材料的光学性能精选PPT.ppt

《材料的光学性能精选PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料的光学性能精选PPT.ppt（49页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、关于材料的光学性能第1页，讲稿共49张，创作于星期二51 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 光光是是具具有有一一定定波波长长的的电电磁磁波波，光光的的折折射射可可理理解解为为光光在在介介质质中传播速度的降低而产生的（以真空中的光速为基础）。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2页，讲稿共49

2、张，创作于星期二 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

3、 va a=c/n=c/na a 因此，因此，n=nn=na an=1.00023 nn=1.00023 n2第3页，讲稿共49张，创作于星期二 2 2两种材料间的相对折射率两种材料间的相对折射率 如如果果光光从从材材料料1 1，通通过过界界面面传传入入材材料料2 2时时，与与界界面面法法向向所所形形成成的的入入射角射角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：式式中中：v v1 1及及v v2 2分分别别表表示示光光在在材材料料l l及及2 2中中的的传传播播速速度度，n n2121为为材材料料2 2相

4、相对对于于材料材料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 由由于于光光是是一一种种电电磁磁波波，所所以以根根据据马马克克斯斯威威尔尔电电磁磁波波理理论论，光光在在介介质质中中的传播速度应为：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。3第4页，讲稿共49张，创作于星期二根据根据(4(41)1)式和式和(4(43)3)式可得式可得:由于在无机材料这样的电介质中

5、，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 当当光光通通过过材材料料时时，必必然然引引起起内内部部质质点点的的极极化化（变变形形），在在可可见见光光范范围围内内，这这种种变变化化表表现现为为离离子子或或核核外外电电子子云云的的变变形形，而而且且，随随着着光光波波电电场场的的交变，电子云也反复来回变形。如下图交变，电子云也反复来回变形。如下图:4(4.4)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也随之增大也随之增大 第5页，讲稿共49张，创作于星期二 2 2）材料的结构、晶型和非晶态）材料的

6、结构、晶型和非晶态 （1 1）均质介质）均质介质 如如非非晶晶态态(无无定定型型体体)和和立立方方晶晶体体材材料料，当当光光通通过过时时，光光速速不不因因传传播播方方向向改改变变而而变化，材料只有一个折射率。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。双双折折射射：当当一一束束光光通通过过一一个个介介质质时时，分分为为振振动动方方向向相相互互垂垂直直、传传播播速度不等的两个波，它们分别构成两条折射光线的现象。速度不等的两个波，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

7、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。特特性性：不不论论入入射射光光的的入入射射角角如如何何变变化化，n n0 0始始终终为为一一常常数数，因因而而常常光光折折射射率率严格服从折射定律。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：它不遵守折射定律，随入射光的方向而变化。5第6页，讲稿共49张，创作于星期二 3 3）材料所受的内应力）

8、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，平平行行于于受受拉拉主主应应力方向的力方向的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 常常温温下下的的石石英英晶晶体体，n n=1.55=1.55，数数值值最最大大；高高温温时时的的鳞鳞石石英英，n n=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

9、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。提提高高玻玻璃璃折折射射率率的的有有效效措措施施是是掺掺入入铅铅和和钡钡的的氧氧化化物物。例例如如含含Pb090Pb090(体积体积)的铅玻璃的铅玻璃 n=2.1n=2.1。6第7页，讲稿共49张，创作于星期二4 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是是指指用用钠钠光光谱谱中中的的D D线线（D D=589.3nm=589.3

10、nm，黄黄色色）为为光光源源测测出出的的折折射率。射率。7二色散二色散 1 1定义定义 材材料料的的折折射射率率随随入入射射光光的的频频率率的的减减小小(或或波波长长的的增增加加)而而减减小小的的性性质，称为折射率的色散。质，称为折射率的色散。在在给给定定入入射射光光波波长长的的情情况况下下，材材料料的色散为的色散为 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8页，讲稿共49张，创作于星期二82色散的表示方法色散的表示方法 1 1）色散曲线）色散曲线 色色散散曲曲线线如如图图4.14.1所所示示，色色散散值值可可以直接由

11、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：是是指指用用氢氢光光谱谱中中的的F线线（F=486.1nm，蓝蓝色色）为为光光源源测测出出的的折折射射率。率。nC：是是指指用用氢氢光光谱谱中中的的C线线（C=656.3nm，红红色色）为为光光源源测测出出的的折折射率。射率。第9页，讲稿共49张，创作于星期二（2 2）部分色散：）部分色散：用两种不同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，nFn

