Chap5 纤维的光学和声学性质 狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics(光学)这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。

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1 Chap5 纤维的光学和声学性质 狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics(光学)这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。
而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到 X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。 纺织物理

2 Chap5 纤维的光学和声学性质 概述 ★纤维的光学性质是指纤维对光的吸收、反射、散射、折射和透射的性质。 ★光在纤维中的传递特性。
★纤维的光学性质与其热学性质相关联，吸收转化为振动能和热能。 ★光照会反射、散射和折射而呈发光，与纤维的组成和表现形态有关。 ★纤维的光学各向异性是纤维结构各向异性的最明显的表征。 ★光照会使纤维降解和老化，与纤维分子结构、键振动形式、热扩散性质有关。 ★声波在纤维及其制品中的传播特征，以及声反射、透射和吸收性质。 纺织物理

3 Chap5 纤维的光学和声学性质 重点 ——纤维的折射、散射和反射的基本特征； ——纤维双折射性质与测量； ——纤维的老化及发光现象；
——纤维的红外光谱及其应用。 补充：光导纤维 纺织物理

4 Chap5 纤维的光学和声学性质 中国古代光学 光学实验研究： 墨家——《墨经》 小孔成像、反射镜成像； 沈括——《梦溪笔谈》小孔成像
赵友钦——《革象新书》“赵友钦实验” 大气光象和色散研究： “小儿辩日”、虹、“鸡子石英证含光图” 纺织物理

5 Chap5 纤维的光学和声学性质 光的本性 光的波粒二象性 纺织物理

6 Chap5 纤维的光学和声学性质 纺织物理

7 Chap5 纤维的光学和声学性质 纺织物理

8 Chap5 纤维的光学和声学性质 光的干涉现象是波动独有的特征。 纺织物理

9 Chap5 纤维的光学和声学性质 当光源和感光胶片之间不可能同时有两个和多个光子时，长时间曝光得到的照片仍然和光源很强、曝光时间较短时一样，则光的波动性不是光子之间的相互作用引起的。 纺织物理

10 Chap5 纤维的光学和声学性质 纺织物理 薄膜干涉
1、在薄膜干涉中，前、后表面反射光的路程差由膜的厚度决定，所以薄膜干涉中同一明条纹（暗条纹）应出现在膜的厚度相等的地方．由于光波波长极短，所以微薄膜干涉时，介质膜应足够薄，才能观察到干涉条纹。 2、用手紧压两块玻璃板看到彩色条纹，阳光下的肥皂泡和水面飘浮油膜出现彩色等都是薄膜干涉。 3、薄膜于涉在技术上可以检查镜面和精密部件表面形状；精密光学透镜上的增透膜。 纺织物理

11 Chap5 纤维的光学和声学性质 纺织物理

12 Chap5 纤维的光学和声学性质 纺织物理

13 Chap5 纤维的光学和声学性质 纺织物理

14 Chap5 纤维的光学和声学性质 光的波动性 光的粒子性 纺织物理

15 Chap5 纤维的光学和声学性质 光既表现出波动性，又表现出粒子性，由于微观世界的某些属性与宏观世界不同，而我们的经验仅局限于宏观物体的运动．在生活中找不到一个既具有粒子性、又具有波动性的物理模型帮助我们研究光子的规律。 随着人类认识的范围不断扩大，不可能直接感知的事物出现在我们的眼前，需要我们建立新的模型，提出新的理论来进行研究，对于一种模型，只要能与实验结果一致，它就能在一定范围内表示所研究对象的规律。 纺织物理

16 Chap5 纤维的光学和声学性质 波速等于波长和频率的乘积，这个关系对一切波都是适用的．不同的色光在真空中的传播速度相同，所以波长不同的色光，它们的频率也不同：波长越长，频率越小；波长越短，频率越大．各色光在真空中的频率的范围见下表： 纺织物理

17 Chap5 纤维的光学和声学性质 纺织物理

18 Chap5 纤维的光学和声学性质 光的色散 光的色散是指复色光通过折射（如通过三棱镜）后，在光屏上形成彩色光带的现象（如图）。色散的实质是由各种色光在同一介质中传播的速率不同，或者说是同一种介质对不同色光的折射率不同而引起的。 纺织物理

