材料的光学性能讲稿.ppt

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1、关于材料的光学性能第一页，讲稿共四十九页哦51 光通过介质的现象光通过介质的现象 一一.折射折射 1折射率的定义折射率的定义 1 1）定义）定义 光是具有一定波长的电磁波，光的折射可理解为光在介光是具有一定波长的电磁波，光的折射可理解为光在介质中传播速度的降低而产生的（以真空中的光速为基础）。质中传播速度的降低而产生的（以真空中的光速为基础）。当光从真空进入较致密的材料时当光从真空进入较致密的材料时,其速度是降低的。其速度是降低的。折射率定义为：光在真空和材料中的速度之比。折射率定义为：光在真空和材料中的速度之比。即：即：n=v真空真空/v材料材料=c/v材料材料 1第二页，讲稿共四十九页哦

2、2 2）绝对折射率与相对折射率）绝对折射率与相对折射率 （1 1）绝对折射率）绝对折射率 材料相对于真空中的折射率称为绝对折射率。材料相对于真空中的折射率称为绝对折射率。一般将真空中的折射率定为一般将真空中的折射率定为1 1。（2 2）相对折射率）相对折射率 材料相对于空气的折射率称为相对折射率：材料相对于空气的折射率称为相对折射率：n=va/v材料材料（3 3）绝对折射率与相对折射率的关系）绝对折射率与相对折射率的关系 n=c/vn=c/v材料材料 则则 v v材料材料=c/n=c/n 又又空气的绝对折射率为：空气的绝对折射率为：n na a=c/v=c/va a，则，则v va a=c/n

3、=c/na a 因此，因此，n=nn=na an=1.00023 nn=1.00023 n2aaannn/cn/cvvn材料第三页，讲稿共四十九页哦 2 2两种材料间的相对折射率两种材料间的相对折射率 如果光从材料如果光从材料1 1，通过界面传入材料，通过界面传入材料2 2时，与界面法向所形成的入时，与界面法向所形成的入射角射角i i1 1、折射角、折射角i i2 2与两种材料的折射率与两种材料的折射率n n1 1和和n n2 2现有下述关系：现有下述关系：式中：式中：v v1 1及及v v2 2分别表示光在材料分别表示光在材料l l及及2 2中的传播速度，中的传播速度，n n2121为材料为

4、材料2 2相对于材相对于材料料l l的相对折射率。的相对折射率。3 3影响折射率的因素影响折射率的因素 1 1）构成材料元素的离子半径）构成材料元素的离子半径 （1 1）折射率）折射率n n与极化率的关系与极化率的关系 由于光是一种电磁波，所以根据马克斯威尔电磁波理论，光在介由于光是一种电磁波，所以根据马克斯威尔电磁波理论，光在介质中的传播速度应为：质中的传播速度应为：式中：式中：c c为真空中的光速，为真空中的光速，为介质的介电常数，为介质的介电常数，为介质的导磁率。为介质的导磁率。321211221vvnnnisinisincv第四页，讲稿共四十九页哦根据根据(4(41)1)式和式和(4(

5、43)3)式可得式可得:由于在无机材料这样的电介质中，由于在无机材料这样的电介质中，=1=1，l l （4.54.5）（2 2）极化率与离子半径的关系）极化率与离子半径的关系 当光通过材料时，必然引起内部质点的极化（变形），在可见光当光通过材料时，必然引起内部质点的极化（变形），在可见光范围内，这种变化表现为离子或核外电子云的变形，而且，随着光范围内，这种变化表现为离子或核外电子云的变形，而且，随着光波电场的交变，电子云也反复来回变形。如下图波电场的交变，电子云也反复来回变形。如下图:4ccvcn材料(4.4)n 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 n也随之增大也随

6、之增大 第五页，讲稿共四十九页哦 2 2）材料的结构、晶型和非晶态）材料的结构、晶型和非晶态 （1 1）均质介质）均质介质 如非晶态如非晶态(无定型体无定型体)和立方晶体材料，当光通过时，光速不因传播方向改和立方晶体材料，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。变而变化，材料只有一个折射率。（2 2）非均匀介质）非均匀介质 光进入非均质介质时，一般会产生双折射现象。光进入非均质介质时，一般会产生双折射现象。双折射：当一束光通过一个介质时，分为振动方向相互垂直、传播速度不双折射：当一束光通过一个介质时，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的现象

