4-5 材料的光学性能 optical properties of materials

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1 4-5 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 emission of electromagnetic radiation in materials transparency ,translucency and opacity of materials index of refraction and its application luminescence, photoconductivity,and light amplification (lasers)

2 4-5 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 Interactions of electromagnetic radiation and atoms 1、光和物质的相互作用——取决于物质电磁性质的 基本参数。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实现的 3、光子能量 energy E of a photon E＝hc／λ＝hν electron transitions and electronic polarization

3 FIGURE 19.2

4 4、固体材料的光学性质，取决于电磁辐射与材料表
面、近表面以及材料内部的电子、原子、缺陷之间 的相互作用

5 4-5-2 吸收、反射和透射

6 I＝I0e－αx 1、光的吸收( photon absorption) （1）光吸收的一般规律朗伯特定律
Absorbed intensity ---吸收系数 Absorption coefficient 空气: ≈10-5cm-1 玻璃: ＝10-2cm-1 金属: 则达几万到 几十万

7 λ = hc/Eg （2）光吸收与光波长radiation absorption and wave length
在电磁波谱的可见光区：金属和半导体的吸收系数很大； 电介质材料吸收系数小。 在紫外吸收端：禁带宽度大的材料，紫外吸收端的波长较小 在红外区：离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致 选择吸收 均匀吸收 λ = hc/Eg

8 n21=sini/sinr 2、光的反射(reflection) 镜反射、漫反射 吸收----发射 折射
(refraction index) n21=sini/sinr : m :反射系数 R:反射率 （1-m）：透射系数

9 FIGURE 19.4

10 FIGURE 19.5

11 Figure19.6.

12 I＝I0e－αx 3、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) 三者之和为1 I＝I0e－αx R=(n-1)2/(n+1)2

13 FIGURE 19.8

14 4、折射指数 Refraction Index 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、介电常数、磁导率等）和波长相关

15 表4-5-2 各种材料在室温对可见光的折射率 物质 n（折射率） 空气 Al2O3 CaF2 Cl2（气体） Cl2（液体） 金刚石
H2O（水） H2O（冰） 聚四氟乙烯 醋酸纤维素 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 1.43 1.385 2.417 1.33 1.30 1.35 1.49 1.51 1.59 玻璃（重燧石） 玻璃（锌牌） KCl KF NaCl 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 1.65 1.52 1.36 1.54 1.47 1.87 1.55

16 例题 19.21 The transmissivity T of a transparent material 20 mm thick to normally incident light is If the index of refraction of this material is 1.6, compute the thickness of material that will yield a transmissivity of All reflection losses should be considered. Solution

17 5、金属材料的光学性质 （1）各种入射辐射被吸收 金属导带中已填充的能级上方有许多空的电子能态——频率分布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，是由吸收再反射综合造成的 反射率具有频率依赖性 对于红外辐射则透明

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19 6、无机非金属材料的光学性质 （1）对红外线有一定程度的吸收 （2）吸收可见辐射，且不透明（半导体） （3）绝缘体倾向于对可见辐射透明 Eg大 （4）漫透射——由多次内反射造成 （5）加工过程中留下孔洞而不透明 1% 陶瓷

20 结晶聚合物通常是半透明(translucent)或不透明(opaque)的
7、高分子材料的光学性质 聚合物多数无色,包括高透明(transparent)到不透明。透明度的损失起源于材料内部折射指数(refraction index)不均匀性产生的光散射 聚合物透明带色，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 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

21 4-5-3 旋光性及非线性光学性(nonlinear optical performance)
1、旋光性 不对称碳原子——手性分子 2、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---分子永久偶极矩； ---为局域电场强度； ---分子线性极化率； 和---二阶和三阶分子超极化率

22 P=（1）E十（2）E2十（3）E3十···
宏观物质，极化强度 P=（1）E十（2）E2十（3）E3十··· E----入射光电场强度 （1）----物质的线性极化率 （2）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 （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：具有A-π-D结构 三阶：具有容易移动的非定域电子体系 A：拉电子基，D：供电子基：共轭结构

23 荧光(fluorescence)：延迟发射 10-8 s
4-5-4光泽：取决于材料的表面反射状态 4-5-5发光 luminescence 荧光(fluorescence)：延迟发射 10-8 s 磷光(phosphorescence)：延迟发射 10-2 s ~ 10s 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 含有杂质和缺陷

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25 激光(laser)------材料发光性能的重要应用
必要条件 维持连续不断的受激辐射， 粒子数反转：高能级的原子数大于低能级的原子数 平衡态时各能级的粒子数n1>n2>n3 波长为5500埃的黄绿光照射 后 n2>n1 Al2O3 + Cr 红宝石激光器中的Cr的能级

26 FIGURE 19.12

27 4-5-6 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

28 4-5-7 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, cladding, 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 index

29 Figure 19 Figure 20