1、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,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,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
2、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. 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）,x,界面反射,吸收,散射, 界面反射,界面,界面,I0,I1,I,3.1.3 光通过固体现象,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
3、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=h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。,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。,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n
4、2有下述关系：,折射定律三线共面；,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=1.32.7，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。,3.2.2 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：,式中：C真空中光速， 介质介电常数， 介质导磁率,对于无机材料电介质
5、 ，故 当离子半径增大时，其增大，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，
6、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
7、很相似，这些曲线的共同特点是，折射率n以及色散率dn/d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（normal dispersion）。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/d 0，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（anomalous dispersion） 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
8、,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(abbe number)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。,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（refl
9、ection coefficient）为：,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
10、和dx，即,式中是与光强无关的比例系数，称为该物质的吸收系数（absorption coefficient）。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,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
11、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
12、。,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,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3.55.0m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
13、了吸收光谱（absorption spectrum）。,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。,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；a、s分别称为吸收系数和散射系数(scattering coefficien
14、t)，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。,参量与散射中心尺度大小a0有关，按a0与入射光波长的大小比较，分为三类： 1. 廷德尔散射 Tyndall Scattering (J.Tyndall，1820-1893)当a0时，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
15、液以及含有烟、雾 或灰尘的大气中的散射。,3.4.2弹性散射和波长的关系,2. 米氏散射 Mile Scattering当a0与相近时，=04即散射中心的尺度与光波波长可以比拟时， 在04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 Rayleigh scattering当a0时，=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（Rayleigh scattering）。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
16、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，阳光透过大气层越厚，其中蓝紫色光成分损失越多，太阳显得越红。,Global,早晨,中午,太阳光,3.4.3非弹性散射1. 拉曼散射 （Raman scattering）是分子或点阵振动的光学声子（即光学模）对光波的散射。在光谱图上距离瑞利线较远，它们与瑞利线的频差可因散射介质能级结构不同而在100104之间变化。2. 布里渊散射 （Brillouin scattering）是点阵振动引起的密度起伏或超声波对光波的非弹性散射，即点阵振动的声学声子（即声学模）与光波之间的能量交换结