7、。等的两个波，它们分别构成两条折射光线的现象。常光折射率常光折射率n n0 0 上述两条折射光线中，平行于入射面的光线的折射率称为常光折射率。上述两条折射光线中，平行于入射面的光线的折射率称为常光折射率。特性：不论入射光的入射角如何变化，特性：不论入射光的入射角如何变化，n n0 0始终为一常数，因而常光始终为一常数，因而常光折射率严格服从折射定律。折射率严格服从折射定律。非常光折射率非常光折射率n ne e 与入射面垂直的光线的折射率，称为非常光折射率。与入射面垂直的光线的折射率，称为非常光折射率。非常光折射率的特性：它不遵守折射定律，随入射光的方向而变化。非常光折射率的特性：它不遵守折射定

8、律，随入射光的方向而变化。5第六页，讲稿共四十九页哦 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的有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n n大，平行于受拉主应力大，平行于受拉主应力方向的方向的n n小。因此产生双折射。小。因此产生双折射。测定材料中内应力的大小，常采用测定双折射的光程差的大小测定材料中内应力的大小，常采用测定双折射的光程差的大小。4 4）同质异构体）同质异构体 以以SiOSiO2 2为例为例 石英晶体石英晶体 常温下的石英晶体，常温下的石英晶体，n=1.55n=1.55，数值最大；高温时的鳞石英，数值最大；高温时的鳞石英，n n=

9、1.47=1.47；方石英，；方石英，n=l.49n=l.49。石英玻璃石英玻璃 常温下的石英玻璃，常温下的石英玻璃，n=1.46n=1.46，数值最小。，数值最小。至于普通钠钙硅酸盐玻璃，至于普通钠钙硅酸盐玻璃，n=1.51n=1.51，比石英的折射率小。，比石英的折射率小。提高玻璃折射率的有效措施是掺入铅和钡的氧化物。例如含提高玻璃折射率的有效措施是掺入铅和钡的氧化物。例如含Pb090Pb090(体积体积)的铅玻璃的铅玻璃 n=2.1n=2.1。6第七页，讲稿共四十九页哦4 4折射率的表示折射率的表示 一般常用一般常用n nD D来比较不同材料的折射率。来比较不同材料的折射率。n nD D

10、是指用钠光谱中的是指用钠光谱中的D D线（线（D D=589.3nm=589.3nm，黄色）为光源测出的折射，黄色）为光源测出的折射率。率。7二色散二色散 1 1定义定义 材料的折射率随入射光的频材料的折射率随入射光的频率的减小率的减小(或波长的增加或波长的增加)而减小的而减小的性质，称为折射率的色散。性质，称为折射率的色散。在给定入射光波长的情况下，材在给定入射光波长的情况下，材料的色散为料的色散为 色散色散=dn/d （4.6）几种材料的色散见图几种材料的色散见图4 41(a)1(a)及及(b)(b)所示所示:第八页，讲稿共四十九页哦82色散的表示方法色散的表示方法 1 1）色散曲线）色散

11、曲线 色散曲线如图色散曲线如图4.14.1所示，色散值可所示，色散值可以直接由图以直接由图4.14.1确定。确定。2 2）固定波长下的折射率）固定波长下的折射率 通常色散的表示方法有以下几种：通常色散的表示方法有以下几种：（1 1）平均色散：）平均色散：nFnC，有时用，有时用表示。表示。nF：是指用氢光谱中的是指用氢光谱中的F线（线（F=486.1nm，蓝色）为光源测出的折，蓝色）为光源测出的折射率。射率。nC：是指用氢光谱中的是指用氢光谱中的C线（线（C=656.3nm，红色）为光源测出的折，红色）为光源测出的折射率。射率。第九页，讲稿共四十九页哦（2 2）部分色散：）部分色散：用两种不同

12、波长的折射率之差来表示用两种不同波长的折射率之差来表示 如：如：nDnC，nFnD（3 3）色散系数）色散系数：也叫阿贝数、色散倒数或倒数相对色散，这是最常也叫阿贝数、色散倒数或倒数相对色散，这是最常用的数值用的数值 。（4 4）相对色散）相对色散:，3 3应用实例应用实例 1 1）光学玻璃的分类）光学玻璃的分类 例如光学玻璃就是按例如光学玻璃就是按阿贝数的大小分成两大类：冕牌玻璃（阿贝数的大小分成两大类：冕牌玻璃（大）和大）和火石玻璃（火石玻璃（小，小，n nF Fn nC C大，大，n nD D变化范围大）。变化范围大）。2 2）消除光学系统中的色差）消除光学系统中的色差 用不同牌号的光学

