1、4-5 材料的光学性能材料的光学性能optical properties of materials Basic principles and concepts relating to interactions of electromagnetic radiation(visible light)with solid materials(atoms).Refraction,reflection,absorption,and transmission of incident light,and their relationship.mechanism of absorption and emiss
2、ion of electromagnetic radiation in materials transparency,translucency and opacity of materials index of refraction and its application luminescence,photoconductivity,and light amplification (lasers)4-5 材料的光学性能材料的光学性能(optical properties)4-5-1 电磁辐射及其与原子的相互作用电磁辐射及其与原子的相互作用 Interactions of electromagn
3、etic radiation and atoms1、光和物质光和物质的相互作用取决于物质电磁性质电磁性质的 基本参数。电导率、介电常数和磁导率电导率、介电常数和磁导率2、相互作用是由电子跃迁和极化效应电子跃迁和极化效应实现的3、光子能量光子能量 energy E of a photon Ehchelectron transitions and electronic polarizationFIGURE 19.24、固体材料的光学性质，取决于电磁辐射与电磁辐射与材料表表 面、近表面以及材料内部面、近表面以及材料内部的电子、原子、缺陷电子、原子、缺陷之间 的相互作用4-5-2 吸收、反射和透射吸收
4、、反射和透射1、光的吸收光的吸收(photon absorption)（1）光吸收的一般规律朗伯特定律朗伯特定律 II0exAbsorbed intensity空气空气:10-5cm-1玻璃玻璃:10-2cm-1金属金属:则达几万到 几十万 -吸收系数吸收系数Absorption coefficient（2）光吸收与光波长光吸收与光波长radiation absorption and wave length在电磁波谱的可见光区可见光区：金属和半导体金属和半导体的吸收系数很大；电介质电介质材料吸收系数小。在紫外紫外吸收端：禁带宽度禁带宽度大的材料，紫外吸收端的波长较小 在红外区红外区：离子离子的
5、弹性振动与光子辐射弹性振动与光子辐射发生谐振谐振消耗能量所致 选择吸收选择吸收均匀吸收均匀吸收=hc/Eg2、光的反射光的反射(reflection)镜镜反射、漫漫反射吸收吸收-发射发射折射折射(refraction index)n21=sini/sinr mnnWW2212111 m:反射系数反射系数 R:反射率反射率（1-m）：透射系数）：透射系数 FIGURE 19.4FIGURE 19.5Figure19.6.3、光的透射光的透射(transmission)透射率透射率：T（1R）2el 透射率透射率T(transmissivity)、反射率反射率R(reflectivity)、吸吸收
6、率收率A(absorptivity)三者之和为1II0exR=(n-1)2/(n+1)2FIGURE 19.84、折射指数、折射指数 Refraction Index 折射折射来源于光线通过透明材料时，由于介质的电子极化使得光速降低，光线在界面弯曲的现象。折射指数的大小与介质的性质（原子或离子的尺寸、介电原子或离子的尺寸、介电常数、磁导率常数、磁导率等）和波长波长相关 表表4-5-2 各种材料在室温对可见光的各种材料在室温对可见光的折射率折射率物质n（折射率）物质n（折射率）空气空气Al2O3 CaF2Cl2（气体）Cl2（液体）金刚石金刚石H2O（水）H2O（冰）聚四氟乙烯聚四氟乙烯醋酸纤维
7、素聚甲基丙烯酸甲酯聚丙烯酚醛树脂环氧树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（锌牌）KClKFNaCl石英熔融石英SrO聚丙烯腈天然橡胶聚酰胺高密度聚乙烯聚氯乙烯氯丁橡胶聚苯乙烯1.651.521.491.361.541.541.471.871.511.521.53-1.551.541.54-1.561.551.59例题例题19.21 The transmissivity T of a transparent
