材料光学性能课件.pptx

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1、第1页/共27页 1. 1.镜反射镜反射 1 1）概念）概念 材料表面光洁度非常高的情况下，反射光线具有明材料表面光洁度非常高的情况下，反射光线具有明确的方向性，一般称之为确的方向性，一般称之为镜反射镜反射。 2 2）应用）应用 镜反射在光学材料中得到各种应用，雕花玻璃器皿、镜反射在光学材料中得到各种应用，雕花玻璃器皿、宝石、镜子等。宝石、镜子等。第2页/共27页 2. 2. 漫反射漫反射 当光照射到粗糙不平的表面上时，发生的反射为当光照射到粗糙不平的表面上时，发生的反射为漫反射漫反射。图图1 1 粗糙度增加的镜反射、漫反射能量图粗糙度增加的镜反射、漫反射能量图第3页/共27页 光泽主要由折射

2、率和表面光洁度决定。要获得高的表光泽主要由折射率和表面光洁度决定。要获得高的表面光泽，需提高材料表面的光洁度，形成完整的光滑表面。面光泽，需提高材料表面的光洁度，形成完整的光滑表面。要减小光泽度，需增加表面的粗糙度。要减小光泽度，需增加表面的粗糙度。光泽度与镜反射和漫反射的相对程度有关光泽度与镜反射和漫反射的相对程度有关第4页/共27页 1 1）要获得高度乳浊和覆盖能力，）要获得高度乳浊和覆盖能力，就要求光在达到具有不同光学特就要求光在达到具有不同光学特性的底层之前被漫反射掉。性的底层之前被漫反射掉。 2 2）要获得高的半透明性，光应该）要获得高的半透明性，光应该被散射掉。被散射掉。1 1、材

3、料的乳浊和半透明性、材料的乳浊和半透明性图图2 2 镜面反射和漫反射镜面反射和漫反射(a)(a)釉或搪瓷釉或搪瓷 (b)(b)毛玻璃或瓷体毛玻璃或瓷体第5页/共27页2 2、影响材料乳浊的主要因素、影响材料乳浊的主要因素颗粒尺寸；颗粒尺寸；颗粒与机体的相对折射率；颗粒与机体的相对折射率；第二相颗粒的体积百分比第二相颗粒的体积百分比3 3、散射效果、散射效果 为了得到最大的散射效果：为了得到最大的散射效果：颗粒及基体的折射率数值应当有较大的差别；颗粒及基体的折射率数值应当有较大的差别；颗粒尺寸应当和入射波长相当；颗粒尺寸应当和入射波长相当；颗粒的体积分数要高颗粒的体积分数要高第6页/共27页氟化

4、物氟化物磷灰石磷灰石TiOTiO2 2SbSb2 2O O5 5ZnSZnSSnOSnO2 2锆英石（锆英石（ZrSiOZrSiO4 4) )能够在玻璃基体中形成折射率与基体显著不同的小颗粒能够在玻璃基体中形成折射率与基体显著不同的小颗粒常用乳浊剂：常用乳浊剂：第7页/共27页 入射光被反射、吸收和透射所占的分数取决于釉层的厚度、入射光被反射、吸收和透射所占的分数取决于釉层的厚度、釉的散射和吸收特性釉的散射和吸收特性。2/12221SSSm第8页/共27页实际釉层的实际釉层的m m下面分两种情况分析：下面分两种情况分析：釉层与底材之间的反射率釉层与底材之间的反射率m m=0,=0,则釉层表面的

5、反射率为则釉层表面的反射率为m m0 0；与反射率为与反射率为mm的底材相接触的釉层的表面光反射率的底材相接触的釉层的表面光反射率m mR R为：为：)/1 (exp)/1()()/1 (exp)/1()(1 (mmSxmmmmmmSxmmmmmmmR 上式表明，当底材的反射率、散射系数、釉层厚度上式表明，当底材的反射率、散射系数、釉层厚度以及釉层反射率增加时，实际反射率也增加。以及釉层反射率增加时，实际反射率也增加。第9页/共27页 用高的反射率、厚的釉层和高的散射系数用高的反射率、厚的釉层和高的散射系数, ,可得到良好的乳浊效果可得到良好的乳浊效果第10页/共27页 乳白玻璃和半透明瓷器乳

6、白玻璃和半透明瓷器( (包括半透明釉包括半透明釉) )的一个重要光学性的一个重要光学性质是半透明性。漫反射和漫透射的分数对于材料的半透明性起质是半透明性。漫反射和漫透射的分数对于材料的半透明性起着决定作用。着决定作用。 对于乳白玻璃来说，达到漫透射的方法是：具有明显的散对于乳白玻璃来说，达到漫透射的方法是：具有明显的散射而吸收最小射而吸收最小 Al2O3瓷与气相的相对折射率瓷与气相的相对折射率n211.80。气孔的尺寸通常和原。气孔的尺寸通常和原料的原始颗粒尺寸相当，一般是料的原始颗粒尺寸相当，一般是0.52.0m，接近于入射光的，接近于入射光的波长，所以散射最大。如图，当气孔率增加到波长，所

