材料的光学性能.ppt

第十一章第十一章 材料的光学性能材料的光学性能 11.1 光通过介质的现象11.2 无机材料的透光性11.3 界面反射与光泽11.4 不透明性和半透明性11.5 其它光学性能的应用光学性能的应用基础取之不尽的能源信息载体生命之源引言透光材料激光材料光纤材料（导光材料）发光材料光调制材料（电光、磁光、声光材料）光电材料光信息材料非线性光学材料光学材料分类光参量光具有波粒二象性，既有波动性，又有粒子性。照片底片感光、眼睛的视觉作用等都是由光波电场引起，所以用图形表示光波时，通常略去磁场不画，只画电场。波长（）：两相邻波峰或波谷间的距离，亦即在周期性波动的传播方向上具有相同相位的两相邻点之间的距离，即波的空间周期。Einsten光电效应方程：频率（）：每秒钟电场完成振动周期的次数（Hz）。相位：在一个转动周期或一个波长范围内，各点位置的度量，它是综合频率、时间、波长、距离在内的一个角度量。是描述振动和波动状态的一个综合性波参量。振幅：光波中振动着的电场的最大值。光强的大小与振幅的平方成正比，因此振幅的大小决定着光的强弱。线性光学性能描述普通光学现象的重要公式表现出数学上的线性特点，即介质的电极化强度P与入射光波的电场E成简单的线性关系。x为介质的极化率，0位真空介电常数。11.1 光通过介质的现象一、折射二、色散三、反射四、介质对光的吸收五、介质对光的散射一、折射1.概念当光线依次通过不同的介质时，光的行进方向会发生改变，称为“折射”。折射现象的实质：介质的密度不同，光通过时，传播速度也不同。2.折射率介质对光的折射性质用材料的“折射率”n表示。光从真空进入介质材料时，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。（1）绝对折射率介质的折射率永远为大于1的正数。空气：n=1.003固体氧化物：n=1.32.7硅酸盐玻璃：n=1.51.9材料2相对于材料1的相对折射率为：分别表示光在材料1和材料2种的传播速度。折射率n11折射率n22（2）相对折射率折射定律：n1sin1=n2sin2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：2.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：c：真空中的光速；：介质的介电常数；：介质的导磁率。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：PbS n=3.912小离子得到低折射率材料：SiCl4 n=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。v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；v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）材料的内应力二、色散1.概念材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为折射率的色散。2.色散系数nD，nF，nC分别为以钠的D谱线、氢的F谱线和C谱线（5893，4861，6563）为光源，测得的折射率描述光学玻璃的色散还用平均色散（nF-nC）实用的测量色散的方法是采用固定波长下的折射率来测量，描述材料色散的光学参量最常用的数值是倒数相对色散，即色散系数。在自然光的透过下，在像的周围环绕一圈色带，克服的办法是用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸、凹透镜组成复合镜头，可消除色差，这种镜头就是消色差镜头。3.讨论由于光学玻璃一般都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，三、反射1.