第四章材料物理性能

第四章材料的光学性能主要内容光和固体的相互作用材料的发光光导纤维光充满着整个宇宙，各种星体都在发光：远红外光、红外光、可见光、紫外光，以及X射线等。人类生活在光的世界里，白天靠日光，黑夜靠灯光，夜间还要靠星光。要利用光，就要创造工具，就要有制造工具的材料—光学材料。太阳光星光灯光自然中存在一些天然光学材料：我国的夜明珠、发光壁；印度的蛇眼石、叙利亚的孔雀暖玉等。这些材料具有奇异的发光现象，能在无光环境下放出各种色泽的晶莹光辉。由于这些光学材料稀有，被视为人间珍宝，成为权力和财富的象征。夜明珠珍珠猫眼石春秋战国时期，墨子就研究光的传播规律，出现了最古老的光学材料—青铜反光镜。17世纪，瑞士人纪南熔制出光学玻璃，主要用于天文望远镜；随后，欧洲出现了望远镜和三色棱镜，人造光学玻璃成为主要光学材料。20世纪初，以望远镜、显微镜、光谱仪以及物理光学仪器四大类为主体，建立了光学工业。青铜镜望远镜光学材料在国民经济和人民生活中发挥重要作用。一副直径5厘米左右的光学眼镜片就能消除眼疾给人带来的苦恼。科学研究、工农业生产和人类生活等需要使用显微镜、望远镜、摄像机等各种光学仪器，核心部分都是由光学材料制造的光学零件。光学材料已成为人类社会必不可少的功能材料。望远镜摄相机眼镜光学材料是传输光线的材料，这些材料以折射、反射和透射的方式，改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定要求和路径传输，也可吸收或透过一定波长范围的光线而改变光线的光谱成分。光学材料包括光纤材料、发光材料、红外材料、激光材料等。光学材料玻璃、石英、金刚石是熟知的可见光透明材料。金属、陶瓷、橡胶和塑料在一般情况下对可见光是不透明的。金和银对红外线的反射能力最强,所以常被用来作为红外辐射腔内的镀层。橡胶、塑料、半导体锗和硅却对红外线透明。因为锗和硅的折射率大,故被用来制造红外透镜。许多陶瓷和密胺塑料制品在可见光下完全不透明,但却可以在微波炉中作食品容器,因为它们对微波透明。玻璃、塑料、晶体、金属和陶瓷都可以成为光学材料。发光材料的进步,它给人类的生活带来了巨大的变化:如电视、电脑等的显示，激光的应用。高纯、高透明的光纤的研制成功，使光通讯成为现实，并使人们进入网络时代。Sony-LED电视光学信息是人类获得的最重要的信息，将光学信号转变为电信号，以使得计算机帮助人类存储和处理信息，将是人类科学进步的方向。因此了解材料的光学性能显得非常重要。4.1光和固体的相互作用4.1.1光的波粒二象性人们对光的认识始于19世纪。1860年，麦克斯韦创立的电磁波理论，解释了光的直线传播、反射、干涉和衍射现象；1900年，普朗克提出能量子概念，成功地解释了黑体辐射；1905年，爱因斯坦创立了光量子假说，将光子表征粒子性质的能量、动量与表征波动性质的频率、波长等联系起来，揭示了光的波粒二象性，圆满解释了光电效应，康普顿（Compton）效应等现象。1924年，德布罗意创立了物质波假说，被电子束衍射实验证实。把光的波粒二象性（波动性和粒子性统一）推广到一切微观粒子的共同属性1927年，狄拉克提出电磁场的量子化理论，进一步把波动理论和量子理论严格地统一起来。电磁波频谱宽，光学研究部分很少；可见光波长：390－770nm（0.4－0.7μm），不同波长的光引起不同的颜色视觉。电磁波谱无线电波：λ1m微波：λ=1mm～1m红外线：λ=760nm～1mm可见光：λ=390nm～760nm紫外线：λ=10nm～390nmX射线：λ=10-3nm～几十nmγ射线：λ=10-5nm～10-1nm宇宙射线：λ10-5nm3.1.1光的波动性光是电磁波，是交变的电磁场在空间的传播。变化着电场的周围感生出变化的磁场，变化着的磁场周围又会感生出另一个变化的电场，两者交织在一起。光波是横波，电场强度E和磁场强度H的振动方向垂直。并同时垂直于传播方向S（即光的能量流动方向）。线偏振光的电振动磁振动及传播方向1.光的振动与传播表征光波振动特征：频率υ、周期T、波长λ：v—光速光的振动用电场强度变化表示：—振幅，—初相角光的传播φ0=0时，在z=0点电场强度：振动传到空间z点，场强：)2cos(00tEE0E0)](2cos[0vztEEvT1tEE2cos0【注释】：磁场与介质作用远弱于电场，由电场可算出磁场强度。电场对人眼或感光、光电效应等方面起主导作用，研究材料光学性质时只关心电矢量，故电场强度矢量被直接作为“光矢量”。电磁波在真空中的速度：（c＝3×108m／s）电磁波在介质中的速度：、—真空、介质的介电常数，、—真空、介质的磁导率。001c0r0rccrrrr0011光波传播伴随能量流密度：（单位时间垂直流过单位面积的能量）测试用能量流密度平均值——光强：应用相对值表示光强与光波电场振幅的关系。HES204EcI20EI3.1.2光子的能量和动量爱因斯坦光量子公式：电磁场（光场）的能量是不连续的，可分成最小的单元，这个最小的能量单元称为“光子”。能量（解释光电效应）：动量：（反映光的波粒二象性能）hP光既可以看做光波又可以看做光子流。光子是电磁场能量和动量量子化的粒子，而光波是光子的概率波。hchE介质中的各种光学现象本质上是光和物质相互作用的结果。从经典电子模型出发，研究光和物质相互作用的微观过程，是讨论介质中光的折射、散射、吸收和色散等常见的线性光学现象的物理本质的基础。4.1.2光通过固体现象设为入射到材料表面的光辐射能流率(单位时间通过单位面积的光能)；光从一种介质进入另一种介质时：一部分透过介质，一部分被吸收，一部分在两种介质的界面上被反射，一部分被散射。0AR透过、吸收、反射和散射的光辐射能流率分别为：1.光子与固体介质的作用0AR公式：单位：2/Wm（能量守恒）0A0T透射系数：；吸收系数：反射系数：0RR散射系数：；01TR记：2.