材料的光学性能
材料的光学性能和折射率
材料的光学性能和折射率材料的光学性能和折射率是指材料对光的传播和改变光的方向的能力。
光学性能和折射率的研究对于理解光的行为和应用于光学器件的设计和制造具有重要意义。
1. 光学性能的定义与测量方法光学性能是指材料对光的吸收、透射、反射和散射等特性。
吸收是指材料完全吸收光的能力，而透射是指光能够通过材料并保持原有的能量和方向。
反射和散射是指光在材料表面或内部发生改变方向的现象。
测量材料的光学性能需要使用一系列的仪器和技术。
例如，通过使用紫外可见近红外光谱仪可以测量材料的吸收和透射光谱，从而了解材料在不同波长范围内的光学性能。
2. 折射率的定义与影响因素折射率是指光线由一种介质进入另一种介质时的相对速度改变，也可以简单理解为光在介质中传播的速度。
折射率是描述光在介质中传播方式改变的重要参数。
折射率受多种因素影响，包括材料的化学成分、物理结构和温度等。
例如，对于晶体材料而言，折射率与晶格结构和晶面取向有关。
而对于玻璃等无定形材料而言，折射率则主要取决于材料中的原子和分子的类型、密度和排列方式。
3. 光学材料的应用光学材料的光学性能和折射率决定了它们的应用范围和效果。
光学材料广泛应用于各种光学器件和系统中，包括透镜、棱镜、光纤、激光器和光学传感器等。
折射率的变化可以被用于设计光学器件，例如通过改变折射率来实现光的聚焦和分离。
另外，折射率的大小还可以影响材料的透明度和色彩，因此在玻璃、镜片等产品制造过程中需要对折射率进行精确控制。
此外，材料的光学性能和折射率还与环境因素密切相关。
例如，湿度和温度的变化都会对材料的折射率和光学性能产生影响。
4. 材料的光学性能与研究领域基于材料的光学性能和折射率研究，人们可以探索不同领域的应用和发现新的物理现象。
例如，光学材料在光学通信、能源相关研究、生物医学和光学计算等领域具有重要作用。
光学通信是利用光传输信息的技术，而光纤作为重要的传输介质，需要具备良好的光学性能和透射特性。
材料的光学性能ppt课件
法向所形成的入射角1 、折射角2与两种
材料的折射率n1和n2之间的关系为：
折射定律： n1sin1= n2sin2
材料2相对于材料1的相对折射率为：
折射率n2 2
1 折射率n1
n21
n2 n1
sin 1 sin 2
v1 v2
分别表示光在材料1和 材料2种的传播速度。
2
s
in
2
(i
r
)
tg2 (i r)
tg
2
(i
r
)
而变化,不服从折射定律。
非常光(e光) 寻常光(o光)
不发生双折射的特殊方 向称为“光轴”，光沿 光轴方向入射时，只有
n0 存 在 ； 与 光 轴 方 向 垂 直 入 射 时 ， ne 达 到 最 大
值。
（3）材料的内应力
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。对于压应力，具有相反的效果。
（4）同质异构体
在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存 在的晶型折射率较高；
相同化学组成的玻璃比晶体的折射率低。
如：室温下， 石英玻璃：n=1.46 石英晶体：n=1.55
二、色散
1. 概念
材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）
而减小的性质，称为折射率的色散。
2. 色散系数
……
光参量
光具有波粒二象性，既有波动性，又有粒子性。
照片底片感光、眼睛的视觉作用等都是由光波电场引起，所以用图形表示 光波时，通常略去磁场不画，只画电场。
Einsten光电效应方程：
材料物理性能-第3章-光学性能
四. 光的吸收
红外光区各有一个吸收峰原因？
在红外区的吸收峰是因为离子的弹性振动与光子辐
射发生谐振消耗能量所致，材料发生振动的固有频率由 γ2 = 2β(
离子间结合力决定。
γ2 = 2可见光区，即吸收峰处的频率应 尽可能小，那么，与之共振的材料热振频率γ就要小 。
三. 光的反射
2.全反射 光束从折射率n1较大的光密介质进入折射率n2较小的
光疏介质，即n1 ＞ n2，则折射角大于入射角，因此只要 入射角达到某一值时，就可以发生全反射。
利用全反射原理，人们制作了一种新型光学元件---光导纤维（或称光纤），可实现在纤维弯曲处不发生光 透射损失。
四. 光的吸收
1.光的吸收与吸收系数
3.2 光通过介质的现象
一. 线性光学性能
介质极化强度P与入射光波的电场强度E成线性关系：
p e0E
单一频率光入射到非吸收透明介质中时，其频率不 发生变化。
不同频率光同时入射到介质中时，各光波之间不发生 相互耦合，也不产生新的频率光波。
两束光相遇，若是相干光则产生干涉；若是非相干光 则有光强叠加。
同质异构体：高温时的晶型折射率较低，低温时的晶型 折射率较高。相同化学组成的玻璃比晶体的折射率低。
各向同性材料：受拉沿拉伸方向n小，垂直方向n大；受 压时，变化相反。
三. 光的反射
1.反射与反射系数
W = W′+ W〞 W为入射光的单位能量 流，W′、W〞分别为反 射光和折射光的单位能 量流 。
朗伯特定律 ： I = I0 e – αx 入射光强度为I0，透射光强度为I ，α 是物质的吸收系数
表明光强随厚度变化符合指数衰 减规律。α越大、材料越厚，光就被 吸收得越多，因而透过的光强度就 越小。