17、果。由于声学声子的能量低于光学声子，所以布里渊散射的频移比拉曼散射小，在光谱图上它们紧靠在瑞利线旁，只能用高分辨的双单色仪等光谱仪才能分辨出来。,图3-14 散射光谱示意图,3.5 材料的不透明性与半透明性,3.5 材料的不透明性与半透明性,3.5.1 材料的不透明性金属对可见光是不透明的，其原因在于金属的电子能带结构的特殊性。有许多材料本来是透明的电介质，也可以被制成半透明或不透明的。 陶瓷材料如果是单晶体，一般是透明的，但大多数陶瓷材料是多晶体的多相体系，由晶相、玻璃相和气相(气孔)组成。因此，陶瓷材料多是半透明或是不透明的。,3.5.2 材料的乳浊,本应是透明的，但由于各种原因或人为造成
18、的不透明往往称为乳浊。,3.5.3 半透明性,图3-17 多晶Al2O3的透射比与所含气孔的关系,3.5.4 透明材料的颜色,某种物质对光的选择性吸收，是吸收了连续光谱中的特定波长的光子。光的颜色是未被吸收的光和重新发射的光混合光的颜色。,图3-18 光线入射到绿色玻璃时，反射率、吸收率和透过率与波长的关系,图3-19 蓝宝石和红宝石透射光的波长分布,3.6 电-光效应、光折变效应、非线性光学效应,3.6.1 电光效应及电光晶体(1)电光效应(electro-optical effect)由于外加电场所引起的材料折射率的变化效应，称为电光效应。,3.6.2光折变效应(1)现象和特点光折变效应是
19、光致折射率变化效应(photo-induced refractive index change effect)的简称。,但它并不是泛指所有由光感生折射率变化的效应。它的确切意义在于材料在光辐射下通过光电效应形成空间电荷场，由于电光效应引起折射随光强空间分布而发生变化的效应。,3.6.3非线性光学效应,激光器所进行的大量实验证明，那些过去被认为与光强无关的光学效应或参量几乎都与光强密切相关。这种与光强有关，不同于线性光学现象的效应称非线性光学效应(non-liner optical effect)。具有非线性光学效应的晶体则称为非线性光学晶体。,3.7光的传输与光纤材料,光纤是“光导纤维”的简称
20、。所谓“光波导”是指能够约束并导引光波在其内部或表面附近沿轴线方向传播的传输介质。光纤波导是以各种导光材料制成的纤维丝，其基本的结构可分为纤芯和包层两部分。 在光纤波导中传播的光波称之为“导波光”。,图3-22 光导纤维接受与传输光线原理示意图,L是以km为单位的光纤长度；而强度为I0的光经过L的光学纤维后衰减到强度为I时把比值I0I的对数值的10倍作为损耗。,最大受光角c：,纤芯折射率： n1；包层折射率n2(n1n2),3.8 特种光学材料及其应用,3.8.1 固体激光器材料及其应用材料以某种方式吸收能量之后，将其转化为光能即发射光子的过程，这就是光发射。自然界中很多物质都可发光，但近代显
21、示技术所用的发光材料主要是无机化合物，在固体材料中主要是采用禁带宽度较大的绝缘体，其次半导体通常以多晶粉末、薄膜或单晶的形式被应用。从应用的角度，主要关注材料的光学性能包括：发光颜色、发光强度及延续时间等。,（1）热辐射,（2）电致发光,（3）光致发光,（4）化学发光,自发辐射,（5）同步辐射光源,（6）激光光源,受激辐射,激发态原子或分子的自发辐射, = (E2-E1) / h,E1,E2,激发态原子或分子的受激辐射,激励方式,材料发光前可以有多种方式向其注入能量,激励方式,(1)光激励（光致发光） 通过光的辐照将材料中的电子激发到高能态从而导致发光。 激励光源可以采用光频波段、x-射线波段
22、、-射线波段。 如荧光灯：通过紫外线激发涂布于灯管内壁的荧光粉而发光。,(2)阴极射线发光 利用高能量的电子来轰击材料，通过电子在材料内部的多次散射碰撞，使材料中多种发光中心被激发或电离而发光的过程。 如彩电的颜色：采用电子束扫描，激发显象管内表面上不同成分的荧光粉，使它们发射红、绿、蓝三种基本光波而实现发光。,(3)电激励（电致发光） 通过对绝缘发光体施加强电场而导致发光，或者从外电路将电子（或空穴）注入到半导体的导带（或价带），导致载流子复合而发光。 如仪器指示灯的发光二极管：半导体复合发光。,1960年美国人maiman首先建立了世界上第一台在红光谱区发射激光的红宝石。,激光器,一 自发
23、辐射 受激辐射,1 自发辐射,原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激发态的高能级E2自动跃迁到低能级E2，这种跃迁称为自发跃迁. 由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.,材料的受激辐射和激光,自发辐射,自发辐射,2 光吸收,原子吸收外来光子能量hn ，并从低能级 E1 跃迁到高能级 E2，且 E2 - E1 = hn ，这个过程称为光吸收.,3 受激辐射,由受激辐射得到的放大了的光是相干光，称之为激光.,原子中处于高能级E2 的电子，会在外来光子 (其频率恰好满足E2 - E1 = hn ) 的诱发下向低能级E1 跃迁，并发出与外来光子一样特征的光子，这叫受激辐射.,受激辐射,二 激光原理
24、,1 粒子数正常分布和粒子数布居反转分布,处于低能级的电子数大于高能级的电子数， 这种分布叫做粒子数的正常分布，反之叫粒子数布居反转，简称粒子数反转或称布居反转.,粒子数的正常分布,.,.,.,.,.,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,粒子数反转分布,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,。,。,。,。,。,粒子数正常分布和粒子数布居反转分布,2 光学谐振腔 激光的形成,光在粒子数反转的工作物质中往返传播，使谐振腔内的光子数不断增加，从而获得很强的光，这种现象叫做光振荡.,激光器一般由三部分组成：第一部分是能产生激光的物质，称为激光工作物质；第二部分是激光产生的激励装置(在红宝石激光器中就是氙闪光灯)；第三部分就是供激光放大的谐振腔。,图3-25 红宝石脉冲式激光器,图3-26 激光器结构原理图,3.8.2 光存储材料,光信息存储是利用激光的单色性和相干性，将要存储的信息、模拟量或数字量，通过调制激光聚集到记录介质上，使介质的光照微区(线度一般在m以下)发生物理或化学的变化以实现记录，这就是信息的“写入”。取出信息时，用低功率密度的激光扫描信息轨道，其反射光通过光电探测器检测、解调以取出所需要的信息，这就是信息的“读出”。,