反射系数反射系数m：W，W，W分别为单位间内通过单位面积的入射光、反射光和折射光的能量流。W=W+W透射系数1-m：根据波动理论：S、v分别为光束的横截面积和传播速度A为振幅反射波的传播速度与横截面积与入射波相同Fresnel推导：角度很小，即垂直入射时：介质2相对于介质1的折射率：反射系数m与折射率n有关，若介质2对于介质1的相对折射率为n21，当角度很小，即垂直入射时，则有：2.讨论v垂直入射条件下，界面反射的多少，取决于相对折射率n21；v介质1为空气，可以认为n1=1，于是n21=n2；vn1和n2相差很大，界面反射损失严重；v若n1=n2，则m=0，垂直入射时几乎没有反射损失；v光通过的界面越多，界面反射就越严重。光连续透过x块反射率为m的介质时，透过部分为(1-m)2x。例：玻璃的折射率n=1.5 光的反射损失：透过部分为：1-m=1-0.04=0.96 透射光从另一界面射入空气，透过两个界面，透过部分为：(1-m)2=0.962=0.9216 连续透过x块平板玻璃，透过部分为：(1-m)2x陶瓷和玻璃等材料的折射率比空气大，所以光从空气进入这些材料时，反射损失严重。由多块玻璃组成的透镜系统，常常用折射率和玻璃相近的胶粘起来，这样除了最外和最内的两个表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面均是玻璃和胶的较小的相对折射率，从而大大减少了界面的反射损失。3.全反射光线从光密介质（玻璃）进入光疏介质（空气）中时，折射角2大于入射角1。当1 为某值时，2可达到90，这时光线平行于表面传播。1 继续增大时，光线就会全部向内反射回光密介质内，这种现象称为全反射。121折射率n11折射率n22111光纤通讯临界角：sini临界=1/n1空气四、介质对光的吸收1.光吸收的一般规律光作为一种能量流，在穿过介质时，其能量的衰减现象，称为光的吸收。厚度为x的平板材料，入射光的强度为I0，通过该材料后光强度为I，则通过材料薄层的吸收损失-dI正比于该处的光强I和薄层的厚度dx。能量衰减使介质的价电子跃迁使介质的原子振动价电子激发发出光子热能（朗伯特定律）(Lambert)光强度随穿过介质厚度的变化符合指数衰减规律。：物质对光的吸收系数，单位为cm-1。K为吸收率。取决于材料的性质和光的波长。越大，材料越厚，光就被吸收的越多，透过后的光强度就越小。不同材料，差别很大。空气：10-5cm-1玻璃：10-2cm-1金属：为几万几十万，所以金属实际上时不透明的。由于吸收引起的光剩余强度为：2.光吸收与波长的关系(1)选择性吸收材料对某一波段的光具有强烈的吸收作用，而对其它波段的光吸收较弱或不吸收，这种现象称为选择性吸收。严格说一切介质都是选择性吸收介质。透明材料在可见光谱内的选择性吸收使其呈现不同的颜色。由于反射和吸收引起的光剩余强度为：反射系数(2)均匀吸收在可见光范围内，介质对各种波长的光的吸收程度相同，这种现象称为均匀吸收。均匀吸收情况下，随着吸收程度的增加，颜色从灰变到黑。光波在材料中遇到光学性能不均匀的结构，如含有小粒子的透明介质、光性能不同的晶界相、气孔或其它夹杂物，都会引起一部分光束被散射，使光束强度降低。本质：光波遇到不均匀结构产生次级波，与主波方向不一致，与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向，引起散射。S：散射系数单为为cm-1。相均匀分布的材料，由于散射引起的光强减弱规律与吸收规律形式相同：1.光散射的一般规律五、介质对光的散射由于吸收和散射引起的光剩余强度为：由于反射、吸收和散射引起的光剩余强度为：I0：光的原始强度；I：透过厚度为x的材料后，由于散射引起的剩余强度。（1）质点大小 d 时，S 最大。d 时，d ，S;散射质点的体积分数不变：2.影响因素散射系数与散射质点的大小、数量以及其与基体的相对折射率等因素有关。当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。