8、material 20 mm thick to normally incident light is 0.85.If the index of refraction of this material is 1.6,compute the thickness of material that will yield a transmissivity of 0.75.All reflection losses should be considered.Solution5、金属金属材料的光学性质（1）各种入射辐射被吸收入射辐射被吸收 金属导带导带中已填充的能级上方有许多空的电子能态空的电子能态频率分布
9、范围很宽的各种入射辐射都可以激发电子到能量较高的未填充态从而被吸收；（2）金属的反射反射，是由吸收再反射吸收再反射综合造成的 反射率反射率具有频率依赖性频率依赖性 对于红外辐射则透明红外辐射则透明6、无机非金属无机非金属材料的光学性质（1）对红外红外线有一定程度的吸收吸收（2）吸收可见辐射吸收可见辐射，且不透明（半导体半导体）（3）绝缘体绝缘体倾向于对可见辐射透明 Eg大大（4）漫透射由多次内反射造成（5）加工过程中留下孔洞孔洞而不透明 1%陶瓷7、高分子高分子材料的光学性质 聚合物多数无色无色,包括高透明(transparent)到不透明。透明度透明度的损失起源于材料内部折射指数折射指数(r
10、efraction index)不均匀性不均匀性产生的光散射光散射 聚合物透明带色透明带色，选择性吸收选择性吸收 结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增加聚合物材料透明性的方法 加速成核或由熔体急剧冷却减少球晶大小；拉伸球晶转变为取向微丝 4-5-3 旋光性及非线性光学性旋光性及非线性光学性(nonlinear optical performance)1、旋光性旋光性 不对称碳原子手性分子2、非线性光学性质非线性光学性质（1）非线性光学效应分子（介质）受强光场（激光）作用时会产生极化，诱导极化强度 =0+2+3+0-分子永久偶极
11、矩；分子永久偶极矩；-为局域电场强度；为局域电场强度；-分子线性极化率；分子线性极化率；和和-二阶和三阶分子超极化率二阶和三阶分子超极化率宏观物质宏观物质，极化强度 P=（1）E十十（2）E2十十（3）E3十十 E-入射光电场强度 （1）-物质的线性极化率 （2）和和（3）-物质的二阶和三阶非线性极化率二阶或三阶非线性光学材料二阶或三阶非线性光学材料（2）功能 变频、增幅、开关、记忆等元件功能（3）结构特点（有机材料）二阶二阶：具有A-D结构 三阶三阶：具有容易移动的非定域电子体系A：拉电子基，：拉电子基，D：供电子基：供电子基：共轭结构共轭结构 4-5-4光泽：光泽：取决于材料的表面反射状态
12、4-5-5发光发光 luminescence 荧光荧光(fluorescence)：延迟发射 10-8 s 磷光磷光(phosphorescence)：延迟发射 10-2 s 10s含有杂质和缺陷 价带与导带重叠没有能隙，发射光波长长于可见光 价带与导带间有能隙为Eg 激光激光(laser)-材料发光性能的重要应用 必要条件必要条件 维持连续不断连续不断的受激辐射，粒子数反转粒子数反转：高能级的原子数大于低能级的原子数高能级的原子数大于低能级的原子数红宝石激光器中的Cr的能级 平衡态平衡态时各能级的粒子数n1n2n3 波长为5500埃的黄绿光照黄绿光照射射 后 n2n1 Al2O3+CrFIG
13、URE 19.124-5-6 光敏性（物理）光敏性（物理）(photo sensitivity)在光的作用下，材料的某些性能发生可逆变化的性质 光敏物质 智能材料 光致变色器 光力学现象光敏凝胶高聚物 4-5-7 光纤光纤 OPTICAL FIBERS IN COMMUNICATIONS Guide these light pulses over long distances without significant signal power loss(i.e.,attenuation)and pulse distortion.Fiber components are the core,clad
14、ding,and coating;The signal passes through the core,whereas the surrounding cladding constrains the light rays to travel within the core;the outer coating protects core and cladding Any light rays traveling at oblique angles to the fiber axisare reflected back into the core.Internal reflection is accomplished by varying the index of refraction of the core and cladding glass materials.Step index graded indexFigure 19Figure 20