12、D（3 3）色色散散系系数数：也也叫叫阿阿贝贝数数、色色散散倒倒数数或或倒倒数数相相对对色色散散，这这是是最最常常用用的的数值数值 。（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 例例如如光光学学玻玻璃璃就就是是按按阿阿贝贝数数的的大大小小分分成成两两大大类类：冕冕牌牌玻玻璃璃（大大）和火石玻璃（和火石玻璃（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透透镜镜和和凹凹透透镜镜组组成成复复合合镜镜头

13、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。9第10页，讲稿共49张，创作于星期二三反射三反射 1 1反射系数（反射率）反射系数（反射率）当当光光投投射射到到材材料料表表面面时时一一般般产产生生反反射射、透透过过和和吸吸收收。这这三三种基本性质都与折射率有关。种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 （4.8）W，W，W分分别别为为单单位位时时间间通通过过位位面面积积的的入入射射光光、反反射射光光和和折折射射光光的的能能量流。量流。则则

14、，反反射射系系数数为为 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11页，讲稿共49张，创作于星期二 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。把把光光波波振振动动分分为

15、为垂垂直直于于入入射射面面的的振振动动和和平平行行于于入入射射面面的的振振动动，FresnelFresnel推导出推导出 ：11（4.10）（4.11）（4.12）第12页，讲稿共49张，创作于星期二 自自然然光光在在各各方方向向振振动动的的机机会会均均等等，可可以以认认为为一一半半能能量量属属于于同同入入射射面面平平行行的的振振动动，另另一一半半属属于于同同入入射射面面垂垂直直的的振振动动，所所以以总总的的能能量量流之比为流之比为: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/

16、r=i/r m m 称为反射系数。称为反射系数。12(4.13)（4.14）第13页，讲稿共49张，创作于星期二 2 2透射系数透射系数 根据能量守恒定律（光在界面上的现象）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)称称为为透透射射系系数数。由由(4(4.14)14)式式可可知知,在在垂垂直直入入射射的的情情况况下下,光光在在界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

17、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。13第14页，讲稿共49张，创作于星期二（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 设设一一块块折折射射率率n=1.5n=1.5的的玻玻璃璃，光光反反射射损损失失为为m=0.04m=0.04，透透过过部部分分为为1 1m=0.96m=0.96

18、。如如果果透透射射光光又又从从另另一一界界面面射射入入空空气气，即即透透过过两两个个界界面面，此此时透过部分为时透过部分为(1(1m)m)2 2=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）实例）实例 减少反射损失的实例减少反射损失的实例 由由于于陶陶瓷瓷、玻玻璃璃等等材材料料的的折折射射率率较较空空气气的的大大，所所以以反反射射损损失失严严重重。如如果果透透镜镜系系统统由由许许多多块块玻玻璃璃组组成成，则则反反射射损损失失更更可可观观。为为了了减减小小这这种种界界面面损损失失，常常常常采采用用折折射

19、射率率和和玻玻璃璃相相近近的的胶胶将将它它们们粘粘起起来来，这这样样，除除了了最最外外和和最最内内的的表表面面是是玻玻璃璃和和空空气气的的相相对对折折射射率率外外，内内部部各各界界面面都都是是玻玻璃璃和和胶胶的的较较小小的的相相对折射率，从而大大减小了界面的反射损失。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 为为了了调调节节玻玻璃璃的的n n，常常在在玻玻璃璃表表面面涂涂以以一一定定厚厚度度的的和和玻玻璃璃n n不不同同的的透明薄膜，使玻璃表面的透明薄膜，使玻璃表面的m m增加或减少增加或减少。14第15页，讲稿共49张，创作于星期二 552 2 材料的透光

20、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，使使介介质质的的价价电电子子受受到到光光能能而而激激发发，在在电电子子壳壳能能态态间间跃跃迁迁，或或使使电电子子振振动动能能转转变变为为分分子子运运动动的的能能量量，即即材材料料将将吸吸收收光光能能转转变变为为或或热热能能放放出出；介介质质中中的的价价电电子子吸吸收收光光子子能能量量而而激激发发，当当尚尚未未退退激激而而发发出出光光子子时时，在在运运动动中中与与其其它它分分子子碰碰撞撞，使使电电子子的的能能量量转转

