20140526材料的光学性能
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第七章 材料的光学性能
第七章 材料的光学性能在以前的章节中我们分别介绍了粒子波和弹性波的传播特性、与物质的相互作用规律以及它们在材料科学研究中的应用。
本章我们从材料的光学性能入手，着重介绍微波、红外、X-射线和γ-射线等不同频率电磁波与材料的相互作用规律以及它们在材料研究中的应用。
§7-1光的基本性质和物理量光是人们熟悉的自然现象，也是物理学中发展较早的分支。
历史上，对光物理本质的认识和争论延续了上百年。
早期，以牛顿为代表的粒子说占主导地位，后来以惠更斯为代表的波动说逐渐取代了粒子说，随着麦克斯韦、赫兹等电磁波理论和实验的完善，光的波动说达到顶峰。
进入二十世纪，普朗克的量子假说、爱因斯坦的光电效应和康普顿散射等又促使人们重新认识光的粒子学说。
直到德布罗意创立物质波学说和波恩提出了波粒二象性，光具有波、粒两重性质的思想才得到了学术界广泛承认。
既然光具有波粒二象性，我们就应分别用电磁场理论和光量子理论来描述光学现象。
对于光在介质中的传播问题，通常采用电磁波理论来解释和描述；对于光与物质的相互作用问题，应用光量子理论则更加方便。
7-1-1光的波动性一、电磁波与光1、麦克斯韦方程组及物质方程实际上，在麦克斯韦方程组建立之前，人们对静态电磁场已有相当程度的认识。
如静电场中的库仑定律、电场强度、电感通量及高斯定理；静磁场中的毕奥-萨法尔-拉普拉斯定律、安培环路定律、磁通量及磁场中的高斯定理等已为人们所熟悉。
根据电流密度 = ρJ v 和电流强度 =⋅⎰⎰ SI J dS 的定义，获得电荷守恒和连续性方程0∂∇⋅+=∂ ρJ t 。
并已了解静电场是有源（∇⋅= ρD ）无旋（0∇⨯= E ）场，而静磁场是无源（0∇⋅= B ）有旋（∇⨯= H J ）场。
当时人们认为，在导电介质中，静电场和静磁场可以同时存在从而构成静态电磁场；静电场形成的恒稳电流能激励产生静磁场，而静磁场仅是一种结果，并不影响原来的电场；静态情况下，电场量 E 、 D 与磁场量 B 、 H 是相互无关的物理量。
《无机材料物理性能》课后习题答案
《材料物理性能》第一章材料的力学性能1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。
则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。
0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=A A l l ε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =⨯==-σ真应力)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =⨯+⨯=+=上限弹性模量)(1.323)8405.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量1-11一圆柱形Al 2O 3晶体受轴向拉力F ，若其临界抗剪强度τf 为135 MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值，并求滑移面的法向应力。
解：1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。
解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程：V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程：以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。
A5056成分
A5056的化学成分及用途：A5056特性及适用范围：5056铝板是高镁合金,在不可热处理合金中强度良好，耐蚀性、可切削性良好。
5056铝板阳极化处理后表面美观。
电弧焊性能良好。
A5056化学成分：铝 Al ：余量硅 Si ：≤0.30铜 Cu ：≤0.10镁 Mg：4.5～5.6锌 Zn：≤0.10锰 Mn：0.05～0.20铬 Cr：0.05～0.20铁 Fe： 0.000～ 0.400注：单个:≤0.05;合计:≤0.15A5056力学性能：抗拉强度σb (MPa)：≤315条件屈服强度σ0.2 (MPa)：≥100注：管材室温力学性能试样尺寸：所有壁厚状态：铝及铝合金拉(轧)制无缝管 (O态)A5056硬度说明：很多客户在购买铝时非常关心，硬度首选跟合金化学成份有直接的关系。
其次，不同的状态也影响较大，从所能达到的最高硬度来看，7系，2系，4系，6系，5系，3系，1系，依次降低。
硬度：强度是产品设计时必须考虑的重要因素，成其是铝合金组件作为组件时，应根据所承受的压力，选择适当的合金。
纯铝强度最低，而2系及7系热处理型合金度最高，硬度和强度有一定的下相关系。
A5056耐蚀性：耐蚀性包括化学腐蚀，耐应力腐蚀等性能。
一般而言，1系纯铝的耐蚀性最佳，5系表现良好，其次是3系和6系，2系及7系较差。