反射、折射引起的总体散射起主导作用。散射系数正比于散射质点的投影面积。d 时，N：单位体积内的散射质点数；R：散射质点的平均半径；K：散射因素，取决于基体与质点的相对折射率；V：散射质点的体积含量。d 时，R越小，V越大，S越大。可近似采用瑞利（Rayleigh）散射来处理：主要为米氏（Mie）散射，散射效果主要与粒子横截面积成比例。d/3时，d=时，d 时，n21=n0/ne=1.768/1.761，K 0，S 0，散射损失也很小。反射损失很小应用举例：金红石型TiO2陶瓷n0=2.854，ne=2.567，反射系数为m=2.810-3，材料厚3mm，晶粒平均直径为3m，理论晶界为1000个，由于晶界的反射损失，剩余光强：反射损失很大d时，n21较大，K 较大，S 大，散射损失也较大金红石型TiO2陶瓷不透光的原理各向同性体，立方晶系材料（MgO、Y2O3）没有双折射，本身透明度较高，如果使晶界玻璃相的折射率与主晶相相差不大，有可能得到透明陶瓷材料，实现非常困难。多晶陶瓷的透光率不如同成分的玻璃（非晶态）大，因为玻璃不存在双折射，也就不存在晶界反射和散射两种损失。（3）气孔引起的散射损失气孔可看作第二相，其折射率n1可看作1，与基体材料的折射率n2相差很大，相对折射率n21=n2也较大，所以气孔引起的反射、散射损失比杂质、不等向晶粒排列等因素引起的损失大。（一）材料中气孔的体积分数为0.2%，气孔的平均直径为2m（大于可见光波长0.390.79m)，散射因子为24，则散射系数为：气孔引起的散射损失与气孔的直径有关。应用举例：材料厚3mm：（二）改善烧结工艺（热等静压烧结、热压烧结），使气孔直径减小到0.01m（小于可见光波长的1/3)，即使气孔的含量高达0.63%，Al2O3陶瓷也是透光的。材料厚3mm：提高原材料纯度降低杂质含量三、提高材料透光性的措施 掺加外加剂杂质的折射率与基体的不同，等于在基体中形成分散的散射中心，使S提高。v杂质颗粒大小：d或d从吸收损失考虑，在使用光的波段范围内，要求基体和杂质的吸收系数不能出现峰值。少量MgO+Y2O3、La2O3应用举例：Al2O3少量MgO新生晶粒表面形成MgOAl2O3尖晶石细化晶粒，改善力学性能降低气孔率，提高透光性n=1.72 掺 加 量 过 多，使 反 射 和 散 射 提 高。适 量（0.050.5%）Al2O3氧化物溶于尖晶石中形成固溶体半径大的离子置换半径小的离子，使尖晶石的折射率 提 高，接 近 于 基 体Al2O3的折射率，减少了界面反射和散射。进一步提高Al2O3陶瓷的透光率：离子半径分别为0.65，0.93，1.15 工艺措施降低气孔率，使晶粒定向排列v热压烧结v热等静压烧结v热锻法有利于排除气孔使晶粒定向排列4.3 界面反射与光泽一、镜反射和漫反射二、光泽三、颜色一、镜反射和漫反射（1）镜反射材料表面光洁度非常高时，反射光线具有明确的方向性，称为镜反射。具有镜反射现象的物体只能在反射光线方向才能看见。光的反射使人们能看到自身不发光物体的存在。材料表面粗糙不平时，局部的入射角参差不一，反射光的方向也各式各样，称为漫反射。材料表面越粗糙，镜反射所占的能量分数越小。漫反射使人们在各个方向都能看到物体。（2）漫反射光反射应用举例：雕花玻璃器皿：高折射率，高反射率，装饰效果好。宝石：强折射、高反射，耀眼。通讯用光导纤维：光束总的内反射高。高折射高反射高折射低反射“不可见”窗户：涂层玻璃大小相等，位相相反光泽：与镜反射和漫反射的相对含量密切相关。表面光泽与反射影像的清晰度和完整性，即与镜反射光带的宽度和它的强度有密切的关系。其因素主要由折射率和表面光洁度决定。二、光泽提高表面光泽提高表面光洁度增加表面粗糙度减小表面光泽三、颜色由于光吸收的选择性，导致物体吸收一定波长范围的光，而反射或透射其它波长范围的光，从而使物体呈现出不同的颜色。如：纯铜吸收可见光谱的蓝或紫端的光子，而反射较长波长的可见光，所以，纯铜显红色。光的颜色是人眼对具有不同频率的光的视觉生理反应的结果。