材料物理性能6(140)

第五章材料的光学性能主讲：胡木林2016年10月《材料物理性能》5.1概述5.2光传播的基本理论光的现象光的微粒说光的波动说光的电磁说光的波粒二象性光的直线传播光的传播速度光的反射光的折射光的干涉光的衍射电磁波谱光谱?5.2.1波粒二象性介电常数磁导率（1）光是一种电磁波（2）光波是一种横波(偏振性)（3）偏振性是横波的特有性质5.2.2光的电磁性电磁辐射由于人的视觉、植物的光合作用，以及绝大多数测量光波的仪器对光的反应主要是光波中的电场所引起，磁场对介质的作用远比电场弱，因此讨论光波时往往只考虑电场的作用，所以电场强度矢量被直接作为光矢量。光波的电矢量的振动只确定在某个确定方向称为平面偏振光，亦称线偏振光。光波的电矢量在垂直光传播方向的平面内随时间规则变化的轨迹呈椭圆或圆，被分别称为椭圆偏振光、圆偏振光。光波在垂直光传播方向的平面内电矢量振动取向机会均等，称为自然光。光波振动的数学表达式：EEcos(t)002电磁波光谱•可见光(visiblelight)——能够引起人的视觉的电磁波。nm~390760光的波动性主要表现在它有干涉和衍射及偏振等特性。双光束干涉就是指两束光（同频率、同振动方向）相遇以后，在光的叠加区，光强重新分布，出现明暗相间、稳定的干涉条纹。5.2.3光的干涉和衍射当光波传播遇到障碍物时，在一定程度上绕过障碍物（尺寸与波长相近）而进入几何阴影区，这种现象称为衍射。爱因斯坦提出电磁场（或光场）的能量是不连续的，其数值为：式中，ν为光波电磁场的频率；h为数值很小的普适常数，称为普朗克常数。总之，光既可看成为光波又可看成光子流。光子是电磁场能量和动量量子化的粒子，而电磁波是光子的概率波。光作为波的属性可以用频率和波长来描述，而作为光子的属性则可以用能量和动量来表征。波动性和粒子性的统一就定量地反应在爱因斯坦两个等式之中5.2.4光子的能量和动量hv/hp光波入射到两种媒质的分界面以后，如果不考虑吸收、散射等其它形式的能量损耗，则入射光的能量只在两种介质的界面上会发生反射、折射。5.3光的反射和折射（1）光在均匀介质中直线传播，在不同的介质中具有不同的传播速度。（2）光在两种介质的分界面时遵守反射、折射定律。（3）光路可逆5.3.1反射定律和折射定律及其影响因素5.3光的反射和折射1.光通过固体现象光从一个介质进入到另一个介质时，将发生透射、反射、吸收和散射现象。入射光的能流率等于透射、反射、吸收和散射能流率之和。Φ0=Φτ+Φα+Φm+Φs透射、反射、吸收和散射能流率相对于入射光所占的比率分别被称为透射系数τ、反射系数α、吸收系数m和散射系数s。τ+α+m+s=12.反射定律和折射定律5.3光的反射和折射（1）构成材料元素的离子半径当离子半径增大时，其ε增大，因而n也增大。陶瓷等无机材料的相对磁导率约等于13.材料折射率的影响因素rrnrn（3）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。（4）同质异构体在同质异构材料中，高温时的晶型折射率n较低，低温时存在的晶型折射率n较高。（2）材料的结构、晶型和非晶态非晶态和立方晶体这些各向同性材料，当光通过时，光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折射率，称为均质介质。但是除立方晶体以外的其他晶型，都是非均质介质（双折射现象）。惠更斯原理：光波波前（最前沿的波面）上的每一点都可以看做球面次波源。Δt时间后，无数个次波的包络就是新的波前。5.3.2折射率与传播速度的关系导出反射定律和折射定律。折射定律：光速与折射率成反比。vtvnsinnsinvtvn112212215.3.2折射率与传播速度的关系折射定律：•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。•材料的折射率从本质上讲，反映了材料的电磁结构（对非铁磁介质主要是电结构）在光波作用下的极化性质或介电特性。vnsinansinvn122121ncv5.3.3反射率和透射率反射率：反射光的功率与入射光的功率之比。透射率：透射光的功率与入射光的功率之比。