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1、第四章第四章 材料的光学性能材料的光学性能 4.1 4.1 光通过介质的现象光通过介质的现象 4.2 4.2 无机材料的透光性无机材料的透光性 4.3 4.3 界面反射与光泽界面反射与光泽 4.4 4.4 不透明性和半透明性不透明性和半透明性 4.5 4.5 其它光学性能的应用其它光学性能的应用光光学学性性能能的的应应用用基础基础取之不尽的能源取之不尽的能源信息载体信息载体生命之源生命之源引引 言言透光材料透光材料激光材料激光材料光纤材料（导光材料）光纤材料（导光材料）发光材料发光材料光调制材料（电光、磁光、声光材料）光调制材料（电光、磁光、声光材料）光电材料光电材料光信息材料光信息材料非线性
2、光学材料非线性光学材料光学材料分类光学材料分类光参量光参量光具有波粒二象性，既有波动性，又有粒子性。光具有波粒二象性，既有波动性，又有粒子性。照片底片感光、眼睛的视觉作用等都是由光波电场引起，所以用图形表示照片底片感光、眼睛的视觉作用等都是由光波电场引起，所以用图形表示光波时，通常略去磁场不画，只画电场。光波时，通常略去磁场不画，只画电场。波长波长（）：两相邻波峰或波谷间的距离，亦即在周期性波动的传播方向上具有相同）：两相邻波峰或波谷间的距离，亦即在周期性波动的传播方向上具有相同相位的两相邻点之间的距离，即波的空间周期。相位的两相邻点之间的距离，即波的空间周期。Einsten光电效应方程：光电
3、效应方程：频率频率（）：每秒钟电场完成振动周期的次数（）：每秒钟电场完成振动周期的次数（Hz）。）。相位相位：在一个转动周期或一个波长范围内，各点位置的度量，它是综合频率、时间、：在一个转动周期或一个波长范围内，各点位置的度量，它是综合频率、时间、波长、距离在内的一个角度量。是描述振动和波动状态的一个综合性波参量。波长、距离在内的一个角度量。是描述振动和波动状态的一个综合性波参量。振幅振幅：光波中振动着的电场的最大值。光强的大小与振幅的平方成正比，因此振幅：光波中振动着的电场的最大值。光强的大小与振幅的平方成正比，因此振幅的大小决定着光的强弱。的大小决定着光的强弱。线性光学性能线性光学性能描描
4、述述普普通通光光学学现现象象的的重重要要公公式式表表现现出出数数学学上上的的线线性性特特点点，即即介介质质的的电电极极化化强强度度P与与入入射射光光波波的的电电场场E成成简简单的线性关系。单的线性关系。x为介质的极化率，为介质的极化率，0位真空介电常数。位真空介电常数。4.1 4.1 光通过介质的现象光通过介质的现象一、折射一、折射二、色散二、色散三、反射三、反射四、介质对光的吸收四、介质对光的吸收五、介质对光的散射五、介质对光的散射一、折射一、折射1.概念概念当光线依次通过不同的介质时，光的行进方向会发生改当光线依次通过不同的介质时，光的行进方向会发生改变，称为变，称为“折射折射”。折射现象
5、的实质：折射现象的实质：介质的密度不同，光通过时，传播速介质的密度不同，光通过时，传播速度也不同。度也不同。2.折射率折射率介质对光的折射性质用材料的介质对光的折射性质用材料的“折射率折射率”n表示。表示。光从真空进入介质材料时，速度降低。光在真空和材料光从真空进入介质材料时，速度降低。光在真空和材料中的速度之比即为材料的中的速度之比即为材料的绝对折射率绝对折射率。（1 1）绝对折射率）绝对折射率介质的介质的折射率折射率永远为大于永远为大于1的正数。的正数。空气：空气：n=1.003固体氧化物：固体氧化物：n=1.32.7硅酸盐玻璃：硅酸盐玻璃：n=1.51.9材料材料2相对于材料相对于材料1
6、的的相对折射率相对折射率为：为：分别表示光在材料分别表示光在材料1和和材料材料2种的传播速度。种的传播速度。折射率折射率n1 1折射率折射率n2 2（2 2）相对折射率）相对折射率折射定律：折射定律：n1sin 1=n2sin 2光光从从材材料料1通通过过界界面面传传入入材材料料2时时，与与界界面面法法向向所所形形成成的的入入射射角角 1、折折射射角角 2与与两两种种材料的折射率材料的折射率n1和和n2之间的关系为：之间的关系为：2.影响因素影响因素（1 1）构成材料元素的离子半径）构成材料元素的离子半径根据根据Maxwell电磁理论，光在介质中的传播速度为：电磁理论，光在介质中的传播速度为：