眼睛对不同光的视觉灵敏度是随着光的频率（或波长），即光色的不同而变化的。大家都戴着“有色眼镜”哦！4.4 不透明性和半透明性一、不透明性和半透明性二、乳浊剂的成分三、改善乳浊性能的工艺措施四、半透明材料及改善措施一、不透明性和半透明性建筑卫生陶瓷表面常常用釉覆盖，搪瓷盆也用釉遮盖。遮盖底层或坯体的不良颜色釉：表面光泽好、不透明半透明的乳白玻璃使光线非常柔和为了提高不透明性和覆盖能力，要求光在达到具有不同光学性能的底层前被漫反射掉。影响不透明性和半透明性的光学特性包括：镜反射光的分数（决定光泽）；入射光漫反射的分数；直接透射光的分数；入射光漫透射的分数。半透明性：透射的光是扩散开的，大部分入射光应该透射过去而不是被漫反射掉，也就是说入射光中漫透射的分数对于材料的半透明性起着决定性作用。不透明性、半透明性取决于材料的反射和透射性能。决定乳浊度的主要因素是：v第二相的颗粒尺寸；v第二相的体积分数；v第二相与基体的相对折射率n21。为了达到最大的散射效果，提高乳浊度，降低透明性：v乳浊剂颗粒不能与基体玻璃相发生反应；v颗粒与基体的相对折射率n21要大；v颗粒的体积分数要高；v颗粒的尺寸与入射光波长相当。为了达到不透明或半透明性能，方法就是在基质中引入第二相粒子乳浊剂乳浊剂来实现。反射系数反射系数 散射系数散射系数二、乳浊剂的成分（不透明性）构成釉及搪瓷的主要成分（基体相）是硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃，折射率限定在1.491.65。乳浊剂的折射率和基体玻璃相的折射率要相差很大，还必须能在玻璃基体中形成小颗粒，根据乳浊剂的来源，乳浊剂可分为：v惰性添加物；v反映产生的惰性产物；v玻璃溶体中成核结晶产物。折射率特别高，是非常有效地乳浊剂，广泛用于要求高乳浊度的搪瓷釉中。但是没有被用作釉和玻璃中。TiO2原因：高温，特别是还原气氛下，使釉着色。搪瓷烧成温度低不会出现变色。SnO2普遍用于釉和珐琅的优质乳浊剂。缺点：还原气氛下，被还原成SnO，乳浊效果消失。稀少，介格昂贵，应用受到限制。ZrSiO4（锆英石）优点：乳浊效果稳定，不受气氛影响，成本低。推广使用效果好常用的乳浊剂：三、改善乳浊性能（不透明性）的工艺措施釉和珐琅的制作工艺：配料细磨成浆施于坯体煅烧熔融淬冷，制成熔块乳浊剂颗粒：细小、均匀、熔体析晶产物微晶粒随烧结温度的提高，乳浊度先增加，后下降，最后达到透明，所以焙烧温度要适宜。温度太高，釉块完全熔透，无相界，造成晶核形成困难。四、半透明材料及改善措施乳白玻璃：明显的散射，吸收最小，最大的漫透射。在玻璃中掺入和基质材料的折射率相近的NaF和CaF2，促进其它晶体（方石英）从熔体中析出。单相氧化物陶瓷：半透明性是其质量标志，半透明性几乎只取决于气孔的含量。对于含有小气孔的高密度单相陶瓷，半透明度是衡量残留气孔率的一中敏感尺度，是瓷品一种良好的质量标志。工艺瓷（骨灰瓷和硬瓷）：半透明性是其主要的鉴定指标。构成相：玻璃（折射率接近1.5），莫来石（折射率1.64）和石英。其中莫来石对于散射和降低半透明性起着主要作用。增加玻璃含量，减少莫来石的量，可提高半透明性。改善半透明性的措施改善半透明性的措施v降低气孔含量，使焙烧温度足够高；v调整各相的折射率，使之匹配较好，以减少散射，增加漫透射。液相（折射率1.56）+莫来石+石英=骨灰瓷4.5 其它光学性能的应用一、发光材料二、荧光材料三、激光材料四、电光与声光材料五、光通讯材料一、发光材料光的发射是物体中电子从高能态到低能态的跃迁产生的，物体要发光，首先就得使物体中的电子处于高能态。1.发光白炽灯丝2000光与热相伴而行要靠辐射有效地产生可见光，物体的温度必须足够高！热辐射决定于物体的温度，是一种普遍存在的现象。太阳表面5800冷光不需要提高物体的温度，是物体在某种外界条件的刺激下偏离热平衡状态时由激发态到基态的跃迁所产生的辐射。是一种非平衡辐射。以某种方式将能量传递给物体使电子提升到一定高能态的过程，称为激发过程。发光就是将所吸收的激发能转化为光辐射的过程。