21、变变成成分分子子的的动动能能亦亦即即热热能能。从从而而构构成成了了光光能能的的衰衰减减。这这就就是是光光的的吸收。吸收。2 2）朗伯特定律）朗伯特定律 设设有有一一块块厚厚度度为为x x的的平平板板材材料料(如如图图4.3)4.3)，入入射射光光的的强强度度为为I I0 0，通通过过此此材材料料后后光光强强度度为为I I。选选取取其其中中一一薄薄层层，并并认认为为光光通通过过此此薄薄层层的的吸吸收收损损失失 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16页，讲稿共49张，创作于星期二 -dI=-dI=Idx,Idx,(4.16)(4

22、.16)式式表表明明，光光强强度度随随厚厚度度的的变变化化符符合合指指数数衰衰减减规规律律。此此式式称称为为朗伯特定律。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得得越越多多，因因而而透透过过后后的的光强度就越小。光强度就越小。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：射射 线线X X射射 线线紫紫 外外 光光（1010400nm400nm）可可 见见 光光(400(4

23、00760nm)760nm)红外光红外光(760(76010106 6nm)nm)无线电波无线电波 1)1)可见光区（可见光区（400400760nm760nm）如如果果材材料料对对光光谱谱内内各各波波长长的的光光吸吸收收不不等等，有有选选择择性性，则则由由玻玻璃璃出出来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。16（4.16）第17页，讲稿共49张，创作于星期二 材材料料对对光光的的吸吸收收是是基基于于原原子子中中电电子子（主主要要是是价价电电子子）接接受受光光能能后后，由由代代能能级级（E E1 1）向向高高能能级级（E E2

24、 2）跃跃迁迁。当当两两个个能能级级的的能能量量差差（E E2 2-E E1 1=h=h=E=Eg g，h h为为普普照照朗朗克克常常数数，v v为为频频率率）等等于于可可见见光光的的能能量量时时，相相应应的的波波长长的的光光就就被被吸吸收收，从从而而呈呈现现颜颜色色。E Eg g越越小小，吸吸收收的的光光的的波波长长愈愈长长，呈呈现现的的颜颜色色愈愈深深；反反之之，能能级级差差E Eg g愈愈大大，吸吸收收光光的的波波长长愈愈短短，则则呈呈现现的的颜颜色色愈浅。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 玻玻璃璃有有良良好好的的透透光光

25、性性，吸吸收收系系数很小（数很小（Eg大）大）。从从图图4.44.4中中可可见见，在在电电磁磁波波谱谱的的可可见见光光区区，金金属属和和半半导导体体的的吸吸收收系系数数都都是很大的。是很大的。但但是是电电介介质质材材料料，包包括括玻玻璃璃、陶陶瓷瓷等等无无机机材材料料的的大大部部分分在在这这个个波波谱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18页，讲稿共49张，创作于星期二2 2）紫外区（）紫外区（1010400nm400nm）对对于于一一般般无无色色透透明明的的材材料料（如如玻玻璃璃）的的紫紫外外吸吸收收现现象象比比较较特特殊殊，不不同同

26、于于离离子子着着色色，并并不不出出现现吸吸收收峰峰，而而是是一一个个连连续续的的吸吸收收区区。透透光光区区与与吸吸收收区区之之间间有有一一条条坡坡度度很很陡陡的的分分界界线线，通通常常称称为为吸吸收收极极限限，小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。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。这这是是因因为为波波长长愈愈短短，光光子子能能量量越越来来越越大大。当当光光子子能能量量达达到到禁禁带带宽宽度度时时，电电子子就就会会吸吸收收光光子子能能量量从从满满带带（基基态态）跃跃迁迁到到导导带带（激激发发态态），此此时时吸吸收收系系数数将骤然增大。将骤然增大。此紫外

27、吸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。18第19页，讲稿共49张，创作于星期二 3 3）红外区（）红外区（76076010106 6nmnm）一一般般认认为为在在红红外外区区的的吸吸收收是是属属于于分分子子光光谱谱。吸吸收收主主要要是是由由于于红红外外光光（电电磁磁波波）的的频频率率与与材材料料中

