材料性能与测试课件第十二章材料的光学性能

中南大学粉末冶金研究院曾凡浩§目录§12.1线性光学性能a基本概念和性能指标b应用及影响因素§12.2非线性光学性能a概念和产生条件b应用和测试§引言光学材料是功能材料的重要部分。激光、光通讯、光电一体化等。利用材料的光学性能和各种不同的用途有关。其中比较重要的是那些用作窗口、透镜、棱镜、滤光镜、激光器、光导纤维等的以光学性能为主要功能的光学玻璃、晶体等。有些特殊用途的光学零件，例如高温窗口、高温透镜等，需采用透明陶瓷材料，例如成功地应用在高压钠灯灯管上的透明陶瓷。因为它需要能承受上千度的高温，以及钠蒸气的腐蚀，对它的主要光学性能要求是透光性。线性光学的概念：介质的电极化强度P与入射光波中的电场E成简单的线性关系。§12.1线性光学性能1.基本概念x为介质的极化率，0位真空介电常数。Einsten光电方程：光在传播过程中具有波动的特性，光能量是集中在一些叫做光量子(简称光子)的粒子上．产生光电效应的光是光子流，单个光子的能量与频率成正比即电磁波在真空中速度c为3×108m/s。c和真空介电常数、真空磁导率关系：光的波粒二象性/hchvE001c光在介质中传播时，其速度：相对介电常数和相对磁导率在讨论光与材料相互作用产生的反射、透射、折射等现象时，应用光的粒子性容易理解；讨论光波在介质中的传播、衍射等现象时应用光的波动性方便。rrc1电磁波谱光从一种介质进入另一种介质，例如从空气进入透明介质时，一部分透过，一部分被吸收，一部分在两种介质的界面上被反射，还有一部分被散射。微观分析，光和固体材料中原子、电子、离子等的相互作用：电子极化－电子云和原子核电荷重心发生相对位移，导致光的一部分能量被吸收，减小光速，产生折射；电子能态转变－吸收能量，受激电子回基态发射电磁波。光与固体相互作用2.1折射率一、绝对折射率当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。光在真空和材料中的速度之比即为材料的绝对折射率。2.性能指标介质的折射率永远为大于1的正数。材料2相对于材料1的相对折射率为：21211221sinsinvvnnn分别表示光在材料1和材料2种的传播速度。折射率n11折射率n22二、相对折射率折射定律：n1sin1=n2sin2光从材料1通过界面传入材料2时，与界面法向所形成的入射角1、折射角2与两种材料的折射率n1和n2之间的关系为：三、折射率的影响因素（1）构成材料元素的离子半径根据Maxwell电磁理论，光在介质中的传播速度为：对于无机材料：cvnc：真空中的光速；：介质的介电常数；：介质的导磁率。1,1n介质的折射率随其介电常数的增大而增大。折射率与介质的极化现象有关。介电常数外加电场作用下，介质中的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，这种现象就是介质的极化。外加电场越强，正负电荷中心的距离越大。介质的离子半径增大时，其增大，因而n也随之增大。大离子得到高折射率材料：PbSn=3.912小离子得到低折射率材料：SiCl4n=1.412（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）、等轴系晶体（各向同性）光学非均质介质：等轴系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。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；相同化学组成的玻璃比晶体的折射率低。如：室温下，石英玻璃：n=1.46石英晶体：n=1.55（3）材料的内应力表1各种玻璃和晶体的折射率2.2：色散材料的折射率n随入射光的频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为折射率的色散。色散=，几种材料的色散见图12.1。色散值可以直接由图确定。常用的色散系数为式中nD、nF和nC分别为以钠的D谱线，氢的F谱线和C谱线（5893Å、4861Å和6563Å）为光源，测得的折射率。图12.1晶体和玻璃的色散2.3反射当光线由介质1入射到介质2时，光在介质面上分成了反射光和折射光，所图11.2所示。图12.2光的反射反射系数R1－R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n21;假设透过x个界面，则透过部分(1-R)x,反射损失很大；采取措施:折射率相近的的胶粘合，减小n21，减小界面反射损失；当光线从光密介质进入光疏介质中时，折射角r大于入射角i，当i为某个值时，r可达90°，相当于光线平行于表面传播，对于任意更大的i值，光线全部向内反射回到光密介质内。其临界角为：典型应用：光纤通讯假设n=1.5，临界角约为42o。ni/1sin临界2.4全反射光线通过介质时，引起介质的价电子跃迁或使原子振动而消耗能量，此外，介质中的价电子还可能吸收光子能量而激发，当尚未退激而发出光子时，在运动中与其他分子碰撞，电子的能量转化成分子的动能，从而造成光能的衰减，即材料对光的吸收。2.5吸收系数xeII0Lambert定律：吸收系数：xInIInI/0吸收分选择性吸收和均匀吸收。选择性吸收即对某些波长的光的吸收不一样。一切介质都是选择性吸收介质。图12.3不同材料对光的吸收率和入射光波长的关系光波遇到不均匀结构产生与主波方向不一致的次级波，与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向，从而引起散射。