能量来源：物理能、机械能、化学能、生物能等;相应地有：物理发光、机械发光、化学发光、生物发光等。2.自发发光与受迫发光自发发光：受激发的粒子（如电子），受粒子内部电场作用从激发态A而回到基态G时的发光。受迫发光：受激发的电子只有在外界因素的影响下才发光。3.材料的发光特征颜色特征 不同的发光材料有着不同的发光颜色。发光强度特征 发光强度代表发射光的能量，是一个客观数值；发光的亮度是人眼的感觉，是主观判断的结果，其中包含了眼睛对不同颜色视觉的差别。发光持续时间特征 规定当激发停止时，其发光亮度L衰减到初始亮度L0的10%时所经历的时间为余辉时间，简称余辉。人眼能够感觉到余辉的长发光期间者为磷光；人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光。荧光与磷光无严格区别。4.发光材料分类（按激发方式来分）光致发光材料发光材料在光（紫外光、红外光、可见光等）照射下激发发光。电致发光材料发光材料在电场或电流作用下的激发发光。发光材料在电子束或其它射线束的轰击下的激发发光。发光材料在热作用下的激发发光。发光材料在等离子体的作用下的激发发光。射线致发光材料 热致发光材料 等离子发光材料二、荧光材料电子从激发态向低能态的跃迁时，若伴随有热量向周围的传递或辐射，此过程中发射的光为荧光或磷光，取决于激发和发射之间的时间。荧光材料的光发射主要受其中的杂质影响，低浓度的杂质就可起到激活剂的作用。应用：荧光灯工作原理：汞蒸气和惰性气体混合气体中的放电电能光辐射激发放电管壁上的荧光剂阴极射线管荧光屏闪烁计数器工作原理：电子束激发荧光剂彩色电视：采用不同的荧光剂，电子束激发，产生不同频率范围的光的发射，这样不同的颜色就形成彩色。对于这种电子扫描显示屏幕，荧光剂的衰减时间是个重要的性能参数。三、激光材料激光材料由基质和激活离子组成，基质的作用主要是为激活离子（发光中心）提供一个合适的晶格场，使其产生受激发射。基质：氧化物及氟化物晶体 Al2O3、Y3Al5O15、YAlO3 BaF、SrF、YLiF激活离子：作为激活中心的少量掺杂离子 主要是过渡金属离子和3价稀土离子等。方向性好，亮度高，能量集中 单色性好 相干性好 激光传递信息的容量大激光特点：激光器模型：常见的激光材料及其应用：红宝石CrAl2O3激光器：激光加工、激光测距、激光医疗器械掺w(Nd)1%的钇铝石榴石单晶（Y3Al5O15）掺Nd3离子的激光玻璃：光通讯的光纤放大器、医学三、电光与声光材料电光效应：外加电场作用引起材料光折射率或光吸收变化的效应。外加电场：静电场、微波电场、光学电磁场利用电场、磁场或外加应力来调整材料的光学性能，使之按规定的方式与光学信号相互作用。1.电光材料电光材料：利用材料的电光效应可实现对光波强度、相位、频率、偏振和传播方向的控制。电光效应随着外加电场呈线性或二次方变化。光调制器、光开关、光双稳态、光空间调制器、光显示器、光波导器件等常见的电光材料及其应用：LiNbO3、LiTaO3、Ca2Nb2O7、SrxBa1-xNb2O6、KH2PO4等声光效应：声波是一种弹性应变波，当其通过介质时，将引起材料的弹性变形，从而引起材料折射率随时间和空间的周期变化，即声光效应。2.声光材料本质：应变改变了晶格的内部势能，使得约束较弱的电子轨道的形状和尺寸发生了变化，因而引起了极化率及折射率的变化。应变对晶体折射率的影响取决于应变轴的方向以及光学极化相对于晶轴的方向 声光材料：光通过载有声波的材料时，将产生光的衍射，其传播方向、频率和强度均发生变化，利用材料的声光特性可实现对光波的控制。调制器、偏转器、移频器、滤波器、频谱分析器常见的声光材料及其应用：LiNbO3、LiTaO3、PbMoO5等四、光通讯材料全反射：11临界角：sini临界=1/n1空气玻璃纤维：n1.5，i临界42 1 42，光线全部向内反射，无折射能量损失。图像清晰度低图像清晰度高图像减少散射损耗折射率较低的玻璃，该包覆层与纤维的热膨胀性能与光学性能要相匹配。