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第四章材料的光学性能材料物理-PPT精品文档

第四章材料的光学性能材料物理-PPT精品文档

光参量
光具有波粒二象性，既有波动性，又有粒子性。
照片底片感光、眼睛的视觉作用等都是由光波电场引起，所以用图形表示 光波时，通常略去磁场不画，只画电场。
Einsten光电效应方程：
h E h c
频率（）：每秒钟电场完成振动周期的次数（Hz）。
波长（ ）：两相邻波峰或波谷间的距离，亦即在周期性波动的传播方向上具有相同
第四章 材料的光学性能
※§4.1 光通过介质的现象 ※§4.2 无机材料的透光性
§4.3 界面反射与光泽
§4.4 不透明性和半透明性 §4.5 其它光学性能的应用 基础 光 学 性 能 的 应 用
引言
取之不尽的能源
信息载体
生命之源
光学材料分类
透光材料 光纤材料（导光材料）
发光材料
激光材料 光电材料 光信息材料 非线性光学材料 光调制材料（电光、磁光、声光材料） ……
nD，nF，nC分别为以钠的D谱线、氢的F谱线和C谱线（5893Å， 4861Å， 6563Å）为光源，测得的折射率
描述光学玻璃的色散还用平均色散（nF-nC）
3. 讨论
由于光学玻璃一般都或多或少具有色散现象，因而 使用这种材料制成的单片透镜，成像不够清晰，
在自然光的透过下，在像的 周围环绕一圈色带，克服的 办法是用不同牌号的光学玻 璃，分别磨成凸、凹透镜组 成复合镜头，可消除色差， 这种镜头就是消色差镜头。

Fresnel推导：
A' W W A
'
2
' 2 2 W 1 sin ( i r ) tg ( i r ) 2 2 W 2 sin ( i r ) tg ( i r )

材料的光学性能课件.

材料的光学性能课件.

3) 电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级而吸收光子。
2、影响介质吸收光的因素
第四章 材料的光学性能
第二节 光与固体介质的相互作用
（1）介质的电子能带结构：
非金属材料吸收光子后电子能态的变化
第四章 材料的光学性能
第二节 光与固体介质的相互作用
介电材料吸收光子后电子能态的变化
第四章 材料的光学性能
当入射光线垂直或接近垂直于介质界面时，其反射率为： R 两种介质的折射率差别越大，反射率也越大 介质的反射率与波长有关，因此同一材料对不同波长有不 同的反射率
第四章 材料的光学性能
第二节 光与固体介质的相互作用
光的全反射和光导纤维：
光在光导纤维中的传播 光的全反射
第四章 材料的光学性能
第二节 光与固体介质的相互作用
4.2.3材料的透射及影响因素一、金属的光透过性质第四章 材料的光学性能
第二节 光与固体介质的相互作用
二、非金属材料的光透过性质
1、介质吸收光的一般规律 非金属材料对可见光的吸收有三种机理：
1) 电子极化，但只有光的频率与电子极化时间的倒数处于 同一数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；
2) 电子受激吸收光子而越过禁带；
双折射现象
第四章 材料的光学性能
第二节 光与固体介质的相互作用
3) 材料存在的内应力 4) 同质异构体 5) 入射波的波长
外部因素
介质中光速（折射率）随波长改变的现象称为色散。 介质的折射率随着波长的增加而减小．其数值大小为：
第四章 材料的光学性能
第二节 光与固体介质的相互作用
4.2.2 材料的反射率及影响因素
第四章 材料的光学性能
第二节 光与固体介质的相互作用

《材料的光性能》PPT课件

《材料的光性能》PPT课件

• 全反射临界角 2 90
1 csi 1 n (n2/n 1) (n21 1，故 c90 )
石英->空气 水->空气
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22
3、折射率 1)折射原因
n r
介质被光（电磁波）的电场分量极化，导致损耗，减慢 了电磁波（光）的传播速度v=c/n，导致传播方向改变， 从而发生折射(n>1)。
∆E=hν< Eg 价电子不发生跃迁， 不能吸收光子而自由运动。
图2 电子受激越过禁带在价带留下一个空穴
精选PPT
13
2） 紫外吸收峰 -紫外吸收光谱
紫外区出现紫外吸收端，因为频率增大、波长变短，光子能量变大， ∆E=hν> Eg 电子吸收光子而跃迁到导带，产生紫外吸收峰。
EE0exipt()
固有频率 0 k/m
760 630 600 570 500 450 430 400(nm)
红橙黄 绿
青 蓝紫
精选PPT
2
电磁波谱
精选PPT
3
5.1 光和固体的相互作用
5.1.1 概论
1. 宏观现象
0TARS W / m 2
1T R S
透射系数： TT /0 吸收系数： A/0
反射系数： RR/0
镜面反射 慢反射
散射系数： S /0
第5章 材料的光学
5.1 光和固体相互作用
5.1.1 概论 5.1.2 光的吸收 5.1.3 光的散射 5.1.4 光的反射和折射 5.1.5 光的透射
5.2 材料的发光 5.4 光的传输-光纤
• 反射 /镜子 • 反射-散射 /颜色 • 散射 /天空 • 绕过/ 隐形衣 • 全反射 /光纤 • 发光 /LED,激光 • 电光 / LCD • 红外线/夜视仪