7、对于无机材料：对于无机材料：c：真空中的光速；：真空中的光速；：介质的介电常数；：介质的介电常数；：介质的导磁率。：介质的导磁率。介质的折射率随其介电常数的增大而增大。介质的折射率随其介电常数的增大而增大。折射率与介质的极化现象有关。折射率与介质的极化现象有关。介电常数介电常数 外外加加电电场场作作用用下下，介介质质中中的的正正电电荷荷沿沿着着电电场场方方向向移移动动，负负电电荷荷沿沿着着反反电电场场方方向向移移动动，这这样样正正负负电电荷荷的的中中心心发发生生相相对对位位移移，这这种种现现象象就就是是介介质质的的极极化化。外外加加电电场场越越强，正负电荷中心的距离越大。强，正负电荷中心的距离
8、越大。介质的离子半径增大时，其介质的离子半径增大时，其 增大，因而增大，因而n也随之增大。也随之增大。大离子得到高折射率材料：大离子得到高折射率材料：PbS n=3.912小离子得到低折射率材料：小离子得到低折射率材料：SiCl4 n=1.412（2 2）材料的结构、晶型和非晶态）材料的结构、晶型和非晶态（离子的排列）（离子的排列）光学均质介质：非晶态（无定型体）、等轴系晶体（各向同性）光学均质介质：非晶态（无定型体）、等轴系晶体（各向同性）光学非均质介质：等轴系晶体外的其它晶体材料光学非均质介质：等轴系晶体外的其它晶体材料光通过时，光速不会因传播方向的改变而变化，材料只有光通过时，光速不会因
9、传播方向的改变而变化，材料只有一个折射率一个折射率光光通通过过时时，一一般般都都要要分分为为振振动动方方向向相相互互垂垂直直、传传播播速速度度不不等的两个波，构成两条折射线，这种现象称为等的两个波，构成两条折射线，这种现象称为双折射双折射。晶体中沿密堆积方向上具有最高的折射率。晶体中沿密堆积方向上具有最高的折射率。是非均质晶体的特性，是材料各向异性的表现。是非均质晶体的特性，是材料各向异性的表现。双折射：双折射：当一束单色自然光在各向异性晶体的界面折射当一束单色自然光在各向异性晶体的界面折射 时，一般产生两束折射光（均为线偏振光）。时，一般产生两束折射光（均为线偏振光）。寻常光寻常光(o光光)
10、非常光非常光(e光光)寻常光：寻常光：平行于入射面的光线的折射率平行于入射面的光线的折射率n n0 0不随入射角的变化而不随入射角的变化而变化，始终为一常数，服从折射定律。变化，始终为一常数，服从折射定律。非常光：非常光：与寻常光垂直的光线的折射率与寻常光垂直的光线的折射率n ne e随入射线方向的改变随入射线方向的改变而变化而变化,不服从折射定律。不服从折射定律。不不发发生生双双折折射射的的特特殊殊方方向向称称为为“光光轴轴”，光光沿沿光光轴轴方方向向入入射射时时，只只有有n n0 0存存在在；与与光光轴轴方方向向垂垂直直入射时，入射时，n ne e达到最大值。达到最大值。（4 4）同质异构
11、体）同质异构体垂直于受拉主应力方向的垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方向大，平行于受拉主应力方向的的n小。对于压应力，具有相反的效果。小。对于压应力，具有相反的效果。v在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存在在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存在的晶型折射率较高；的晶型折射率较高；v相同化学组成的玻璃比晶体的折射率低。相同化学组成的玻璃比晶体的折射率低。如：室温下，如：室温下，石英玻璃：石英玻璃：n=1.46n=1.46 石英晶体：石英晶体：n=1.55n=1.55（3 3）材料的内应力）材料的内应力二、色散二、色散1.概念概念材料的折射率随入射光频率的减
12、小（或波长的增加）材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为而减小的性质，称为折射率的色散折射率的色散。2.色散系数色散系数nD，nF，nC分别为以钠的分别为以钠的D谱线、氢的谱线、氢的F谱线和谱线和C谱线（谱线（5893，4861，6563）为光源，测得的折射率）为光源，测得的折射率描述光学玻璃的色散还用描述光学玻璃的色散还用平均色散（平均色散（nF-nC）实用的测量色散的方法是采用固定波长下的折射率实用的测量色散的方法是采用固定波长下的折射率来测量，描述材料色散的光学参量最常用的数值是来测量，描述材料色散的光学参量最常用的数值是倒数相对色散倒数相对色散，即，即色散系数
