1、第八章第八章玻璃的光学性质玻璃的光学性质主要内容主要内容l8.1 玻璃的折射率玻璃的折射率l8.2 玻璃的光学常数玻璃的光学常数l8.3 玻璃的反射、散射、吸收和透过玻璃的反射、散射、吸收和透过l8.4 玻璃的红外和紫外吸收玻璃的红外和紫外吸收8.1 玻璃的折射率玻璃的折射率l 玻璃折射率可以理解为电磁波在玻璃中传播速度的玻璃折射率可以理解为电磁波在玻璃中传播速度的降低。降低。 n=C/Vl 原因：光通过玻璃引起内部质点的极化变形，消耗原因：光通过玻璃引起内部质点的极化变形，消耗能量，引起光速降低。能量，引起光速降低。8.1.1 玻璃折射率与组成的关系玻璃折射率与组成的关系l 总的来说，玻璃折
2、射率取决于玻璃内部离子的总的来说，玻璃折射率取决于玻璃内部离子的极化极化率率和玻璃的和玻璃的密度密度。u离子极化率越大，光波通过后被吸收的能量越大，传播离子极化率越大，光波通过后被吸收的能量越大，传播速度降低越大，折射率越大。速度降低越大，折射率越大。u玻璃密度越大，光在其中传播速度越慢，折射率越大。玻璃密度越大，光在其中传播速度越慢，折射率越大。SiO2的形式的形式相对密度相对密度折射率折射率石英石英2.651.55方石英方石英2.321.49磷石英磷石英2.281.47石英玻璃石英玻璃2.201.46l 若把玻璃近似看作是各氧化物均匀构成的混合物，若把玻璃近似看作是各氧化物均匀构成的混合物
3、，就每种氧化物其极化率就每种氧化物其极化率i、密度、密度di与折射率与折射率ni之间有之间有下述关系：下述关系：iiiiiiiiidMnnKdMnnN21213412222 用用 代替代替 ，用，用 代替代替 ，则得：，则得： 氧化物的分子折射度氧化物的分子折射度 氧化物的分子体积氧化物的分子体积iViidMiRKiiiiiVnnR2122iRiViiiiiVRVRn121l 氧化物组分的折射率氧化物组分的折射率 是由它的分子体积是由它的分子体积 和分和分子折射度子折射度 决定的。决定的。u分子折射度越大，玻璃的折射率越大；分子折射度越大，玻璃的折射率越大；u分子体积越大，玻璃的折射率越小。分
4、子体积越大，玻璃的折射率越小。iViRinl 玻璃的折射率由玻璃的折射率由玻璃的分子体积玻璃的分子体积和和玻璃的分子折射玻璃的分子折射度度决定。决定。u玻璃的分子体积标志着结构的紧密程度。取决于网络的玻璃的分子体积标志着结构的紧密程度。取决于网络的体积及网络外空隙的填充程度，与组成玻璃各种阳离子体积及网络外空隙的填充程度，与组成玻璃各种阳离子半径有关。对于原子价相同的氧化物，半径有关。对于原子价相同的氧化物，阳离子半径越大阳离子半径越大，玻璃的分子体积越大玻璃的分子体积越大。u玻璃的分子折射度是各组成离子极化程度的总和。玻璃的分子折射度是各组成离子极化程度的总和。阳离阳离子半径增大子半径增大不
5、仅自身的极化率增大也提高了氧离子的极不仅自身的极化率增大也提高了氧离子的极化率，因此化率，因此玻璃的分子折射度增大玻璃的分子折射度增大。u综合两种效果，玻璃折射率与离子半径之间不呈直线关综合两种效果，玻璃折射率与离子半径之间不呈直线关系而呈马鞍形。系而呈马鞍形。8.1.2 玻璃的色散玻璃的色散l 色散：玻璃的折射率随入射光波长不同而不同的现色散：玻璃的折射率随入射光波长不同而不同的现象。象。l 近紫外区折射率最大，逐步向红外区降低。近紫外区折射率最大，逐步向红外区降低。l 正常色散正常色散：折射率随波长减小而增大，当波长变短：折射率随波长减小而增大，当波长变短时变化更迅速的色散现象。时变化更迅