材料性能学课件第十一章 材料的光学性能

材料性能学课件第十一章 材料的光学性能
简要介绍材料的折射、色散、反射、吸收、散 射等线性光学性能的基本概念，线性光学性能在材 料中的应用及其影响因素，以及非线性光学性能产 生的条件、结构与性能之间的关系，以期研发新型 的非线性光学材料。
可见光的基本性质
可见光的基本性质
光速与真空中的电导率ε0 和导磁率μ0的关系：
粒子的光子（Photon） 的能量为 ：
6、吸收系数 选择性吸收：指材料对某一波段有强烈的吸收 作用，而对其他波段则吸收较弱或不吸收的现 象。严格说来，一切介质都是选择性吸收介质。
均匀吸收：在可见光范围内，对各种波长的吸 收程度相同的现象。在均匀吸收的情况下，随 着吸收程度的增加，颜色从灰变到黑。
一、线性光学性能的基本参量
7、散射 光波遇到不均匀结构产生与主波方向不
2、色散及色散系数 材料的折射率随入射光波长的增加而减小的
性质，称为折射率的色散。其数值大小为： 色散＝dn/dλ
数值可以由色散曲线（如下图）来确定。
一、线性光学性能的基本参量
2、色散及色散系数 自然光透过单片透镜，色散使像的周围环绕
了一圈色带，成像不清晰，称为色差。克服的 方法是用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透 镜和凹透镜复合镜头，以消除色差，这被称之 为消色差镜头。
二、线性光学性能的应用及其影响因素
2、界面反射与光泽 利用光的反射可以在光学材料中达到各
种应用目的，例如雕花玻璃器皿，含铅量高， 折射率高，因而反射率约为普遍钠钙硅酸盐 玻璃的两倍，达到很好的装饰效果。宝石的 高折射率使之具有高反射性能。通讯用光导 纤维，有赖于光束总的内反射。
二、线性光学性能的应用及其影响因素
一、线性光学性能的基本参量
6、吸收系数 光线穿过介质时，引起介质的价电

材料的光学性能

材料的光学性能

第一：引起材料中的电子极化 —— 光波的电场分量与传播 路径上的原子作用，造成电子云的负电荷中心与原子核的 正电荷中心发生相对位移 —— 光的部分能量被吸收，光速 降低——折射。 第二：引起材料中电子能态 的改变。
光子能量恰好为孤立原子两 能级差，将电子激发到高能 级。光子消失——吸收
10
这种吸收的条件为 E=hij 其中i、j为原子中电子的两个能级，E=Ei-Ej为这两个能级 的能级差，ij为能量恰好为这一能级差的光子的频率，h为 普朗克常数。 ——只有能量为电子能级差的光子才能被吸收 ——可被孤立原子吸收的光子是不多的。 固体中——能带准连续，不同能量（频率）的光子都有可 能被吸收。 吸收了光子的电子处于高能量的受激态——不稳定——又 会按不同途径衰变返回基态，同时发射不同波长（能量） 的电磁波 受激电子又直接衰变回原能级——发射与入射光同样波长 的光波——反射
颜色随波 长改变。 白光是各 色光的混 合
3
可见光：波 长处于人眼 能够感知范 围的那部分 电磁波，波 长范围很窄
光波也由电场分量与磁场分量组成，这两种分量彼此垂直 且都垂直于光的传播方向。
电磁波在真空中的传播速度c=3×108m/s，且有
4
1 c 0 0
其中0和0分别为真空中的介电常数 和磁导率。
11
受限于人们的视野，受制于我们所接触的世界尺度！
光波的传播方向
光波等相面
在某个时刻其上各 点相位取等值的曲 面称为等相面。
12
在日常生活和实验的基础上，人们简单明了地总结：
几 何 光 学
①光在均匀介质中的直线传播定律; ②光通过两种介质的分界面时的反射定律和折射定律; ③光的独立传播定律和光路可逆性原理。
13