13、色散系数。在在自自然然光光的的透透过过下下，在在像像的的周周围围环环绕绕一一圈圈色色带带，克克服服的的办办法法是是用用不不同同牌牌号号的的光光学学玻玻璃璃，分分别别磨磨成成凸凸、凹凹透透镜镜组组成成复复合合镜镜头头，可可消消除除色色差差，这种镜头就是这种镜头就是消色差镜头消色差镜头。3.讨论讨论由由于于光光学学玻玻璃璃一一般般都都或或多多或或少少具具有有色色散散现现象象，因因而而使用这种材料制成的单片透镜，成像不够清晰，使用这种材料制成的单片透镜，成像不够清晰，三、反射三、反射1.反射系数反射系数反射系数反射系数m：W，W，W分分别别为为单单位位间间内内通通过过单单位位面面积积的的入入射射光光
14、、反反射射光光和和折折射射光光的的能能量流。量流。W=W+W透射系数透射系数1-m：根据波动理论：根据波动理论：S、v分别为光束的横截面积和传播速度分别为光束的横截面积和传播速度A为振幅为振幅反射波的传播速度与横截面积与入射波相同反射波的传播速度与横截面积与入射波相同Fresnel推导：推导：角度很小，即垂直入射时：角度很小，即垂直入射时：介质介质2相对于介质相对于介质1的折射率：的折射率：反射系数反射系数m与折射率与折射率n有关，若介质有关，若介质2对于介质对于介质1的相对折的相对折射率为射率为n21，当，当角度很小角度很小，即，即垂直入射时垂直入射时，则有：，则有：2.讨论讨论v垂直入射条
15、件下，界面反射的多少，取决于相对折射率垂直入射条件下，界面反射的多少，取决于相对折射率n n2 21 1；v介质介质1 1为空气，可以认为为空气，可以认为n n1 1=1=1，于是，于是n n2121=n n2 2；vn n1 1和和n n2 2相差很大，界面反射损失严重；相差很大，界面反射损失严重；v若若n n1 1=n n2 2，则，则m m=0=0，垂直入射时几乎没有反射损失；，垂直入射时几乎没有反射损失；v光光通通过过的的界界面面越越多多，界界面面反反射射就就越越严严重重。光光连连续续透透过过x x块块反反射射率为率为m m的介质时，透过部分为的介质时，透过部分为(1-m)(1-m)2
16、 2x x。例：玻璃的折射率例：玻璃的折射率n=1.5 光的反射损失：光的反射损失：透过部分为：透过部分为：1-m=1-0.04=0.96 透射光从另一界面射入空气，透过两个界面，透过部分为：透射光从另一界面射入空气，透过两个界面，透过部分为：(1-m)2=0.962=0.9216 连续透过连续透过x块平板玻璃，透过部分为：块平板玻璃，透过部分为：(1-m)2x陶陶瓷瓷和和玻玻璃璃等等材材料料的的折折射射率率比比空空气气大大，所所以以光光从从空空气气进进入这些材料时，反射损失严重。入这些材料时，反射损失严重。由多块玻璃组成的透镜系统，常常用折射率和玻璃相近由多块玻璃组成的透镜系统，常常用折射率
17、和玻璃相近的胶粘起来，这样除了最外和最内的两个表面是玻璃和的胶粘起来，这样除了最外和最内的两个表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面均是玻璃和胶的较小空气的相对折射率外，内部各界面均是玻璃和胶的较小的相对折射率，从而大大减少了界面的反射损失。的相对折射率，从而大大减少了界面的反射损失。3.全反射全反射光光线线从从光光密密介介质质（玻玻璃璃）进进入入光光疏疏介介质质（空空气气）中中时时，折折射射角角 2大大于于入入射射角角 1。当当 1 为为某某值值时时，2可可达达到到90，这这时时光光线线平平行行于于表表面面传传播播。1 继继续续增增大大时时，光光线线就就会会全全部向内反射回光密介质内，这
18、种现象称为部向内反射回光密介质内，这种现象称为全反射全反射。1 2 1折射率折射率n1 1折射率折射率n2 2 1 1 1光纤通讯光纤通讯临界角：临界角：sini临界临界=1/n1空气空气四、介质对光的吸收四、介质对光的吸收1.光吸收的一般规律光吸收的一般规律光光作作为为一一种种能能量量流流，在在穿穿过过介介质质时时，其其能能量量的的衰衰减减现象，称为现象，称为光的吸收光的吸收。厚厚度度为为x的的平平板板材材料料，入入射射光光的的强强度度为为I0，通通过过该该材材料料后后光光强强度度为为I，则则通通过过材材料料薄薄层层的的吸吸收收损损失失-dI正正比比于该处的光强于该处的光强I和薄层的厚度和薄