光子与固体材料相互作用的微观机制实际上是光子与固体材料中的原子、离子、电子等的相互作用。本质有两种方式——（1）电子极化电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量；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；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。正是因为介质的极化“拖住”了电磁波的步伐，使其传播速度比真空中慢，导致折射产生。（2）电子能态转变光子被吸收和发射，都可能涉及到固体材料中电子能态的转变。原子吸收了光子能量之后，可能将Ei能级上的电子激发到能量更高的Ej空能级上，电子发生的能量变化ΔE与电磁波的频率有关：ΔE=hνij式中：h为普朗克常量，νij为入射光子的频率。4.1.2.1.材料折射率及其影响因素1.光在真空中沿着直线传播。光子进入材料，其能量将受到损失，因此光子的速度将要发生改变,传播方向也发生变化即产生折射。当光从真空进入较致密的材料时，其速度下降。折射率:光在真空和在材料中的速度之比，称为材料的折射率n。光从材料l通过界面进人材料2时，与界面法线所形成的入射角为θ1，折射角为θ2，则材料2相对材料l的相对折射率为相对折射率:材料的折射率是永远为大于1的正数（原因：光与原子作用导致电子极化，使光速变慢。）。例如空气：n=1.003;固体氧化物：n=1.3~2.7;硅酸盐玻璃：n=1.5~1.9材料材料真空cn/21122121sinsinnnn（1）构成材料元素的离子半径。材料的折射率随原子半径的增加而增加。由材料折射率的定义和光在介质中的传播速度，可以导出材料的折射率式中：εr和μr分别为材料的相对介电常数和相对磁导率。因陶瓷等无机材料μ≈1，故因此材料的折射率随介电常数增大而增大。而介电常数与介质的极化有关。当电磁辐射作用到介质上时，其原子受到电磁辐射的电场作用，使原子的正、负电荷重心发生相对位移，正是电磁辐射与原子的相互作用，使光子速度减弱。为了进一步说明影响介质折射率的因素，由克劳修斯-莫索堤方程：2.影响折射率n值的因素：rrnrn该式说明单位体积中原子的数目越多，或结构越紧密，则折射率越大。在讨论电子位移极化时，依据玻尔原子模型，经典理论计算出了电子的平均极化率：由于介质的折射率随组成固体的原子的电子极化率的增加而增加，因此材料的折射率随原子半径的增加而增加。3034Re由此可以推论，大离子可以构成高折射率的材料，如PbS，其n=3.912；而小离子可以构成低折射率的材料，如SiCI4，其n＝1.412。iiirrN03121（2）材料的结构、晶型和非晶态（离子的排列）光学均质介质：非晶态（无定型体）、立方晶体（各向同性）光学非均质介质：立方晶体外的其它晶体材料光通过时，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。晶体中沿密堆积方向上具有最高的折射率。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(o光)非常光(e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而变化,不服从折射定律。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。（4）同质异构体。一般情况下，同质异构材料的高温晶型原子的密堆积程度低，因此高温晶型的折射率较低，低温晶型原子的密堆积程度高，因此其折射率较高。（3）材料存在的内应力：例如：常温下的石英晶体，n=1.55，高温时的鳞石英，n=1.47，方石英n=1.49。可见常温下的石英晶体n值最大。。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。3.色散a)定义：材料的折射率随入射光的频率的减小(或波长的增加)而减小的性质，即是材料的折射率对波长的变化率,称为折射率的色散。在给定入射光波长的情况下，材料的色散为:色散=dn/dλb)表示：色散系数νd，也叫阿贝数，这是最常用的数值。色散系数越高越好.nD：是指用钠光谱中的D线（λD=589.3nm，黄色）为光源测出的折射率。nF：是指用氢光谱中的F线（λF=486.1nm，蓝色）为光源测出的折射率。nC：是指用氢光谱中的C线（λC=656.3nm，红色）为光源测出的折射率。CFddnnn1c)原理：频率不同导致介质极化强度不同；极化强度不同导致折射率不同。d)应用：由于光学玻璃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。用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜组成复合镜头，可以消除色差，这叫做消色差镜头。注：折射率的大小与入射光波长有关。材料的折射率n随入射光波长的降低而减小，所以，谈材料的折射率时必须指出所用的光的波长。一般常用nD来比较不同材料的折射率。4.1.2.2材料的反射系数及其影响因素当光从二种不同介质通过时，要发生反射和折射。其中反射是电子吸收光子能量，由高能级又返回低能级时发射出的的电磁波。当一束自材料1垂直入射到材料2上的光线，反射系数R：122122121,11nnnnnR这表明在垂直入射的情况下，光在界面上的反射率取决于两种介质的相对折射率n21。如果介质1为空气，可以认为nl=1，则n2l=n2；如果nl和n2相差很大，那么界面反射损失就严重；如果nl=n2，则R=0，因此在垂直入射的情况下，几乎没有反射损失。介质的折射率与波长有关，因此同一材料对不同波