3--材料的光学性能-

回顾与总结光的现象光的微粒说（牛顿）光的波动说（胡克，惠更斯）光的电磁说（麦克斯韦）光的波粒二象性（普朗克，爱因斯坦）光的直线传播光的干涉光的衍射电磁波谱光谱3.1光传播的基本性质光的波粒二象性光色波长(nm)频率(Hz)中心波长(nm)红760~622660橙622~597610黄597~577570绿577~492540青492~470480兰470~455460紫455~4004301414108.4~109.31414100.5~108.41414104.5~100.51414101.6~104.51414104.6~101.61414106.6~104.61414105.7~106.6可见光七彩颜色的波长和频率范围人眼最为敏感的光是黄绿光，即nm555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。衍射(diffraction)(绕射):当光波传播遇到障碍物时，在—定程度上能绕过障碍物而进入几何阴影区，这种现象称为衍射。图3-2激光狭缝衍射实验3.1.３光通过固体的现象（思考）折射（光速的变化）反射（能量的变化）吸收（能量的变化）散射（能量的变化）透过（能量）①②③④Ｉx①界面１反射②吸收③散射④界面２反射界面１界面２I0I1I２3.1.3光通过固体现象RA01RT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。电子能态转变电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能态的过程；材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化∆E与电磁波频率有关：∆E=hν受激电子不可能无限长时间地保持.在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波，即自发辐射。原子的能级和晶体的能带图3-4孤立原子吸收光子后电子态转变示意图3.2光的反射和折射一、折射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折射率。cn材料真空式中：和分别表示光在材料1及2中的传播速度，为材料2相对于材料1的相对折射率。22212112ccnnn1221n如果光从材料1，通过界面传入材料2时，与界面法向所形成的入射角i，折射角r与两种材料的折射率n1和n2有下述关系：折射定律三线共面；21211221sinsinnvvnn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。介质的n总是大于1的正数，例如空气，固体氧化物n=1.3~2.7，硅酸盐玻璃。折射率与两种介质的性质和入射光的波长有关。波长越长，折射率越小。0003.1n9.1~5.1n3.2.2折射率的影响因素1．构成材料元素的离子半径麦克斯韦电磁波理论认为光在介质中的传播速度为：c式中：C—真空中光速，ε—介质介电常数，—介质导磁率cn对于无机材料电介质，故当离子半径增大时，其ε增大，因而n也增大。因此，可以用大离子得到高n的材料，，用小离子得到低n的材料，如。1,12/1n912.3pbSn412.14sicln2．材料的结构、晶型和非晶态象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。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。双折射是非均质晶体的特性，这类晶体的所有光学性能都和双折射有关。上述两条折射光线，平行于入射面的光线的折射率，称为常光折射率n0，不论入射光的入射角如何变化，n0始终为一常数，因而常光折射率严格服从折射定律。另一条与之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，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。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。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，称为光的色散(dispersion)。凡在可见光范围内无色透明的物质，它们的色散曲线在形式上很相似，这些曲线的共同特点是，折射率n以及色散率dn/dλ的数值都随着波长的增加而单调下降，在波长很长时折射率趋于定值，这种色散称为正常色散（normaldispersion）。测量不同波长光线通过棱镜的最小偏向角，就可以算出棱镜材料的折射率n与波长λ之间的关系曲线，即色散曲线。6-5光的色散实验表明，在发生强烈吸收的波段，色散曲线发生明显的不连续，折射率n随着波长的增加而增大，即dn/dλ0，这种在吸收带附近与正常色散曲线大不相同的特征称之为反常色散（anomalousdispersion）尽管通常把这种色散称为反常色散，但实际上它反映了物质在吸收区域内所普遍遵从的色散规律。