《材料物理性能》考前笔记 第四章 材料的光学性质

第四章材料光学性能当光通过固体材料时，会发生透射、折射、反射、吸收、散射等现象，不同的材料具有不同的光学性能同时，在电、声、磁、热、压力等外场作用下，材料的光学性能会发生变化，或者在光的作用下其结构和性能会发生变化，如发光材料、激光材料、光导材料、磁光材料、非线性光学材料等1人们对光学性能以及在材料中发生的光学现象的研究和应用，已经有很长的历史了。

人类很早就认识到用光可以传递信息，2000多年前我国就有了用光传递远距离信息烽火台的设施—2等传递信息的方法后来出现了用灯光闪烁、旗语3以发明电话而著称的发明家贝尔（A. G. Bell，1847∼1922）也在光通信方面作过贡献，1880年，他利用太阳光作光源，用硒晶体作为光接收器件，成功地进行了光电米。

话的实验，通话距离最远达到了2134用大气作为传输介质，损耗很大，而且无法避免自然气象条件的影响和各种外界的干扰，最多只能传几百米远。

人们不得不寻求可以在封闭状态下传送光信号的办法低损耗石英光纤的出现，实现了大容量、高速、长距离、低成本的光信息传输现在不少发达国家又把光缆铺设到住宅前，实现了光纤到办公室、光纤到家庭56城市的绚丽灯光7地球夜景的卫星照片激光光束89短波发光与激光材料在许多领域有着广泛而重要的应用价值，例如高密度的数据存储、海底通信、大屏幕显示（需要蓝绿光构造全色显示）、检测及激光医疗等蓝色LED 和LD 的出现大大促进了高密度光学存储以及高分辨显示器、图象扫描仪、彩色打印机、生物医学诊断仪、遥感探测仪等的发展。

下图所示为蓝色发光二极管在紧凑、便携式发光显示器件中的应用10安装在美国时代广场的GaN 蓝光LED显示屏玻璃制品可以显示出各种各样的颜色1113第一节基本概论第二节折射和色散第三节反射和散射第四节吸收与颜色第五节其它光学现象、光学材料及其应用本章主要内容讨论与电磁辐射及其与固态材料相互作用相关的一些基本概念与原理 从光折射、反射、吸收、透射、辐射等性质来探讨金属和非金属材料的光学性能，并从导体、半导体和绝缘体的电子能带结构出发，揭示它们在光的作用下表现出不同光学特性的本质对固体的发光、激光、非线性光学、光电转换等各种光学材料及其应用作一简要介绍第一节基本概念一、电磁辐射光的本质是什么？历史上有过很多争论。

