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1、复材料的光学性能复材料的光学性能4.1光和固体的相互作用光和固体的相互作用1.1.光的波粒二相性光的波粒二相性爱因斯坦的光电方程爱因斯坦的光电方程把光的波动性和粒子性结合起来把光的波动性和粒子性结合起来 E=h=hc/E=h=hc/讨论光与材料相互作用产生的反射、折射、投射现象讨论光与材料相互作用产生的反射、折射、投射现象-光的粒子性光的粒子性讨论光波在介质中的传播、衍射等讨论光波在介质中的传播、衍射等-光的波动性光的波动性2.2.光通过固体现象光通过固体现象介质的介质的n总是大于总是大于1的正数的正数例如 空气n=1.0003，固体氧化物n=1.32.7，硅酸盐玻璃 n=1.51.9 。 影
2、响影响 n n 值的因素：值的因素： v1 1构成材料元素的离子半径构成材料元素的离子半径v 马克斯威尔电磁波理论认为光在介质中的传播速马克斯威尔电磁波理论认为光在介质中的传播速度为：度为：ccn式中：式中：C C真空中光速，真空中光速， 介质介电常数，介质介电常数， 介质导磁率介质导磁率当离子半径增大时，其当离子半径增大时，其增大，因而增大，因而n也增大。因也增大。因此，可以用大离子得到高此，可以用大离子得到高n的材料，的材料， ，用，用小离子得到低小离子得到低n的材料，如的材料，如 。 2材料的结构、晶型材料的结构、晶型根据光线通过材料的表现，介质分为均质介质和根据光线通过材料的表现，介质
3、分为均质介质和非均质介质。非均质介质。对于对于均质介质均质介质，光通过时，光速不因传播方向改，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。变而变化，材料只有一个折射率。对于对于非均质介质非均质介质，光通过时，一般都要分为振动光通过时，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，这个现象称为别构成两条折射光线，这个现象称为双折射双折射。912. 3pbSn412. 14sicln中南大学材料科学与工程学院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，称为平行于入射面的光线的折射率，称为常光折常光折射
4、率射率n0，不论入射光的入射角如何变化，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，称为射率，则随入射线方向的改变而变化，称为非常光折射率非常光折射率n ne e，它不遵守折射定律，随入，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光的方向而变化。当光沿晶体光轴方向入射时，只有射时，只有n n0 0存在，与光轴方向垂直入射时存在，与光轴方向垂直入射时，n ne e达最大值。达最大值。中南大学材料科学与工程
5、学院中南大学材料科学与工程学院3 3材料所受的内应力材料所受的内应力 有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的的n n大，平行于受拉主应力方向的大，平行于受拉主应力方向的n n小。小。4 4同质异构体同质异构体 在同质异构材料中，高温时的晶型折射率在同质异构材料中，高温时的晶型折射率n n较较低，低温时存在的晶型折射率低，低温时存在的晶型折射率n n较高。较高。 下表列出了部分玻璃和晶体的折射率。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中南大学材料科学与工程学院材 料 平 均 折 射 率 双 折 射 由正长石（KalSi3O8）组成
6、的玻璃 1.51 由钠长石（NalSi3O8）组成的玻璃 1.49 由霞石正长岩组成的玻璃 1.50 氧化硅玻璃 1.458 硼硅酸玻璃 1.47 硫化钾玻璃 2.66 四氯化硅晶体 1.412 氟化锂晶体 1.392 氟化钠晶体 1.326 氟化钙晶体 1.434 锆英石 ZnSiO4 1.95 0.055 正长石 KalSi3O8 1.525 0.007 钠长石 NaAlSi3O8 1.529 0.008 钙长石 CaAl2Si2O8 1.585 0.008 硅线石 Al2O3SiO2 1.65 0.021 莫来石 3Al2O32SiO2 1.64 0.010 当光线由介质当光线由介质1
7、1入射到介质入射到介质2 2时，光在介质面上分成了时，光在介质面上分成了反射光和折射光。反射光和折射光。2)(AAWW2)(AAWW设光的总能量流设光的总能量流W W为为W=WW=W+W+W式中式中W W、W W和和W W分别为单位分别为单位时间通过单位面积的入射光时间通过单位面积的入射光、反射光和折射光的能量流、反射光和折射光的能量流，根据波动理论，根据波动理论 SAW22)(AAWW由于反射波的传播速度及横截面积都与入射波相由于反射波的传播速度及横截面积都与入射波相同，所以同，所以式中式中 A A 与与A A分别为反射波与入射波的振幅。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
8、的振动和平行于入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，射面的振动，Fresnel Fresnel 推导出：推导出：)(tg)(tg)()()(Sin)(Sin)()(222/222ririAAWWririAAWWppSS自然光在各方向振动的机会均等，可以认为一半能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：垂直的振动，所以总的能量流之比为：)(tg)(tg)(Sin)(Sin212222ririririWW当角度很小时：当角度很小时：22222222) 1(
9、) 1()()()(tg)(tg)(sin)(sinriririririririri因介质因介质2 2对于介质对于介质1 1的相对折射的相对折射 ，故，故 rinsinsin21rin21mnnWW2212111m m反射系数反射系数根据能量守恒定律根据能量守恒定律（1-1-m m）称为）称为透射系数透射系数。mWWWWWWW 11例如：设一块折射率为例如：设一块折射率为 n=1.5 的玻璃，光反射损失的玻璃，光反射损失m=0.04 透透过部分为过部分为1-m=0.96 。如果透射光又从另一界面射入空。如果透射光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，此时透过部分为气，即透过两个界面，此时透过部