材料的光学性质PPT课件

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E gE d (3.5 4 1.3)8 1(.6 1 1 0)9
此为可见光，呈黄色。
热辐射
• 当材料开始加热时，电子被热激发到较高 能态。当它们跳回正常能级时就会发射出 低能长波光子（红外线），波长位于可见 光之外。温度增加发射有短波光子，材料 开始显示红、橙、黄的混合颜色。在高温 下材料辐射所有可见光的光子，所以成为 白光辐射，即看到材料呈白亮色。
hc Eg
算得能通过的最短波长。因而得知Si和Ge对较短 的波长（如可见光）是不透过的，产生吸收。而 对于波长较长的红外线则是透过的。
掺杂半导体的光吸收
• 如果是掺杂半导体，只要光子的能量大于施主和 受主能级，（Ed和Ea），就会产生吸收。
• 根据能隙标准判断时，绝缘体和多数半导 体，其对于长波长的光子是能透过的，因 而是透明的。然而一些杂质会产生施主和 受主能级，另一些缺陷象气孔和晶界可使 光子被散射，使材料变得不透明。结晶的 聚合物就比无定形聚合物更容易吸收光子。
长成反比，与频率成正比。当电子吸收光子时每次总是吸 收一个光子，而不能只吸收光子的一部分。
光的速度
• 电磁波在真空中的传播速度为c=3×108m/s
c 1 00
式中ε0、μ0分别为真空中的介电常数和磁导率 • 当光在介质中传播时，其速度v由下式决定
v c
rr
式中εr、μr分别为介质的介电常数和磁导率 • c与v的比值称为介质的折射率n
• 公路交通中应用的夜间路标都用长余辉的 磷光体。
• 例题 ZnS的能隙为，要激发ZnS的电子需要光子的波长使多少？如在ZnS中加 入杂质，使之在导带下的处产生一能量陷阱，试问发光时的波长是多少？
解：（1）激发电子进入导带的最大波长为
这个波长相 当E h 于g紫 c( 外6 ( .线6 3 .5 。 2 1 )1 4 .( 6 3 0 )4 1 3 ( 1 1 0 )9 8)0 m 3 .5 0 1 6 7 0 m 35 A 06

第三章光学性能PPT课件


人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。
第二节 光的反射和折射
①光在均匀介质中的直线传播定律；
②光通过两种介质的分界面时的反射定律 和折射定律；
③光的独立传播定律和光路可逆性原理。 •反射定律指出，反射线的方向遵从：
①反射线和入射线位于同一平面（即入射 面）内，并分别处在法线的两侧；
②反射角等于入射角。
如果第一介质为真空，则上式可写为
sini/sinr=n2
式中n2为第一介质相对于真空的相对折 射率，或第二介质的绝对折射率，简称
折射率。
折射率n的定义：
光在真空和材料中的速度之比即为材料 的折射率。
n=v真空/v材料=c/ v材
介质料的折射率永远是大于1的正数。
如空气 n=1.003， 固体氧化物 n=1.3～2.7， 硅酸盐玻璃 n=1.5~1.9。
第一节 光传播的基本理论
一、光的波粒二象性 二、光的波动性 三、光的干涉和衍射 四、光子的能量和动量 五、光通过固体的现象
一、光的波粒二象性
因斯坦理论中的光量子(光子)不同于牛顿微粒学说中的粒 子。他将光子的能量、动量等表征粒子性质的物理量与频 率、波长等表征波动性质的物理量联系起来，并建立了定 量关系。因此光子是同时具有微粒和波动两种属性的特殊 物质，是光的双重本性的统一。
方解石no=1.658，ne=1.486 刚玉no=1.760.，ne=1.768
❖材料所受的内应力
有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力 方向的n大，平行于主应力方向的n小。
❖同质异构体
在同质异构体材料中，高温时的晶型折射 率较低，低温时存在的晶型折射率高。如：
常温下的石英玻璃 n=1.46，最小 常温下的石英晶体 n=1.55，最大 高温时磷石英 n=1.47 高温时方石英 n=1.49

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基本公式：
v
光波在不同介质中的传播速度不同，而光振动的频率不变，因此 相同频率的光波在不同介质中可有不同的波长。如果不特别说明， 通常使用的是真空中的波长值。

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电磁波在介质中的速度：
构成材料元素的离子半径
材料的结构、晶型和非晶态
材料所受的内应力
同质异构体