耐蚀性选用原则应根据其使用场合而定。
高强度合金腐蚀环境下使用，必须使用各种防蚀用复合材料。
A5056加工性：加工性能包插成形性能与切削性能。
因为成形性与状态有关，在选择铝合金牌号后，还需考虑各种状态的强度范围，通常强度高的材不易成形。
台果要对铝材进行折弯，拉伸，深冲等成形加工，完退火状态材料的成形性最佳，反之，热处理状态材料的成形性最差。
铝合金的切削性较差，对于模具，机械零件等需要切削性较佳，反之，低强度者切削性较差，对模具，机械零件等需要切削加工的产品，铝合金的切削性是重要的考虑因素。
A5056焊接性：多数铝合金的焊接性均无问题，尤其是部分5系列的铝合金，是专为焊接考虑而设计的，相对面言，部分2系和7系的铝合金较难焊接。
第十章材料的光学性能_材料物理
E E0 cos( 2 t 0 )
电 磁 波 光 谱
• 可见光 (visible light) —— 能够引起人的视觉的电磁波。 760 ~ 390 nm
4
2014-5-22
光和固体的相互作用
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
（1-m）称为透射系数。由上式可知，在垂直入射的情 况下，光在界面上的反射的多少取决于两种介质的相对 折射率 。
2. 讨论
垂直入射条件下，界面反射的多少，取决于相对折射率n21； 介质1为空气，可以认为n1=1，于是n21= n2； n1和n2相差很大，界面反射损失严重； 若n1=n2，则m=0，垂直入射时几乎没有反射损失； 光通过的界面越多，界面反射就越严重。光连续透过x块反射 率为m的介质时，透过部分为(1-m)2x。
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例：玻璃的折射率n=1.5 2 2 n 1 1 .5 1 光的反射损失： m 21 0.04
n21 1 1.5 1
3. 全反射
光线从光密介质（玻璃）进入光疏介质（空气）中时， 折射角 2大于入射角 1 。当 1 为某值时， 2可达到 90°， 这时光线平行于表面传播。 1 继续增大时，光线就会全 部向内反射回光密介质内，这种现象称为全反射。
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第十章 材料的光学性能
※ §10.1 ※ §10.2
光通过介质的现象 无机材料的透光性 基础 光 学息载体 生命之源
§10.3 界面反射与光泽 §10.4 不透明性和半透明性 §10.5 其它光学性能的应用
光学材料的种类与特性分析
光学材料的种类与特性分析光学材料是指在光学领域中应用的材料，它们对光的传播和相互作用具有特殊的性质。
光学材料的种类繁多，每种材料都有其独特的特性和应用领域。
一、透明材料透明材料是指能够使光线通过并且不发生明显散射的材料。
常见的透明材料包括玻璃、水晶、塑料等。
透明材料具有良好的光学透过性和折射性能，被广泛应用于光学仪器、光纤通信等领域。
二、吸收材料吸收材料是指能够吸收光线并将其转化为热能或其他形式能量的材料。
常见的吸收材料包括染料、颜料、半导体材料等。
吸收材料的特性使其在太阳能电池、激光器、光敏材料等方面有着广泛的应用。
三、散射材料散射材料是指能够将入射光线按照一定规律散射的材料。
常见的散射材料包括磨砂玻璃、乳胶等。
散射材料的特性使其在照明、光学涂料等领域有着重要的应用。
四、非线性光学材料非线性光学材料是指在高光强下，其光学性质随光强的变化而发生非线性变化的材料。
常见的非线性光学材料包括非线性晶体、有机分子等。
非线性光学材料具有光电效应、光学非线性效应等特性，被广泛应用于激光技术、光纤通信等领域。
五、光学陶瓷材料光学陶瓷材料是指通过陶瓷工艺制备的具有光学性能的材料。
光学陶瓷材料具有高硬度、高熔点、低热膨胀系数等特点，被广泛应用于高温、高压、强辐射等恶劣环境下的光学器件。
光学材料的特性不仅取决于其化学成分，还与其微观结构和制备工艺有关。
例如，玻璃的光学性能与其成分、制备工艺以及冷却速度等因素密切相关。
同样，非线性光学材料的非线性效应与其分子结构、晶体结构以及外界光场的强度有关。
除了上述常见的光学材料，还有一些新型光学材料正在不断涌现。
例如，纳米材料、光子晶体等具有特殊结构的材料，具有优异的光学性能和应用潜力。
此外，多功能光学材料也受到越来越多的关注，这些材料不仅具有传统光学材料的特性，还具备其他功能，如电磁屏蔽、防护等。
光学材料的发展离不开科学研究和技术进步。
随着材料科学、纳米技术、光学工程等领域的不断发展，新型光学材料的开发和应用前景将更加广阔。
光学材料特性
