材料的光学性质共86页文档

6、绝缘体的组织结构和透明性 透明的电介质可以被制成半透明或不透明——漫散 射、多次反射和折射 微晶无序取向——晶界多次反射、折射——不透明 分散的复相材料——相界多次反射、折射——不透明 非晶高聚物——透明 混合—— 结晶高聚物——半透明、不透明 半透明、不透明 陶瓷单晶——一般透明 陶瓷多晶——晶相、玻璃相、气孔——半透明、不透明 特殊加工：热压Al2O3，玻璃相和气孔消失——透明
能流率为ϕ0的光垂直照射到厚度为l，吸收系数为β，反 射率为ρ的材料时，有
ϕT=ϕ0(1-ρ)2e-β l
透光率即ϕT/ϕ0 =(1-ρ)2e-β l
5、透明材料的颜色 透射率τ ，吸收率α，反射率ρ都与波长有关。
光线入射到透明绿色玻璃时的τ ，α，ρ与波长的关系
混合波的波长（颜色）决定透 透射光波 非吸收光波 重新发射光波 明材料的颜色 蓝宝石：单晶 Al2O3，对各波长 的光吸收均匀， 无色。 红宝石：单晶 Al2O3 中 有 Cr2O3 杂质， Cr3+ 离子 在禁带中引入杂 质能级，对蓝紫 光和黄绿光选择 吸收，非吸收光 和重新发射光决 定其为红色。
第三节、材料的发光和光学材料
一、发光和热辐射
1、荧光和磷光 发光是以可见光形式出现的能量辐射。 高温、高能辐射——电子从价带激发进入导带—— 返回价带——放出能量 辐射的能量子在1.8-3.1eV，其波长在可见光范围内 ——发光 低温下电子受激发——冷光 高温下电子受热激发——热辐射 冷光分为荧光和磷光
第二个光子与入射光子状态完全相同：传播方向、频 率、位相、偏振等都相同——完全相干 激光增益介质：在外部激励下可实现布居反转的物质 例：红宝石——α-Al2O3中有0.05%的Cr3+离子——杂质 提供中间能级。 提供中间能级 外部激励：用氙灯光（波长560nm）照射红宝石，其中 Cr3+离子中的电子受激到高能态，实现布居反转 离子中的电子受激到高能态，实现 返回基态时先在介稳态（中间能级）停留3ns，许多电 子在这一长时间内停留在介稳态 当有少数电子返回基态时，激发其他介稳态电子以雪崩 的形式返回基态，发射出越来越多的同频光子， 通过反射作用得到高度准直的相干波——激光

Company Logo
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。

Company Logo
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

Company Logo
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。

Company Logo
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。

Company Logo
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。

Company Logo

Company Logo
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。

但是对于波长范围为3.5-5.0μm的红外光却 是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，
这种现象为选择吸收。换言之，石英对可见光 和紫外线的吸收甚微，而对上述红外光有强烈 的吸收。
第19页，共67页1。9
吸收光谱
用具有连续谱的光（例如白光）通过具有选择吸收的物质，然后利用摄谱仪或
分光光度计，可以观测到在连续光谱的背景上呈现有一条条暗线或暗带，这表
第27页，共67页2。7
物体发光可分为平衡辐射和非平衡辐射两大类
1. 平衡辐射 只与辐射体的温度和发射本领有关，如白炽灯的发光。
2. 非平衡辐射 在外界激发下物体偏离了原来的热平衡，继而发出的辐射。
固体发光的微观过程可以分为两步：
① 对材料进行激励，即以各种方式输入能量，将固体中的电子的能量提高到一个 非平衡态，称为“激发态”；
第13页，共67页1。3
光的全反射
当光束从折射率n1较大的光密介质进入折射率n2较小的光疏介质，
且入射角大于临界角时，光线被100％反射的现象。这时不再有折 射光线，入射光的能量全部回到第一介质中。
临界角
sin c
n2 n1
(n1 n2 )
折射光
全反射应用：光导纤维
光导纤维通常用来传送无线电、 电话、电视和电子计算机数据。
明某些波长或波段的光被吸收了，因而形成了吸收光谱（absorption spectrum）
大致说来，原子气体的光谱是线状谱，而分子气体、液体和固体的光谱是带状 谱，吸收光谱的情况也是如此。 物质的发射谱（emission spectrum）有：线状谱（line spectrum），带状谱 （band spectrum）和连续谱等。 值得注意的是，同一物质的发射光谱和吸收光谱之间有严格的对应关系，即物 质自身发射哪些波长的光，它就强烈吸收这些波长的光。

6.6110 4 ~7.5110 4 430
人眼最为敏感的光是黄绿光，即 555 nm 附近。
3.1.2 光的干涉和衍射
光的波动性主要表现在它有干涉、衍射及偏振 等特性。
双光束干涉(interference):指两束光相遇以后， 在光的叠加区，光强重新分布，出现明暗相问、 稳定的干涉条纹。
频率(Hz)
中心波长 (nm)
3.9110 4 ~4.8110 4 660
4.8110 4 ~5.0110 4 610
5.0110 4 ~5.4110 4 570
5.41104 ~6.11104 540
6.11104 ~6.41104 480
6.4110 4 ~6.6110 4 460
I
I+dI
dx
l l+dl l
光的吸收规律
材料对光的吸收机理
电子极化；
电子受激吸收光子而越过禁带；
电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光；
所以，只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能 量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中的电子 从较低能态跃迁到高能态。
光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出 的能量交换过程。
3.2 光的反射和折射 二、光的反射
3.2.1 反射定律与折射定律
(1)反射定律
三线共面； 反射角等于入射角
图3-5 光的反射和折射
材料的反射系数及其影响因素
一束光从介质1穿过界面进入介质2出现一次反射；当光在介质2 中经过第二个界面时，仍要发生反射和折射。从反射定律和能 量守恒定律可以推导出，当入射光线垂直或接近垂直于介质界 面时．其反射系数（reflection coefficient）为：