第3章 材料的光學(xué)性能

3材料的光學(xué)性能光色波長(zhǎng)(nm)

頻率(Hz)中心波長(zhǎng)(nm)

紅760~622660

橙622~597610

黃597~577570

綠577~492540

青492~470480

蘭470~455460

紫455~400430可見光七彩顏色的波長(zhǎng)和頻率范圍人眼最為敏感的光是黃綠光，即附近。

光通過固體的現(xiàn)象

折射（光速的變化）

反射（能量的變化）

吸收（能量的變化）

散射（能量的變化）

透過（能量）①②③④Ｉx①界面１反射②吸收③散射④界面２反射界面１界面２I0I1I２3.1.3光通過固體現(xiàn)象

3.2光的反射和折射

光從真空進(jìn)入較致密的材料時(shí)，其速度降低。光在真空和材料中的速度之比即為材料的折射率。一折射

式中：和分別表示光在材料1及2中的傳播速度，為材料2相對(duì)于材料1的相對(duì)折射率。

如果光從材料1，通過界面?zhèn)魅氩牧?時(shí)，光在材料1和材料2中的速度之比，就是材料2相對(duì)于材料1的折射率。相對(duì)折射率折射定律

材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。光密介質(zhì)：在折射率大的介質(zhì)中，光的傳播速度慢；光疏介質(zhì)：在折射率小的介質(zhì)中，光的傳播速度快。介質(zhì)的n總是大于1的正數(shù)，例如空氣n=1.0003，固體氧化物n=1.3~2.7，硅酸鹽玻璃n=1.5~1.9。

光的折射的本質(zhì)

式中：C—真空中光速，ε—介質(zhì)介電常數(shù)，

—介質(zhì)導(dǎo)磁率，非磁性介質(zhì)該值等于1非磁性介質(zhì)光是電磁波，電場(chǎng)分量作用于材料會(huì)使分子極化，磁場(chǎng)分量作用于磁性介質(zhì)使介質(zhì)磁化，極化和磁化作用于光電磁波，使其傳播速度減小。1）構(gòu)成材料元素的離子半徑當(dāng)離子半徑增大時(shí)，其ε增大，因而n也增大。因此，可以用大離子得到高n的材料，，用小離子得到低n的材料，如。光的折射率的影響因素影響介電常數(shù)的因素2）材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)

象非晶態(tài)和立方晶體這些各向同性材料，當(dāng)光通過時(shí)，光速不因傳播方向改變而變化，材料只有一個(gè)折射率，稱為均質(zhì)介質(zhì)。

但是除立方晶體以外的其他晶型都是非均質(zhì)介質(zhì)，有雙折射現(xiàn)象。3）材料所受的內(nèi)應(yīng)力有內(nèi)應(yīng)力的透明材料，垂直于受拉主應(yīng)力方向的n大，平行于受拉主應(yīng)力方向的n小。

4）同質(zhì)異構(gòu)體在同質(zhì)異構(gòu)材料中，高溫時(shí)的晶型折射率n較低，低溫時(shí)存在的晶型折射率n較高。材料的折射率隨入射光的頻率的減小(或波長(zhǎng)的增加)而減小的性質(zhì)，稱為光的色散。

5）光的波長(zhǎng)——光的色散測(cè)量不同波長(zhǎng)光線通過棱鏡的最小偏向角，就可以算出棱鏡材料的折射率n與波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系曲線，即色散曲線。

幾種材料的色散色散系數(shù)(阿貝數(shù))

