物镜的工作距离随着放大倍数的增加而减小，所以用高倍物镜时要特别小心，应先将物镜调至最低，然后逐步升高对焦。 6.补偿器插口：用于插入补偿器。 7．检偏镜：摆动式，可移出光路，进行单偏光观察。 8．勃氏镜：位于目镜与上偏光镜之间，为一小凸透镜，与目镜联合组成一望远镜，勃氏镜可左右移动，分别移入、移出光路。 9．目镜：目镜中装有十字丝和刻度尺。 三．实验原理 （一）晶体的双折射和光率体 折射率与光的传播方向和光矢振动方向有关的晶体称为各向异性晶体。除立方晶系的晶体外，所有的晶体都是各向异性晶体。 当光通过各向异性晶体时，会产生双折射现象，并表现出偏振性质。当光沿各向异性晶体传播时，总存在一个或两个方向不发生双折射现象，此方向称为晶体的光轴，按晶体的光轴分，各向异性晶体又可分为单轴晶和双轴晶，单轴晶只有一个光轴；而双轴晶则有两个光轴。其中，折射率不随入射光方向而变的称为寻常光或o 光（折射率为n o ），折射率随入射光方向而变的称为非寻常光或e 光（折射率为n e ）。o 光和e 光都是偏振光，并且它们的振动方向互相垂直。o 光的振动方向垂直于包含光轴和o 光波法线所组成的平面，e 光的振动方向则平行于包含光轴和e 光波法线所组成的平面。 折射率椭球（或光率体）是描述晶体光学性质最常用的晶体光学示性曲面，它是以主折射率为主值的椭球。在主轴坐标系，折射率椭球可以表示为: 1232322222121=++n X n X n X （1） 1. 立方晶系（高级晶族） 1230n n n n === 120 232221=++n X X X （2） 2．单轴晶（中级晶族） 图1
第8章 玻璃的光学性质 玻璃的光学性质是指玻璃的折射、反射、吸收和透射等性质。玻璃常用作透光材料，因此对其光学性质的研究在理论上和实践上都具有重要意义。 玻璃是一种高度透明的物质，可以通过调整成分、着色、光照、热处理、光化学反应以及涂膜等物理和化学方法，获得一系列重要光学性能，以满足各种光学材料对特定的光性能和理化性能的要求。 玻璃的光学性能涉及范围很广。本章仅 在可见光范围内（包括近紫外和近红外）讨论玻璃的折射率、色散、反射、吸收和透射（玻璃的着色和脱色在第9章中介绍）。 为了便于讨论玻璃的光学性质，先简略介绍光的本质。外来能源激发物质中的分子或原子，使分子或原子中的外层电子，由低能态跃迁到高能态，当电子跳回到原来状态时，吸收的能量便以光的形式对外产生辐射，此过程就叫发光。光是一种电磁波，具有一定的波长和频率，且以极高的速度在空 间传播（光速约为3×108 m/s ）。可见光、紫外线、红外线以及其他电磁辐射的波长频率范围见图8-1。 从图8-1中可看出，可见光在整个电磁波中只是很窄的一个波段（390~770nm ）。在这一狭窄的波段内，存在着各种不同的色光，包括红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等光谱。常说的“白光”应该当作“全色光”来理解。棱镜把太阳光分解为七色颜色光的相应波段，每一波段人眼看来是单一的色，叫做单色光，但它不是单一的值，只不过人眼 区别颜色的能力有限，看不出单色复杂性而已。 8.1玻璃的折射率 当光照射到玻璃时，一般产生反射、透过和吸收。这三种基本性质与折射率有关。 玻璃的折射率可以理解为电磁波在玻璃中传播速度的降低（以真空中的光速为准）。如果用折射率来表示光速的降低，则： V C n / （8-1） 式中：n —玻璃的折射率 C —光在真空中的传播速度 V —光在玻璃中的传播速度 一般玻璃的折射率为1.5~1.75 频率/Hz 图8-1电磁波的频率和波长范围 波长/nm nm