7、以散射最大。如图，当气孔率增加到3左右时，透射左右时，透射率将降低到率将降低到0.01；当气孔率降低到；当气孔率降低到0.3时，透射率仍然只有时，透射率仍然只有完全致密试件的完全致密试件的10。 半透明性几乎只取决于气孔的含量半透明性几乎只取决于气孔的含量 含有小气孔率的高密度单相陶瓷，半透明度是衡量含有小气孔率的高密度单相陶瓷，半透明度是衡量残留气孔率的一种敏感的尺度残留气孔率的一种敏感的尺度第11页/共27页图图3 3 含有少量气孔的多晶含有少量气孔的多晶AlAl2 2O O3 3瓷的透射率瓷的透射率第12页/共27页 一般瓷体由折射率接近一般瓷体由折射率接近1.51.5的玻璃、莫来石和石

8、英的玻璃、莫来石和石英构成。莫来石在陶瓷体内对于散射和降低半透明性起构成。莫来石在陶瓷体内对于散射和降低半透明性起着主要的作用。着主要的作用。 提高半透明性的主要方法：提高半透明性的主要方法： 增加玻璃含量，减少莫来石的量。提高长石对增加玻璃含量，减少莫来石的量。提高长石对粘土的比例可实现此要求。粘土的比例可实现此要求。 把制品加热到足够高的温度把制品加热到足够高的温度, , 因而致密化过程因而致密化过程得以充分进行，这样可得到半透明瓷。得以充分进行，这样可得到半透明瓷。 调整各个相的折射率使之有较好的匹配调整各个相的折射率使之有较好的匹配。半透明性是一些实用陶瓷的主要的鉴定指标。半透明性是一

9、些实用陶瓷的主要的鉴定指标。第13页/共27页 从本质上说，某种物质对光的从本质上说，某种物质对光的选择性吸收，是吸收了连续光谱中选择性吸收，是吸收了连续光谱中特定波长的光量子，以激发吸收物特定波长的光量子，以激发吸收物质本身原子的电子跃迁。质本身原子的电子跃迁。显色的原因是由于着色剂对光的显色的原因是由于着色剂对光的选择性吸收而引起选择性反射或选择性吸收而引起选择性反射或选择性透射，从而显现颜色。选择性透射，从而显现颜色。第14页/共27页第15页/共27页1)1)简单离子着色简单离子着色- -选择吸收紫外光选择吸收紫外光- -无色无色2 2）过渡金属离子）过渡金属离子- -选择吸收可见光选

10、择吸收可见光3 3）稀土元素（镧系元素）稀土元素（镧系元素）- -选择吸收可见光选择吸收可见光4 4）复合离子）复合离子第16页/共27页第17页/共27页 电子从激发能级向较低能级的衰变可能伴随有热量向电子从激发能级向较低能级的衰变可能伴随有热量向周围传递，或者产生辐射，在此过程中，光的发射称为周围传递，或者产生辐射，在此过程中，光的发射称为荧荧光光或或磷光磷光。 广泛地用在荧光灯、阴极射线管及电视的荧光屏广泛地用在荧光灯、阴极射线管及电视的荧光屏以及闪烁计数器中。以及闪烁计数器中。 荧光灯的工作是由于在汞蒸气和情性气体的混合气体中的放荧光灯的工作是由于在汞蒸气和情性气体的混合气体中的放电作

11、用，使得大部分电能转变成汞谱线的单色光的辐射电作用，使得大部分电能转变成汞谱线的单色光的辐射(2537(2537埃埃) )。这种辐射激发了涂在放电管壁上的荧光剂，造成在可见光范围的这种辐射激发了涂在放电管壁上的荧光剂，造成在可见光范围的宽频带发射。宽频带发射。第18页/共27页 指电流通过物质时或物质处于强电场下指电流通过物质时或物质处于强电场下发光的现象。通过电子在材料内部的多次散发光的现象。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。在消费品生产中有时被称离而发光的过程。在消费品生产中有时被称为为冷光冷光。 电致发光

12、物料的例子包括掺杂了铜和银电致发光物料的例子包括掺杂了铜和银的硫化锌和蓝色钻石的硫化锌和蓝色钻石. . 第19页/共27页激光（激光（LaserLaser）是受激辐射光放大的简称。）是受激辐射光放大的简称。Light Amplified by Stimulated Emission of Radiation激光激光受激辐射受激辐射相干光波。相干光波。特点：特点： 1 1）辐射能量在空间和时间高度集中；）辐射能量在空间和时间高度集中； 2 2）发射的光子具有）发射的光子具有频率相同、位相相频率相同、位相相同、传输方向相同、偏振态相同相干同、传输方向相同、偏振态相同相干光波。光波。第20页/共27