式中nD,nF和nC分別為以鈉的譜線、氫的F譜線和C譜線(589.3nm，486.1nm和656.3nm

)為光源，測(cè)得的折射率。材料的反射率二反射

反射定律與折射定律為了減小反射損失，經(jīng)常采取以下措施：透過介質(zhì)表面鍍?cè)鐾改?。將多次透過的玻璃用折射率與之相近的膠將它們粘起來，以減少空氣界面造成的損失。材料對(duì)光的吸收機(jī)理極化電子受激吸收光子而從較低能態(tài)躍遷到高能態(tài)三材料對(duì)光的吸收例：求氯化鈉晶體能吸收的光的最短波長(zhǎng)。l+dlldxlII+dI光的吸收規(guī)律α吸收系數(shù)，單位為m-1，表征材料對(duì)光的吸收能力的特征參數(shù)。吸收系數(shù)與吸收率

朗伯特定律吸收系數(shù)表示當(dāng)透過材料的光強(qiáng)度是入射光強(qiáng)度的1/e時(shí)，光所透過的材料厚度的倒數(shù)。四

光的散射

光在通過氣體、液體、固體等介質(zhì)時(shí)，遇到煙塵、微粒、懸浮液滴或者結(jié)構(gòu)成分不均勻的微小區(qū)域，都會(huì)有一部分能量偏離原來的傳播方向而向四面八方彌散開來，這種現(xiàn)象稱為光的散射。例如，當(dāng)一束太陽(yáng)光從窗外射進(jìn)室外內(nèi)時(shí)，我們從側(cè)面可以看到光線的徑跡，就是因?yàn)樘?yáng)光被空氣中的灰塵散射的緣故。散射的一般規(guī)律3.4.2彈性散射和非彈性散射根據(jù)散射前后光子能量（或光波波長(zhǎng)）變化與否，分為彈性散射與非彈性散射

彈性散射：散射前后光的波長(zhǎng)（或光子能量）不發(fā)生變化，只改變方向的散射。

非彈性散射：散射前后光的波長(zhǎng)（或光子能量）發(fā)生變化的散射，稱為非彈性散射。I0為光的原始強(qiáng)度；I為光束通過厚度為l的試件后的剩余強(qiáng)度；α

是衰減系數(shù)；αa、αs分別稱為吸收系數(shù)和散射系數(shù)散射系數(shù)散射系數(shù)決定于波長(zhǎng)和質(zhì)點(diǎn)尺寸的大小關(guān)系。散射系數(shù)和質(zhì)點(diǎn)尺寸的關(guān)系參量σ與散射中心尺度大小a0有關(guān)，按a0與入射光波長(zhǎng)λ的大小比較，分為三類：

1）

廷德爾散射當(dāng)a0?λ時(shí)，σ→0即散射中心的尺度遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)時(shí)，散射光強(qiáng)與入射光波長(zhǎng)無關(guān)如粉筆灰、白云呈白色例如在膠體、乳濁液以及含有煙、霧或灰塵的大氣中的散射。彈性散射和波長(zhǎng)的關(guān)系2）米氏散射當(dāng)a0與λ相近時(shí)，σ=0~4即散射中心的尺度與光波波長(zhǎng)可以比擬時(shí)，σ在0~4之間,具體取值與散射中心有關(guān).米氏散射性質(zhì)比較復(fù)雜。瑞利散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系3）

瑞利散射Rayleighscattering

當(dāng)a0?λ時(shí)，σ=4即當(dāng)散射中心的線度遠(yuǎn)小于入射光的波長(zhǎng)時(shí)，散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的4次方成反比按照瑞利散射定律，解釋晴天時(shí)晨陽(yáng)與午陽(yáng)的顏色不同。入射波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射光強(qiáng)越小，即長(zhǎng)波散射要小于短波散射。因?yàn)榇髿饧皦m埃對(duì)光譜上藍(lán)紫色光的散射比紅橙色光為甚，陽(yáng)光透過大氣層越厚，其中藍(lán)紫色光成分損失越多，太陽(yáng)顯得越紅。1）

拉曼散射（Ramanscattering）是分子或點(diǎn)陣振動(dòng)的光學(xué)聲子（即光學(xué)模）對(duì)光波的散射。拉曼散射與材料的結(jié)構(gòu)有關(guān)，可