无机材料光学性能.ppt

第四章 无机材料光学性能,介质与光的相互作用,无机材料与光的相互作用,无机材料在光学中的应用,无机材料的透光性,荧光与磷光,无机材料的颜色,非线性光学材料,折射与色散,光学纤维材料,无机材料的发光,激光,反射,吸收,散射,光学基本知识,前言,材料的光学性能给予了极大的关注，光在高科技中的地位正在不断提高 光集成器件和光子计算机都是人们追求的对象不同的领域对光学性能有不同要求金和银对红外线的反射能力最强，所以常被用来作为红外辐射腔的镀层半导体锗和硅对可见光不透明，却对红外线透明，故被用来制造红外透镜,对光的认识也随科技的发展不断进步牛顿 光的粒子性惠更斯 光的波动性 麦克斯韦 光的波粒二重性普朗克 光的量子学说爱因斯坦 光量子粒子性和波动性狄拉克 电磁场的量子化结合波动与量子,1 光学基础,光学是研究光的传播以及它和物质相互作用问题的学科。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。,从微观上分析，光子与固体材料相互作用，实际上是光子与固体材料中的原子、离子、电子之间的相互作用，出现的二种重要结果是：电子极化：电磁辐射的电场分量，在可见光频率范围内，电场分量与传播过程中的每个原子都发生作用，引起电子极化，即造成电子云和原子核电荷重心发生相对位移，其结果：当光线通过介质时，一部分能量被吸收，同时光波速度被减小，导致折射产生 电子能态转变:光子被吸收和发射，都可能涉及到固体材料中电子能态的转变,原子发光的机理,当电子在某一个固定的允许轨道上运动时，并不辐射能量。但电子从一个能量较大的状态跳跃（跃迁）到另一个能量较小的状态时，其“多余”的能量就以光子的形式辐射出来；反之，若是从一个能量较小的状态跃迁到一个较大的状态时，它就吸收光子。,跃迁的电子辐射出的光子的能量为两个能级之间的能量只差，即：,其中，h 为普郎克常量；为光子的频率。,可见光与色视觉,并不是所有的跃迁发出的光子人眼都能“看”得到。因为光子是以电磁波的形式辐射出来的，其频率范围很宽。,实际上，各种颜色的光之间并没有明显的界线，而是连续变化的。,研究表明,任何一种颜色的光，都可以由红（R）、绿（G）、蓝（B）三色（基色）混合而成(三原色原理)。即：把这三种光以不同的比例叠加在一起，就可以得到所需的色光。,那么，人的眼睛是怎么分辨这些不同的颜色的呢？,光的本质和特性,光是电磁波中的可见光部分光具有波粒二象性光在匀质物体中沿直线传播，其振动方向与传播方向垂直，在空气中光的传播速度约为30万公里每秒光波的两个相邻波峰或波谷间的距离为波长，其单位是纳米(1m=103mm=106um=109nm=1010埃)可见光波长范围从390nm的紫色光到770nm的红色光,光具有波粒二象性,光的反射与折射(微粒性),反射,折射,可见光的性质,1、光的直线传播特性粒子性,光在同一种物质中传播时，具有以同一速度沿直线传播的特性，所以光在进入不同物质时有反射、折射（简单的说，是因为在不同物质中传播时的速度不同引起的）等现象。,世界上的物质大多数自己是不发光的，正是因为光有反射的特性，我们才能看到五彩缤纷的世界。我们看到的物体的颜色，其实是有颜色的物体，在光线照射到上面后，吸收了其他颜色的可见光，只把与其颜色一致的光反射或折射回来所至。,比如，我们看到的彩虹为什么是七彩的？就是因为在雨后，空气中的水蒸汽对太阳发出的光产生折射。在折射时，各种不同波长，不同颜色的光产生的折射角也各不相同，所以产生了彩色的彩虹。,2、光的波动特性,光的波动特性揭示了光的另一个本质。它的证明就是波动所特有的衍射和干涉现象。,比如：,当光线通过很细的狭缝时，它能够扩散到远比狭缝宽的多的空间，或者说，能够传播到狭缝的“阴影”里衍射。,光的干涉是指两列满足干涉条件的光，在同一区域相遇时产生叠加后，有的地方波动被加强，有的地方被削弱（或抵消）的现象。它需要用专门的仪器才能很明清楚的看到，但波的干涉可以用水波来演示。,对可见光来说，干涉加强的地方就出现明亮的光（或条纹等），被削弱的地方就是黑暗的（因为光线被抵消，强度为零）。,由于产生光加强或削弱的条件是光经过的路程与折射率乘积（光程）的变化量为光波长二分之一（10-9 m）的整倍数关系，所以根据这一原理制成的仪器的灵敏度很高，可以用来测量很微小的形变。,而且，由于光具有波动性，所以还有另外一个奇妙的效应光的偏振。,根据光的偏振原理，可以制成一种光学元件偏振片。它的应用可以产生一些看起来很“神奇”的效用。比如：立体电影，光学摄影，视力保护镜等。