10、分为 (1-m)2=0.922v 如果连续透过如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分为块平板玻璃，则透过部分为xm2)1 ( 由于陶瓷，玻璃等材料的折射率较空气大，所以由于陶瓷，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
11、对折射率，从而大大减少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。界面的反射损失。一、介质对光的吸收一、介质对光的吸收1 1吸收的一般规律吸收的一般规律设有一块厚度为设有一块厚度为x x的平板材料，入射光的强度为的平板材料，入射光的强度为I I0 0，通，通过此材料后光强度为过此材料后光强度为I I。选取其中一薄层。选取其中一薄层dxdx，并认为，并认为光通过此层的吸收损失光通过此层的吸收损失-dx-dx正比于在此处的光强度正比于在此处的光强度 I I 和薄层的厚度和薄层的厚度dxdx， 光强度随厚度的变化符合指数衰减规律，即光强度随厚度的变化符合指数衰减规律，即朗伯特定朗伯
12、特定律律。式中式中为物质对光的吸收系数，其单位为为物质对光的吸收系数，其单位为cmcm-1-1。 取取决于材料的性质和光的波长。决于材料的性质和光的波长。 IdxdIdxIdIxII00 xII0lnxIIe0 即即: : 图图4.54.5所示在电磁波谱的可见光区，金属和半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
13、填满了的介质材料的价电子所处的能带是填满了的, ,它不能吸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，吸收系数跃迁到导带，所以在一定的波长范围内，吸收系数很小。很小。2 2光吸收与光波长的关系光吸收与光波长的关系 二、介质对光的散射二、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，从而引起向，从而引起散射散射。 对于相分布均匀的材料，由于散射而光强度减弱的
14、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：规律与吸收规律具有相同的形式： 式中式中 I0为光的原始强度，为光的原始强度，sxIIe0 I 为光束通过厚度为为光束通过厚度为x的试件后，由于散射在光的试件后，由于散射在光前进方向上的剩余强度，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，见图质点与基体的相对折射率等因素有关，见图4.6。其单位。其单位为为 。 1cm从图从图4.64.6中可以看出，曲线由左右两条不同形状的曲线所中可以看出，曲线由左右两条不同形状的曲线所组成
15、，各自有着不同的规律。当组成，各自有着不同的规律。当 d dd 时，则随着时，则随着d d的增加，的增加，s s 反而减小，当反而减小，当 d=d= 时，时，s s 达最大值，即达最大值，即 当光的波长当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。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，则如果将吸收定律与散射规律的式子统一起来，则: : xsII)(0e三、材料的透光性三、材料的透光性 光通过厚度为光通过厚度为x的透明陶瓷片时，各种光能的损失的透明陶瓷片时，各种光能的损失见图见图4.7所示。强度为所示。强度为I0的光束垂直地入射到陶瓷左表的光束垂
16、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因而在表面上有反射损失: L=透进材料中的光强度为透进材料中的光强度为:02011InnmI)1 (0mI21n 这一部分光能穿过厚度为这一部分光能穿过厚度为x的材料后，又消耗于吸收的材料后，又消耗于吸收损失和散射损失。到达材料后表面时，光强度剩下损失和散射损失。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，其数量为再经过表面，一部分光能反射进材料内部，其数量为 L= 另一部分传至右侧空间，其光强度为另一部分传至右侧空间，其光强度为 显然显然 才
17、是真正的透光率。才是真正的透光率。 影响材料透过率的因素有：影响材料透过率的因素有：s)x-(mIe )1 (0 xsmmI)(0e )1 (xsmII)(20e)1 (0/ II 1吸收系数吸收系数 对于陶瓷、玻璃等电介质材料，其吸收率或吸收系对于陶瓷、玻璃等电介质材料，其吸收率或吸收系 数数在可见光范围内是比较低的，见图在可见光范围内是比较低的，见图4.4所示。所示。 2反射系数反射系数 材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。 3散射系数散射系数 这一因素最影响陶瓷材料的透光率。这一因素最影响陶瓷材料的透光率。 材料宏观及显微缺陷材料宏观及
18、显微缺陷 晶粒排列方向晶粒排列方向 气孔引起的散射损失气孔引起的散射损失 四、提高材料透光性的措施四、提高材料透光性的措施 1提高原材料纯度提高原材料纯度 2掺加外加剂掺加外加剂 目的是降低材料的气孔率，气孔由于相对折射率的目的是降低材料的气孔率，气孔由于相对折射率的 关系，其影响程度远大于杂质等其它结构因素。关系，其影响程度远大于杂质等其它结构因素。 3工艺措施工艺措施 采取热压法比普通烧结法更便于排除气孔，因而是采取热压法比普通烧结法更便于排除气孔，因而是获得透明陶瓷较为有效的工艺，热等静压法效果更好。获得透明陶瓷较为有效的工艺，热等静压法效果更好。 第三节第三节 界面反射和光泽界面反射和
19、光泽一、镜反射和漫反射一、镜反射和漫反射 当光的反射是指材料表面光洁度非常高的情况下的当光的反射是指材料表面光洁度非常高的情况下的反射，反射光线具有明确的方向性，一般称之为反射，反射光线具有明确的方向性，一般称之为镜反射镜反射。 陶瓷中大多数表面并不是十分光滑的，因此当光照陶瓷中大多数表面并不是十分光滑的，因此当光照射到粗糙不平的材料表面上时，发生相当的射到粗糙不平的材料表面上时，发生相当的漫反射漫反射，其，其原因是材料表面粗糙，在局部地方的入射角参差不一，原因是材料表面粗糙，在局部地方的入射角参差不一，反射光的方向也各式各样。材料表面愈粗糙，镜反射所反射光的方向也各式各样。材料表面愈粗糙，镜反射所占的能量分数愈小。如图占的能量分数愈小。如图4.8