19、层的厚度dx。能量衰减能量衰减使介质的价电子跃迁使介质的价电子跃迁使介质的原子振动使介质的原子振动价电子激发发出光子价电子激发发出光子热能热能（朗伯特定律）（朗伯特定律）(Lambert)光强度随穿过介质厚度的变化符合指数衰减规律。光强度随穿过介质厚度的变化符合指数衰减规律。：物质对光的：物质对光的吸收系数吸收系数，单位为，单位为cm-1。K为吸收率。为吸收率。取取决决于于材材料料的的性性质质和和光光的的波波长长。越越大大，材材料料越越厚厚，光光就就被被吸吸收收的越多，透过后的光强度就越小。的越多，透过后的光强度就越小。不同材料，不同材料，差别很大。差别很大。空气：空气：10-5cm-1玻璃：
20、玻璃：10-2cm-1金属：金属：为几万几十万，所以金属实际上时不透明的。为几万几十万，所以金属实际上时不透明的。由于吸收引起的光剩余强度为：由于吸收引起的光剩余强度为：2.光吸收与波长的关系光吸收与波长的关系(1)(1)选择性吸收选择性吸收材材料料对对某某一一波波段段的的光光具具有有强强烈烈的的吸吸收收作作用用，而而对对其其它它波波段段的的光光吸吸收较弱或不吸收，这种现象称为选择性吸收。收较弱或不吸收，这种现象称为选择性吸收。严格说一切介质都是选择性吸收介质。严格说一切介质都是选择性吸收介质。透明材料在可见光谱内的选择性吸收使其呈现不同的颜色。透明材料在可见光谱内的选择性吸收使其呈现不同的颜
21、色。由于反射和吸收引起的光剩余强度为：由于反射和吸收引起的光剩余强度为：反射系数反射系数(2)(2)均匀吸收均匀吸收在在可可见见光光范范围围内内，介介质质对对各各种种波波长长的的光光的的吸吸收收程程度度相相同同，这这种种现现象称为均匀吸收。象称为均匀吸收。均匀吸收情况下，随着吸收程度的增加，颜色从灰变到黑。均匀吸收情况下，随着吸收程度的增加，颜色从灰变到黑。光光波波在在材材料料中中遇遇到到光光学学性性能能不不均均匀匀的的结结构构，如如含含有有小小粒粒子子的的透透明明介介质质、光光性性能能不不同同的的晶晶界界相相、气气孔孔或或其其它它夹夹杂杂物物，都都会会引引起起一一部部分分光光束被散射，使光束
22、强度降低。束被散射，使光束强度降低。本本质质：光光波波遇遇到到不不均均匀匀结结构构产产生生次次级级波波，与与主主波波方方向向不不一一致致，与与主主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向，引起散射。波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向，引起散射。S：散射系数单为为：散射系数单为为cm-1。相相均均匀匀分分布布的的材材料料，由由于于散散射射引引起起的的光光强强减减弱弱规规律律与与吸吸收规律形式相同：收规律形式相同：1.光散射的一般规律光散射的一般规律五、介质对光的散射五、介质对光的散射由于吸收和散射引起的光剩余强度为：由于吸收和散射引起的光剩余强度为：由于反射、吸收和散射引起的光剩余强度为：由于
23、反射、吸收和散射引起的光剩余强度为：I0：光的原始强度；：光的原始强度；I：透过厚度为：透过厚度为x的材料后，由于散射引起的剩余强度。的材料后，由于散射引起的剩余强度。（1）质点大小）质点大小 d 时，时，S 最大。最大。d 时，时，d ，S ;散射质点的体积分数不变：散射质点的体积分数不变：2.影响因素影响因素散射系数与散射质点的大小、数量以及其与基体的相对散射系数与散射质点的大小、数量以及其与基体的相对折射率等因素有关。折射率等因素有关。当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。反射、折射引起的总体散射起主导作用。反射、折射引起的总
24、体散射起主导作用。散射系数正比于散射质点的投影面积。散射系数正比于散射质点的投影面积。d 时，时，N：单位体积内的散射质点数；：单位体积内的散射质点数；R：散射质点的平均半径；：散射质点的平均半径；K：散射因素，取决于基体与质点的相对折射率；：散射因素，取决于基体与质点的相对折射率；V：散射质点的体积含量。：散射质点的体积含量。d 时，时，R越小，越小，V越大，越大，S越大。越大。可近似采用瑞利（可近似采用瑞利（Rayleigh）散射来处理：）散射来处理：主要为米氏（主要为米氏（Mie）散射，散射效果主要与）散射，散射效果主要与粒子横截面积成比例。粒子横截面积成比例。d /3时，时，d=时，时
25、，d 时，时，n21=n0/ne=1.768/1.76 1，K 0，S 0，散射损失也很小。散射损失也很小。反射损失很小反射损失很小应用举例：应用举例：金金红红石石型型TiO2陶陶瓷瓷n0=2.854，ne=2.567，反反射射系系数数为为m=2.8 10-3，材材料料厚厚3mm，晶晶粒粒平平均均直直径径为为3 m，理理论论晶晶界界为为1000个个，由由于于晶晶界的反射损失，界的反射损失，剩余光强：剩余光强：反射损失很大反射损失很大d 时，时，n21较大，较大，K 较大，较大，S 大，大，散射损失也较大散射损失也较大金红石型金红石型TiO2陶瓷不透光的原理陶瓷不透光的原理各各向向同同性性体体，