材料光学性能复习思考题 一．名词解释与比较： 瑞利散射与喇曼散射，色散，折射与双折射，反射、漫反射与全反射，散射，偏振光与线偏振光,弹性散射与非弹性散射 镜面反射: 发生于高度平整界面，反射方向一致。 漫反射:发生于不平整界面，反射方向不一致。 二．思考题 如何理解乳浊？气孔、晶粒度如何影响材料对光波的散射？论述时需解释原因。书本117 乳浊，指吸收系数低，透明物质的强散射造成不透明。。。晶粒度越大，散射越大，气孔引起散射损失 制备白色颜料时如何选材？ 什么是双折射？晶体产生双折射的条件是什么？ 元素离子半径，原子或离子排列的紧密程度及外加应力如何影响材料的折射率？ 有色散的材料的折射率随入射光波长变化的一般规律是什么？ 当光线以很小的入射角达到介质界面时，反射系数（即反射能量与入射能量之比）遵循什么规律？书本108页 制备透明陶瓷的材料的折射率与双折射率有什么基本要求？为什么？ 无机非金属材料与金属材料在吸光性上有何区别，为什么? 廷德尔散射、米氏散射和瑞利散射：是弹性散射，散射光波与入射光波长相同。 喇曼散射和布里渊散射：非弹性散射：散射光波长与入射光不同 5色散：材料的折射率随入射光波长而变化的现象，通常情况下，随波长增加，折射率减小偏振光：光的电场矢量在不同方向的振动强度不同的光称为偏振光。 双折射：光通过非均质晶体时，通常会分解成两束传播方向不同的偏振光，这种现象称为双折射现象。原因是在该晶体内不同振动方向的光波的折射率不同。 双折射导致光线在多晶材料内部不断散射，透明性下降，高双折射率致制备透明陶瓷困难。两相的相对折射率越高，散射越强烈 散射原因：①多晶体,②分散得很细的两相体系，③两相的相对折射率越高，散射越强烈。折射率影响因素：①大离子得到高折射率的材料。②均质体只有单一折射率。非均质体有两个折射率，发生双折射现象，沿着晶体堆积密度大的方向折射率大。 ③拉应力方向n小，垂直于拉应力方向n大，压应力方向n大。 ④同质异构体中，高温型折射率低，低温型折射率高。 8. 1)金属材料的光透过性 射入金属中的光线被吸收，金属不透明。与被吸收的光同样波长的光波又可从表面反射出来，形成金属特有的光泽。所以，金属的颜色是反射光线的颜色 2)非金属材料的光透过性 ①介质吸收光波的规律透过的光的强度与入射强度的关系有：x为光透过的厚度 ②非金属材料的禁带宽度大于3.1eV时，超过了可见光光子的能量，不可能吸收可见光，表现为透明。 ③在红外区的吸收是因为离子的弹性振动与光子辐射发生谐振而被吸收。因为振动能相对较
半导体的光学性质 如果用适当波长的光照射半导体，那么电子在吸收了光子后将由价带跃迁到导带，而在价带上留下一个空穴，这种现象称为光吸收。半导体材料吸收光子能量转换成电能是光电器件的工作基础。光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律： ()01x x I I r e α-=- 式中，x I 表示距离表面x 远处的光强；0I 为入射光强；r 为材料表面的反射率；α为材料吸收系数，与材料、入射光波长等因素有关。 1 本征吸收 半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。 要发生本征光吸收必须满足能量守恒定律，也就是被吸收光子的能量要大于禁带宽度g E ，即g h E ν≥，从而有： 00 1.24g g g E h hc E m eV E νλμ≥?≤=? 其中h 是普朗克常量，ν是光的频率．c 是光速，ν0：材料的频率阈值，λ0：材料的波长阈值，下表列出了常见半导体材料的波长阀值。 几种重要半导体材料的波长阈值 电子被光激发到导带而在价带中留下一个空穴，这种状态是不稳定的，由此产生的电子、空穴称为非平衡载流子。隔了一定时间后，电子将会从导带跃迁回价带，同时发射出一个光子，光子的能量也由上式决定，这种现象称为光发射。光发射现象有许多的应用，如半导体发光管、半导体激光器都是利用光发射原理制成的，只不过其中非平衡载流子不是由光激发产生，而是由电注入产生的。发光管、激光器发射光的波长主要由所用材料的禁带宽度决定，如半导体红色发光管是由GaP 晶体制成，而光纤通讯用的长波长（1.5μm ）激光器则是由Ga x In 1-x As 或Ga x In 1-x As y P 1-y 合金制成的。