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构成材料元素的离子半径
介质的折射率随介质的介电常数ε的增大而增大。 ε与 介质的极化现象有关。当光的电磁辐射作用到介质上时， 介质的原子受到外加电场的作用而极化，正电荷沿着电场 方向移动，负电荷沿着反电场方向移动，这样正负电荷的 中心发生相对位移。外电场越强，原子正负电荷中心居里 愈大。由于电磁辐射和原子的电子体系的相互作用，光波 被减速了。
同质异构体
在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时 存在的晶型折射率较高。

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2. 折射率与传播速度的关系
材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。 两种介质相比，折射率较大者，光的传播速度较慢，称为 光密介质；折射率较小者，光的传播速度较快，称为光疏 介质。
当光沿晶体光轴入射时，只有n0存在；与光轴方向垂 直入射时，ne达最大值，此值视为材料特性。

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材料所受的内应力
有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大， 平行于受拉主应力方向的n小。

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3. 反射率和透射率
反射光的功率对入射光的功率之比称为反射率（有时 也称反射比）。经过折射进入第二介质的光为透射光，透 射光与入射光之比称为透射率。

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相位的两相邻点之间的距离，即波的空间周期。
振幅：光波中振动着的电场的最大值。光强的大小与振幅的平方成正比，因此振幅
的大小决定着光的强弱。
相位：在一个转动周期或一个波长范围内，各点位置的度量，它是综合频率、时间、
波长、距离在内的一个角度量。是描述振动和波动状态的一个综合性波参量。
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5
线性光学性能
光强度随穿过介质厚度的变化符合指数衰减规律。
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26
4K/
：物质对光的吸收系数，单位为cm-1。K为吸收率。
取决于材料的性质和光的波长。越大，材料越厚，光就被吸收
的越多，透过后的光强度就越小。
不同材料， 差别很大。
空气： 10-5cm-1 玻璃： 10-2cm-1 金属： 为几万～几十万，所以金属实际上时不透明的。
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10
2. 影响因素
（1）构成材料元素的离子半径
根据Maxwell电磁理论，光在介质中的传播速度为：
v c
n
c：真空中的光速； ：介质的介电常数； ：介质的导磁率。
对于无机材料： 1,1
n
介质的折射率随其介电常数的增大而增大。
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11
介电常数
折射率与介质的极化现象有关。
外加电场作用下，介质中的正电荷沿着电场方向移动， 负电荷沿着反电场方向移动，这样正负电荷的中心发 生相对位移，这种现象就是介质的极化。外加电场越 强，正负电荷中心的距离越大。
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31
2. 影响因素
散射系数与散射质点的大小、数量以及其与基体的相对 折射率等因素有关。
（1）质点大小 当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。
散射质点的体积分数不变：
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光从材料1通过界面传入材料2时，与界面
法向所形成的入射角1 、折射角2与两种
材料的折射率n1和n2之间的关系为：
折射定律： n1sin1= n2sin2
材料2相对于材料1的相对折射率为：
折射率n2 2
1 折射率n1
n21

n2 n1

sin 1 sin 2

v1 v2
分别表示光在材料1和 材料2种的传播速度。
2

s
in
2
(i

r
)

tg2 (i r)
tg
2
(i

r
)