光学材料特性表:无色光学玻璃类型光学晶体主要性能参数常用光学塑料-聚甲基丙烯甲酯PMMA密度(kg/m3)：(1.17〜1.20)X10E3nD v ： 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 X 10Pa) 68〜99(18.5X 10Pa)线膨胀系数：(5〜9)X10E-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)X10E3nD v ： 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 (18.5X 105Pa)线膨胀系数：(6〜8)X10E-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 X10E3nD v ： 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(4.6X105Pa) 132138(18.5X 105Pa)线膨胀系数：6X10-5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 1.32X10E3nD v ： 1.498 53.6〜57.8透过率(%): 92吸水率(%): 0.2 24h 25玻璃化温度：熔点(或粘流温度)：马丁耐热：热变形温度：8 X 10-5(-40〜+25) 11.4X 10-5(25〜75) 14.3X 10-5(75〜125) 线膨胀系数：计算收缩率(%):比热J/kgK：导热系数W/m K：燃烧性m/min：耐酸性及对盐溶液的稳定性：耐碱性：耐油性：耐有机溶剂性：日光及耐气候性：常用光学塑料-苯乙烯-丙烯腈共聚物AS密度(kg/m3) ：(1.075〜1.1) X 10E3nD v ： 1.498 53.6〜57.8透过率(%): 92吸水率(%): 0.2〜0.3 24h玻璃化温度：熔点(或粘流温度)：马丁耐热：热变形温度：线膨胀系数：3.6X10E-5计算收缩率(%):比热J/kgK：导热系数W/m K：燃烧性m/min：耐酸性及对盐溶液的稳定性：耐碱性：耐油性：耐有机溶剂性：日光及耐气候性：略变黄常用光学塑料-苯乙烯-丁二烯-丙烯酯ABS密度(kg/m3)： (1.02〜1.16)X10E3nD v ：透过率(%)：吸水率(%): 0.2〜0.4 24h玻璃化温度：熔点(或粘流温度)：130〜160马丁耐热：63热变形温度：90〜108(4.6X105Pa) 83〜103(18.5X 105Pa)线膨胀系数：7.0X10E-5计算收缩率(%): 0.4〜0.7比热 J/kgK： 1381〜1675导热系数W/m K： 0.173〜0.303燃烧性m/min：慢耐酸性及对盐溶液的稳定性：对酸，水，无机盐几乎没有影响，在冰醋酸中会引起应开裂耐碱性：耐碱性能良好耐油性：对某些植物油会引起应力开裂耐有机溶剂性：在酮，醛，酯以及有些氯化烃中要溶解，长期接触烃类会软化和溶涨日光及耐气候性：比聚苯乙烯好。
无机材料的光学性能PPT学习教案
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2、光的电磁性
麦克斯韦
（1）光是一种电磁波，是 由电磁场周期性振动的传 播所形成的，在光波中电 场和磁场是交织在一起的 ；
（2）光有波的一般性质；
（3）光的真空中传播速度 是c=3×108m/s；
（4）色光是由频率决定的
第3页/共107页
，即：不同的频率对应不 同的颜色的光。
可 见 光 (visible light) —— 能 够 引 起 人 的视觉 的电磁 波。
v c
ε为介电常数；μ为磁导率
其中：
n 无机材料： μ ＝1， ε ＞ 1
n
所以,n总是大于1，进而，介质中的光速总是小于 C
第20页/共107页
2、影响折射率的因素
1、 离 子 半 径 ：
n
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；
第24页/共107页
（2）非均质介质（各向异性） 双折射：光进入非均质介质时，一般都要分为振动方向 相互垂直、传播速度不等的两个波，它们分别构成两条 折射光线，这个现象称为双折射。
i n1
e n2
o
e 光
O 光
第25页/共107页
➢平行于入射面的光线的折射率——常光折射率n0
，
始终为一常数，严格服从折射定律。 ➢垂直的光线所构成的折射率，则随入射线方向的 改变而变化，称为非常光折射率ne，不遵守折射定 律，随入射光的方向而变化。
三、反 射
反射系数：
m
n21 n21
12 12
m—反射系数；
n质211—的介相质对2折相射对率于介
同 一 材 料 在 不同介 质中有 不同反 射率, 不 同材料 对同一 波长的 光波的 反射系 数也有 很大差 异。如 :对波 长为0.36μm的 光 铝薄 膜的反 射率可 以达到 92.5% ，铜薄 膜仅有 36.3%。
2、光的电磁性
麦克斯韦
（1）光是一种电磁波，是 由电磁场周期性振动的传 播所形成的，在光波中电 场和磁场是交织在一起的 ；
（2）光有波的一般性质；
（3）光的真空中传播速度 是c=3×108m/s；
（4）色光是由频率决定的
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，即：不同的频率对应不 同的颜色的光。
可 见 光 (visible light) —— 能 够 引 起 人 的视觉 的电磁 波。
v c
ε为介电常数；μ为磁导率
其中：
n 无机材料： μ ＝1， ε ＞ 1
n
所以,n总是大于1，进而，介质中的光速总是小于 C
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2、影响折射率的因素
