第五章材料的光学性能PPT推荐.ppt
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光在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率光从材料1,通过界面传入材料2时,与界面法向所形成的入射角i,折射角r与两种材料的折射率n1和n2有下述关系材料的折射率材料的折射率反映了光在该材料中的传播速度光密介质:
在折射率大的介质中,光的传播速度慢光疏介质:
在折射率小的介质中,光的传播速度快介质的n总是大于1的正数如,空气n=1.0003;
固体氧化物n=1.32.7;
硅酸盐玻璃n=1.51.9折射率与两种介质的性质介质的性质和入射光的波长入射光的波长有关波长越长,折射率越小材料的折射率从本质上讲,反映了材料的电磁结构(对非铁磁介质主要是电结构)在光波作用下的极化性质或介电特性折射率的影响因素-1构成材料元素的离子半径Maxwell电磁波理论认为光在介质中的传播速度c:
真空中光速;
:
介质介电常数;
介质磁导率对于无机材料电介质,1本质:
材料的电磁结构在光波电磁场作用下的极化性质或介电特性材料的极化介质的极化“拖住”了电磁波的步伐,使其传播速度变得比真空中慢材料的极化性质与构成材料的原子的原子量、电子分布情况、化学性质等微观因素有关这些微观因素通过宏观量介电常数影响光在材料中的传播速度当离子半径增大时,其增大,因而n也增大可以用大离子物质得到高n的材料,如nPbS=3.912,用小离子物质得到低n的材料,如nSiCl4=1.412折射率的影响因素-2材料的结构、晶型和非晶态对非晶态和立方晶体等各向同性材料,当光通过时,光速不因传播方向改变而变化,材料只有一个折射率,称为均质介质均质介质除立方晶体以外的其他晶型,都是非均质介质非均质介质光进入非均质介质非均质介质时分为振动方向相互垂直、传播速度不等的两个波,它们分别构成两条折射光线,这个现象称为双折射双折射是非均质晶体的特性,这类晶体的所有光学性能都和双折射有关方解石(CaCO3,六方晶系)双折射现象两种折射率平行于入射面的光线的折射率,称为常光折射率常光折射率n0不论入射光的入射角如何变化,n0始终为一常数,因而常光折射率严格服从折射定律另一条与之垂直的光线所构成的折射率,则随入射线方向的改变而变化,称为非常光折射率非常光折射率ne不遵守折射定律,随入射光的方向而变化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,此值是材料的特性沿晶体密堆积程度较大的方向ne较大当光在晶体内沿某个方向传播时不发生双折射,该方向称为晶体的光轴光轴单轴晶体:
只有一个光轴的晶体,如方解石、石英、红宝石、冰等;
双轴晶体:
有两个光轴的晶体,如云毋、结晶硫磺、蓝宝石、橄榄石等光轴氯化钠属于立方晶系的晶体,各向同性,不产生双折射光轴仅标志一定的方向,并不限于某一特殊的直线光轴方向上,o光和e光的传播速度相同方解石光轴平行六面体:
每个面都是钝角102o和锐角78o的平行四边形A、B顶点:
钝隅光轴方向:
从一个钝隅所作的等分角线方向(即与钝隅的三条棱成相等角度的那个方向)nn11nn22iiiiooiiee(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光oo光光ee光光惠更斯:
在各向异性的晶体中,子波源会同时发出o光、e光两种子波o光的子波:
各方向传播的速度相同为v0,点波源波面为球面,振动方向始终垂直其主平面e光的子波,各方向传播的速度不同在平行光轴方向上的速度与o光的速度相同,为v0;
在垂直光轴方向上的速度与o光的速度相差最大,记为ve,其相应的折射率为nevot光轴光轴O光光光轴光轴vetvote光光正晶体、负晶体正晶体正晶体:
neno负晶体负晶体:
neve)负负晶晶体体(vove)子波源子波源折射率的影响因素-3材料所受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小同质异构体在同质异构材料中,高温时的晶型折射率n较低,低温时存在的晶型折射率n较高石英玻璃n=1.46;
石英晶体n=1.55高温时,鳞石英n=1.47;
方石英n=1.49普通钠钙硅酸盐玻璃n=1.51光子晶体?
负折射率?
光子晶体晶体内部:
原子周期性排列周期势场运动的电子受到周期势场的布拉格散射,从而形成能带结构带隙控制电子的运动光子晶体:
光的折射率指数的周期性变化光带隙结构控制光在光子晶体中的运动负折射率超材料(Negativeindexmetamaterials)反射系数、透射系数折射和反射可多次连续发生W、W、W:
入射光、反射光、折射光在单位时间内通过单位面积的能量流当入射角和折射角都很小时其中m:
反射系数;
1-m:
透射系数n1、n2相差很大:
反射多n1n2:
几乎没有反射损失介质1介质1介质2入射光1次反射光2次反射光1次透射光2次透射光振幅振幅传播速度传播速度横截面积横截面积假如:
一块玻璃,n=1.5,m=0.04,则透过玻璃的光能为多少?
若连续透过x块平板玻璃,则透过玻璃的光能为多少?
实际应用玻璃、陶瓷等材料折射率大:
反射显著若透镜系统由多块玻璃组成,如何降低反射率?
