材料的光学性能4.1光和固体的相互作用1.光的波粒二相性爱因斯坦的光电方程……把光的波动性和粒子性结合起来E=hν=hc/λ讨论光与材料相互作用产生的反射、折射、投射现象----光的粒子性讨论光波在介质中的传播、衍射等---光的波动性2.光通过固体现象可见光：0.38-0.76μmΨ0=ΨR+ΨA+Ψτ+Ψσ光和固体介质的作用Ψ0=ΨR+ΨA+Ψτ+Ψσ1=T+R+α+σT:透射系数R：反射系数α：吸收系数σ：散射系数光子与固体材料的相互作用，其实质上就是光子与固体材料中的原子、离子、电子等的相互作用。其中：1）电子极化：电磁辐射的电场分量在传播的过程中，与每一个原子都发生作用，引起电子云与核外电荷重心发生相对位移—引起电子极化。结果是光的部分能量被吸收，光速减慢。2）电子能态转变：光子被材料吸收后，材料中的原子吸收了光子能量（ΔE=hυ42）后，将E2能级上的电子激发到E4空能级上注：原子中电子能级是分立的，即能级间存在特定的ΔE，只有能量为ΔE的光子才能被原子通过能态转变而吸收。受激电子不可能长时间保持在激发态，短时间后又衰变回基态，同时发出电磁波。4.1.1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。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i1，折射角i2与两种材料的折射率n1和n2有下述关系：式中:V1和V2分别表示光在材料1及2中的传播速度，n21为材料2相对于材料1的相对折射率。介质的n总是大于1的正数例如空气n=1.0003，固体氧化物n=1.3~2.7，硅酸盐玻璃n=1.5~1.9。影响n值的因素：1．构成材料元素的离子半径马克斯威尔电磁波理论认为光在介质中的传播速度为：式中：C—真空中光速，ε—介质介电常数，μ—介质导磁率当离子半径增大时，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。2．材料的结构、晶型根据光线通过材料的表现，介质分为均质介质和非均质介质。对于均质介质，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。对于非均质介质，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，它们分别构成两条折射光线，这个现象称为双折射。中南大学材料科学与工程学院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。中南大学材料科学与工程学院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。下表列出了部分玻璃和晶体的折射率。中南大学材料科学与工程学院4.1.2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。设光的总能量流W为W=W’+W’’式中W、W’和W’’分别为单位时间通过单位面积的入射光、反射光和折射光的能量流，根据波动理论由于反射波的传播速度及横截面积都与入射波相同，所以式中A’与A分别为反射波与入射波的振幅。把光波振动分为垂直于入射面的振动和平行于入射面的振动，Fresnel推导出：自然光在各方向振动的机会均等，可以认为一半能量属于同入射面平行的振动，另一半属于同入射面垂直的振动，所以总的能量流之比为：当角度很小时：因介质2对于介质1的相对折射，故m——反射系数根据能量守恒定律（1-m）称为透射系数。例如：设一块折射率为n=1.5的玻璃，光反射损失m=0.04透过部分为1-m=0.96。如果透射光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，此时透过部分为(1-m)2=0.922如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分为由于陶瓷，玻璃等材料的折射率较空气大，所以反射损失严重。如果透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失更可观，为了减少这种界面损失，常常采用折射率和玻璃相近的胶将它们粘起来，这样，除了最外和最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面都是和胶的较小的相对折射率，从而大大减少界面的反射损失。4.1.3材料的透光性一、介质对光的吸收1．吸收的一般规律设有一块厚度为x的平板材料，入射光的强度为I0，通过此材料后光强度为I’。选取其中一薄层dx，并认为光通过此层的吸收损失-dx正比于在此处的光强度I和薄层的厚度dx，光强度随厚度的变化符合指数衰减规律，即朗伯特定律。式中α为物质对光的吸收系数，其单位为cm-1。α取决于材料的性质和光的波长。即:图4.5所示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，即吸收系数很小。这是因为电介质材料的价电子所处的能带是填满了的,它不能吸收光子而自由运动，而光子的能量又不足以使电子跃迁到导带，所以在一定的波长范围内，吸收系数很小。2．光吸收与光波长的关系二、介质对光的散射光波遇到不均匀结构产生的次级波，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，从而引起散射。对于相分布均匀的材料，由于散射而光强度减弱的规律与吸收规律具有相同的形式：式中I0为光的原始强度，I—为光束通过厚度为x的试件后，由于散射在光前进方向上的剩余强度，S—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等因素有关，见图4.6。其单位为。从图4.6中可以看出，曲线由左右两条不同形状的曲线所组成，各自有着不同的规律。当d<λ时，则随着d的增加，散射系数S也随之增大；当d>λ时，则随着d的增加，s反而减小，当d=λ时，s达最大值，即当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。。如果将吸收定律与散射规律的式子统一起来，则:三、材料的透光性光通过厚度为x的透明陶瓷片时，各种光能的损失见图4.7所示。强度为I0的光束垂直地入射到陶瓷左表面，由于陶瓷片与左侧介质之间存在相对折射，因而在表面上有反射损失①:L①=透进材料中的光强度为:这一部分光能穿过厚度为x的材料后，又消耗于吸收损失②和散射损失③。到达材料后表面时，光强度剩下。再经过表面，一部分光能反射进材料内部，其数量为L④=另一部分传至右侧空间，其光强度为显然才是真正的透光率。影响材料透过率的因素有：1．吸收系数对于陶瓷、玻璃等电介质材料，其吸收率或吸收系数α在可见光范围内是比较低的，见图4.4所示。2．反射系数材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。3．散射系数这一因素最影响陶瓷材料的透光率。①材料宏观及显微缺陷②晶粒排列方向③气孔引起的散射损失
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