13、玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜组成复合镜头，用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜组成复合镜头，可以消除色差，这叫做消色差镜头。可以消除色差，这叫做消色差镜头。9CFDnn1nCFCDnnnnCFDFnnnn第十页，讲稿共四十九页哦三反射三反射 1 1反射系数（反射率）反射系数（反射率）当光投射到材料表面时一般产生反射、透过和吸收。这三种当光投射到材料表面时一般产生反射、透过和吸收。这三种基本性质都与折射率有关。基本性质都与折射率有关。m m（%）+A+A（%）+T+T（%）=100%=100%1 1）反射系数的定义）反射系数的定义10 设光的总能量流设光的总能量流w为为 W=W+W （4

14、.8）W，W，W分别为单位时间通过位分别为单位时间通过位面积的入射光、反射光和折射光的能面积的入射光、反射光和折射光的能量流。量流。则，反射系数为则，反射系数为 m=W/W。或或：m=被反射的光强度被反射的光强度/入射光强度入射光强度=L/I0第十一页，讲稿共四十九页哦 2 2）反射系数与折射率的关系）反射系数与折射率的关系 根据波动理论根据波动理论 W WA A2 2vS (4.9)vS (4.9)式中，式中，A A为入射波的振幅，为入射波的振幅，v v为入射波的传播速度，为入射波的传播速度，S S为界面面积。为界面面积。由于反射波的传播速度及横截面积都与入射波相同，所以：由于反射波的传播速

15、度及横截面积都与入射波相同，所以：AA，A A分别为反射波和入射波的振幅。分别为反射波和入射波的振幅。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，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，FresnelFresnel推导出推导出 ：112)AA(WW（4.10）)ri(sin)ri(sinAAWW222SS)ri(tg)ri(tgAAWW222rr/（4.11）（4.12）第十二页，讲稿共四十九页哦 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

16、比为平行的振动，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，即垂直入射时：当角度很小时，即垂直入射时：因为介质因为介质2 2对于介质对于介质l l的相对折射率的相对折射率为：为：故：故：n n21 21=i/r=i/r m m 称为反射系数。称为反射系数。12)ri(tg)ri(tg)ri(sin)ri(sin21WW2222(4.13)222222221ri1ri)ri()ri()ri(tg)ri(tg)ri(sin)ri(sinrsinisinn21m)1n1n(WW22121（4.14）第十三页，讲稿共四十九页哦 2 2透射系数透射系数 根据能量守恒定律（光在界面上

17、的现象）根据能量守恒定律（光在界面上的现象），W=WW=W+W+W (4.15)(4.15)(1 (1m)m)称为透射系数。由称为透射系数。由(4(4.14)14)式可知式可知,在垂直入射的情况下在垂直入射的情况下,光在界光在界面上的反射的多少取决于两种介质的相对折射率面上的反射的多少取决于两种介质的相对折射率n n2121 3 3界面的反射损失界面的反射损失 （1 1）基本现象）基本现象 如果介质如果介质l l为空气，可以认为，为空气，可以认为，n n1 1=1=1，则，则n n2121=n=n2 2；如果如果n n1 1和和n n2 2相差很大，那么界面反射损失就严重；相差很大，那么界面反

18、射损失就严重；如果如果n n1 1=n=n2 2，则，则 m=0m=0；根据根据，因此在垂直入射的情况下，几乎没有反射损失。因此在垂直入射的情况下，几乎没有反射损失。13m1WW1WW 第十四页，讲稿共四十九页哦（2 2）光线通过）光线通过x x块块2 2块玻璃板的透射块玻璃板的透射 设一块折射率设一块折射率n=1.5n=1.5的玻璃，光反射损失为的玻璃，光反射损失为m=0.04m=0.04，透过部分为，透过部分为1 1m=0.96m=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。如果透射光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，此时透过部分为时透过部分为(1(1m)m)2 2=

19、0.922=0.922。如果连续透过如果连续透过x x块平板玻璃，则透过部分应为块平板玻璃，则透过部分应为(1(1m)m)2x2x。（3）实）实例例 减少反射损失的实例减少反射损失的实例 由于陶瓷、玻璃等材料的折射率较空气的大，所以反射损失严重。由于陶瓷、玻璃等材料的折射率较空气的大，所以反射损失严重。如果透如果透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失更可观。为了减小这种界面镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失更可观。为了减小这种界面损失，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

20、部各界面都是玻璃和胶的较最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面都是玻璃和胶的较小的相对折射率，从而大大减小了界面的反射损失。小的相对折射率，从而大大减小了界面的反射损失。增加反射损失的实例增加反射损失的实例 为了调节玻璃的为了调节玻璃的n n，常在玻璃表面涂以一定厚度的和玻璃，常在玻璃表面涂以一定厚度的和玻璃n n不同的透不同的透明薄膜，使玻璃表面的明薄膜，使玻璃表面的m m增加或减少增加或减少。14第十五页，讲稿共四十九页哦 5 52 2 材料的透光性材料的透光性 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 1 1）光吸收的原因）光吸收的原因 光作为一种能