5.1.5光的吸收吸收的一般规律光强为I0的单色平行光束沿x轴方向通过均匀物质,在经过一段距离x后光强已减弱到I,再通过一无限薄层dx后光强变为I+dI(dI0)。
实验表明,在相当宽的光强度范围内,-dI相当精确地正比于I和dxv:
吸收系数(absorptioncoefficient),单位为cm-1,取决于材料的性质和光的波长,与光强无关Lambert-Beer定律光吸收与波长的关系可见光区:
金属和半导体的吸收紫外光区:
光子能量达到禁带宽度,电子就会吸收光子能量从满带跃迁到导带红外光区:
离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量要使谐振点波长尽可能远离可见光区,即吸收峰的频率尽可能小,则需选择较小的材料热振频率Mc和Ma:
阳离子和阴离子质量:
与力有关的常数,由离子间结合力决定均匀吸收和选择吸收除了真空,没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的均匀吸收在可见光范围对各种波长的吸收程度相同普通玻璃对可见光是透明的,但是对红外线、紫外线都有强烈的吸收,是不透明的石英对所有可见光几乎都透明的,在紫外波段也有很好的透光性能,且吸收系数不变选择吸收对某一波长吸收系数大在3.55.0m的红外光,石英表现为强烈吸收红外吸收光谱研究离子间的弹性振动紫外吸收光谱研究半导体的禁带宽度紫外可见光谱禁带宽度作(ah)1/2或(ah)2-h(eV)曲线,取线性部分的切线与x轴的交点从吸收峰起峰处算起,1240除以起峰波长(近似)5.1.6光的散射光的散射光波遇到不均匀结构产生的次级波,与主波方向不一致,与主波合成出现干涉现象,使光偏离原来的方向,从而引起散射对于相分布均匀的材料,由于散射而引起强度减弱的规律与吸收规律具有相同的形式S:
散射系数,与散射质点的大小、数量以及散射质点与基体的相对折射率等因素有关当光的波长约等于散射质点的直径时,出现散射的峰值当d时,则随着d的增加,S反而减小,当d=时,S达最大值散射系数:
可以认为散射系数正比于散射质点的投影面积N:
单位体积内的散射质点数;
R:
散射质点的平均半径;
K:
散射因素,取决于基体与质点的相对折射率假设散射介质为球体,且d0注意:
在可见光区域内色散是正常色散曲线实质:
反映在更宽波长范围内的色散关系正常色散非正常色散色散的定量色散色散系数(Abbenumber)式中nD、nF和nC分别为以钠的谱线、氢的F谱线和C谱线(589.3nm,486.1nm和656.3nm)为光源,测得的折射率通常采用固定波长下的折射率来表达经典色散理论阻尼受迫振子模型介质原子的电结构:
正负电荷之间由一根无形的弹簧束缚在一起的弹性振子在光波电磁场的作用下作受迫振动,振动的相位与振子的固有频率和光波频率有关,受迫振动的振子作为次波源向外发射散射波由于固体和液体中的这种散射中心密度很高,振子散射波的相互干涉,使得次波只沿原来入射光波方向前进次波和入射波叠加,使得合成波在介质中的传播速度与入射光波的频率有关,导致介质对不同频率的光有着不同的折射率材料的透光性反射损失:
经过吸收损失和散射损失:
经过反射损失:
透射光强5.2激光和发光材料材料的发光特征发光强度特征强度:
发射光的能量客观数值亮度:
人眼的感觉主观判断(色差)发光效率量子效率:
发光的量子数与激发源输入的量子数的比值能量效率(功率效率):
发光的能量与激发源输入的能量的比值流明效率(光度效率):
发光的流明数与激发源输入的能量的比值(lm/W)光通量:
光源在单位时间内向周围空间辐射的能引起视觉反应能量,即可见光的能量,描述的是光源的有效辐射值,其国际单位是lm(流明)光源光源光通量(光通量(lm)光发射二极管光发射二极管0.01白炽灯,白炽灯,60W730白炽灯,白炽灯,100W1380荧光灯管荧光灯管2300水银灯,水银灯,60W5400水银灯,水银灯,100W125000发光持续时间特征余辉(余辉时间)当激发停止时,其发光亮度L衰减到初始亮度L0的10%时所经历的时间磷光:
人眼能够感觉到余辉的长发光期间者荧光:
人眼感觉不到余辉的短发光期间者余辉时间极短余辉:
余辉时间1s的发光发光材料分类按激发方式分光致发光材料电致发光材料射线致发光材料热致发光材料等离子发光材料光致发光(Photoluminescence)吸收光谱光的吸收系数随波长或频率的变化关系曲线激发光谱表示用不同波长的光激发材料时,使材料发出某一波长光的效率发光过程基质晶格或激活剂(或称发光中心)吸收激发能基质晶格将吸收的激发能传递给激活剂被激活的激活剂发出一定波长的光而返回基态,同时伴随有部分非发光跃迁,能量以热的形式散发A:
激活剂S:
敏化剂(能强烈地吸收激发能,然后将能量传递给激活剂)
(1)导带电子与俘获的空穴复合
(2)俘获的电子与价带的空穴复合(3)激发能传给孤立中心,发光跃迁在分立的中心内部(4)导带中的电子直接与价带中的空穴复合(5)俘获的电子与
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