第四章材料的光学性能_材料物理第四章主要介绍材料的光学性能，包括传统光学性能和现代光学性能。

在本章中，我们将探讨材料的折射率、透过率、吸收率、反射率、透射率和散射率等光学性能，并深入了解这些性能对材料的应用和性能起到的影响。

首先，折射率是一个物质对光的折射能力的度量。

它表示光在通过一种介质时，光线的传播速度相对于真空中的传播速度的比值。

折射率越大，光线在介质中的传播速度越慢，同时也会使光线的传播方向发生变化。

折射率在光学器件的设计和制造中起着至关重要的作用，例如在光纤通信和光学透镜等领域。

透过率是指光线从一个介质传播到另一个介质时的透明程度。

透过率越高，介质光学效果越好。

材料的透过率取决于折射率和吸收率等因素。

在光学器件中，透过率是一个重要的性能指标，它决定了器件的光学传输效率和亮度。

吸收率是材料吸收光的能力。

当光线穿过材料时，一部分能量被材料所吸收，而另一部分则被材料所反射或透射。

吸收率对于材料的应用非常重要，特别是在光电子器件和光热器件中。

高吸收率的材料可以有效地将光能转化为电能或热能，以实现各种功能。

反射率是指光线从介质中的表面反射回来的能力。

反射率取决于入射角度和材料的折射率。

反射率高的材料适用于光学镜面和反射镜等应用，可以将光线有效地反射出去，而不是被吸收或透射。

透射率是指光线通过材料时传输的能力。

透射率在光学器件和材料中起着重要作用，尤其是在光纤传输和光学滤波器等应用中。

高透射率的材料可以有效地传输光线，减少能量损失。

散射率是指光线在碰撞或与材料表面相互作用时发生方向改变的能力。

散射率对于材料的外观和质量也有很大影响，尤其是在透明材料和杂质掺杂材料中。

控制散射率可以改善材料的光学性能，使其更适用于各种应用。

总之，材料的光学性能对于很多应用至关重要。

通过理解和控制材料的折射率、透过率、吸收率、反射率、透射率和散射率等光学性能，我们可以设计和制造出更好的光学器件和材料，满足不同领域的需求。

材料光学性能unit4-浙江大学材料物理性能笔记4.1.基本概论1）光介质材料能使光产生折射、反射或透射效应，以改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定要求在材料中传播，简之，光介质材料就是传输光线的材料光功能材料：在电、声、磁、热、压力等外场作用下，材料的光学性能会发生变化，或者在光的作用下其结构和性能会发生变化，如发光材料、激光材料、光导材料、磁光材料、非线性光学材料等光波是一种波长很短的电磁波，由电场分量和磁场分量组成，两个分量彼此互相垂直并都垂直于波的传播方向波动学说：c=1/00με 0ε=8.85x1012-F/m 0μ=4πx107-H/m微粒学说：E=hv2）光和固体的相互作用0 =?T +? A +? R 光辐射能流率（单位为W/m2）：表示单位时间内通过单位面积的能量τ+ α+ρ = 1 τ为透射率（?T/ ?0）；α为吸收率（?A/ ?0）；ρ为反射率（?R/ ?0）3）光和原子、电子的相互作用固体材料中出现的光学现象是电磁辐射与固体材料中原子、离子或电子之间相互作用的结果。

其中最重要的两种作用是电子极化和电子跃迁电子极化：随着电场分量方向的改变，诱导电子云和原子核的电荷中心发生相对位移电子跃迁：电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态跃迁到另一种能态的过程4）金属对可见光是不透明的：肉眼看到的金属颜色不是由吸收光的波长决定的，而是由反射光的波长决定的。

非金属材料对于可见光可能是透明的，也可能不透明。

折射：n= c/υ v=1/με n=1/00με大多数材料是非磁性的或磁性很弱r μ=1 n= r ε 透明介质的折射率是和材料的相对介电常数有关。

光和介质的相互作用主要就是介质中的电子在光波电场作用下作强迫振动。

绝缘体：σ->0 n->ε2/1r α->0 材料是透明的。

半导体：α=(1/ε2/1r )[σ/2w 0ε] 存在吸收，不透明。

金属材料：α= [σ/2w 0ε]，对光有强烈的吸收，不透明，反射比接近1，，光主要被表面反射，产生金属光泽。

第四章 无机材料的光学性能光的基本性质：1、波粒二象性 2、光的电磁性 3、光波是横波 4、光的偏振性从宏观上讲，当光从一种介质进入另一种介质时，会发生光的透过、吸收和反射。

从微观上看，光与固体的相互作用，实际上是光子与固体材料中的原子、离子、电子之间的相互作用。

光与固体相互作用的本质有两种方式：1电子极化a 电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量；b 在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用引起电子极化，即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移；c 所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时光速减小，后者导致折射。

2电子能态转变电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能态的过程4.1光透过介质的现象一、折 射当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。

折射本质上是由于光的速度的变化而引起的光弯曲的结果。

材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。

光密介质：在折射率大的介质中，光的传播速度慢；光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快麦克斯韦电磁理论：其中：ε为介电常数；μ为导磁率 无机材料： μ ＝1， ε ≠ 1 影响折射率的因素1、离子半径：介电常数随着离子半径的增大而增大，因而折射率n 随着离子半径的增大而增大。

◆ 用大离子得到高折射率的材料；◆ 用小离子得到低折射率的材料。

2、材料的组成和结构：3、非晶态各向同性；玻璃的折射率和离子半径呈线性关系。

4、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。

5、同质异构体高温时晶型的折射率较低，低温时晶型的折射率较高，即结构敞广的高温态比结构紧密的低温态折射率小。

二、色 散光在介质中的传播速度或折射率随波长改变的现象称为色散现象。

注意： 色散是光学玻璃的重要参数；色散造成单片透镜成像不清晰——色差；若选择不同的光学玻璃，组成复合镜头，可以消除色差，称为消色差镜头；光学材料要求色散系数高γ，折射率 n 高。