19 Chap5 纤维的光学和声学性质 纺织物理

20 Chap5 纤维的光学和声学性质 光谱曲线：I(光强）～（)波长（或频率)曲线，可以直观地表示光波强度与波长间的关系。也称为谱线。 谱线所对应的波长范围越窄，则光的单色性越好。 谱线宽度：标志单色性好坏的物理量。 谱线变宽的分类：自然加宽、多普勒加宽、碰撞增宽、外界辐射作用引起的增宽。 纺织物理

21 在整个电磁波谱中，比较重要的是：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、 X射线、γ射线 。
Chap5 纤维的光学和声学性质 在整个电磁波谱中，比较重要的是：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、 X射线、γ射线 。 infrared X-ray UV visible wavelength (nm) microwave radio 105 106 gamma-ray 纺织物理

22 第一节 纤维的反射与折射性质 1．光在同种均匀介质中沿直线传播
Chap5 纤维的光学和声学性质 第一节 纤维的反射与折射性质 1．光在同种均匀介质中沿直线传播 纺织物理

23 光的反射定律 反射光线跟入射光线跟法线在同一平面上，反射光线和入射光线分别位于法线两侧，反射角等于入射角。 α=β
Chap5 纤维的光学和声学性质 光的反射定律 反射光线跟入射光线跟法线在同一平面上，反射光线和入射光线分别位于法线两侧，反射角等于入射角。 α=β (1)平面镜； (2)凹面镜； (3)凸面镜。 纺织物理

24 光的折射 折射定律:折射光线跟入射光线和法线在同一平面里，折射光线跟入射光线分居法线的两侧，入射角的正弦与折射角的正弦之比等于常数。
Chap5 纤维的光学和声学性质 光的折射 折射定律:折射光线跟入射光线和法线在同一平面里，折射光线跟入射光线分居法线的两侧，入射角的正弦与折射角的正弦之比等于常数。 纺织物理

25 Chap5 纤维的光学和声学性质 折射率与光的频率的关系
在同一种介质中频率越高的光折射率越大。故同一介质对紫光折射率最大，对红方折射率最小。 折射率与光速及波长的关系。 光从真空进入介质时，频率不变，速率减小，波长变短。 设光在真空中的波长为，光在介质中的波长为λ，那么 对于不同频率的光波在同一种介质中， 频率较高的光速率较小，波长较短。 纺织物理

26 Chap5 纤维的光学和声学性质 光与透明纤维折射、反射和透射 纺织物理 入射 主反射 次反射 次透射 主透射 介质1 (空气或液体)
介质2 (纤维) 2 1 (a) 层状结构 光与透明纤维折射、反射和透射 纺织物理

27 Chap5 纤维的光学和声学性质 入射 反射1 反射3 折射2 折射1 折射3 反射2 (b)纤维 光与透明纤维的折射、反射和透射 纺织物理

28 Chap5 纤维的光学和声学性质 光与纤维集合体的折射、反射和透射 纺织物理 i r t t2 t3 tr tr2 trt t2r

29 Chap5 纤维的光学和声学性质 入射 反射1 2 3 4 空气 层1 层2 层3 层… 层状结构纤维多层反射与 空气折射示意图 纺织物理

30 Chap5 纤维的光学和声学性质 第二节 纤维的双折射与测量 光矢量 纺织物理

31 Chap5 纤维的光学和声学性质 偏振光 传 向 播 方 面 振 动 面对光的传播方向看 光振动垂直板面 光振动平行板面 纺织物理

32 Chap5 纤维的光学和声学性质 当只有一块偏振片时，以光的传播方向为轴旋转偏振片，透射光的强度不变。
当两块偏振片的透振方向平行时，透射光的强度最大，但是，比通过一块偏振片时要弱。 当两块偏振片的透振方向垂直时，透射光的强度最弱，几乎为零。 纺织物理

33 Chap5 纤维的光学和声学性质 光的偏振现象并不罕见,除了从光源（如太阳、电灯等）直接发出的光以外，我们通常看到的绝大部分光，都是偏振光．自然光射到两种介质的界面上，如果光入射的方向合适，使反射光与折射光之间的夹角恰好是90°，这时，反射光和折射光就都是偏振的，并且偏振方向互相垂直。 纺织物理

34 Chap5 纤维的光学和声学性质 对某些物质来说，当光沿着不同方向传播时，由于在该物质不同方向上光密度不同，而使光的传递速度产生差异，即折射率的数值与光的传播方向有关，这种现象就称为双折射现象，具有双折射现象的物质称为双折射物质。 表征双折射特征的指标为双折射率△n。 △n = nmax─ nmin 式中，nmax和nmin分别表示该物质的最大折射率和最小折射率。 纺织物理