28、中分分子子振振子子（或或相相当当于于分分子子大大小小的的原原子子团团）的的本本征征频频率率相相近近或或相相同同引引起起共共振振消消耗耗能能量量所所致致。即即在在红红外外区区的的吸吸收收峰峰是是因因为为离离子子的的弹弹性性振振动动与与光光子子辐射发生谐振消耗能量所致。辐射发生谐振消耗能量所致。要要使使谐谐振振点点的的波波长长尽尽可可能能远远离离可可见见光光区区，即即吸吸收收峰峰处处的的频频率率尽尽可可能能小小（波波长长尽尽可可能能长长），则则需需选选择择较较小小的的材材料料热热振振频频率率。此此频频率率与与材材料料其它常数呈下列关系：其它常数呈下列关系：(4.19)(4.19)式中式中是与力有关

29、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分别为阳离子分别为阳离子和阴离子质量。和阴离子质量。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。如如果果介介质质在在可可见见光光范范围围对对各各种种波波长长的的吸吸收收程程度度相相同同，则则称称为为均均匀匀吸吸收收。在此情况下，随着吸收程度的增加，颜色从灰变到黑。在此情况下，随着吸收程度的增加，颜色从灰变到黑。19第20页，讲稿共49张，创作于星期二二介质对光的散射二介质对光的散射 1 1散射的概念散射的概念 光光波波遇遇到到不不均均匀匀结结

30、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，使使光光偏偏离离原原来来的的方方向从而引起散射，从而减弱光束强度。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。由由于于散散射射，光光在在前前进进方方向向上上的的强强度度减减弱弱了了，对对于于相相分分布布均均匀匀的的材材料料，其减弱的规律与吸收规律具有相同的形式其减弱的规律与吸收规律具有相同的形式:(4.20)(4.20)式式中中，I I为为在在光光前前进进方方向向上上的的剩剩余余强强度度。S S为为散散射射系系数数其其单单位位为为cmcm-1-1

31、，与与散散射射(质质点点)的的大大小小、数数量量以以及及散散射射质质点点与与基基体体的的相相对对折折射射率率等等因因素有关。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)20第21页，讲稿共49张，创作于星期二 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 材材料料：含含有有1 1(体体积积)Ti0Ti02 2散散射射质质点点的的玻璃。玻璃。入射光：入射光：D D=0=0.589589m m（589nm589nm）相对折射率：

32、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)从从上上式式可可知知：入入射射光光的的波波长长不不同同，散散射射系系数数达达最最大大时时的的质质点点直直径径也不同。也不同。第22页，讲稿共49张，创作于星期二（3 3）散射系数与波长的关系）散射系数与波长的关系 从从图图4 45 5中中还还可可以以看看出出，曲曲线线由由左左右右两两条条不不同同形形状状的的曲曲线线所所组组成成，各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

33、变时 ddd时，随着时，随着dd，SS；dd时，时，S S达最大值。达最大值。所所以以可可根根据据散散射射中中心心尺尺寸寸和和波波长长的的相相对对大大小小，分分别别用用不不同同的的散散射射基基因因和规律进行处理，可求出和规律进行处理，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规规律律，适适用用于于dd时时，此此时时反反射射、折折射射引引起起的的总总体体散散射射起起主主导作用。导作用。对对于于这这种种散散射射，可可以以认认为为散散射射系系数数正正比比于于散散射射质质点点的的投投影影面面积积：S=KNS=KNR R2

34、2 (4.23)(4.23)式式中中：N N为为单单位位体体积积内内的的散散射射质质点点数数，R R为为散散射射质质点点的的平平均均半半径径，K K为为散散射射因因素素，取取决决于于基基体体与与质质点点的的相相对对折折射射率率。当当两两者者相相近近时时，由由于于无界面反射，无界面反射，KOKO。22第23页，讲稿共49张，创作于星期二 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=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

35、)(4.25)由由式式中中可可见见，dd时时，R R越越小小，V V越越大大，则则S S愈愈大大。这这符符合合实实验验规规律律。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)总总之之，不不管管在在上上述述哪哪种种情情况况下下，散散射射质质点点的的折折射射率率与与基基体体的的折折射射率率相相差越大，将产生越严重的散射。差越大，将产生越严重的散射。4 4）Mie散射散射23第24页，讲稿共49张，创作于星期二三材料的透光性三材

36、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 按按照照图图4 43 3所所示示，将将光光源源照照在在一一定定距距离离之之外外的的光光电电池池上上，测测定定其其光光电电流流强强度度I I0 0，然然后后在在光光路路中中插插入入一一厚厚度度为为x x的的无无机机材材料料，同同样样测