光的反射率和透射率与光的偏振方向有关，并随入射角度而变化。光是横波，在垂直于传播方向上，电矢量可以取任何方向。因此，可以分解成两个相互垂直的线偏振分量。即振动方向垂直于入射平面的s分量和振动方向平行于入射平面的p分量。当入射角和反射角之和为π/2时，反射光没有平行入射面的矢量。此时的入射角称为布儒斯特角。利用布儒斯特角可以产生偏光。反射率：sWsin()RWsin()22p//Wtan()RWtan(22）垂直入射时：5.3.4光的全反射和光导纤维当光从光密介质进入到光疏介质，当入射角达到某一角度时，不再有折射光线，光线被全部反射的现象，称为全反射。全反射临界角：21Cnsinn光纤结构示意图5.3.5棱镜、透镜和反射镜棱镜主要用于分光和偏转光的方向；透镜主要是两个球面或曲面包围而成的透明光学材料，主要用于聚光和成像；反射是指材料表面洁度非常高的情况下的反射，反射光线具有明确的方向性，一般称之为镜反射。漫反射是由于材料表面粗糙，在局部的入射角不同。5.4材料对光的吸收和色散•一束平行光照射各向同性均质的材料时，除了可能发生反射和折射而变其传播方向之外，进入材料之后还会发生两种变化。•一是光吸收•二是光的色散dIadlIaleII05.4.1光的吸收1.吸收系数与吸收率朗伯特（Lambert）定律：在价质中光强随传播距离呈指数衰减。当光的传播距离达到1/a时，强度衰减到入射时的1/e。a越大材料越厚，光就被吸收得越多，透过光的强度越小。产生光吸收的原因：光作为一种能量流，在穿过介质时，引起介质的价电子跃迁，或使原子振动而消耗能量。此外介质中的价电子吸收光子能量而激发，当尚未退激时，在运动中与其它分子碰撞，电子的能量转变为分子的热动能，从而造成光能的衰减。任何物质都只对特定的波长范围表现为透明，而对另一些波长范围则不透明。一：金属对光吸收较强----金属的价电子处于未满带，吸收光子后即呈激发态，无需跃迁到导带即能产生碰撞而发热。二：电介质材料，如玻璃、陶瓷等具有较好的透过性----电子质材料的价电子所处的能带是满带。它不能吸收光子而自由运动，而光子的能量又不足以使价电子跃迁到导带，所以在一定波长内，吸收率数小。三：紫外光，能量大，半导体电子就会吸收能量从满带跃迁到导带，此时吸收系数大，禁带宽度Eg为:2光吸收与波长的关系chhvEgchhvEg•除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。•在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象为均匀吸收；但在3.5—5.0μm的红外光，石英表现为强烈吸收，且吸收率随波长的变化剧烈变化，这种同一物质对不同波长的吸收系数变化的现象为选择吸收。均匀吸收和选择吸收普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线、紫外线都有强烈的吸收，是不透明的。在红外光谱仪中，棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶体和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，棱镜常用对紫外线透明的石英制作。实际上，任何光学材料，在紫外和红外端都有一定的透光极限。任何物质都有这两种形式的吸收（一般吸收和选择吸收）只是出现的波长范围不同而已。•红外吸收光谱：研究离子间的弹性振动。•紫外吸收光谱：研究半导体的禁带宽度。2112CS()MM吸收光谱chhvEg5.4.2光的色散材料的折射率随入射光的频率减小（或波长的增加）而减小的性质，称为折射率的色散。在给定入射波长下，材料的色散：ddn色散CFDnnn1最常用的数值是倒数相对色散，即色散系数：描述光学玻璃的色散常用，平均色散：CFDnnn1FCnnD,FCnn,n分别为以钠的D谱线、氢的F谱线和C谱线为光源测得的折射率。经典色散理论：（阻尼受迫振子模型）介质原子的电结构被看成是正负电荷之间由一根无形的弹簧束缚在一起的弹性振子。在光波电磁场的作用下作受迫振动，振动的相位与振子的固有频率和光波频率有关。