6-6图3-11几种材料的色散通常采用固定波长下的折射率来表达，色散系数(abbenumber)常用倒数相对色散，即式中nD,nF和nC分别为以钠的谱线、氢的F谱线和C谱线(589.3nm，486.1nm和656.3nm)为光源，测得的折射率。ddn色散CFDnnn1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（reflectioncoefficient）为：2212111nnR1221nnn为了减小反射损失，经常采取以下措施：(1)透过介质表面镀增透膜。(2)将多次透过的玻璃用折射率与之相近的胶将它们粘起来，以减少空气界面造成的损失。3.3材料对光的吸收在光束通过物质时，它的传播情况将要发生变化。首先光束越深入物质，它的光强将越减弱，这是由于一部分光的能量被物质所吸收，而另一部分光向各个方向散射所造成的，这就是光的吸收和散射现象。如图所示，光强为I0的单色平行光束沿x轴方向通过均匀物质，在经过一段距离x后光强已减弱到I，再通过一无限薄层dx后光强变为I+dI(dI0)。实验表明，在相当宽的光强度范围内，-dI相当精确地正比于I和dx，即l+dlldxlII+dI光的吸收规律式中α是与光强无关的比例系数，称为该物质的吸收系数（absorptioncoefficient）。于是，上式是光强的线性微分方程，表征了光的吸收的线性规律。3.3.1吸收系数与吸收率leIIdlIdI0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。材料对光的吸收机理禁带较宽的介电固体材料也可以吸收光波，但吸收机理不是激发电子从价带跃迁到导带，而是因其杂质在禁带中引进了附加能级，使电子能够吸收光子后实现从价带到受主能级或从施主能级到导带的跃迁。研究物质的吸收特性发现，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。金属对光能吸收很强烈。这是因为金属的价电子处于未满带，吸收光子后即呈激发态，用不着跃迁到导带即能发生碰撞而发热。在电磁波谱的可见光区，金属和半导体的吸收系数都是很大的。但是电介质材料、包括玻璃、陶瓷等无机材料的大部分在这个波谱区内都有良好的透过性，也就是说吸收系数很小。这是因为电介质材料的价电子所处的能带是填满了的。它不能吸收光子而白由运动，而光子的能量又不足以使价电子跃迁到导带，所以在一定的波长范围内，吸收系数很小。3.3.2光的吸收与波长的关系图3-9金属、半导体和电介质的吸收率随波长的变化chhEgmEhcg129.010602.16.91031063.619834吸收可分为选择吸收和均匀吸收。例如，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，这种现象为一般吸收；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。选择吸收和均匀吸收用具有连续谱的光（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，这表明某些波长或波段的光被吸收了，因而形成了吸收光谱（absorptionspectrum）。吸收光谱图3-10金刚石和石英在紫外至远红外区的吸收光谱3.4光的散射3.4.1散射的一般规律光在通过气体、液体、固体等介质时，遇到烟尘、微粒、悬浮液滴或者结构成分不均匀的微小区域，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开来，这种现象称为光的散射。例如，当一束太阳光从窗外射进室外内时，我们从侧面可以看到光线的径迹，就是因为太阳光被空气中的灰尘散射的缘故。llsaeIeII)(00I0为光的原始强度；I为光束通过厚度为l的试件后，由于散射，在光前进方向上的剩余强度；αa、αs分别称为吸收系数和散射系数(scatteringcoefficient)，是衰减系数的两个组成部分。图3-12质点尺寸对散射系数的影响3.4.2弹性散射和非弹性散射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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：散射前后光的波长（或光子能量）发生变化的散射，称为非弹性散射。参量σ与散射中心尺度大小a0有关，按a0与入射光波长λ的大小比较，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。1sI3.4.2弹性散射和波长的关系2.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。3.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（Rayleighscattering）。瑞利散射不改变原入射光的频率。图3-13瑞利散射强度与波长的关系按照瑞利散射定律，我们不难理解晴天时晨阳与午阳的颜色不同。入射波长越长，散射光强越小，即长波散射要小于短波散射。因为大气及尘埃对光谱上蓝紫色光的散射比红橙色光为甚，阳光透过大