其减弱规律为：sxeII02.6散射S:散射系数和质点尺寸有关图12.4质点尺寸对散射系数的影响透光性概念：材料可以使光透过的性质。透光性是个综合指标，即光通过介质材料后剩余光能所占的百分比，光的能量可以用照度表示。光学玻璃、显示屏等3.线性光学性能影响因素及应用3.1透光材料图12.5光透过介质时的吸收和损失表面反射损失＋吸收损失＋散射损失＋反射损失：穿出光强：xSeRII)(20)1(上述分析表明，影响材料透光性的因素主要是材料的吸收系数、反射系数及散射系数．其中吸收系数与材料的性质密切相关。散射系数是影响材料透光性的主要因素，相同条件下比吸收系数大许多倍，表现在以下几个方面：(1)材料的宏观及显微缺陷夹杂掺杂(2)双折射的影响(3)气孔引起的散射损失常用的透光晶体当光的反射是指材料表面光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。陶瓷中大多数表面并不是十分光滑的，因此当光照射到粗糙不平的材料表面上时，发生相当的漫反射，其原因是材料表面粗糙，在局部地方的入射角参差不一，反射光的方向也各式各样。材料表面愈粗糙，镜反射所占的能量分数愈小。光泽度与镜反射和漫反射的相对含量密切相关。主要由折射率和表面光洁度决定。3.2光泽度图12.6光镜面反射与漫反射(a)釉或搪瓷(b)毛玻璃或瓷体高度乳浊（不透明性）：要求光在达到具有不同光学特性底层之前被漫反射掉。建筑陶瓷中加入第二相粒子－乳浊剂(TiO2、SnO2、ZrSiO4)。对乳浊剂的要求是：不能和玻璃相反应、体积分数高、尺寸和入射光波长相当、相对折射率n21大。3.3不透明性和半透明半透明性乳白玻璃和半透明瓷器及釉的一个重要光学性质是半透明性，即除了由玻璃内部散射所引起的漫反射以外，入射光中漫透射的分数对于材料的半透明性起着决定作用。对于乳白玻璃最好是具有明显的散射而吸收最小，这样就会有最大的漫透射。最好的方法是在这种玻璃中掺入和基质材料的折射率相近的NaF和CaF2。减少散射，增加漫透射。单相氧化物陶瓷的半透明性是它的质量标志，在这类陶瓷中存在的气孔往往具有固定的尺寸，因而半透明性几乎只取决于气孔的含量。获得半透明体的方法：(1)降低气孔的含量，使物体致密化，减少散射。(2)细化晶粒尺寸，在微米级范围。(3)调整各个相的折射率使之有好的匹配。电子受激跃迁造成吸收，但回到基态发射光子，波长不一定等于吸收光波长，透明材料的颜色是有混合波的颜色决定。例如：蓝宝石(单晶Al2O3)无色，红宝石(掺Cr2O3)是引入Cr3＋杂质能级，造成选择性吸收波长0.4μm的蓝紫光和波长0.6μm的黄绿光，显红色。着色除了解光谱对应外，还注意亮度、色调和饱和度。陶瓷材料的着色由于着色剂选择性吸收引起的反射透射从而显色。3.4透明材料的着色透明尖晶石陶瓷(MgAl2O4)应用在光学、电子、结构方面，如：可见到中红外透明窗口和头罩、装甲材料、各种高温高压以及腐蚀性环境下的设备观察窗口、瓦斯探测器窗口、高温锅炉水位计、高温高压设备的观测窗口、商品条码扫描仪窗口、井下探测用的传感器、各种护目镜片、陶瓷卤灯。透明尖晶石陶瓷(1)荧光材料：荧光灯、阴极射线管、荧光屏、计数器、发光二极管(LED)等。常用激发源有：电子、X射线、紫外线等(2)偏光材料：液晶显示应用的偏振片(PVA聚乙烯醇)(3)电光与声光材料：外加电场引起材料折射率或者光吸收变化叫电光；如铁电的电控双折射；声波引起材料弹性变形，从而导致折射率随时间空间周期变化叫声光；如光调制器。3.5其它线性光学性能应用的材料荧光和磷光电子受到激发，能级跃迁，返回基态时发射光子，如果光子波长在可见光范围内(能量在1.8-3.1eV)，产生发光现象，与热辐射发光想区别，成为冷发光。冷发光分为荧光和磷光。发光时间区别。前者10-8s内。后者发光时间长些，如雷达扫描显示器的荧光剂Zn2SiO4，激活剂是Mn，发射波长530nm黄绿光，余辉时间2.45×10-2s。一些磷光材料电子激发：彩电用－ZnS:Ag(蓝)ZnS:Cu/Al(黄绿)Y2O3:Eu(红)。紫外线激发：荧光灯－BaMg2Al16O17:Eu(蓝)LaPO4:Ce(黄绿)Y2O3:Eu(红)。X射线激发：感光纸－CaWO4(蓝)Gd2O2:Tb(绿)非线性光学的发展和激光技术密切相关。激光的历史已有100多年。远在1893年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。1958年美国贝尔实验室科学家肖洛和汤斯发现了一种奇怪的现象：当他们将闪光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。由此他们提出了“激光原理”，受激辐射可以得到一种单色性、亮度又很高的新型光源。同年发表关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础(获得1964年诺贝尔物理奖)。1960年，美国人梅曼(T.H.Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用红宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光。1965年，第一台可产生大功率激光的器件--二氧化碳激光器诞生。1967年，第一台Ｘ射线激光器研制成功。1997年，美国麻省理工学院的研究人员研制出第一台原子激光器。§12.2非线性光学性能西奥多·梅曼(TheodoreMaiman),1927–2007在激光作用下．介质的电极化强度与入射光场强的关系为一般的幂级数关系，即非线性光学现象有光学谐波、光学和频与差频、光学参量放大与振荡、光束自聚焦、受激光散射、双光子吸收、多光子吸收、多光子电离、多光子荧光