21、量流，在穿过介质时，使介质的价电子受到光能光作为一种能量流，在穿过介质时，使介质的价电子受到光能而激发，在电子壳能态间跃迁，或使电子振动能转变为分子运动的而激发，在电子壳能态间跃迁，或使电子振动能转变为分子运动的能量，即材料将吸收光能转变为或热能放出；介质中的价电子吸能量，即材料将吸收光能转变为或热能放出；介质中的价电子吸收光子能量而激发，当尚未退激而发出光子时，在运动中与其它分收光子能量而激发，当尚未退激而发出光子时，在运动中与其它分子碰撞，使电子的能量转变成分子的动能亦即热能。从而构成了光子碰撞，使电子的能量转变成分子的动能亦即热能。从而构成了光能的衰减。这就是光的吸收。能的衰减。这就是光

22、的吸收。2 2）朗伯特定律）朗伯特定律 设有一块厚度为设有一块厚度为x x的平板材料的平板材料(如图如图4.3)4.3)，入射光的强度为，入射光的强度为I I0 0，通过，通过此材料后光强度为此材料后光强度为I I。选取其中一薄层，并认为光通过此薄层的吸收损。选取其中一薄层，并认为光通过此薄层的吸收损失失 dIdI，它正比于在此处的光强度和薄层的厚度，它正比于在此处的光强度和薄层的厚度dxdx，即，即:15第十六页，讲稿共四十九页哦 -dI=-dI=Idx,Idx,(4.16)(4.16)式表明，光强度随厚度的变化符合指数衰减规律。此式称为朗伯式表明，光强度随厚度的变化符合指数衰减规律。此式称

23、为朗伯特定律。特定律。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。取决于材料的性质和光取决于材料的性质和光的波长。的波长。越大材料越厚，光就被吸收得越多，因而透过后的光强度越大材料越厚，光就被吸收得越多，因而透过后的光强度就越小。就越小。2 2光吸收与光波长的关系光吸收与光波长的关系 根据光的波长，可将光进行如下划分：根据光的波长，可将光进行如下划分：射线射线X X射线射线紫外光（紫外光（1010400nm400nm）可见光可见光(400(400760nm)760nm)红外光红外光(760(76010106 6nm)nm)无线电波无线电波 1)1)可见

24、光区（可见光区（400400760nm760nm）如果材料对光谱内各波长的光吸收不等，有选择性，则由玻璃出来如果材料对光谱内各波长的光吸收不等，有选择性，则由玻璃出来的光线必定改变了原来的光谱组成，就获得了有颜色的光。的光线必定改变了原来的光谱组成，就获得了有颜色的光。16x0IIdxIdI0 xIIln0 x0eII（4.16）第十七页，讲稿共四十九页哦 材料对光的吸收是基于原子中电子（主要是价电子）接受光能后，由材料对光的吸收是基于原子中电子（主要是价电子）接受光能后，由代能级（代能级（E E1 1）向高能级（）向高能级（E E2 2）跃迁。当两个能级的能量差（）跃迁。当两个能级的能量差（

25、E E2 2-E E1 1=h=h=E=Eg g，h h为普照朗克常数，为普照朗克常数，v v为频率）等于可见光的能量时，相应的波为频率）等于可见光的能量时，相应的波长的光就被吸收，从而呈现颜色。长的光就被吸收，从而呈现颜色。E Eg g越小，吸收的光的波长愈长，呈现的越小，吸收的光的波长愈长，呈现的颜色愈深；反之，能级差颜色愈深；反之，能级差E Eg g愈大，吸收光的波长愈短，则呈现的颜色愈浅愈大，吸收光的波长愈短，则呈现的颜色愈浅。例例1，金属，金属 金属对光能吸收很强烈。金属对光能吸收很强烈。例例2 2，玻璃，玻璃 17 玻璃有良好的透光性，吸收系玻璃有良好的透光性，吸收系数很小（数很小

26、（Eg大）大）。从图从图4.44.4中可见，在电磁波谱的可中可见，在电磁波谱的可见光区，金属和半导体的吸收系数都见光区，金属和半导体的吸收系数都是很大的。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区内都有良好的透 过性。也就是说吸收系数很小。过性。也就是说吸收系数很小。第十八页，讲稿共四十九页哦2 2）紫外区（）紫外区（1010400nm400nm）对于一般无色透明的材料（如玻璃）的紫外吸收现象比较特殊，不同于离对于一般无色透明的材料（如玻璃）的紫外吸收现象比较特殊，不同于离子着色，并不出现吸收