13、页1 1）激光器基质材料）激光器基质材料红宝石红宝石 在蓝宝石（在蓝宝石（AlAl2 2O O3 3单晶）中单晶）中0.05% Cr0.05% Cr3+3+ 呈红色；是提供产生激光所需要的电子能态呈红色；是提供产生激光所需要的电子能态2 2）激活能量：氙气闪光（波长）激活能量：氙气闪光（波长560nm560nm）3 3）光学谐振腔）光学谐振腔 使受激辐射在频率、方向和偏振状态集中。使受激辐射在频率、方向和偏振状态集中。红宝石激光器红宝石激光器1、红宝石激光器、红宝石激光器第21页/共27页（1）气体激光器）气体激光器特点：单色性好、工作波段覆盖广、易获得、输出功率低特点：单色性好、工作波段覆盖

14、广、易获得、输出功率低应用：彩色激光电视、大气监测、激光手术、精密测量应用：彩色激光电视、大气监测、激光手术、精密测量 。（2 2）液体激光器）液体激光器特点：激光波长谐振范围宽、线宽小（特点：激光波长谐振范围宽、线宽小（1kHZ1kHZ连续激光）连续激光）应用：高分辨的光谱研究、瞬态变化测量应用：高分辨的光谱研究、瞬态变化测量（3 3）固体激光器）固体激光器特点：高能脉冲、超短光脉冲、体积小特点：高能脉冲、超短光脉冲、体积小应用：发光二极管、医疗手术、工业加工应用：发光二极管、医疗手术、工业加工 、光纤通信、光纤通信、 加工打加工打孔、测距孔、测距（4 4）半导体激光器）半导体激光器特点：可

15、调制、体积小特点：可调制、体积小应用：光纤通信、光盘读写、激光印刷、激光雷达应用：光纤通信、光盘读写、激光印刷、激光雷达2 2、激光器的应用、激光器的应用第22页/共27页 当光线在玻璃纤维内部当光线在玻璃纤维内部传播时，遇到纤维的表面，传播时，遇到纤维的表面，出射到空气中时，产生光出射到空气中时，产生光的折射。改变光的入射角的折射。改变光的入射角i i，折射角折射角r r也跟着改变。当也跟着改变。当r r大于大于9090时，光线全部向时，光线全部向玻璃内部反射回来。玻璃内部反射回来。 对于典型玻璃临界入射角为对于典型玻璃临界入射角为4242。也就是说，在光。也就是说，在光导纤维内传播的光线，

16、其方向与纤维表面的法向所成导纤维内传播的光线，其方向与纤维表面的法向所成夹角，如果大于夹角，如果大于4242, ,则光线全部内反射，无折射能量则光线全部内反射，无折射能量损失。损失。第23页/共27页光的全反射光的全反射有效降低光在传播过程中的能量损耗有效降低光在传播过程中的能量损耗光纤结构示意图光纤结构示意图第24页/共27页 某些各向同性的透明物质，在电场作用下显示出光学各某些各向同性的透明物质，在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象为向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象为电光电光效益效益。1、电光效益、电光效益 电光效应包括电光效应包括泡克耳斯泡

17、克耳斯(Pockels)(Pockels)效应效应和和克尔克尔(Kerr)(Kerr)效应效应。折。折射率与所加电场强度的一次方成正比改变的为射率与所加电场强度的一次方成正比改变的为PockelsPockels效应或线性效应或线性电光效应，折射率与所加电场强度的二次方成正比改变的为电光效应，折射率与所加电场强度的二次方成正比改变的为KerrKerr效效应或二次电光效应。应或二次电光效应。2 2、电光材料、电光材料 重要的电光材料有重要的电光材料有LiNbOLiNbO3 3、LiTaOLiTaO3 3、CaCa2 2NbNb2 2O O7 7等。由于等。由于折射率随电场而变，电光晶体可以应用在光

18、学震荡器、频折射率随电场而变，电光晶体可以应用在光学震荡器、频率倍增管、激光频震腔中的电压控制开关以及用在光学通率倍增管、激光频震腔中的电压控制开关以及用在光学通讯系统中的调制器。讯系统中的调制器。第25页/共27页 当超声波传过介质时，在其内产生周期性弹性形变，从当超声波传过介质时，在其内产生周期性弹性形变，从而使介质的折射率产生周期性变化，相当于一个移动的相位而使介质的折射率产生周期性变化，相当于一个移动的相位光栅，称为光栅，称为声光效应声光效应。1 1、声光效应、声光效应2 2、声光材料、声光材料重要的声光晶体有重要的声光晶体有LiNbOLiNbO3 3、LiTaOLiTaO3 3、PbMoOPbMoO5 5等。等。第26页/共27页谢谢谢谢第27页/共27页