37、测得得剩剩余余光光电电流流强度强度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。注注意意：算算出出的的内内，除除了了吸吸收收系系数数外外，实实际际上上还还包包括括了了散散射射系系数以及材料的界面损失（数以及材料的界面损失（1-m1-m）2 2。24第25页，讲稿共49张，创作于星期二 2 2光能损失光能损失 光通过厚度为光通过厚度为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 强强度度为为I I0 0的的光光束束垂垂直直地地入入射射到到陶陶瓷瓷左左表表面面。由由于于陶陶瓷瓷片

38、片与与左左侧侧空空间间介介质之间存在相对折射率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)。26第26页，讲稿共49张，创作于星期二 2）吸收损失）吸收损失L与散射损失与散射损失L 这这一一部部分分光光能能穿穿过过厚厚度度为为x 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和散散射射损损失失。到达材料右表面时，光强度到达材料右表面时，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

39、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。注注意意：上上式式中中所所得得的的I中中并并未未包包括括L反反射射回回去去的的光光能能。再再经经左左右右表表面面，进进行行二二、三三次次反反射射之之后后，仍仍然然会会有有从从右右侧侧表表面面传传出出的的那那一一部部分分光光能能。这这部部分分光光能能显显然然与与材材料料的的吸吸收收系系数数、散散

40、射射系系数数有有密密切切的的关关系系，也也和和材材料料的的表表面面光光洁洁度、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27页，讲稿共49张，创作于星期二 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主导地位。见见图图4.44.4所所示示，对对于于陶陶瓷瓷、玻玻璃璃等等电电介介质质材材料料，材材料料的的吸吸收收率率或或吸吸收收系数在可见光范围内是比较低的，。系数在可见光范围内是比较低的，。2 2）反射系数）反射系数 这这部部分分损损失失较较大大。材材料料对对

41、周周围围环环境境的的相相对对折折射射率率大大，反反射射损损失失也也大。另一方面，材料表面的光洁度也影响透光性能，大。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宏观及显微缺陷 材材料料中中的的夹夹杂杂物物、掺掺杂杂、晶晶界界等等对对光光的的折折射射性性能能与与主主晶晶相相不不同同，因因而而在在不不均均匀匀界界面面上上形形成成相相对对折折射射率率。此此值值越越大大则则反反射射系系数数越越大大，散射因子也越大，因而散射系数变大。散射

42、因子也越大，因而散射系数变大。27第28页，讲稿共49张，创作于星期二 (2)(2)晶粒排列方向的影响晶粒排列方向的影响 如如果果材材料料不不是是各各向向同同性性的的立立方方晶晶体体或或玻玻璃璃态态，则则存存在在有有双双折折射射问问题题。与与晶晶轴轴成成不不同同角角度度的的方方向向上上的的折折射射率率均均不不相相同同。这这样样，由由多多晶晶材材料料组组成成的的无无机机材材料料，晶晶粒粒与与晶晶粒粒之之间间，结结晶晶的的取取向向不不见见得得都都一一致致。因因此，晶粒之间产生折射率的差别，引起晶界处的反射及此，晶粒之间产生折射率的差别，引起晶界处的反射及散射损失。散射损失。28 图图4.7所所示示

43、为为一一个个典典型型的的双双折折射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说说明明：对对多多晶晶无无机机材材料料来来说说，影影响响透透光光率率的的主主要要因因素素在在于于组组成成材材料的晶体的双折射率。料的晶体的双折射率。例例1：-Al2O3晶体晶体 -Al2O3晶体的晶体的n0=1.760，n e=1.768。第29页，讲稿共49张，创作于星期二 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。设设材材料料厚厚2mm2mm，晶晶粒粒平平均均直直径径10m10m，理理论论上上具具有有200200个个晶晶界界，则则除

44、除去晶界反射损失后，剩余光强占去晶界反射损失后，剩余光强占(1-m)(1-m)200200=O=O9989799897，损失并不大。，损失并不大。从从散散射射损损失失来来分分析析，设设入入射射光光为为可可见见光光，=0.39=0.390.770.77m m。今今平平均均d=10d=10m m，故故采采用用S=3KS=3K3V/4R3V/4R计计算算，现现在在n n2121=1.768/1.60=1.768/1.601 1，所所以以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 金金红红石石晶晶体体的的n0=2.854，ne=2.5