27、峰，而是一个连续的吸收区。透光区与吸收区之间有子着色，并不出现吸收峰，而是一个连续的吸收区。透光区与吸收区之间有一条坡度很陡的分界线，通常称为吸收极限，小于吸收极限的波长完全吸收一条坡度很陡的分界线，通常称为吸收极限，小于吸收极限的波长完全吸收，大于吸收极限的波长则全部透过。，大于吸收极限的波长则全部透过。这是因为波长愈短，光子能量越来越大。当光子能量达到禁带宽度时，电这是因为波长愈短，光子能量越来越大。当光子能量达到禁带宽度时，电子就会吸收光子能量从满子就会吸收光子能量从满带（基态）跃迁到导带（激发态），此时吸收带（基态）跃迁到导带（激发态），此时吸收系数将骤然增大。系数将骤然增大。此紫外吸

28、收端相应的波长可根据材料的禁带宽度此紫外吸收端相应的波长可根据材料的禁带宽度E Eg g求得求得:（4.17）(4.18)(4.18)式中：式中：h为普朗克常数，为普朗克常数，h=663l0-34Js。c为光速。为光速。从式中可见，禁带宽度（从式中可见，禁带宽度（Eg）大的材料，紫外吸收端的波长比较小。大的材料，紫外吸收端的波长比较小。18chhEggEhc 第十九页，讲稿共四十九页哦 3 3）红外区（）红外区（76076010106 6nmnm）一般认为在红外区的吸收是属于分子光谱。吸收主要是由于红外光（一般认为在红外区的吸收是属于分子光谱。吸收主要是由于红外光（电磁波）的频率与材料中分子振

29、子（或相当于分子大小的原子团）的本电磁波）的频率与材料中分子振子（或相当于分子大小的原子团）的本征频率相近或相同引起共振消耗能量所致。即在红外区的吸收峰是因为征频率相近或相同引起共振消耗能量所致。即在红外区的吸收峰是因为离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致。离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致。要使谐振点的波长尽可能远离可见光区，即吸收峰处的频率尽可能小（要使谐振点的波长尽可能远离可见光区，即吸收峰处的频率尽可能小（波长尽可能长），则需选择较小的材料热振频率波长尽可能长），则需选择较小的材料热振频率。此频率。此频率与材料其与材料其它常数呈下列关系：它常数呈下列关系：(4.19)

30、(4.19)式中式中是与力有关的常数，由离子间结合力决定。是与力有关的常数，由离子间结合力决定。Mc和和Ma分别为阳离子和阴分别为阳离子和阴离子质量。离子质量。3 3选择性吸收与均匀吸收选择性吸收与均匀吸收 透明材料的选择吸收使其呈不同的颜色。透明材料的选择吸收使其呈不同的颜色。如果介质在可见光范围对各种波长的吸收程度相同，则称为均匀吸如果介质在可见光范围对各种波长的吸收程度相同，则称为均匀吸收。在此情况下，随着吸收程度的增加，颜色从灰变到黑。收。在此情况下，随着吸收程度的增加，颜色从灰变到黑。19ac2M1M12第二十页，讲稿共四十九页哦二介质对光的散射二介质对光的散射 1 1散射的概念散射

31、的概念 光波遇到不均匀结构产生次级波，与主波方向不一致，使光偏离原来光波遇到不均匀结构产生次级波，与主波方向不一致，使光偏离原来的方向从而引起散射，从而减弱光束强度。的方向从而引起散射，从而减弱光束强度。散射现象也是由于介质中密度的均匀性的破坏而引起的。散射现象也是由于介质中密度的均匀性的破坏而引起的。由于散射，光在前进方向上的强度减弱了，对于相分布均匀的由于散射，光在前进方向上的强度减弱了，对于相分布均匀的材料，其减弱的规律与吸收规律具有相同的形式材料，其减弱的规律与吸收规律具有相同的形式:(4.20)(4.20)式中，式中，I I为在光前进方向上的剩余强度。为在光前进方向上的剩余强度。S

32、S为散射系数其单位为为散射系数其单位为cmcm-1-1，与散射，与散射(质点质点)的大小、数量以及散射质点与基体的相对折射率等因的大小、数量以及散射质点与基体的相对折射率等因素有关。素有关。如果将吸收定律与散射规律的式子统一起来，则可得到：如果将吸收定律与散射规律的式子统一起来，则可得到：(4.21)(4.21)20Sx0eIIx)S(0eII第二十一页，讲稿共四十九页哦 2.2.散射系数最大时的质点直径散射系数最大时的质点直径 1)1)一般规律一般规律21如图如图4 45 5。（1 1）条件）条件 材料：含有材料：含有1 1(体积体积)Ti0)Ti02 2散射质点散射质点的玻璃。的玻璃。入射