26、立立方方晶晶系系材材料料（MgO、Y2O3）没没有有双双折折射射，本本身身透透明明度度较较高高，如如果果使使晶晶界界玻玻璃璃相相的的折折射射率率与与主主晶晶相相相相差差不不大大，有有可可能能得得到到透透明陶瓷材料，实现非常困难。明陶瓷材料，实现非常困难。多多晶晶陶陶瓷瓷的的透透光光率率不不如如同同成成分分的的玻玻璃璃（非非晶晶态态）大大，因因为为玻玻璃璃不不存存在在双折射，也就不存在晶界反射和散射两种损失。双折射，也就不存在晶界反射和散射两种损失。（3）气孔引起的散射损失）气孔引起的散射损失气气孔孔可可看看作作第第二二相相，其其折折射射率率n1可可看看作作1，与与基基体体材材料料的的折折射射率
27、率n2相相差差很很大大，相相对对折折射射率率n21=n2也也较较大大，所所以以气气孔孔引引起起的的反反射射、散射损失散射损失比杂质、不等向晶粒排列等因素引起的损失比杂质、不等向晶粒排列等因素引起的损失大大。（一）材料中气孔的体积分数为（一）材料中气孔的体积分数为0.2%，气孔的平均直径为，气孔的平均直径为2 m（大于（大于可见光波长可见光波长0.390.79 m)，散射因子为，散射因子为24，则散射系数为：，则散射系数为：气孔引起的散射损失与气孔的直径有关。气孔引起的散射损失与气孔的直径有关。应用举例：应用举例：材料厚材料厚3mm：（二二）改改善善烧烧结结工工艺艺（热热等等静静压压烧烧结结、热
28、热压压烧烧结结），使使气气孔孔直直径径减减小小到到0.01 m（小小于于可可见见光光波波长长的的1/3)，即即使使气气孔孔的的含含量量高高达达0.63%，Al2O3陶瓷也是透光的。陶瓷也是透光的。材料厚材料厚3mm：提高原材料纯度提高原材料纯度降低杂质含量降低杂质含量三、提高材料透光性的措施三、提高材料透光性的措施 掺加外加剂掺加外加剂杂杂质质的的折折射射率率与与基基体体的的不不同同，等等于于在在基基体体中中形形成成分分散散的的散散射射中中心心，使使S提高。提高。v杂质颗粒大小：杂质颗粒大小：d 或或d从从吸吸收收损损失失考考虑虑，在在使使用用光光的的波波段段范范围围内内，要要求求基基体体和和
29、杂杂质质的的吸吸收系数不能出现峰值。收系数不能出现峰值。少量少量MgO+Y2O3、La2O3应用举例：应用举例：Al2O3少量少量MgO新新生生晶晶粒粒表表面面形形成成MgOAl2O3尖尖晶石晶石细化晶粒，改善力学性能细化晶粒，改善力学性能降低气孔率，提高透光性降低气孔率，提高透光性n=1.72 掺掺 加加 量量 过过 多多，使使 反反 射射 和和 散散 射射 提提 高高。适适 量量（0.050.5%）Al2O3氧氧化化物物溶溶于于尖尖晶晶石中形成固溶体石中形成固溶体半半径径大大的的离离子子置置换换半半径径小小的的离离子子，使使尖尖晶晶石石的的折折射射率率 提提 高高，接接 近近 于于 基基
30、体体Al2O3的的折折射射率率，减减少少了了界界面反射和散射。面反射和散射。进一步提高进一步提高Al2O3陶瓷的透光率：陶瓷的透光率：离子半径分别为离子半径分别为0.65，0.93，1.15 工艺措施工艺措施降低气孔率，使晶粒定向排列降低气孔率，使晶粒定向排列v热压烧结热压烧结v热等静压烧结热等静压烧结v热锻法热锻法有利于排除气孔有利于排除气孔使晶粒定向排列使晶粒定向排列4.3 4.3 界面反射与光泽界面反射与光泽一、镜反射和漫反射一、镜反射和漫反射二、光泽二、光泽三、颜色三、颜色一、镜反射和漫反射一、镜反射和漫反射（1 1）镜反射）镜反射材料表面光洁度非常高时，反射光线具有明确的方向材料表面
31、光洁度非常高时，反射光线具有明确的方向性，称为镜反射。性，称为镜反射。具有镜反射现象的物体只能在反射光线方向才能看见。具有镜反射现象的物体只能在反射光线方向才能看见。光的反射使人们能看到自身不发光物体的存在。光的反射使人们能看到自身不发光物体的存在。材料表面粗糙不平时，局部的入射角参差不一，反射材料表面粗糙不平时，局部的入射角参差不一，反射光的方向也各式各样，称为漫反射。光的方向也各式各样，称为漫反射。材料表面越粗糙，镜反射所占的能量分数越小。材料表面越粗糙，镜反射所占的能量分数越小。漫反射使人们在各个方向都能看到物体。漫反射使人们在各个方向都能看到物体。（2 2）漫反射）漫反射光反射应用举例