,不可见光的性质,对不可见光，也有很多有用的应用。比如红外线、紫外线、X射线和，就是常用的几种不可见“光”。,红外线的波长在 600 m 到 0.76 m 之间，它最显著的应用是它的热效应（热波）。它的应用常见的有加热（红外烘干，红外取暖，红外医疗）；测量（红外遥感红外热象仪）；材料（红外敏感材料硫化铅，锑化铟）等。,紫外线的波长在 400 nm 到 5 nm 之间，能引起化学反应和荧光效应。它的应用常见的有医学（紫外杀菌），农业（紫外诱杀害虫），光源（荧光灯）等。,X射线（也称伦琴射线）的波长在 5nm 到 0.04 nm 之间，其能量很大具有很强的穿透能力。它的应用常见的有医疗透视；工程探伤；晶体结构分析等。,射线的波长在0.04nm 以下，它的能量和穿透能力比X射线还要大。通常用它来进行放射性实验，产生高能粒子；进行天体研究；医学手术等。,2 光通过介质的现象,光投射到物体上时，大致分配在几个方面反射（R）、透射（T）、吸收（A）、散射（）总光辐射能流率0为：0 R T A 即,几何光学基本定律,1）光的直线传播(rectilinear propagation)定律:,光在均匀媒质中沿直线传播。,现象：,(1)投影(shadow);,(2)针孔成像(pinhole imaging),光学基础,2）光的折射(refraction)定律,两种媒质n1和n2，入射光线从媒质1射到分界面上。,入射面：由入射光线与法线构成的平面,定律：1）反射线和折射线 在入射面内 2）（Snells law）；,几何光学基本定律,光学基础,折射定律的讨论：,光密媒质（denser medium）-折射率大的媒质；,光疏媒质（rarer medium）-折射率小的媒质；,定义：,（1）光从光疏进入光密时：,由,光学基础,(2)光从光密进入光疏时：,n1,n2,i1,i2,时,-临界角（critical angle）,当i1 临界角ic时，,发生全内反射（total internal reflection）,光学基础,影响折射率的因素,a.离子半径 r大，大，n大(介电常数与介质的极化有关）b.结构 各向同性材料，n只有一个 各向异性材料，具双折射c.内应力 垂直受拉主应力的方向n大，平行此方向的n小d.同质异构体 高温晶型n小，低温晶型n大,1 光性均质体（光学性质各个方向相同）光波在均质体中传播时，无论在任何方向振 动，传播速度与折射率值不变。光波入射均质体发生单折射现象，不发生双折 射也不改变入射光的振动性质。入射光为自然 光，折射光仍为自然光。入射光为单偏光，折 射光仍为单偏光。,2 光性非均质体（光学性质随方向而异）光波在非均质体中传播时，传播速度和折射 率值随振动方向的不同而发生改变。光波入射非均质体，除特殊方向以外，会改 变其振动特点，分解成为振动方向互相垂 直，传播速度不同，折射率不等的两条偏振 光，这种现象就称为双折射。,o,e,冰洲石,两条偏光折射率值之差，称为双折射率。这两条偏光之一振动方向垂直光轴，称为常光（o），另一偏光的振动方向垂直常光的振动方向称为非常光（e）.光在非均质体中某一个或两个特殊方向传播时,不发生双折射,这种特殊的方向,就称为光轴。,中级晶族有一个这样的特殊方向，称为一轴晶。低级晶有两个这样的特殊方向，称为二轴晶。光波在非均质体中传播时，决定传播速度及相应折射率值大小的是光波在晶体中的振动方向而不是传播方向。,(3)全反射的应用全反射棱镜和光纤（optical fiber）,光学基础,光学纤维材料,全反射 光从光密介质进入光疏介质，入射角大于某一临介值，则光线全部折回原来的介质。光学纤维的结构,主要成份：二氧化硅,(2)光纤光缆与普通电缆比较,色散,材料的折射率与入射波波长有关随波长减少，折射率下降的现象称色散。光学玻璃的色散用色散系数表征：nD 钠的D谱线nF 氢的F谱线nC 氢的C谱线,几何光学基本定律,4）光的反射(reflection)定律,定律：光在遇到物体时会反射,反射角等于入射角.,光学基础,应用举例:镜子、潜望镜,反射定律的讨论：,反射角只决定于入射角，与波长及媒质无关 反射面可以是任意形状，光滑或粗糙；反射的应用-反射棱镜；,角锥棱镜(Corner prism):,反向作用,光学基础,介质对光的吸收,1.物质对光的吸收机理：是一种能量损失2.吸收的一般规律：朗伯特定律3.吸收系数 金属 无机材料吸收与波长的关系4.选择性吸收和均匀吸收,介质对光的散射,原因散射规律影响散射的因素 折射率 入射波波长 散射粒子的大小,3无机材料的透光性透明和不透明,光通过介质的能量损失,讨论：影响材料透光性的因素,1.