33、光：入射光：D D=0=0.589589m m（589nm589nm）相对折射率：相对折射率：n n2121=1=1.8 8（2 2）散射最强时质点的直径）散射最强时质点的直径 散射最强时，质点的直径为散射最强时，质点的直径为 (4.22)(4.22)m(48.0)1n(21.4dmax 从上式可知：入射光的波长不同，散射系数达最大时的质点直径也不从上式可知：入射光的波长不同，散射系数达最大时的质点直径也不同。同。第二十二页，讲稿共四十九页哦（3 3）散射系数与波长的关系）散射系数与波长的关系 从图从图4 45 5中还可以看出，曲线由左右两条不同形状的曲线所组成，各中还可以看出，曲线由左右两条

34、不同形状的曲线所组成，各自有着不同的规律。自有着不同的规律。讨论：当散射质点的体积浓度不变时讨论：当散射质点的体积浓度不变时 ddd时，随着时，随着dd，SS；dd时，时，S S达最大值。达最大值。所以可根据散射中心尺寸和波长的相对大小，分别用不同的散所以可根据散射中心尺寸和波长的相对大小，分别用不同的散射基因和规律进行处理，可求出射基因和规律进行处理，可求出S S与其他因素的关系。与其他因素的关系。2 2）FresnelFresnel规律规律 FresnelFresnel规律，适用于规律，适用于dd时，此时反射、折射引起的总体散射起时，此时反射、折射引起的总体散射起主导作用。主导作用。对于这

35、种散射，可以认为散射系数正比于散射质点的投影面积：对于这种散射，可以认为散射系数正比于散射质点的投影面积：S=KNS=KNR R2 2 (4.23)(4.23)式中：式中：N N为单位体积内的散射质点数，为单位体积内的散射质点数，R R为散射质点的平均半径，为散射质点的平均半径，K K为散为散射因素，取决于基体与质点的相对折射率。当两者相近时，由于无界面反射因素，取决于基体与质点的相对折射率。当两者相近时，由于无界面反射，射，KOKO。22第二十三页，讲稿共四十九页哦 由于由于N N不好计算，设散射质点的体积含量为不好计算，设散射质点的体积含量为V V，则，则 那么那么(4(423)23)（S

36、=KNS=KNR R2 2）式变为：）式变为：(4.24)(4.24)将上式代入（将上式代入（4.204.20）式）式 故故 (4.25)(4.25)由式中可见，由式中可见，dd时，时，R R越小，越小，V V越大，则越大，则S S愈大。这符合实验规律。愈大。这符合实验规律。同时同时S S 随相对折射率的增大而增大。随相对折射率的增大而增大。3 3）RayleighRayleigh（瑞利）散射（瑞利）散射 适用于适用于d1/3d1/3时。此时散射系数时。此时散射系数 (4.26)(4.26)总之，不管在上述哪种情况下，散射质点的折射率与基体的总之，不管在上述哪种情况下，散射质点的折射率与基体的

37、折折射率射率相差越大，将产生越严重的散射。相差越大，将产生越严重的散射。4 4）Mie散射散射23NR34V3R4KV3S R4xKV3Sx0eeII2224342n1nVR32S第二十四页，讲稿共四十九页哦三材料的透光性三材料的透光性 1 1透光性透光性 1 1）定义）定义 透光性是指光能通过材料后，剩余光能所占的百分比。透光性是指光能通过材料后，剩余光能所占的百分比。透光性透光性=I/I=I/I0 0 光的能量光的能量(强度强度)可以用照度来代表，也可用一定距离外的光可以用照度来代表，也可用一定距离外的光电池转电池转换得到的电流强度来表示。换得到的电流强度来表示。2 2）计算）计算 按照图

38、按照图4 43 3所示，将光源照在一定距离之外的光电池上，测定其所示，将光源照在一定距离之外的光电池上，测定其光电流强度光电流强度I I0 0，然后在光路中插入一厚度为，然后在光路中插入一厚度为x x的无机材料，同样测得剩的无机材料，同样测得剩余光电流强度余光电流强度I I。可按可按(4.16)(4.16)式算出综合吸收系数。式算出综合吸收系数。注意：算出的注意：算出的内，除了吸收系数外，实际上还包括了散射系数以内，除了吸收系数外，实际上还包括了散射系数以及材料的界面损失（及材料的界面损失（1-m1-m）2 2。24第二十五页，讲稿共四十九页哦 2 2光能损失光能损失 光通过厚度为光通过厚度为