1、 离 子 半 径 ：
n
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；
第24页/共107页
（2）非均质介质（各向异性） 双折射：光进入非均质介质时，一般都要分为振动方向 相互垂直、传播速度不等的两个波，它们分别构成两条 折射光线，这个现象称为双折射。
i n1
e n2
o
e 光
O 光
第25页/共107页
➢平行于入射面的光线的折射率——常光折射率n0
，
始终为一常数，严格服从折射定律。 ➢垂直的光线所构成的折射率，则随入射线方向的 改变而变化，称为非常光折射率ne，不遵守折射定 律，随入射光的方向而变化。
三、反 射
反射系数：
m
n21 n21
12 12
m—反射系数；
n质211—的介相质对2折相射对率于介
同 一 材 料 在 不同介 质中有 不同反 射率, 不 同材料 对同一 波长的 光波的 反射系 数也有 很大差 异。如 :对波 长为0.36μm的 光 铝薄 膜的反 射率可 以达到 92.5% ，铜薄 膜仅有 36.3%。
第五章 无机材料的光学性能
光通过介质现象
电磁波在真空中传播速度为3×108m/s以c表 示。C与真空介电常数ε0和真空磁导率μ0关系 为： 1
c
0 0
c
当光在介质中传播时，其速度v由下式决定：
光通过介质现象
在讨论光与材料相互作用产生反射、透 射、折射等现象时，应用光粒子性更容 易理解；讨论光波在介质中传播、衍射 等现象应用光波动性更方便。当光从一 种介质进入另一种介质时，例如从空气 进入透明介质，一部分透过介质，一部 分被吸收，一部分在两种介质界面上被 反射，还有一部分被散射。
影响折射率因素
2、材料结构、晶型和非晶态 折射率和离子排列密切相关。 • 各向同性材料（非晶态和立方晶体），只有一个折 射率，为均质介质。其他介质，具有双折射。 • 光进入非均质介质，分为振动方向互相垂直\传播速 度不等两个波，分别构成两条折射光线。 • 平行于入射面光线折射率为常光折射率n0，严格服 从折射定律。垂直于入射面光线折射率为非常光折 射率ne，不遵守折射定律，随入射光方向而变化。 当光沿晶体光轴方向入射时，只有n0存在，与光轴 方向垂直入射时，ne达最大值，此值为材料特性。 • 规律：沿晶体密堆积程度较大方向ne较大。
无机材料透光性
介质透过率高低，或介质吸收光波能量多少，不仅 与介质电子能带结构有关，还与光程有关，也就是 与光通过介质厚度相关。 如入射光强度为I0，通过x厚度介质，其光强度下降。 光强度变为I，且有 x 0
I I e
式中：α为介质对光吸收系数，单位为cm-1, x为穿 过介质厚度。 α 取决于材料性质和光波长。 α越大 材料越厚，光被吸收越多，透过后光强度越小。不 同材料α值差别很大，空气α=10-5 cm-1 ，玻璃α=102 ，金属α值则高达几万到几十万，因此金属实际上 是不透明。
14种光学塑料的材料特点
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，简称10X射线和Y密度为为玻璃大10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PSPolystyrene，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，但它组，放出水溶液，受许多酮类，高级脂肪酯等侵蚀而软化，溶于芳烃，如苯，甲苯，乙苯及苯乙烯单体等。
PS是最耐辐射的聚合物之一，要合性能发生变化须施加很大量的辐射能。
PS是树脂中易成型加工的品种之一，具有成型温度和分解温度相差大，熔融粘度低，尺寸稳定的特点，可用模压成型，也大量用于注塑成型，但它的脆性比其它光学塑料大，因此易开裂，在切浇口时应注意防止破裂，它还能用一般的金属或木材加工工具进行机械加工，如钻，锯，切等。
PS除与PMMA组成消色差的透镜外还用于复制光栅组件。
为改善PS的性能，开发出一些改良品种，如由70%的聚苯乙烯和30%和丙烯酸甲脂共聚形成新的光学塑料NAS。
光学材料特性介绍
1.2 光學材料的種類 ?
★目前有分為天然材料、坡璃、塑膠 、 三大類。
光學材料的種類
天然材料 : 最常用的是水晶鏡片，它是由石英礦研磨而成的，主要成分
有二氧化矽, 純水晶主要分類有兩種 一種是無色鏡片，二氧化 矽純度較高，另一種是茶色鏡片，因含有其他元素而顯示出不 同的顏色，大大減少了可見光的穿透率。
光學材料的特性簡介
光學材料的特性簡介
流動性
塑膠的『熔融指數』又稱『熔体指數』，是指在一定的荷種(Kg)及溫度(°C) 下，一定時間(10分鐘)經過一定直徑的管子所流出來的融膠重量(克數)。MI 值越大，表示塑膠的流動性越佳；反之，則流動性越差。
MFI: Melt Flow Index MI: Melt Index MFR: Melt Flow Rate
光學材料的應用及特性介紹
1
目錄
光學材料的基本概念
1.1 何謂光學材料？ 1.2 光學材料的分類。 1.3 各種塑膠光學材料的介紹。
光學材料的特性及應用。
2.1 光學材料的特性簡介。 2.2 LENS 的基本觀念
光學材料的基本概念
1.1 何謂光學材料？
