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复材料的光学性能第1页，本讲稿共34页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第2页，本讲稿共34页可见光：可见光：0.38-0.76m第3页，本讲稿共34页0=R+A+光和固体介质的作用光和固体介质的作用第4页，本讲稿共34页0=R+A+1=T+R+T:T:透射系数透射系数 R R：反射系数：反射系数 ：吸收系数：吸收系数 ：散射系数：散射系数光子与固体材料的相互作用，其实质上就是光子与固体材料中的原子、光子与固体材料的相互作用，其实质上就是光子与固体材料中的原子、离子、电子等的相互作用。其中：离子、电子等的相互作用。其中：1 1）电子极化：）电子极化：电磁辐射的电场分量在传播的过程中，与每一个原电磁辐射的电场分量在传播的过程中，与每一个原子都发生作用，引起电子云与核外电荷重心发生相对位移子都发生作用，引起电子云与核外电荷重心发生相对位移引起电引起电子极化。结果是光的部分能量被吸收，光速减慢。子极化。结果是光的部分能量被吸收，光速减慢。第5页，本讲稿共34页2 2）电子能态转变：）电子能态转变：光子被材料吸收光子被材料吸收后，材料中的原后，材料中的原子吸收了光子能子吸收了光子能量（量（E=hE=h4242）后，将后，将E E2 2能级上能级上的电子激发到的电子激发到E E4 4空能级上空能级上第6页，本讲稿共34页注：注：原子中电子能级是分立的，即能级间存在特定的原子中电子能级是分立的，即能级间存在特定的E E，只有能量为只有能量为E E的光子才能被原子通过能态转变而吸收。的光子才能被原子通过能态转变而吸收。受激电子不可能长时间保持在激发态，短时间后又衰变受激电子不可能长时间保持在激发态，短时间后又衰变回基态，同时发出电磁波。回基态，同时发出电磁波。4.1.14.1.1折射折射当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。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光在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率折射率。第7页，本讲稿共34页 如果光从材料如果光从材料1，通过界面，通过界面传入材料传入材料2时，与界面法向所时，与界面法向所形成的入射角形成的入射角i1，折射角，折射角i2与与两种材料的折射率两种材料的折射率n1和和n2有下有下述关系：述关系：式中:V1和V2分别表示光在材料1及2中的传播速度，n21为材料2相对于材料1的相对折射率。第8页，本讲稿共34页介质的介质的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度马克斯威尔电磁波理论认为光在介质中的传播速度为：为：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第9页，本讲稿共34页当离子半径增大时，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，用小，用小离子得到低离子得到低n的材料，如的材料，如 。2材料的结构、晶型材料的结构、晶型根根据据光光线线通通过过材材料料的的表表现现，介介质质分分为为均均质质介介质质和和非均质介质。非均质介质。对对于于均均质质介介质质，光光通通过过时时，光光速速不不因因传传播播方方向向改改变而变化，材料只有一个折射率。变而变化，材料只有一个折射率。对对于于非非均均质质介介质质，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等的的两两个个波波，它它们们分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。第10页，本讲稿共34页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始始终为一常数，因而常光折射率严格服从折射定律。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率，则随入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，随入射光的方向而变化。当它不遵守折射定律，随入射光的方向而变化。当光沿晶体光轴方向入射时，只有光沿晶体光轴方向入射时，只有n n0 0存在，与光存在，与光轴方向垂直入射时，轴方向垂直入射时，n ne e达最大值。达最大值。第11页，本讲稿共34页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 有有内内应应力力的的透透明明材材料料，垂垂直直于于受受拉拉主主应应力力方方向向的的n n大大，平行于受拉主应力方向的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较低，低较低，低温时存在的晶型折射率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。第12页，本讲稿共34页中南大学材料科学与工程学院第13页，本讲稿共34页4.1.24.1.2反射反射 当光线由介质当光线由介质1 1入射到介质入射到介质2 2时，光在介质面上分成了反射时，光在介质面上分成了反射光和折射光。光和折射光。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分别为分别为单位时间通过单位面积的入单位时间通过单位面积的入射光、反射光和折射光的能射光、反射光和折射光的能量流，根据波动理论量流，根据波动理论 第14页，本讲稿共34页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：第15页，本讲稿共34页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：当角度很小时：当角度很小时：第16页，本讲稿共34页因介质因介质2 2对于介质对于介质1 1的相对折射的相对折射 ，故，故 m m反射系数反射系数第17页，本讲稿共34页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。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，则透过部分为第18页，本讲稿共34页 由于陶瓷，玻璃等材料的折射率较空气大，所以反射损由于陶瓷，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，则反射损失更可失严重。