32、：光反射应用举例：雕花玻璃器皿：高折射率，高反射率，装饰效果好。雕花玻璃器皿：高折射率，高反射率，装饰效果好。宝石：强折射、高反射，耀眼。宝石：强折射、高反射，耀眼。通讯用光导纤维通讯用光导纤维：光束总的内反射高。：光束总的内反射高。高折射高折射高反射高反射高折射高折射低反射低反射“不可见不可见”窗户：涂层玻璃窗户：涂层玻璃大小相等，位相相反大小相等，位相相反光光泽泽：与与镜镜反反射射和和漫漫反反射射的的相相对对含含量量密密切切相相关关。表表面面光光泽泽与与反反射射影影像像的的清清晰晰度度和和完完整整性性，即即与与镜镜反反射射光光带带的的宽宽度度和和它它的的强强度度有有密密切切的的关关系系。其
33、其因因素素主主要要由由折折射射率率和和表表面光洁度决定。面光洁度决定。二、光泽二、光泽提高表面光泽提高表面光泽提高表面光洁度提高表面光洁度增加表面粗糙度增加表面粗糙度减小表面光泽减小表面光泽三、颜色三、颜色由于光吸收的选择性，导致物体吸收一定波长范围的光，由于光吸收的选择性，导致物体吸收一定波长范围的光，而反射或透射其它波长范围的光，从而使物体呈现出不而反射或透射其它波长范围的光，从而使物体呈现出不同的颜色。同的颜色。如：如：纯铜吸收可见光谱的蓝纯铜吸收可见光谱的蓝或紫端的光子，而反射或紫端的光子，而反射较长波长的可见光，所较长波长的可见光，所以，纯铜显红色。以，纯铜显红色。光光的的颜颜色色是
34、是人人眼眼对对具具有有不不同同频频率率的的光光的的视视觉觉生生理理反反应应的的结结果果。眼眼睛睛对对不不同同光光的的视视觉觉灵灵敏敏度度是是随随着着光光的的频频率率（或或波波长长），即即光色的不同而变化的。光色的不同而变化的。大家都戴着“有色眼镜”哦！4.4 4.4 不透明性和半透明性不透明性和半透明性一、不透明性和半透明性一、不透明性和半透明性二、乳浊剂的成分二、乳浊剂的成分三、改善乳浊性能的工艺措施三、改善乳浊性能的工艺措施四、半透明材料及改善措施四、半透明材料及改善措施一、不透明性和半透明性一、不透明性和半透明性建筑卫生陶瓷表面常常用釉覆盖，搪瓷盆也用釉遮盖。建筑卫生陶瓷表面常常用釉覆盖
35、，搪瓷盆也用釉遮盖。遮盖底层或坯遮盖底层或坯体的不良颜色体的不良颜色釉：表面光泽好、不透明釉：表面光泽好、不透明半透明的乳白玻璃使光线非常柔和半透明的乳白玻璃使光线非常柔和为了提高为了提高不透明性不透明性和覆盖能力，要求光在达到具有不同光和覆盖能力，要求光在达到具有不同光学性能的底层前被漫反射掉。学性能的底层前被漫反射掉。影响不透明性和半透明性的光学特性包括：影响不透明性和半透明性的光学特性包括：镜反射光的分数（决定光泽）；镜反射光的分数（决定光泽）；入射光漫反射的分数；入射光漫反射的分数；直接透射光的分数；直接透射光的分数；入射光漫透射的分数。入射光漫透射的分数。半透明性：半透明性：透射的光
36、是扩散开的，大部分入射光应该透射透射的光是扩散开的，大部分入射光应该透射过去而不是被漫反射掉，也就是说入射光中漫透射的分数过去而不是被漫反射掉，也就是说入射光中漫透射的分数对于材料的半透明性起着决定性作用。对于材料的半透明性起着决定性作用。不透明性、半透明性取决于材料的反射和透射性能。不透明性、半透明性取决于材料的反射和透射性能。决定乳浊度的主要因素是：决定乳浊度的主要因素是：v第二相的颗粒尺寸；第二相的颗粒尺寸；v第二相的体积分数；第二相的体积分数；v第二相与基体的相对折射率第二相与基体的相对折射率n21。为了达到最大的散射效果，提高乳浊度，降低透明性：为了达到最大的散射效果，提高乳浊度，降
37、低透明性：v乳浊剂颗粒不能与基体玻璃相发生反应；乳浊剂颗粒不能与基体玻璃相发生反应；v颗粒与基体的相对折射率颗粒与基体的相对折射率n21要大；要大；v颗粒的体积分数要高；颗粒的体积分数要高；v颗粒的尺寸与入射光波长相当。颗粒的尺寸与入射光波长相当。为了达到不透明或半透明性能，方法就是在基质中引入第二为了达到不透明或半透明性能，方法就是在基质中引入第二相粒子相粒子乳浊剂乳浊剂乳浊剂乳浊剂来实现。来实现。反射系数反射系数反射系数反射系数 散射系数散射系数散射系数散射系数二、乳浊剂的成分（不透明性）二、乳浊剂的成分（不透明性）构构成成釉釉及及搪搪瓷瓷的的主主要要成成分分（基基体体相相）是是硅硅硅硅酸