★ 光學材料是指具有一定的光學性能-[透光性] 和[均勻性]，可用於製造光學元件 的材料上使用。
光學玻璃
研磨後玻璃LENS
模造玻璃的製造過程
光學鏡片相關製程佔了相當大的比重，例如PMMA、PC、mCOC等都是經
常被應用到的,透明性塑膠；使用光學級塑膠材料所製程的光學元件，不但 具有重量輕、耐衝擊性佳、成本低廉、適合大量生產等優點，而且可以成型 複雜形狀及微小特殊形狀的光學元件，也可以將多項零組件設計成一體成型， 可大幅節省後續的二次加工成本。
優點 :溫度適應能力強，可耐熱至120℃，所以能在較寬的溫度範圍內保 證光學系統的品質。
★目前有分為天然材料、坡璃、塑膠 、 三大類。
光學材料的種類
天然材料 : 最常用的是水晶鏡片，它是由石英礦研磨而成的，主要成分
有二氧化矽, 純水晶主要分類有兩種 一種是無色鏡片，二氧化 矽純度較高，另一種是茶色鏡片，因含有其他元素而顯示出不 同的顏色，大大減少了可見光的穿透率。
光學材料的特性簡介
光學材料的特性簡介
流動性
塑膠的『熔融指數』又稱『熔体指數』，是指在一定的荷種(Kg)及溫度(°C) 下，一定時間(10分鐘)經過一定直徑的管子所流出來的融膠重量(克數)。MI 值越大，表示塑膠的流動性越佳；反之，則流動性越差。
MFI: Melt Flow Index MI: Melt Index MFR: Melt Flow Rate
光學材料的應用及特性介紹
1
目錄
光學材料的基本概念
1.1 何謂光學材料？ 1.2 光學材料的分類。 1.3 各種塑膠光學材料的介紹。
光學材料的特性及應用。
2.1 光學材料的特性簡介。 2.2 LENS 的基本觀念
光學材料的基本概念
1.1 何謂光學材料？
★ 光學材料是指具有一定的光學性能-[透光性] 和[均勻性]，可用於製造光學元件 的材料上使用。
光學玻璃
研磨後玻璃LENS
模造玻璃的製造過程
光學鏡片相關製程佔了相當大的比重，例如PMMA、PC、mCOC等都是經
常被應用到的,透明性塑膠；使用光學級塑膠材料所製程的光學元件，不但 具有重量輕、耐衝擊性佳、成本低廉、適合大量生產等優點，而且可以成型 複雜形狀及微小特殊形狀的光學元件，也可以將多項零組件設計成一體成型， 可大幅節省後續的二次加工成本。
優點 :溫度適應能力強，可耐熱至120℃，所以能在較寬的溫度範圍內保 證光學系統的品質。
材料的光学性能
第十二章
材料的光学性能
§12.1材料的线性光学性能
从微观上分析，光子与固体材料相互作用，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，出现的二种重要结果是：
(1)电子极化 电磁辐射的电场分量，在可见光频率范围内，电场分量
与传播过程中的每个原子都发生作用，引起电子极化，即造成电子云和原 子核电荷重心发生相对位移。其结果，当光线通过介质时，一部分能量被
散射有两种情况，一种是散射光波长与入射光相同，称为瑞利散射；
另一种与入射光波长不同，称为联合散射（亦称拉曼散射）。根据散射效 果是否强烈依赖于波长又可分为瑞利（Reayleigh）散射和米氏（Mie）散 射。
材料性能
第十二章
材料的光学性能
§12.1材料的线性光学性能
二、材料的透光性
1.透光性
材料可以使光透过的性能称为透光性。透光性是一个综合指标，
式中：K为吸收率,其值取决于介质材料的特性。
光透射后的强度与入射时强度的比值称为光透过率T, T=I/I0=exp(-βx)
对于平面状材料，总透过率取决于反射损失和吸收两个方面。
对于垂直入射的情况，总透过率由下式给出： T’=I/I0=（1－R）2exp(-βx)
式中：R为反射系数。不同的材料β差别很大，空气的吸收系数
(2)材料的结构、晶型 （双折射现象） 折射率不仅与构成材料的离子半径有关，还与它们在晶胞中的排列 有关。根据光线通过材料的表现，把介质分为均质介质和非均质介质。 非晶态(无定型体)和立方晶体结构，当光线通过时光速不因入射方向而改 变，故材料只有一个折射率，此乃为均质介质。除立方晶体外的其他晶型 都属于非均质介质。其特点是光进入介质时产生双折射现象。折射定律的 双折射现象使晶体有二个折射率：其一是服从寻常光折射率n0，不论入射 方向怎样变化，n0始终为一常数；而另一折射光的折射率随入射方向而改 变，称为非寻常光的折射率ne。当光沿晶体的光轴方向入射时，不产生双 折射，只有n0存在。当与光轴方向垂直入射时，ne最大，表现为材料特性 。例如，石英的n0=1.543，ne=1.552。—般来说，沿晶体密堆积程度较大 的方向，其ne较大。
第5章 无机材料的光学性能11.6
在给定入射光波长的情况下：
倒数相对色散 ，即色散系数：
nD：钠的D谱线为光源测得的折射率； nF：氢的F谱线为光源测得的折射率； nC：氢的C谱线为光源测得的折射率。
二、色
散
几种玻璃的色散
几种晶体和玻璃的色散
（2）材料的反射系数和影响因素 反射系数
n21 1 2 R( ) n21 1
中心波长 (nm) 660 610 570 540 480 460 430
人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。
电磁波谱
• 无线电波－波长比可见光长得多，不能引起人的视觉。