39、x x的透明陶瓷片时，各种光能的损失见图的透明陶瓷片时，各种光能的损失见图4.64.6所示。所示。1 1）反射损失）反射损失L L 强度为强度为I I0 0的光束垂直地入射到陶瓷左表面。由于陶瓷片与左侧空间的光束垂直地入射到陶瓷左表面。由于陶瓷片与左侧空间介质之间存在相对折射率介质之间存在相对折射率n n2121，因而在表面上有反射损失：，因而在表面上有反射损失：（2.272.27）此时，透进材料中的光强此时，透进材料中的光强 度为度为I I0 0(1-m)(1-m)。260201I1n1nmIL第二十六页，讲稿共四十九页哦 2）吸收损失）吸收损失L与散射损失与散射损失L 这一部分光能穿过厚度

40、为这一部分光能穿过厚度为x x的材料后，又消耗于吸收损失和散射损的材料后，又消耗于吸收损失和散射损失。到达材料右表面时，光强度失。到达材料右表面时，光强度剩剩下：下：I I0 0(1-m)e(1-m)e-(-(+S)x+S)x。3）反射损失）反射损失L 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=I0(1-m)e-(+S)x (4.28)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 I=I0(1-m)2e-(+S)x (4.29)显然显然I/I0才是真正的透光率。才是真正的透光率。注意：上式中所得的注意：上式中所得的I中

41、并未包括中并未包括L反射回去的光能。再经左右表面，反射回去的光能。再经左右表面，进行二、三次反射之后，仍然会有从右侧表面传出的那一部分光能。这部分进行二、三次反射之后，仍然会有从右侧表面传出的那一部分光能。这部分光能显然与材料的吸收系数、散射系数有密切的关系，也和材料的表面光洁光能显然与材料的吸收系数、散射系数有密切的关系，也和材料的表面光洁度、材料的厚度以及光束入射角有关。度、材料的厚度以及光束入射角有关。26第二十七页，讲稿共四十九页哦 3 3影响材料透光性的因素影响材料透光性的因素 1 1）吸收系数）吸收系数 这部分损失较小，在影响透光率中不占主导地位。这部分损失较小，在影响透光率中不占

42、主导地位。见图见图4.44.4所示，对于陶瓷、玻璃等电介质材料，材料的吸收率或吸所示，对于陶瓷、玻璃等电介质材料，材料的吸收率或吸收系数在可见光范围内是比较低的，。收系数在可见光范围内是比较低的，。2 2）反射系数）反射系数 这部分损失较大。材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大这部分损失较大。材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。另一方面，材料表面的光洁度也影响透光性能，。另一方面，材料表面的光洁度也影响透光性能，3 3）散射系数）散射系数 影响最大。影响最大。这一因素最影响陶瓷材料的透光率。其原因是：这一因素最影响陶瓷材料的透光率。其原因是：(1)(1)材料的宏观及显微缺陷材料的

43、宏观及显微缺陷 材料中的夹杂物、掺杂、晶界等对光的折射性能与主晶相不同，材料中的夹杂物、掺杂、晶界等对光的折射性能与主晶相不同，因而在不均匀界面上形成相对折射率。此值越大则反射系数越大，因而在不均匀界面上形成相对折射率。此值越大则反射系数越大，散射因子也越大，因而散射系数变大。散射因子也越大，因而散射系数变大。27第二十八页，讲稿共四十九页哦 (2)(2)晶粒排列方向的影响晶粒排列方向的影响 如果材料不是各向同性的立方晶体或玻璃态，则存在有双折射如果材料不是各向同性的立方晶体或玻璃态，则存在有双折射问题。与晶轴成不同角度的方向上的折射率均不相同。这样，由多问题。与晶轴成不同角度的方向上的折射率

44、均不相同。这样，由多晶材料组成的无机材料，晶粒与晶粒之间，结晶的取向不见得都一晶材料组成的无机材料，晶粒与晶粒之间，结晶的取向不见得都一致。因此，晶粒之间产生折射率的差别，引起晶界处的反射及致。因此，晶粒之间产生折射率的差别，引起晶界处的反射及散射散射损失。损失。28 图图4.7所示为一个典型的双折射所示为一个典型的双折射引起的不同晶粒取向的晶界损失引起的不同晶粒取向的晶界损失。图图4.7说明：对多晶无机材料来说说明：对多晶无机材料来说，影响透光率的主要因素在于组成，影响透光率的主要因素在于组成材料的晶体的双折射率。材料的晶体的双折射率。例例1：-Al2O3晶体晶体 -Al2O3晶体的晶体的n

