材料的光學(xué)性能

4-5材料的光學(xué)性能

opticalpropertiesofmaterialsBasicprinciplesandconceptsrelatingtointeractionsofelectromagneticradiation(visiblelight)withsolidmaterials(atoms).Refraction,reflection,absorption,andtransmissionofincidentlight,andtheirrelationship.mechanismof

absorptionandemissionofelectromagneticradiationinmaterialstransparency,translucencyandopacityofmaterialsindexofrefractionanditsapplicationluminescence,photoconductivity,andlightamplification(lasers)1精選ppt4-5材料的光學(xué)性能(opticalproperties)4-5-1電磁輻射及其與原子的相互作用Interactionsofelectromagneticradiationandatoms1、光和物質(zhì)的相互作用——取決于物質(zhì)電磁性質(zhì)的根本參數(shù)。電導(dǎo)率、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率2、相互作用是由電子躍遷和極化效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的3、光子能量energyEofaphotonE＝hc／λ＝hνelectrontransitionsandelectronicpolarization2精選pptFIGURE19.23精選ppt4、固體材料的光學(xué)性質(zhì)，取決于電磁輻射與材料表面、近外表以及材料內(nèi)部的電子、原子、缺陷之間的相互作用4精選ppt4-5-2吸收、反射和透射5精選ppt1、光的吸收(photonabsorption)〔1〕光吸收的一般規(guī)律朗伯特定律

I＝I0e－αxAbsorbedintensity空氣:≈10-5cm-1玻璃:＝10-2cm-1金屬:那么達(dá)幾萬到幾十萬---吸收系數(shù)Absorptioncoefficient6精選ppt〔2〕光吸收與光波長radiationabsorptionandwavelength在電磁波譜的可見光區(qū)：金屬和半導(dǎo)體的吸收系數(shù)很大；電介質(zhì)材料吸收系數(shù)小。在紫外吸收端：禁帶寬度大的材料，紫外吸收端的波長較小在紅外區(qū)：離子的彈性振動與光子輻射發(fā)生諧振消耗能量所致選擇吸收均勻吸收λ=hc/Eg7精選ppt2、光的反射(reflection)鏡反射、漫反射吸收----發(fā)射折射(refractionindex)n21=sini/sinr

m:反射系數(shù)R:反射率〔1-m〕：透射系數(shù)8精選pptFIGURE19.49精選pptFIGURE19.510精選pptFigure19.6.11精選ppt3、光的透射(transmission)透射率：T＝〔1－R〕2e－αl透射率T(transmissivity)、反射率R(reflectivity)、吸收率A(absorptivity)三者之和為1I＝I0e－αxR=(n-1)2/(n+1)212精選pptFIGURE19.813精選ppt4、折射指數(shù)RefractionIndex折射來源于光線通過透明材料時，由于介質(zhì)的電子極化使得光速降低，光線在界面彎曲的現(xiàn)象。折射指數(shù)的大小與介質(zhì)的性質(zhì)〔原子或離子的尺寸、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率等〕和波長相關(guān)14精選ppt

表4-5-2各種材料在室溫對可見光的折射率物質(zhì)n（折射率）物質(zhì)n（折射率）空氣Al2O3

CaF2Cl2（氣體）Cl2（液體）金剛石H2O（水）H2O（冰）聚四氟乙烯醋酸纖維素聚甲基丙烯酸甲酯聚丙烯酚醛樹脂環(huán)氧樹脂低密度聚乙烯聚碳酸酯1.0002771.63-1.681.431.0007681.3852.4171.331.301.351.48-1.501.491.491.50-1.701.5-1.61.511.59玻璃（重燧石）玻璃（鋅牌）KClKFNaCl石英熔融石英SrO聚丙烯腈天然橡膠聚酰胺高密度聚乙烯聚氯乙烯氯丁橡膠聚苯乙烯1.651.521.491.361.541.541.471.871.511.521.53-1.551.541.54-1.561.551.5915精選ppt例題19.21ThetransmissivityTofatransparentmaterial20mmthicktonormallyincidentlightis0.85.Iftheindexofrefractionofthismaterialis1.6,computethethicknessofmaterialthatwillyieldatransmissivityof0.75.Allreflectionlossesshouldbeconsidered.Solution16精選ppt5、金屬材料的光學(xué)性質(zhì)〔1〕各種入射輻射被吸收金屬導(dǎo)帶中已填充的能級上方有許多空的電子能態(tài)——頻率分布范圍很寬的各種入射輻射都可以激發(fā)電子到能量較高的未填充態(tài)從而被吸收；〔2〕金屬的反射，是由吸收再反射綜合造成的反射率具有頻率依賴性對于紅外輻射那么透明17精選ppt18精選ppt6、無機(jī)非金屬材料的光學(xué)性質(zhì)〔1〕對紅外線有一定程度的吸收〔2〕吸收可見輻射，且不透明〔半導(dǎo)體〕〔3〕絕緣體傾向于對可見輻射透明Eg大〔4〕漫透射——由屢次內(nèi)反射造成〔5〕加工過程中留下孔洞而不透明1%陶瓷19精選ppt7、高分子材料的光學(xué)性質(zhì)聚合物多數(shù)無色,包括高透明(transparent)到不透明。透明度的損失起源于材料內(nèi)部折射指數(shù)(refractionindex)不均勻性產(chǎn)生的光散射