38、酸酸酸盐盐盐盐玻玻玻玻璃璃璃璃，折折射率限定在射率限定在1.491.65。乳乳浊浊剂剂的的折折射射率率和和基基体体玻玻璃璃相相的的折折射射率率要要相相差差很很大大，还还必必须须能能在在玻玻璃璃基基体体中中形形成成小小颗颗粒粒，根根据据乳乳浊浊剂剂的的来来源源，乳浊剂可分为：乳浊剂可分为：v惰性添加物；惰性添加物；v反映产生的惰性产物；反映产生的惰性产物；v玻璃溶体中成核结晶产物。玻璃溶体中成核结晶产物。折射率特别高，是非常有效地乳浊剂，折射率特别高，是非常有效地乳浊剂，广泛用于要求广泛用于要求高乳浊度的搪瓷釉中。高乳浊度的搪瓷釉中。但是没有被用作釉和玻璃中。但是没有被用作釉和玻璃中。TiO2原
39、因：高温，特别是还原气氛下，使釉着色。原因：高温，特别是还原气氛下，使釉着色。搪瓷烧成温度低不会出现变色。搪瓷烧成温度低不会出现变色。SnO2普遍用于釉和珐琅的优质乳浊剂。普遍用于釉和珐琅的优质乳浊剂。缺点：还原气氛下，被还原成缺点：还原气氛下，被还原成SnO，乳浊效果消失。，乳浊效果消失。稀少，介格昂贵，应用受到限制。稀少，介格昂贵，应用受到限制。ZrSiO4（锆英石）（锆英石）优点：乳浊效果稳定，不受气氛影响，成本低。优点：乳浊效果稳定，不受气氛影响，成本低。推广使用效果好推广使用效果好常用的乳浊剂：常用的乳浊剂：三、改善乳浊性能（不透明性）的工艺措施三、改善乳浊性能（不透明性）的工艺措施
40、釉和珐琅的制作工艺：釉和珐琅的制作工艺：配料配料细磨成浆细磨成浆施于坯体施于坯体煅烧煅烧熔熔融融淬淬冷冷，制成熔块制成熔块乳浊剂颗粒：细小、均匀、乳浊剂颗粒：细小、均匀、熔体析晶产物熔体析晶产物微晶粒微晶粒随随烧烧结结温温度度的的提提高高，乳乳浊浊度度先先增增加加，后后下下降降，最最后后达达到到透透明明，所以焙烧温度要适宜。所以焙烧温度要适宜。温温度度太太高高，釉釉块块完完全全熔熔透透，无相界，造成晶核形成困难。无相界，造成晶核形成困难。四、半透明材料及改善措施四、半透明材料及改善措施乳白玻璃：乳白玻璃：明显的散射，吸收最小，最大的漫透射。明显的散射，吸收最小，最大的漫透射。在在玻玻璃璃中中掺
41、掺入入和和基基质质材材料料的的折折射射率率相相近近的的NaF和和CaF2，促进其它晶体（方石英）从熔体中析出。，促进其它晶体（方石英）从熔体中析出。单单相相氧氧化化物物陶陶瓷瓷：半半透透明明性性是是其其质质量量标标志志，半半透透明明性性几几乎乎只只取取决决于于气气孔孔的的含含量量。对对于于含含有有小小气气孔孔的的高高密密度度单单相相陶陶瓷瓷，半半透透明明度度是是衡衡量量残残留留气气孔孔率率的的一一中中敏敏感感尺尺度度，是是瓷品一种良好的质量标志。瓷品一种良好的质量标志。工艺瓷（骨灰瓷和硬瓷）：工艺瓷（骨灰瓷和硬瓷）：半透明性是其主要的鉴定指标。半透明性是其主要的鉴定指标。构构成成相相：玻玻璃璃
42、（折折射射率率接接近近1.5），莫莫来来石石（折折射射率率1.64）和和石石英英。其其中中莫莫来来石石对对于于散散射射和和降降低低半半透透明明性性起起着着主主要要作作用用。增增加加玻玻璃璃含含量，减少莫来石的量，可提高半透明性。量，减少莫来石的量，可提高半透明性。改善半透明性的措施改善半透明性的措施改善半透明性的措施改善半透明性的措施v降低气孔含量，使焙烧温度足够高；降低气孔含量，使焙烧温度足够高；v调调整整各各相相的的折折射射率率，使使之之匹匹配配较较好好，以减少散射，增加漫透射。以减少散射，增加漫透射。液相（折射率液相（折射率1.56）+莫来石莫来石+石英石英=骨灰瓷骨灰瓷4.5 4.5
43、其它光学性能的应用其它光学性能的应用一、发光材料一、发光材料二、荧光材料二、荧光材料三、激光材料三、激光材料四、电光与声光材料四、电光与声光材料五、光通讯材料五、光通讯材料一、发光材料一、发光材料光的发射光的发射是物体中电子从高能态到低能态的跃迁产生的，是物体中电子从高能态到低能态的跃迁产生的，物体要发光，首先就得使物体中的电子处于高能态。物体要发光，首先就得使物体中的电子处于高能态。1.发光发光白炽灯丝白炽灯丝2000光与热相伴而行要靠辐射有效地产生可见光，物体的温度必须足够高！要靠辐射有效地产生可见光，物体的温度必须足够高！热辐射决定于物体的温度，是一种普遍存在的现象。热辐射决定于物体的温
44、度，是一种普遍存在的现象。太阳表面太阳表面5800冷光冷光不需要提高物体的温度，是物体在某种外界条件不需要提高物体的温度，是物体在某种外界条件的刺激下偏离热平衡状态时由激发态到基态的跃的刺激下偏离热平衡状态时由激发态到基态的跃迁所产生的辐射。是一种非平衡辐射。迁所产生的辐射。是一种非平衡辐射。以某种方式将能量传递给物体使电子提升到一定高能态以某种方式将能量传递给物体使电子提升到一定高能态的过程，称为的过程，称为激发激发过程。过程。发光发光就是将所吸收的激发能转就是将所吸收的激发能转化为光辐射的过程。化为光辐射的过程。能量来源：物理能、机械能、化学能、生物能能量来源：物理能、机械能、化学能、生物