6、速的色散现象。l 反常色散反常色散：当光波波长接近于材料的吸收带时所发：当光波波长接近于材料的吸收带时所发生的折射率急剧变化，在吸收带的长波侧折射率高，生的折射率急剧变化，在吸收带的长波侧折射率高，在吸收带的短波侧折射率低的现象。在吸收带的短波侧折射率低的现象。8.1.3 玻璃折射率与温度的关系玻璃折射率与温度的关系l 玻璃折射率是温度的函数。当温度上升时，折射率玻璃折射率是温度的函数。当温度上升时，折射率受到作用相反的两个因素的影响：受到作用相反的两个因素的影响：u温度升高，玻璃受热膨胀密度减小，温度升高，玻璃受热膨胀密度减小，折射率下降折射率下降；u温度升高，阳离子对温度升高，阳离子对O2
7、-的作用减小，极化率增加，的作用减小，极化率增加，折射折射率增大率增大；电子振动的本征频率减小，紫外线吸收极限向；电子振动的本征频率减小，紫外线吸收极限向长波方向移动，长波方向移动，折射率上升折射率上升。l 玻璃折射率的温度系数取决于玻璃的分子折射度随玻璃折射率的温度系数取决于玻璃的分子折射度随温度的变化温度的变化 和热膨胀系数随温度的变化和热膨胀系数随温度的变化 。l 高温时高温时，玻璃热膨胀系数变化不大，折射率温度系，玻璃热膨胀系数变化不大，折射率温度系数主要取决于数主要取决于 ，折射率随温度上升而增加折射率随温度上升而增加。l 低温时低温时， 的作用居于次要地位，的作用居于次要地位， 起
8、主导作起主导作用，用，折射率随温度升高而下降折射率随温度升高而下降。tRdtdRtntRtdtRtRtd8.2 玻璃的光学常数玻璃的光学常数l 玻璃的光学常数包括玻璃的折射率、平均色散、部分色散和色玻璃的光学常数包括玻璃的折射率、平均色散、部分色散和色散系数。散系数。l 确立标准波长确立标准波长谱线符号谱线符号ACDdeFgGh波长波长/nm768.5656.3589.3587.6546.1435.8435.8434.1404.7光源光源钾钾氢氢钠钠氦氦汞汞氢氢汞汞氢氢汞汞元素符号元素符号KHNaHeHgHHgHHg光谱色光谱色红红红红黄黄黄黄绿绿浅蓝浅蓝浅蓝浅蓝蓝蓝紫紫各种光源的谱色各种光源
9、的谱色l 上述波长下测得的玻璃的折射率分别用上述波长下测得的玻璃的折射率分别用nA、 nc 、 nD 、 nd 、 ne 、 nF 、 ng 、 nG 、 nh表示。表示。l 比较不同玻璃的折射率时，一律以比较不同玻璃的折射率时，一律以nD为准。为准。l 玻璃色散的几种表示方法：玻璃色散的几种表示方法：u平均色散：平均色散：= nF ncu部分色散：部分色散： ndnD、 nDnc、 ngnG 、nFncu色散系数（阿贝数）：色散系数（阿贝数）：u相对部分色散：相对部分色散：CFDnnn1CFdDnnnnCFCDnnnn8.3 玻璃的反射、散射、吸收和透过玻璃的反射、散射、吸收和透过l 玻璃对
