第四章材料的光学性能(共34张)课件.pptx
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1、第四章材料的光学性能,第四章材料的光学性能,4.1 光和固体的相互作用,1.光的波粒二象性 1)光电效应方程 2)光学涉及材料对电磁辐射作用的响应。射线 原子核结构改变;红外辐射,微波,无线电波-原子振动或晶格结构的改变;X射线,紫外线,可见光谱-原子结构改变,4.1 光和固体的相互作用1.光的波粒二象性,第四章材料的光学性能(共34张)课件,4.1 光和固体的相互作用,3)光的速度 真空中:在介质中传播:,C:3 10-8m/s,:真空介电常数,:真空磁 导率,透射,反射,折射:光的粒子性介质中传播、衍射:光的波动性,4.1 光和固体的相互作用 3)光的速度C:,4.1 光和固体的相互作用,
2、2.光通过固体的现象 1)宏观:光从一种介质进入另一种介质中,一部分透过介质,一部分被吸收,一部分在两种介质的界面上反射,一部分被散射。,光入射到材料表面的光辐射能量流率,单位:W/m2 或 J/m2s 表示单位时间内通过单位面积的能量,透射系数,吸收系数,反射系数,散射系数,4.1 光和固体的相互作用2.光通过固体的现象光入射到材料,4.1 光和固体的相互作用,4.1 光和固体的相互作用,4.1 光和固体的相互作用,2)微观:光与固体中的原子、离子、电子之间的相互作用。a)电子极化:光中电场分量与传播过程中的每一个原子都发生作用,引起电子极化。折射的本质:一部分能量被吸收,同时光波速度减小,
3、导致折射。b)电子能态的改变: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。,4.1 光和固体的相互作用 2)微观:光与固体中的原,4.1 光和固体的相互作用,3.材料的折射率及其影响因素,概念 折射:光遇到一种折射率不同的介质,传播速度与波长发生变化,而且光的传播方向也发生变化。折射率:光在真空和介质中的速度之比相对折射率:,n1,原因:光与原子作用导致电子极 化,使光速变慢。,4.1 光和固体的相互作用3.材料的折射率及其影响因素概念,4.1 光和固体的相互作用,一些透明材料的折射率,4.1 光和固体的相互作用 一些透明材料的折射率,4.1 光和固体的相互作用,2)材料折射率的影
4、响因素 a)材料元素的离子半径:,由于在无机材料这样的电介质中,=1,l,材料的折射率随介电常数增大而增大离子半径增大时,其增大,因而n也随之增大,4.1 光和固体的相互作用2)材料折射率的影响因素 由于在,4.1 光和固体的相互作用,2)材料折射率的影响因素 b)材料的结构、晶型:非晶态和立方晶体结构:一个折射率(均质介质)其它晶型:两个折射率-寻常光折射率n0和不寻常光折射率ne(非均质)当光沿晶体光轴方向入射时,只有n0存在,与光轴方向垂直入射时,ne达最大值,此值是为材料特性。石英的n0=1.543,n e=1.552;方解石的n0=1.658,ne=1.486;刚玉的n0=1.760
5、,ne=1.768。沿着晶体密堆积程度较大的方向ne较大。C)材料的内应力:有内应力的透明材料,垂直于受拉主应力方向的n大,平行 于受拉主应力方向的n小。因此产生双折射。测定材料中内应力的大小,可采用测定双折射的光程差的大小。d)同质异构体:高温时n小,低温时n大。,4.1 光和固体的相互作用2)材料折射率的影响因素,4.1 光和固体的相互作用,例:一束在钠钙玻璃中传播的光线到达了玻璃-空气界面:试推导用于表达折射角与入射角之间的函数关系的表达式;这个关系式是否用于所有的入射角?,4.1 光和固体的相互作用例:一束在钠钙玻璃中传播的光线到达,4.1 光和固体的相互作用,3)色散 a)定义:材料
6、的折射率随入射光的频率的减小(或波长的增加)而减小的性质,称为折射率的色散。在给定入射光波长的情况下,材料的色散为:色散=dn/d b)表示:色散系数d,也叫阿贝数,这是最常用的数值。nD:是指用钠光谱中的D线(D=589.3nm,黄色)为光源测出的折射率。nF:是指用氢光谱中的F线(F=486.1nm,蓝色)为光源测出的折射率。nC:是指用氢光谱中的C线(C=656.3nm,红色)为光源测出的折射率。,4.1 光和固体的相互作用3)色散,4.1 光和固体的相互作用,3)色散 c)原理:频率不同导致介质极化强度不同;极化强度不同导致折射率不同。d)应用:用不同牌号的光学玻璃,分别磨成凸透镜和凹
7、透镜组成复合镜头,可以消除色差,这叫做消色差镜头。注:折射率的大小与入射光波长有关。材料的折射率n 随入射光波长的降低而减小,所以,谈材料的折射率时必须指出所用的光的波长。一般常用nD来比较不同材料的折射率。,4.1 光和固体的相互作用3)色散,X射线,紫外线,可见光谱-原子结构改变真空中:其它晶型:两个折射率-寻常光折射率n0和不寻常光折射率ne(非均质)射线 原子核结构改变;1)荧光和磷光:当光照射到半导体材料时,材料吸收光子的能量,使非传导态电子变为传导态电子,引起载流子浓度增大,因而导致材料电导率增大。1 光和固体的相互作用为了减小反射损失:a)通过介质表面镀增透膜;1 光和固体的相互
8、作用对于第二种机制:吸收光子的能量把电子从填满的价带激发到导带的空能级上,导带中出一个电子,而在价带留下一个空穴。n1,原因:光与原子作用导致电子极 化,使光速变慢。材料的透射系数及其影响因素介质吸收光的一般规律:a)定义:材料的折射率随入射光的频率的减小(或波长的增加)而减小的性质,称为折射率的色散。在给定入射光波长的情况下,材料的色散为:,4.1 光和固体的相互作用,4.材料的反射系数及其影响因素,当光从二种不同介质通过时,要发生反射和折射。其中反射是电子吸收光子能量,由高能级又返回低能级时发射出的的电磁波。当一束自材料1垂直入射到材料2上的光线,产生反射光线的比例R为反射率:,如果两种材
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