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，常常采用折射率和玻璃相近的观，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，除了最外和最内的表面是玻璃和空胶将它们粘起来，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，内部各界面都是和胶的较小的相对折射气的相对折射率外，内部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。率，从而大大减少界面的反射损失。第19页，本讲稿共34页4.1.34.1.34.1.34.1.3材料的透光性材料的透光性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，通过此，通过此材料后光强度为材料后光强度为I I。选取其中一薄层。选取其中一薄层dxdx，并认为光通过此，并认为光通过此层的吸收损失层的吸收损失-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，第20页，本讲稿共34页第21页，本讲稿共34页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，即朗伯特定律朗伯特定律。式式中中为为物物质质对对光光的的吸吸收收系系数数，其其单单位位为为cmcm-1-1。取取决决于于材料的性质和光的波长。材料的性质和光的波长。即即:第22页，本讲稿共34页 图图4.54.5所示在电磁波谱的可见光区，金属和半导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，包括玻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。这是因为电介质材料好的透过性，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填满了的的价电子所处的能带是填满了的,它不能吸收光子而自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跃迁到导带，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，吸收系数很小。所以在一定的波长范围内，吸收系数很小。2 2光吸收与光波长的关系光吸收与光波长的关系第23页，本讲稿共34页第24页，本讲稿共34页 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，与主波方向不一致，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，使光偏离原来的方向，从而引起与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向，从而引起散散射射。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：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，第25页，本讲稿共34页 I 为光束通过厚度为为光束通过厚度为x的试件后，由于散射在光前进方的试件后，由于散射在光前进方向上的剩余强度，向上的剩余强度，S 散射系数，与散射质点的大小、数量以及散射质点与散射系数，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，见图基体的相对折射率等因素有关，见图4.6。其单位为。其单位为 。第26页，本讲稿共34页从图从图4.64.6中可以看出，曲线由左右两条不同形状的曲线所组成，各中可以看出，曲线由左右两条不同形状的曲线所组成，各自有着不同的规律。当自有着不同的规律。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 当光的波长约等于散射质点的直径当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。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:第27页，本讲稿共34页三、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，各种光能的损失见图的透明陶瓷片时，各种光能的损失见图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面，由于陶瓷片的光束垂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:第28页，本讲稿共34页第29页，本讲稿共34页 这这一一部部分分光光能能穿穿过过厚厚度度为为x的的材材料料后后，又又消消耗耗于于吸吸收收损损失失和散射损失和散射损失。到达材料后表面时，光强度剩下。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：第30页，本讲稿共34页v 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。v 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。v 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第31页，本讲稿共34页 四、提高材料透光性的措施四、提高材料透光性的措施v 1提高原材料纯度提高原材料纯度v 2掺加外加剂掺加外加剂 目目的的是是降降低低材材料料的的气气孔孔率率，气气孔孔由由于于相相对对折折射射率率的的 关关系系，其影响程度远大于杂质等其它结构因素。其影响程度远大于杂质等其它结构因素。v 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，因而是获得透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。明陶瓷较为有效的工艺，热等静压法效果更好。第32页，本讲稿共34页第三节第三节 界面反射和光泽界面反射和光泽一、镜反射和漫反射一、镜反射和漫反射 当当光光的的反反射射是是指指材材料料表表面面光光洁洁度度非非常常高高的的情情况况下下的的反反射射，反射光线具有明确的方向性，一般称之为反射光线具有明确的方向性，一般称之为镜反射镜反射。陶陶瓷瓷中中大大多多数数表表面面并并不不是是十十分分光光滑滑的的，因因此此当当光光照照射射到到粗粗糙糙不不平平的的材材料料表表面面上上时时，发发生生相相当当的的漫漫反反射射，其其原原因因是是材材料料表表面面粗粗糙糙，在在局局部部地地方方的的入入射射角角参参差差不不一一，反反射射光光的的方方向向也也各各式式各各样样。材材料料表表面面愈愈粗粗糙糙，镜镜反反射射所所占占的的能能量量分分数数愈小。如图愈小。如图4.8第33页，本讲稿共34页第34页，本讲稿共34页