45、67,因因而而其其反反射射系系数数m=2.810-3。如如材材料料厚厚度度3mm，平平均均晶晶粒粒直直径径3m，则则剩剩余余光光能能只只剩剩下下(1-m)1000=0.06了了。此此外外，由由于于n21较较大大，因因之之K较较大大，S大大，散散射射损损失失较较大大，故故金金红红石石瓷不透光瓷不透光。例例3 3：MgOMgO，Y Y2 2O O3 3等立方等立方晶系材料晶系材料 没没有有双双折折射射现现象象，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的的折折射射率率相相差差不不大大，可可望望得得支支透透明明度度较较好好的的透透明明陶陶瓷瓷材材料

46、料。但但这这是是相相当当不容易做到的。不容易做到的。例例4 4：玻璃玻璃 29第30页，讲稿共49张，创作于星期二 （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 存存在在于于晶晶粒粒之之间间的的以以及及晶晶界界玻玻璃璃相相内内的的气气孔孔、孔孔洞洞，从从光光学学上上讲讲构构成成了了第第二二相相。其其折折射射率率n n1 1可可视视为为1 1，与与基基体体材材料料之之n n2 2相相差差较较大大，所所以以相相对对折折射射率率n n2121=n n2 2也也较较大大。由由此此引引起起的的反反射射损损失失、散散射射损损失失远远较较杂杂质质、不不等等向向晶晶粒排列等因素引起的损失

47、为大。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。例例：一一材材料料含含气气孔孔0.2%（体体积积），平平均均d=2m，试试验验所所得得散散射射因因子子K=24，则散射系数，则散射系数 如如果果此此材材料料厚厚为为3mm，I=I0e-1.53=0.011I0。剩剩余余光光能能只只为为1左左右右，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第31页，讲稿共49张，创作于星期二 气孔尺寸气孔尺寸 一一般般陶陶瓷瓷材材料料的的气气孔孔直直径径大大约约在在1 1m m，均均大大于于可可见见光光的的波波长长(=0(=0.39390 0

48、.7979m)m)，所所以以计计算算散散射射损损失失时时应应采采用用公公式式（4.244.24），即即S=K3V/4RS=K3V/4R。散散射射因因子子K K与与相相对对折折射射率率n n2121有有关关。而而气气孔孔与与陶陶瓷瓷材材料料的的相相对对折折射射率率几几乎乎等等于于材材料料的的折折射射率率n n2 2，数数值值较较大大，所所以以K K值值也也较较大大。气气孔孔尺尺寸寸小小，散散射射损失较小。损失较小。假假如如上上例例中中只只剩剩下下平平均均d=0d=0OlOlm m的的微微小小气气孔孔，情情况况就就有有根根本本的的变变化。化。此此时时，A1A12 20 03 3陶陶瓷瓷的的平平均均

49、dd3(3(设设为为可可见见光光的的波波长长)，符符合合瑞瑞利利散散射射条条件件。此此时时，即即使使气气孔孔体体积积含含量量高高达达0.630.63，陶陶瓷瓷也也是是透透光光的的。利利用用(4.26)(4.26)式式 如如果果陶陶瓷瓷材材料料厚厚2mm2mm，I=II=I0 0e e-0-0。00322 00322=0.994I=0.994I0 0，散散射射损损失失不不大大，仍仍是透光性材料。是透光性材料。31第32页，讲稿共49张，创作于星期二四提高材料透光性的措施四提高材料透光性的措施 1 1提高原材料纯度提高原材料纯度 2 2掺加外加剂掺加外加剂 1 1）掺外加剂的目的）掺外加剂的目的

50、目的：是降低材料的气孔率，特别是降低材料烧成时的闭孔。目的：是降低材料的气孔率，特别是降低材料烧成时的闭孔。2 2）增加）增加A1A12 20 03 3陶瓷透明性的陶瓷透明性的常用外加剂常用外加剂 （1 1）MgO MgO（2 2）Y Y2 2O O3 3，LaLa2 2O O3 3 3 3）注意事项）注意事项 外加剂本身也是杂质，掺多了也会影响透光性。外加剂本身也是杂质，掺多了也会影响透光性。3 3工艺措旋工艺措旋 （1 1）排除气孔）排除气孔 （2 2）使晶粒定向排列）使晶粒定向排列32第33页，讲稿共49张，创作于星期二553 3 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