聚合物透明帶色，選擇性吸收結(jié)晶聚合物通常是半透明(translucent)或不透明(opaque)的

增加聚合物材料透明性的方法加速成核或由熔體急劇冷卻——減少球晶大小；拉伸——球晶轉(zhuǎn)變?yōu)槿∠蛭⒔z20精選ppt4-5-3旋光性及非線性光學(xué)性(nonlinearopticalperformance)1、旋光性不對稱碳原子——手性分子2、非線性光學(xué)性質(zhì)〔1〕非線性光學(xué)效應(yīng)——分子〔介質(zhì)〕受強(qiáng)光場〔激光〕作用時會產(chǎn)生極化，誘導(dǎo)極化強(qiáng)度

=0++2+3+…

0---分子永久偶極矩；

---為局域電場強(qiáng)度；

---分子線性極化率；

和

---二階和三階分子超極化率21精選ppt宏觀物質(zhì)，極化強(qiáng)度P=〔1〕E十〔2〕E2十〔3〕E3十···E----入射光電場強(qiáng)度〔1〕----物質(zhì)的線性極化率〔2〕和〔3〕----物質(zhì)的二階和三階非線性極化率二階或三階非線性光學(xué)材料〔2〕功能變頻、增幅、開關(guān)、記憶等元件功能〔3〕結(jié)構(gòu)特點(diǎn)〔有機(jī)材料〕二階：具有A-π-D結(jié)構(gòu)三階：具有容易移動的非定域電子體系A(chǔ)：拉電子基，D：供電子基：共軛結(jié)構(gòu)22精選ppt4-5-4光澤：取決于材料的外表反射狀態(tài)4-5-5發(fā)光luminescence熒光(fluorescence)：延遲發(fā)射10-8s磷光(phosphorescence)：延遲發(fā)射10-2s~10s含有雜質(zhì)和缺陷價帶與導(dǎo)帶重疊沒有能隙，發(fā)射光波長長于可見光

價帶與導(dǎo)帶間有能隙為Eg

23精選ppt24精選ppt激光(laser)------材料發(fā)光性能的重要應(yīng)用必要條件維持連續(xù)不斷的受激輻射，

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：高能級的原子數(shù)大于低能級的原子數(shù)紅寶石激光器中的Cr的能級

平衡態(tài)時各能級的粒子數(shù)n1>n2>n3

波長為5500埃的黃綠光照射后n2>n1

Al2O3+Cr25精選pptFIGURE19.1226精選ppt4-5-6光敏性〔物理〕(photosensitivity)在光的作用下，材料的某些性能發(fā)生可逆變化的性質(zhì)光敏物質(zhì)智能材料

光致變色器光力學(xué)現(xiàn)象光敏凝膠高聚物27精選ppt4-5-7光纖OPTICALFIBERSINCOMMUNICATIONS

Guidetheselightpulsesoverlongdistanceswithoutsignificantsignalpowerloss(i.e.,attenuation)andpulsedistortion.Fibercomponentsarethecore,cladding,andcoating;Thesignalpassesthroughthecore,whereasthesurroundingcladding

constrainsthelightraystotravelwithin

thecore;theoutercoatingprotectscoreandcladdingAnylightraystravelingatobliqueangl