而变化,不服从折射定律。
非常光(e光) 寻常光(o光)
不发生双折射的特殊方 向称为“光轴”，光沿 光轴方向入射时，只有
n0 存 在 ； 与 光 轴 方 向 垂 直 入 射 时 ， ne 达 到 最 大
值。
（3）材料的内应力
垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方 向的n小。对于压应力，具有相反的效果。
（4）同质异构体
在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存 在的晶型折射率较高；
相同化学组成的玻璃比晶体的折射率低。
如：室温下， 石英玻璃：n=1.46 石英晶体：n=1.55
二、色散
1. 概念
材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）
而减小的性质，称为折射率的色散。
2. 色散系数
……
光参量
光具有波粒二象性，既有波动性，又有粒子性。
照片底片感光、眼睛的视觉作用等都是由光波电场引起，所以用图形表示 光波时，通常略去磁场不画，只画电场。
Einsten光电效应方程：
E h h c
频率（）：每秒钟电场完成振动周期的次数（Hz）。 波长（ ）：两相邻波峰或波谷间的距离，亦即在周期性波动的传播方向上具有相同
相位的两相邻点之间的距离，即波的空间周期。
振幅：光波中振动着的电场的最大值。光强的大小与振幅的平方成正比，因此振幅
的大小决定着光的强弱。
相位：在一个转动周期或一个波长范围内，各点位置的度量，它是综合频率、时间、
波长、距离在内的一个角度量。是描述振动和波动状态的一个综合性波参量。
线性光学性能
描述普通光学现象的重要公式表现出数学上的线性特 点，即介质的电极化强度P与入射光波的电场E成简 单的线性关系。
2. 折射率 介质对光的折射性质用材料的“折射率”n表示。
（1）绝对折射率
光从真空进入介质材料时，速度降低。光在真空和材料
中的速度之比即为材料的绝对折射率。
n c
材料
介质的折射率永远为大于1的正数。
空气：n=1.003 固体氧化物： n= 1.3~2.7 硅酸盐玻璃： n= 1.5~1.9
（2）相对折射率
（2）材料的结构、晶型和非晶态（离子的排列）
晶体中沿密堆积方向上具有最高的折射率。
光学均质介质：非晶态（无定型体）、等轴系晶体（各向同性） 光通过时，光速不会因传播方向的改变而变化，材料只有一个 折射率
光学非均质介质：等轴系晶体外的其它晶体材料 光通过时，一般都要分为振动方向相互垂直、传播速度不等的两
个波，构成两条折射线，这种现象称为双折射。
是非均质晶体的特性，是材料各向异性的表现。
双折射：当一束单色自然光在各向异性晶体的界面折射
时，一般产生两束折射光（均为线偏振光）。
寻常光：平行于入射面的光线的折射率n0不随入射角的变化而
变化，始终为一常数，服从折射定律。
非常光：与寻常光垂直的光线的折射率ne随入射线方向的改变
2. 影响因素
（1）构成材料元素的离子半径
根据Maxwell电磁理论，光在介质中的传播速度为：
v c

n
c：真空中的光速； ：介质的介电常数； ：介质的导磁率。
对于无机材料： 1, 1
n
介质的折射率随其介电常数的增大而增大。
介电常数
折射率与介质的极化现象有关。
第十一章 基础
※ §11.2 无机材料的透光性
§11.3 界面反射与光泽
光 学 性
§11.4 不透明性和半透明性
能
§11.5 其它光学性能的应用
的
应
用
引言
取之不尽的能源 信息载体 生命之源
光学材料分类
透光材料 光纤材料（导光材料） 发光材料 激光材料 光电材料 光信息材料 非线性光学材料 光调制材料（电光、磁光、声光材料）
3. 讨论
由于光学玻璃一般都或多或少具有色散现象，因而 使用这种材料制成的单片透镜，成像不够清晰，
在自然光的透过下，在像的 周围环绕一圈色带，克服的 办法是用不同牌号的光学玻 璃，分别磨成凸、凹透镜组 成复合镜头，可消除色差， 这种镜头就是消色差镜头。
三、反射 1. 反射系数
W=W´+ W´´
W，W´，W´´分别为单位 间内通过单位面积的入射 光、反射光和折射光的能 量流。
实用的测量色散的方法是采用固定波长下的折射率 来测量，描述材料色散的光学参量最常用的数值是
倒数相对色散，即色散系数。
nD 1
nF nC
nD，nF，nC分别为以钠的D谱线、氢的F谱线和C谱线（5893Å， 4861Å， 6563Å）为光源，测得的折射率
描述光学玻璃的色散还用平均色散（nF-nC）
反射系数m： m W '
W
透射系数1-m：
W'' 1 m 1W'
W
W
根据波动理论：
W A2vS
S、v分别为光束的横截面积和传播速度 A为振幅
反射波的传播速度与横截面积与入射波相同

W' W

A' A
2
Fresnel推导：
W' W

1 sin2 (i r)
P 0 xE
x为介质的极化率，0位真空介电常数。
§11.1 光通过介质的现象
一、折射 二、色散 三、反射 四、介质对光的吸收 五、介质对光的散射
一、折射
1. 概念
当光线依次通过不同的介质时，光的行进方向会发生改
变，称为“折射”。
折射现象的实质：介质的密度不同，光通过时，传播速 度也不同。
外加电场作用下，介质中的正电荷沿着电场方向移动， 负电荷沿着反电场方向移动，这样正负电荷的中心发 生相对位移，这种现象就是介质的极化。外加电场越 强，正负电荷中心的距离越大。
介质的离子半径增大时，其增大，因而n也随之增大。
大离子得到高折射率材料：PbS n=3.912 小离子得到低折射率材料： SiCl4 n=1.412