35 Chap5 纤维的光学和声学性质 双折射 e o 方解石 i 自然光 n 1 2 各向异性媒介 o 光 e 纺织物理

36 Chap5 纤维的光学和声学性质 由于纤维是轴对称的各向异性体，故纤维的双折射定义为： △n = n∥─ n⊥
式中，n∥和n⊥分别为光波振动方向平行于纤维轴的平面偏振光传播时的折射率n∥和垂直于纤维轴的平面偏振光传播时的折射率n⊥。 纺织物理

37 Chap5 纤维的光学和声学性质 起偏与检偏 纺织物理

38 Chap5 纤维的光学和声学性质 纤维内平面偏振光的分解与双折射 纺织物理 光入射 平面偏振光 纤维 E⊥ E θ 纤维轴 δ e光V∥
o光V⊥ 滞后δ椭圆偏振 纺织物理

39 Chap5 纤维的光学和声学性质 通过检偏器后的偏振光 纺织物理

40 第三节 纤维对光的吸收及光老化 PBO纤维力学性能的衰减，图中X-氙弧灯；C-碳弧灯；Te-比强度；Ex-断裂伸长率；Mo-模量。
Chap5 纤维的光学和声学性质 第三节 纤维对光的吸收及光老化 PBO纤维力学性能的衰减，图中X-氙弧灯；C-碳弧灯；Te-比强度；Ex-断裂伸长率；Mo-模量。 纺织物理

41 Chap5 纤维的光学和声学性质 光致发光 纤维的光致发光是激发态分子发生跃迁而辐射出特定波长光的现象。纤维被光照时，尤其是被波长较短的紫外光照射时，受激辐射产生可见光，这种现象称为光致发光。 纺织物理

42 Chap5 纤维的光学和声学性质 19世纪末20世纪初，人类叩开了微观世界的大门，物理学家根据有研究提出了关于原子结构的各种模型，卢瑟福的核式结构模型能够很好的解释实验现象，得到了多数人的支持，但是与经典的电磁理论发生了矛盾。 著 名 的  粒 子 散 射 实 验 纺织物理

43 Chap5 纤维的光学和声学性质 事实上，原子是稳定的，辐射电磁波的频率也只是某些确定的值。
按照经典物理学的观点去推断，在轨道上运动的电子带有电荷，运动中要辐射电磁波，电子损失了能量，其轨道半径不断缩小，最终落在原子核上．由于电子轨道的变化是连续的，辐射电磁波的频率也会连续变化。 事实上，原子是稳定的，辐射电磁波的频率也只是某些确定的值。 纺织物理

44 Chap5 纤维的光学和声学性质 纺织物理

45 Chap5 纤维的光学和声学性质 纺织物理

46 Chap5 纤维的光学和声学性质 光子的发射和吸收 原子最低能级所对应的状态叫做基态，比基态能量高的状态叫激发态。
原子从基态向激发态跃迁，电子克服库仑引力做功增大电势能，原子的能量增加要吸收能量。 原子也可以从激发态向基态跃迁，电子所受库仑力做正功减小电势能，原子的能量减少要辐射出能量，这一能量以光子的形式放出。 纺织物理

47 Chap5 纤维的光学和声学性质 纺织物理

48 Chap5 纤维的光学和声学性质 人们早在了解原子内部结构之前就已经观察到了气体光谱，不过那时候无法解释为什么气体光谱只有几条互不相连的特定谱线，玻尔理论很好的解释了氢原子的光谱。 原子从高能级跃迁到低能级时，辐射光子的能量等于前后两个能级之差．由于原子的能级不连续，所以辐射的光子的能量也不连续，从光谱上看，原子辐射光波的频率只有若干分立的值。 纺织物理

49 Chap5 纤维的光学和声学性质 纤维荧光和磷光颜色及延续时间t 纤维名称 荧光颜色 磷光颜色 t(秒) 棉纤维 淡黄色 20 棉（未成熟）
淡蓝色 17 棉（丝光） 淡红色 27.5 丝（脱胶） 23.5 羊毛 无色 12 黄麻 黄色 15 亚麻（生） 紫褐色 5.75 粘胶 白色带紫 10 锦纶 22.5 纺织物理

50 Chap5 纤维的光学和声学性质 第四节 红外光谱与红外二色性 纺织物理

51 Chap5 纤维的光学和声学性质 第五节 纤维的声学性质概述 纺织物理