• 微波－波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食物
里很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加热。
• 红外线（IR）－分布在微波和可见光之间，且仅能够
2、材料的结构和晶型：
材料的n主要由离子的堆积密度和极化率决定。
（1）均质介质（各向同性）：
经验公式： n 1
PK
i i
i
Pi和Ki是第i组分的重量分数和折射系数，ρ是密度。 （2）非均质介质（各向同性）： 常光：折射线在入射面内，遵守各向同性材 双折射 料折射定律 非常光：折射线不一定在入射面内
（3）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。
（4）同质异构体：ຫໍສະໝຸດ 结构敞广的高温态比结构紧密的低温态折射率小。
常温：SiO2玻璃态的折射率是1.46
石英晶体折射率1.55
高温：磷石英折射率1.47 方石英折射率1.49
色散
材料的折射率随入射光的频率的减小而 减小的性质，称为折射率的色散。
若介质1是空气，则
n 1 2 R( ) n 1
若两种介质的折射率相差越大，则反射损 失越大，光的透过率越低。
倒数相对色散 ，即色散系数：
nD：钠的D谱线为光源测得的折射率； nF：氢的F谱线为光源测得的折射率； nC：氢的C谱线为光源测得的折射率。
二、色
散
几种玻璃的色散
几种晶体和玻璃的色散
（2）材料的反射系数和影响因素 反射系数
n21 1 2 R( ) n21 1
中心波长 (nm) 660 610 570 540 480 460 430
人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。
电磁波谱
• 无线电波－波长比可见光长得多，不能引起人的视觉。
• 微波－波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食物
里很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加热。
• 红外线（IR）－分布在微波和可见光之间，且仅能够
2、材料的结构和晶型：
材料的n主要由离子的堆积密度和极化率决定。
（1）均质介质（各向同性）：
经验公式： n 1
PK
i i
i
Pi和Ki是第i组分的重量分数和折射系数，ρ是密度。 （2）非均质介质（各向同性）： 常光：折射线在入射面内，遵守各向同性材 双折射 料折射定律 非常光：折射线不一定在入射面内
（3）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。
（4）同质异构体：ຫໍສະໝຸດ 结构敞广的高温态比结构紧密的低温态折射率小。
常温：SiO2玻璃态的折射率是1.46
石英晶体折射率1.55
高温：磷石英折射率1.47 方石英折射率1.49
色散
材料的折射率随入射光的频率的减小而 减小的性质，称为折射率的色散。
若介质1是空气，则
n 1 2 R( ) n 1
若两种介质的折射率相差越大，则反射损 失越大，光的透过率越低。
PC2456德国拜耳聚碳酸酯
PC2456德国拜耳聚碳酸酯描述中等粘度易脱模，良好的耐水解性，注射成型，透明，半透明和不透明颜色向阳塑贸：l50l5302272性能2456 单位测试条件低粘度流动性熔体体积流动速率–cm3/(10min) 250℃;2.16kg熔体体积流动速率19 cm3/(10min) 300℃;1.2kg横向成型收缩率横向0.65 % 60x60x2;500bar成型收缩率0.65 % 60x60x2;500bar机械性能N无P部分C全断裂; 气温23℃湿度50%拉伸模量2400 MPa 1mm/min屈服应力65 MPa 50mm/min屈服应变 6.0 % 50mm/min额度断裂伸长率> 50 % 50mm/min断裂应力–MPa 5mm/min拉伸断裂延伸率–% 5mm/min拉伸蠕变模量2200 MPa 1小时拉伸蠕变模量1900 MPa 1000小时弯曲弹性模量2350 MPa 2mm/min简支梁冲击强度N kJ/m2 23℃简支梁缺口冲击强度65P kJ/m2 23℃;3mm悬壁梁缺口冲击强度75P(C) kJ/m2 23℃;3.2mm最大刺穿力5100 N 23℃刺穿能量55 J 23℃热性能玻璃转化温度145 °C 10℃/min负荷变形温度125 °C 1.80MPa负荷变形温度137 °C 0.45MPa维卡软化温度145 °C 50N; 50℃/h平行线性膨胀系数0.65 10–4/K 23-55℃横向线性膨胀系数0.65 10–4/K 23-55℃燃烧性能UL 94 V-2 等级 1.5mm燃烧性能UL 94 HB (2.7) 等级厚度( )mm含氧指数27 等级 3.0mm热丝引燃850 ℃ 1.5mm热丝引燃930 ℃ 3.0mm热丝引燃875 ℃ 1.5mm热丝引燃875 ℃ 3.0mm电气性能气温23℃湿度50%.相对介电常数 3.1 –100Hz 相对介电常数 3.0 –1MHz 耗散因数 5 10–4 100Hz 耗散因数90 10–4 1MHz 体积电阻率 1.00E+14 Ohm.m表面体积电阻率 1.00E+16 Ohm介电强度34 kV/mm 1mm 相对漏电起痕指数CTI 250 评级气温23℃湿度50%其他性能（23°C）吸水率（饱和值）0.30 % 气温23℃浸泡于水中吸水率（平衡值）0.12 % 气温23℃湿度50%密度1200 kg/m3材料特殊性能折射率 1.586 气温23℃湿度50% 透光率89 % 1 mm89 % 2 mm88 % 3 mm 测试样工艺条件注塑- 熔融温度280 ℃–注塑- 模具温度80 ℃–注塑- 注塑速度200 mm/s –。