45、能等等;相应地有：物理发光、机械发光、化学发光、相应地有：物理发光、机械发光、化学发光、生物发光等。生物发光等。2.自发发光与受迫发光自发发光与受迫发光自自发发发发光光：受受激激发发的的粒粒子子（如如电电子子），受受粒粒子子内内部部电电场场作用从激发态作用从激发态A而回到基态而回到基态G时的发光。时的发光。受受迫迫发发光光：受受激激发发的的电电子子只只有有在在外外界界因因素素的的影影响响下下才才发发光。光。3.材料的发光特征材料的发光特征颜色特征颜色特征 不同的发光材料有着不同的发光颜色。不同的发光材料有着不同的发光颜色。发光强度特征发光强度特征 发光强度代表发射光的能量，是一个客观数值；发光
46、的亮度是人发光强度代表发射光的能量，是一个客观数值；发光的亮度是人眼的感觉，是主观判断的结果，其中包含了眼睛对不同颜色视觉眼的感觉，是主观判断的结果，其中包含了眼睛对不同颜色视觉的差别。的差别。发光持续时间特征发光持续时间特征 规定当激发停止时，其发光亮度规定当激发停止时，其发光亮度L衰减到初始亮度衰减到初始亮度L0的的10%时所时所经历的时间为经历的时间为余辉时间余辉时间，简称，简称余辉余辉。人眼能够感觉到余辉的长发光期间者为人眼能够感觉到余辉的长发光期间者为磷光磷光；人眼感觉不到余辉的短发光期间者为人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光荧光。荧光与磷光无严格区别。荧光与磷光无严格区别。4.发
47、光材料分类发光材料分类（按激发方式来分）（按激发方式来分）光致发光材料光致发光材料发光材料在光（紫外光、红外光、可见光等）照射下激发发光。发光材料在光（紫外光、红外光、可见光等）照射下激发发光。电致发光材料电致发光材料发光材料在电场或电流作用下的激发发光。发光材料在电场或电流作用下的激发发光。发光材料在电子束或其它射线束的轰击下的激发发光。发光材料在电子束或其它射线束的轰击下的激发发光。发光材料在热作用下的激发发光。发光材料在热作用下的激发发光。发光材料在等离子体的作用下的激发发光。发光材料在等离子体的作用下的激发发光。射线致发光材料射线致发光材料 热致发光材料热致发光材料 等离子发光材料等离
48、子发光材料二、荧光材料二、荧光材料电子从激发态向低能态的跃迁时，若伴随有热量向周围电子从激发态向低能态的跃迁时，若伴随有热量向周围的传递或辐射，此过程中发射的光为的传递或辐射，此过程中发射的光为荧光或磷光，荧光或磷光，取决取决于激发和发射之间的时间。于激发和发射之间的时间。荧光材料的光发射主要受其中的杂质影响，低浓度的杂荧光材料的光发射主要受其中的杂质影响，低浓度的杂质就可起到激活剂的作用。质就可起到激活剂的作用。应用：应用：荧光灯荧光灯工作原理：工作原理：汞蒸气和惰性气体混合气体中的放电电能汞蒸气和惰性气体混合气体中的放电电能光辐射光辐射激发放电管壁上的荧光剂激发放电管壁上的荧光剂阴极射线管
49、阴极射线管荧光屏荧光屏闪烁计数器闪烁计数器工作原理：工作原理：电子束激发荧光剂电子束激发荧光剂彩彩色色电电视视：采采用用不不同同的的荧荧光光剂剂，电电子子束束激激发发，产产生生不不同同频频率率范范围围的的光光的的发发射射，这这样样不不同同的的颜颜色色就就形形成成彩彩色色。对对于于这这种种电电子子扫扫描描显显示示屏屏幕幕，荧荧光光剂剂的的衰衰减减时时间间是是个重要的性能参数。个重要的性能参数。三、激光材料三、激光材料激光材料由激光材料由基质基质和和激活离子激活离子组成，基质的作用主要是为组成，基质的作用主要是为激活离子（发光中心）提供一个合适的晶格场，使其产激活离子（发光中心）提供一个合适的晶格
50、场，使其产生受激发射。生受激发射。基质：基质：氧化物及氟化物晶体氧化物及氟化物晶体 Al2O3、Y3Al5O15、YAlO3 BaF、SrF、YLiF激活离子：激活离子：作为激活中心的少量掺杂离子作为激活中心的少量掺杂离子 主要是过渡金属离子和主要是过渡金属离子和3价稀土离子等。价稀土离子等。方向性好，亮度高，能量集中方向性好，亮度高，能量集中 单色性好单色性好 相干性好相干性好 激光传递信息的容量大激光传递信息的容量大激光特点：激光特点：激光器模型：激光器模型：常见的激光材料及其应用：常见的激光材料及其应用：红宝石红宝石CrAlCrAl2 2O O3 3激光器：激光器：激光加工、激光测距、激