受迫振动的振子作为次波源向外发射散射波，由于固体和液体中的这种散射中心密度很高，振子散射波的相互干涉，使得次波只沿原来入射光波方向前进。次波和入射波叠加，使得合成波的在介质中的传播速度与入射光波的频率有关，导致介质对不同频率的光有着不同的折射率。由于折射率与原子紧密堆积有关，所以对于各向异性材料，在不同的方向上表现出不同的折射率值，因此，当单色光束通过各向异性介质的表面时，由于在各方向上的折射程度不同，折射光会分成两束沿着不同的方向传播。这种现象称为双折射。5.5晶体的双折射和二向色性5.5.1双折射通过改变入射光线的方向，可以找到在晶体中存在一些特殊方向，沿这些方向传播的光并不发生双折射，这些特殊方向称为晶体的光轴。主截面：光轴和光的传播方向构成的平面。上述两条折射光线，光矢量垂直于主截面的光线的折射率，称为寻常光折射率n0，不论入射光的入射角如何变化，n0始终为一常数，因而寻常光折射率严格服从折射定律。另一条光矢量平行于主截面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，它不遵守折射定律，随入射光的方向而变化。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，此值是材料的特性。寻常光和非常光都是线偏振光，不过它们的电矢量振动方向不同。寻常光的振动方向垂直于主截面(光轴和传播方向构成的平面)，而非常光的振动方向平行于主截面(不一定都平行于光轴)。5.5.2双折射现象的解释5.5.3折射率椭球5.5.4偏振元件偏振片，四分之一波片，二分之一波片等实现光束偏振状态的改变。5.5.5二向色性偏振片晶体结构的各向异性不仅能产生折射率的各向异性（双折射），而且能产生吸收率的各向异性，这一性质被称为二向色性。5.6.1散射与其他光学现象的关系光通过含有烟尘、微粒、悬浮液滴或成分不均匀的介质时，都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散，这种现象为光的散射。这比单一吸收衰减（朗伯特定律）更快。5.6介质的光散射光衰减规律：光散射强度：aS()llIIeIe00SlIIe0散射系数与散射质点的大小、数量以及散射质点与基体的相对折射率有关。根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，分为弹性散射与非弹性散射。非弹性散射要比弹性散射低几个数量级•弹性散射：散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化，只改变方向的散射。•非弹性散射：当光通过介质时，从侧向接受到的散射光主要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散射。当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪，可以发现散射光中还有其它光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱地多。这些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果，称为非弹性散射。5.6.1散射与其他光学现象的关系一、弹性散射分类按照散射中心尺度a0与入射光波长λ是大小，分为三类：1.廷德尔散射TyndallScattering(J.Tyndall，1820-1893)当a0»λ时，σ→0即散射中心的尺度远大于光波波长时，散射光强与入射光波长无关如粉笔灰、白云呈白色例如在胶体、乳浊液以及含有烟、雾或灰尘的大气中的散射。SI12.米氏散射MileScattering当a0与λ相近时，σ=0～4即散射中心的尺度与光波波长可以比拟时，σ在0～4之间,具体取值与散射中心有关.米氏散射性质比较复杂。SI13.瑞利散射Rayleighscattering•当a0«λ时，σ=4即当散射中心的线度远小于入射光的波长时，散射强度与波长的4次方成反比•通常我们把线度小于光的波长的微粒对入射光的散射，称为瑞利散射（Rayleighsca