吸收系数2.反射系数3.散射系数,散射系数（1）材料的宏观及微观缺陷（2）晶粒排列方向的影响（3）气孔引起的散射损失,（1）材料的宏观及微观缺陷,材料中的夹杂物、掺杂、晶界等对光的折射性能与主晶相不同，因而在不均匀界面上形成相对折射率。此值越大则发射系数（在界面上的，不是指材料表面的）越大，散射因子也越大，因而散射系数变大。,（2）晶粒排列方向的影响,见书上P187的例子,（3）气孔引起的散射损失,P188例子,早期就是采用这样的办法得到透明的氧化铝陶瓷，后来陆续研究出如烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆等多种氧化物系列透明陶瓷。近期又研制出非氧化物透明陶瓷，如砷化镓(GaAs)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、氟化镁(MgF2)、氟化钙(CaF2)等。,这些透明陶瓷不仅有优异的光学性能，而且耐高温，一般它们的熔点都在2000以上。如氧化钍-氧化钇透明陶瓷的熔点高达3100，比普通硼酸盐玻璃高1500。透明陶瓷的重要用途是制造高压钠灯，它的发光效率比高压汞灯提高一倍，使用寿命达2万小时，是使用寿命最长的高效电光源。高压钠灯的工作温度高达1200，压力大、腐蚀性强，选用氧化铝透明陶瓷为材料成功地制造出高压钠灯。透明陶瓷的透明度、强度、硬度都高于普通玻璃，它们耐磨损、耐划伤，用透明陶瓷可以制造防弹汽车的窗、坦克的观察窗、轰炸机的轰炸瞄准器和高级防护眼镜等。,讨论,1.哪些材料透明，哪些不透明?2.多晶材料可以是透明的吗？3.如何使透明的玻璃体变得不透明?4.如何使玻璃或不透明的多晶多相材料半透明？5.如何提高无机材料透光性,4 光通过实际介质时的现象,实际材料的表面光洁度并非十分光滑，光线通过时，因入射角参差不一而在粗糙表面发生相当程度的漫反射和漫透射。,镜面反射：表面光洁度高，反射光线具有明确的方向性。漫反射：表面粗糙，入射光在局部地方的入射角参差不一，反射光方向各式各样，反射的能量分散在各方向上。（不透明及半透明的陶瓷）镜面反射的应用：雕花玻璃、宝石、玻璃纤维光导管,光泽,表面是否光泽与以下因素密切相关：反射影像的清晰度和完整性即镜反射光带的宽度和他的强度。这些因素由折射率和表面光洁度决定。要获得高的表面光洁度采用铅基的釉或搪瓷组分，烧到足够高的温度，使釉铺展而形成完整的光滑表面。要获得小的表面光洁度可以采用低折射率玻璃相或增加表面粗糙度，如研磨或喷砂、表面化学腐蚀、沉积一层细粒材料的方法产生粗糙表面。,不透明无机材料乳浊釉光通过实际介质时的现象乳浊釉半透明性乳白玻璃等,不透明性和半透明性,不透明性（乳浊釉）用于 覆盖陶瓷坯体（气孔，色泽不均匀，颜色较 深，缺乏光泽）覆盖搪瓷底层的铁皮 使光源射出的光线柔和,要获得高度乳浊（半透明）要求光在到达具有不同光学特性的底层之前被漫反射掉。乳浊剂 加入的乳浊剂必须与釉和搪瓷的主要成分的折射率显著不同，能够在硅酸盐玻璃基体中形成小颗粒。,常用的乳浊剂,含锌化合物，溶解温度高，烧成温度比较窄。TiO2折射率比较高，且能够成核并结晶成非常细的颗粒。但在高温下，在还原气氛下，会出现显色。因此只能用在搪瓷（9731073）CeO也是良好的乳浊剂，但是稀有而昂贵SnO2也是良好的乳浊剂，烧成如遇到还原气氛，则还原成SnO而溶于釉中，乳浊效果消失。锆化合物，乳浊效果稳定，不受气氛影响。同样也是成本较高。直接利用天然锆英石（ZrSiO4），成本较低,5 无机材料的颜色和发光,一、光和颜色光的三基色：红、蓝、绿颜料的三基色：红、黄、蓝光的相加、相减,二、颜色的起因物质对光的选择吸收物质发射的波长不同的电磁波光在物质中的传播（反射、透射、偏转、散射）,三、发色的化学机理1.过渡金属原子的能级在配位场中的变化 Cr2O3和Al2O3:Cr3+2.电荷转移效应 同种元素间电荷转移：Fe3O4 异种元素间电荷转移：蓝宝石3.电子在固体能带间跃迁 金属 半导体 绝缘体,无机材料呈色的原因：材料对光的选择性吸收，引起的选择性反射或选择性透过的结果。无机着色剂 分子着色剂 单个离子：Co2、Cu2、Cr3、U6 复合离子：CrO42、MnO4 胶体着色剂：金胶体,讨论：如何在高温下保持釉料的颜色？,本章小结,1.光通过无机介质材料时发生的现象2.影响无机材料透光性的因素及如何提高无机材料的透光性。3.半透明的机理4.无机材料的着色机理,