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含有不同指示剂的海藻酸钙水凝胶及加酸后颜色的变化
纤维的光学性质
• 纤维的颜色
纤维的颜色取决于纤维对不同波长色光的吸
收和反射能力。
• 天然纤维的颜色：取决于品种（即天然色
素）；生长过程中的外界因素 • 合成纤维的颜色：取决于原料（是否含有杂 质）；纺丝工艺（如温度、加热时间等）
纤维的光泽
评价光泽应同时考虑两个方面：反射光量的大小和
透明（transparent） 亚透明（semitransparent） 半透明（translucent) 微透明（semitranslucent) 不透明（opaque）
黄玉
光线可以透过，通过宝石可以看到对 面的物体，但不太清晰。此类宝石如： 月光石、磷灰石、顽火辉石等。
透明（transparent） 亚透明（semitransparent） 半透明（translucent) 微透明（semitranslucent) 不透明（opaque）
光子晶体
(A)在刻蚀硅表面自组装电镜图(B)蒸发诱导自组装模板实物 照片(C)垂直蒸发诱导自组装电镜图(D)旋涂法实物图 。
光子晶体
(A)传感器对温度响应(B)传感器对不同浓度钾离子响应
利用模板法制备出聚NIPA-冠醚的反蛋白石结构的离子传感器， 对温度和K+响应，具备自表达的特性，直接通过颜色的变化向人 们指示温度和离子浓度。 Angew.Chem.Int.Ed,2003,42:4197 mun,2003,2126
于棒直径d的3倍，即满足
sinα≥2/3的条件
光在纤维中的反射与折射现象
• 光与平行界面介质的相互作用:
入射 介质1 (空气或液体) 介质2 (纤维) 主反射 次反射
1 2
2
介质1 (空气或液体)
(a) 层状结构
1
主透射 次透射
• 反射、折射与透射作用在介质中发生多次，强度随作 用次数衰减，因介质对光有吸收作用
1.光的吸收
光的吸收是指原子在光照的下吸收光子的能量由低 能态跃迁到高能态的现象。
比尔定律 1852年A.比尔证明，对于气体或溶解于不吸收的 溶剂中的物质，光的吸收与（ 吸光物质的浓度）成正 比；与（ 液层的厚度 ）成正比。（比尔定律） 。
公式式中x与浓度无关的比例常数。
2. 色散
在给定入射光波长的情况下，材料的折射率随 波长的变化率称为色散率。 最常用的数值是倒数相对色散，
※内反射：设光从聚合物射入空气的入射角为α， 若sinα≥1/n，即发生内反射，即光线不能射人空 气中而全部折回聚合物中。大多数聚合物，n=1.5， α最小为42°左右。 ※内反射的应用：使聚合物显得很明亮→发光制品，
如汽车的尾灯、信号灯、光导管（外科手术局部
照明）、光导纤维等。
弯曲部分的曲率半径γ不小
赤铁矿
光 泽
光泽是指矿物表面对可见光的反射能力。
• 材料的光泽取决于三类反射：
• 镜面反射（mirro reflection）：平行光射向界面为平 面的物体，反射出来的仍将是平行光，表现出很强 的光泽。 • 漫反射（diffusion reflection）：如果平行光射向界 面粗燥的物体，反射出来的光均匀地射向各个方向， 表现出均匀而柔和的光泽。 • 散射光（scattering）：因光子的多次碰撞从材料表 层散射出的光线，其与入射光的角度无关，与入射 光能量和材料表层结构与组成有关。
PMMA
PIB PE
1.488
1.509 1.51-1.54
PC
PS PET
1.585
1.59 1.64
PP
1.495-1.510
PVDC
1.63
多数碳链聚合物的折光指数～1.5
碳链上带有较大侧基时，折光指数较大；带有氟、甲 基等时，折光指数较小。
透明性及光泽 ※大多数高聚物当不含结晶、杂质和疵痕时都是透 明的（如PMMA、聚苯乙烯等），对可见光的透 过程度达92%以上。 ※透明度损失的原因：光的反射和吸收；材料内部 对光的散射；与光所经的路程（物体厚度）有关，
材料的光学性质
宝石为何具有美丽的颜色和耀眼的光芒？
白光经过三棱镜可分解成不同波长的彩色光
钻石
琥珀
琥珀
玛瑙
红宝石
蓝宝石பைடு நூலகம்
大多数宝石含有致色元素，常见的致色元素有 钛，钒，铬，锰，铁，钴，镍，铜等。
• 自色：指宝石所含的主要元素所产生的颜色。例 如，橄榄石的化学成分是铁镁硅酸盐，它所含的 铁元素使橄榄石呈现绿色。 • 他色：指宝石所含微量杂质元素所产生的颜色。 例如，刚玉Al2O3 纯净时为无色；含有微量的铬 （ Cr ）元素时呈红色，即红宝石；含有微量的铁 （ Fe ）元素和钛（Ti ）元素时呈蓝色，即蓝宝石.