10、光的反射、吸收和透过可用反射率玻璃对光的反射、吸收和透过可用反射率R、吸收、吸收率率A和透过率和透过率T来衡量。来衡量。 R%+ A% + T%=100%8.3.1 反射反射l 反射率：从玻璃表面反射出去的光强与入射光强之反射率：从玻璃表面反射出去的光强与入射光强之比。比。l 反射率取决于：反射率取决于：u入射角的大小。入射角增大，反射率也增大。入射角的大小。入射角增大，反射率也增大。u反射面的光滑程度。反射面愈光滑，被反射的光能愈多。反射面的光滑程度。反射面愈光滑，被反射的光能愈多。u玻璃的折射率。折射率愈高，反射率也愈大。玻璃的折射率。折射率愈高，反射率也愈大。l 当入射角为当入射角为90
11、时，反射率时，反射率R可表示为：可表示为：l 为了调节玻璃表面的反射系数，常在表面涂以一定为了调节玻璃表面的反射系数，常在表面涂以一定厚度折射率不同的透明玻璃薄膜，使玻璃表面的反厚度折射率不同的透明玻璃薄膜，使玻璃表面的反射系数降低或升高。射系数降低或升高。u增透膜增透膜u反光膜反光膜211nnR8.3.2 散射散射l 由于玻璃中存在某些折射率的微小偏差而产生光的由于玻璃中存在某些折射率的微小偏差而产生光的散射。散射。l 一般玻璃中的散射特别小，可以不予考虑。一般玻璃中的散射特别小，可以不予考虑。l 光的散射服从瑞利散射定律：光的散射服从瑞利散射定律：242222cos1rVMdddIrl 散
12、射光的强度与波长的散射光的强度与波长的4次方成反比，而与微粒体次方成反比，而与微粒体积的平方成正比。积的平方成正比。l 若散射颗粒的大小与波长相差不多，则不遵守上述若散射颗粒的大小与波长相差不多，则不遵守上述定律。定律。l 一般玻璃的乳浊性主要取决于微粒的大小、折射率一般玻璃的乳浊性主要取决于微粒的大小、折射率和微粒的体积。影响最大的是微粒与玻璃的折射率和微粒的体积。影响最大的是微粒与玻璃的折射率之差，差值愈大乳浊性愈大。之差，差值愈大乳浊性愈大。8.3.3 吸收和透过吸收和透过l 光线通过玻璃时光线通过玻璃时 ，玻璃将吸收一部分光的能量，光，玻璃将吸收一部分光的能量，光强度强度I随玻璃厚度随
13、玻璃厚度l而减弱。而减弱。leII0lII0lnTII0leT令令 （透过率）（透过率）（兰别尔定律）（兰别尔定律） 对于平板玻璃有两个表面，此时总透过率对于平板玻璃有两个表面，此时总透过率T为：为：leRIIT201211nnRlennT22111l 实际上常用光密度实际上常用光密度D来表示玻璃的吸收和反射损失。来表示玻璃的吸收和反射损失。l 光密度与透过率的对应关系光密度与透过率的对应关系 TD1lg光密度光密度透过透过透过率透过率%20.01110.10100.50.31631.60.10.79479.4l 如果玻璃对可见光谱内各波长的光吸收是如果玻璃对可见光谱内各波长的光吸收是相等相等
14、的，的，则光线通过玻璃后，光谱组成不发生变化仍然是则光线通过玻璃后，光谱组成不发生变化仍然是白白光光，只是强度减弱而已。，只是强度减弱而已。l 如果对可见光谱内各波长的光吸收如果对可见光谱内各波长的光吸收不相等不相等，而是有，而是有选择的，则光线通过玻璃后必然要改变原来光谱的选择的，则光线通过玻璃后必然要改变原来光谱的成分，成了成分，成了颜色光颜色光。l 着色玻璃中，选择性吸收由着色剂引起，吸收强度着色玻璃中，选择性吸收由着色剂引起，吸收强度取决于着色剂的种类和浓度，即取决于着色剂的种类和浓度，即 颜色玻璃透过强度与入射强度的关系：颜色玻璃透过强度与入射强度的关系： 多种着色剂，则上式为：多种