45、0=1.760，n e=1.768。第二十九页，讲稿共四十九页哦 考察在考察在许多晶粒之间经多次反射损失之后的光能损失。许多晶粒之间经多次反射损失之后的光能损失。设材料厚设材料厚2mm2mm，晶粒平均直径，晶粒平均直径10m10m，理论上具有，理论上具有200200个晶个晶界，则界，则除去晶界反射损失后，剩余光强占除去晶界反射损失后，剩余光强占(1-m)(1-m)200200=O=O9989799897，损失并不大，损失并不大。从散射损失来分析，设入射光为可见光，从散射损失来分析，设入射光为可见光，=0.39=0.390.770.77m m。今平均。今平均d=10d=10m m，故采用，故采用

46、S=3KS=3K3V/4R3V/4R计算，现在计算，现在n n2121=1.768/1.60=1.768/1.601 1，所以，所以K K0 0，亦即，亦即S S0 0。也就是说，散射损失也很小。也就是说，散射损失也很小。例例2：金红石金红石 金红石晶体的金红石晶体的n0=2.854，ne=2.567,因而其反射系数因而其反射系数m=2.810-3。如材。如材料厚度料厚度3mm，平均晶粒直径，平均晶粒直径3m，则剩余光能只剩下，则剩余光能只剩下(1-m)1000=0.06了了。此外，由于。此外，由于n21较大，因之较大，因之K较大，较大，S大，散射损失较大，故金红石大，散射损失较大，故金红石瓷

47、不透光瓷不透光。例例3 3：MgOMgO，Y Y2 2O O3 3等立方等立方晶系材料晶系材料 没有双折射现象，本身透明度较高。如果使晶界玻璃相的折射率与主没有双折射现象，本身透明度较高。如果使晶界玻璃相的折射率与主晶相的折射率相差不大，可望得支透明度较好的透明陶瓷材料。但这是晶相的折射率相差不大，可望得支透明度较好的透明陶瓷材料。但这是相当不容易做到的。相当不容易做到的。例例4 4：玻璃玻璃 29第三十页，讲稿共四十九页哦 （3 3）气孔引起的散射损失）气孔引起的散射损失 气孔含量气孔含量 存在于晶粒之间的以及晶界玻璃相内的气孔、孔洞，从光学上讲构成存在于晶粒之间的以及晶界玻璃相内的气孔、孔

48、洞，从光学上讲构成了第二相。其折射率了第二相。其折射率n n1 1可视为可视为1 1，与基体材料之，与基体材料之n n2 2相差较大，所以相对折相差较大，所以相对折射率射率n n2121=n=n2 2也较大。由此引起的反射损失、散射损失远较杂质、不也较大。由此引起的反射损失、散射损失远较杂质、不等向晶粒排列等因素引起的损失为大。等向晶粒排列等因素引起的损失为大。气孔的体积含量气孔的体积含量V V越大，散射损失越大。越大，散射损失越大。例：一材料含气孔例：一材料含气孔0.2%（体积），平均（体积），平均d=2m，试验所得散射因子，试验所得散射因子K=24，则散射系数，则散射系数 如果此材料厚为如

49、果此材料厚为3mm，I=I0e-1.53=0.011I0。剩余光能只为。剩余光能只为1左右左右，可见气孔对透光率影响之大。，可见气孔对透光率影响之大。30)mm(5.1002.04002.032R4V3KS1第三十一页，讲稿共四十九页哦 气孔尺寸气孔尺寸 一般陶瓷材料的气孔直径大约在一般陶瓷材料的气孔直径大约在1 1m m，均大于可见光的波长，均大于可见光的波长(=0(=0.39390 0.7979m)m)，所以计算散射损失时应采用公式（，所以计算散射损失时应采用公式（4.244.24），即），即S=KS=K3V/4R3V/4R。散射因子散射因子K K与相对折射率与相对折射率n n2121有关

50、。而气孔与陶瓷材料的相对折射率几有关。而气孔与陶瓷材料的相对折射率几乎等于材料的折射率乎等于材料的折射率n n2 2，数值较大，所以，数值较大，所以K K值也较大。气孔尺寸小，散射值也较大。气孔尺寸小，散射损失较小。损失较小。假如上例中只剩下平均假如上例中只剩下平均d=0d=0OlOlm m的微小气孔，情况就有根本的变的微小气孔，情况就有根本的变化。化。此时，此时，A1A12 20 03 3陶瓷的平均陶瓷的平均dd3(3(设为可见光的波长设为可见光的波长)，符合瑞利，符合瑞利散射条件。此时，即使气孔体积含量高达散射条件。此时，即使气孔体积含量高达0.630.63，陶瓷也是透光的。，陶瓷也是透光