光泽度主要取决于矿物本身的折光率。
树脂光泽（琥珀）
亚玻璃光泽（萤石）
玻璃光泽（水晶）
半金刚光泽（锆石）
金刚光泽（钻石）
• 反射和内反射
※透明材料的反射：当光垂直射入时，透过光强与
入射光强之比：
(n 1) T 1 2 (n 1)
2
大多数聚合物≈1.5，则T=92％，反射光约占8％左右。 在不同入射角时，反射率也不太高。
反射光量的分布规律
• 反射光量很大，分布不均匀——“极光”；
• 反射光量很大，分布较均匀——“肥光”。
影响纤维光泽的因素： a.纤维的微原纤结构 b.纤维的形态结构： c.化纤中加TiO2可消光
纤维的耐光性
• 耐光性：纺织材料抵抗光照的能力。
纤维经长期光照，会发生不同程度的裂解，
使大分子断裂，分子量下降，强度下降。TiO2的
4.光的折射
※折射现象：当光由一种介质进入另一种介质 时，由于光在两种介质中的传播速度不同而 产生的折射现象。 ※折射率：
※折光指数：通常以各种物质对真空的折射率作 为该物质的折射率，即折光指数。聚合物的折 光指数一般都在1.5左右。 ※各向同性的材料：无应力的非晶态聚合物，在 光学上也是各向同性的，因此只有一个折光指 数。 ※结晶和各向异性的材料：折光指数沿不同的主
光子晶体
光子晶体技术和分子印迹技术为平台，制备除草剂莠去津的传感 材料。 1）高亲和性的分子传感材料； 2）传感器材料具有一系列传感的优势：高灵敏度、高选择性、 快速响应以及可再生性； 3）微孔穴的分子识别过程可以通过有序大孔的光衍射信号直接 表达出来，并可方便的用裸眼观察到颜色变化。
含有不同指示剂的海藻酸钙水凝胶加酸后颜色的变化
入射 折射3
反射3
反射1
折射1
反射2
折射2 (b)纤维
普通纤维截面形状多为圆形，光在纤维内多次反射、 折射和透射
发生全反射的条件：光从光密到光疏介质；入射角 大于临界角
影响材料透光性的因素
• 1）吸收系数——这部分损失较小，在影响透 光率中不占主导地位。 • 对于陶瓷、玻璃等电介质材料，材料的吸收 率或吸收系数在可见光范围内是比较低的。所 以陶瓷材料的可见光吸收损失相对来说是比较 小的，在影响透光率的因素中不占主要地位。 • 2）反射系数——这部分损失较大 • 材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也 大。另一方面，材料表面的光洁度也影响透光 性能，这一点在后面界面反射这一节中细述。 • 3）散射系数——影响最大 • 这一因素最影响陶瓷材料的透光率。
光电功能高分子材料及应用领域
光电显示领域的应用
• 液晶材料： • 电致发光材料： • 闪烁体材料：
光通信领域的应用
• 有机非线性光学材料 • 有机光导纤维材料
信息存储领域的应用
• 光致变色材料
微电子领域的应用
• 光刻胶 • 光子晶体
布置作业
• 1. 给出光的散射、折射、色散的定义。 • 2. 影响材料透光性的因素有哪些？
光的吸收、色散和散射
一束平行光照射材料时，部分光的能量被 吸收，其强度将被减弱；
复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫 做光的色散。介质中光的传播速度比真空中 小，且随波长而变化产生色散现象； 光在传播时，遇到结构成分不均匀的微小 区域，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，即发生散射现象。
反蛋白石结构的制备
蛋白石(opa1)是自然界中存在的一种具有几百纳米空隙、排列规则的无定形二氧化硅， 在光照射下能显出绚烂的色彩。空隙可填充各种无机或有机物，如能将胶体颗粒去除而 不影响晶体结构，就能得到空气孔结构的光子晶体，该结构就是所谓的反蛋白石结构。
典型反蛋白石结构SEM
1973年，吉尔森在实验室造出仿蛋白石。
轴方向有不同的数值，该材料被称为双折射的
（如非晶态聚合物因分子取向而产生双折射。
聚合物的折光指数
聚合物 PTFE PDMS PVAc POM 折光指数 (25˚C, l=589.3nm) 1.3-1.4 1.404 1.467 1.48 聚合物 PB PAN Nylon-66 PVC 折光指数 (25˚C, l=589.3nm) 1.515 1.518 1.53 1.544
(反)蛋白石结构的制备
Adv. Mater. 2000, 12, 1176−1180
光子晶体
光子晶体是由两种以上具有 不同折射率的材料在空间按照 一定的周期顺序排列所形成的 有序结构材料。具有特征的 Bragg衍射，衍射峰波长：
k为衍射级数，neff为光子晶体的平均折射率，θ为光 线入射的角度。在光子晶体材料中填充其他物质或者 溶剂改变平均折射率，或者通过电场，机械力，改变 温度，pH环境对晶格参数的调节可以使衍射峰位置明 显移动。
厚度↑，透明度↓。
※散射产生原因：结构的不均匀性，如聚合物表面
或内部的疵痕、裂纹、杂质、填料、结晶等。
※光泽：材料表面的光学性能；越平滑的表面，越
光泽。
※直接反射系数：从0°-90°的入射角，反射光强