15、着色剂，则上式为：Dc cleII0cleII0（颜色玻璃兰别尔定律）（颜色玻璃兰别尔定律）8.4 玻璃的红外和紫外吸收玻璃的红外和紫外吸收l 一般无色透明玻璃，在可见光区（一般无色透明玻璃，在可见光区（390770nm）几）几乎没有吸收。吸收主要发生在紫外（乎没有吸收。吸收主要发生在紫外（0.35m）及中红外（及中红外（3m）波段。）波段。l 原因：当入射光作用于玻璃时，玻璃中的偶极子、原因：当入射光作用于玻璃时，玻璃中的偶极子、分子振子及由核及壳层电子组成的原子产生极化并分子振子及由核及壳层电子组成的原子产生极化并且随之振动。且随之振动。8.4.1 玻璃的红外吸收玻璃的红外吸收l 一般认为
16、在红外区的吸收属于分子光谱。一般认为在红外区的吸收属于分子光谱。l 吸收主要是由于红外光的频率与玻璃中分子振子吸收主要是由于红外光的频率与玻璃中分子振子（或原子团）的本征频率相近或相同引起共振所致。（或原子团）的本征频率相近或相同引起共振所致。l 物质振动频率可表示为：物质振动频率可表示为：Mf21l 玻璃形成氧化物玻璃形成氧化物M较小，较小，f较大，故较大，故大；铅玻璃和大；铅玻璃和一些非氧玻璃相对一些非氧玻璃相对M较大，较大，f较小，故较小，故小。小。l 铅玻璃、非氧玻璃红外吸收极限波长较氧化物玻璃铅玻璃、非氧玻璃红外吸收极限波长较氧化物玻璃为大。为大。8.4.2 玻璃的紫外吸收玻璃的紫外
17、吸收l 紫外吸收属于电子光谱范畴，光谱频率处于紫外区。紫外吸收属于电子光谱范畴，光谱频率处于紫外区。l 吸收极限：无色透明玻璃的紫外吸收的吸收区与透吸收极限：无色透明玻璃的紫外吸收的吸收区与透光区之间一条很陡的分界线。光区之间一条很陡的分界线。l 原因：阴离子（原因：阴离子（O2-）的价电子受激发所致。）的价电子受激发所致。l 激发价电子所需光子能量可表示为：激发价电子所需光子能量可表示为：l 硅酸盐玻璃阴离子主要是硅酸盐玻璃阴离子主要是O2-，因次激发价电子所需，因次激发价电子所需光子能量的大小主要取决于阴阳离子间的库仑力光子能量的大小主要取决于阴阳离子间的库仑力M。l 玻璃透过紫外光的性能
18、主要取决于氧与阳离子之间玻璃透过紫外光的性能主要取决于氧与阳离子之间的化学键力的特性，而这种特性又与阳离子的电荷、的化学键力的特性，而这种特性又与阳离子的电荷、半径大小、配位数等密切相关。半径大小、配位数等密切相关。MEhl 石英玻璃具有优异的透紫外性，仅吸收石英玻璃具有优异的透紫外性，仅吸收0.193m以以下的远紫外波段。当石英玻璃中加入各种金属氧化下的远紫外波段。当石英玻璃中加入各种金属氧化物后，都发生紫外吸收极限向长波移动的现象。物后，都发生紫外吸收极限向长波移动的现象。l 一般，网络外体加入量越多、离子半径越大、电荷一般，网络外体加入量越多、离子半径越大、电荷越小，玻璃的紫外吸收极限波长越长。越小，玻璃的紫外吸收极限波长越长。作业作业1、玻璃的光学性质包含哪些性质？、玻璃的光学性质包含哪些性质？2、影响玻璃折射率的主要因素有哪些？、影响玻璃折射率的主要因素有哪些？3、玻璃的光学常数包括哪些内容？、玻璃的光学常数包括哪些内容？4、红外吸收如何产生？、红外吸收如何产生？5、何谓吸收极限？、何谓吸收极限？