材料光学性能的测试与分析
材料光学性能的测试与分析在现代科学研究中占据着重要地位。
光学性能是指材料对光的吸收、反射和透射等相关特性。
通过对材料的光学性能进行测试与分析，可以深入了解材料的光学特性，为材料的应用提供理论依据和技术支持。
一、材料光学性能的测试方法1. 可见光透射率测试可见光透射率是材料对可见光的透过能力，常用的测试方法有透射率计、分光光度计等。
通过测试可见光透射率，可以评估材料对可见光的透过程度，为光学材料的选择提供有力的依据。
2. 紫外可见吸收光谱分析紫外可见吸收光谱是材料在紫外可见光区域吸收光的特性，通过分析材料的紫外可见吸收光谱，可以了解材料的吸光性能和颜色特征，为材料的光学应用提供参考。
3. 光学薄膜反射率测试光学薄膜反射率是指薄膜对入射光的反射能力，通过测试光学薄膜的反射率，可以评估薄膜的反射性能，为光学镜片、光学器件等的设计提供支撑。
4. 光学材料的色散性测试色散性是光学材料对不同波长光的折射率差异，通过测试光学材料的色散性，可以了解材料对光的色散效应，为光学器件的设计和应用提供理论指导。
二、材料光学性能的分析手段1. 数据处理与分析在测试材料光学性能时，产生大量的数据，需要进行数据处理与分析。
常用的数据处理方法有统计分析、图像处理、光谱分析等，通过数据处理与分析，可以从大量的数据中提取出有用的信息，为研究提供支持。
2. 光学性能的理论分析除了实验数据的处理与分析，还需进行光学性能的理论分析。
通过光学理论模型的建立与分析，可以深入了解材料的光学特性，为材料的应用提供理论依据。
3. 光学性能的相关性分析光学性能是综合性能，与材料的组分、结构等因素密切相关。
通过光学性能与材料组分、结构等因素的相关性分析，可以揭示光学性能形成的原因，为提高材料的光学性能提供思路。
三、材料光学性能的应用1. 光学镜片与光学器件材料的光学性能直接影响光学镜片和光学器件的性能。
通过对材料光学性能的测试与分析，可以筛选出适合的材料，为光学镜片与光学器件的设计提供参考。
材料的光学性能
材料的光学性能光学性能是指材料在光学方面的特性和表现，包括透射、反射、折射、吸收等。
材料的光学性能对于材料的应用具有重要意义，不同的光学性能可以决定材料在光学器件、光学仪器、光学通信等领域的应用效果和性能表现。
因此，研究和了解材料的光学性能对于材料科学和工程具有重要意义。
首先，材料的透射性能是指材料对光线透过的能力。
透射性能好的材料可以让光线顺利透过，而不会发生明显的衍射、散射和吸收现象，这对于光学器件和光学仪器的制造具有重要意义。
例如，在光学透镜、光学棱镜、光学滤波器等器件中，需要选用透射性能好的材料，以保证光线的传输和成像质量。
其次，材料的反射性能是指材料对光线的反射能力。
反射性能好的材料可以将光线高效地反射出去，而不会发生明显的漫反射和散射现象，这对于光学反射镜、光学反射器等器件的制造具有重要意义。
例如，在激光器、光学望远镜、激光干涉仪等器件中，需要选用反射性能好的材料，以保证光线的反射效果和器件的性能表现。
再次，材料的折射性能是指材料对光线的折射能力。
折射性能好的材料可以让光线在材料内部高效地折射和传播，而不会发生明显的色散和波前畸变现象，这对于光学棱镜、光学波导、光学透镜等器件的制造具有重要意义。
例如，在光纤通信、光学成像、光学传感等领域中，需要选用折射性能好的材料，以保证光线的传输和成像质量。
最后，材料的吸收性能是指材料对光线的吸收能力。
吸收性能好的材料可以高效地吸收光线的能量，而不会发生明显的反射和透射现象，这对于光学材料的能量转换和利用具有重要意义。
例如，在光伏电池、光热材料、光学光谱仪等领域中，需要选用吸收性能好的材料，以提高能量转换效率和性能表现。
综上所述，材料的光学性能对于材料的应用具有重要意义，不同的光学性能可以决定材料在光学器件、光学仪器、光学通信等领域的应用效果和性能表现。
因此，研究和了解材料的光学性能对于材料科学和工程具有重要意义，也对于推动光学技术的发展和应用具有重要意义。
光学材料手册
光学材料手册一、光学材料的概述光学材料是指那些具有特殊光学性能，可以用于制造光学元件、光学系统和光学器件的物质。
光学材料在科学技术、国防、民用等领域具有广泛的应用。
二、光学材料的分类1.透明光学材料：如玻璃、塑料、晶体等，具有良好的光透射性能。
2.光学薄膜材料：如金属薄膜、介质薄膜等，具有调节光透射、反射、折射等性能。
3.光学纤维材料：如石英光纤、塑料光纤等，用于光通信、光学传感等领域。
4.光学晶体材料：如石英、锂niobate 等，具有良好的光学性能和电学性能。
5.光学玻璃材料：如硼硅酸盐玻璃、氟化玻璃等，具有高折射率、低光学损耗等特点。
三、光学材料的性能与参数1.折射率：光学材料的一个重要性能参数，影响光在材料中的传播速度和光透射性能。
2.光透射率：指光通过材料时的透射程度，与材料的透明度、颜色等有关。
3.光学损耗：光在材料中传播过程中能量的衰减，与材料的吸收、散射等有关。
4.光学均匀性：指材料的光学性能在空间和时间上的稳定性。
5.机械强度：光学材料在加工和使用过程中的力学性能。
四、光学材料的制备与加工1.制备方法：包括熔融法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法等。
2.加工技术：如光学加工、精密加工、化学腐蚀等，用于制备光学元件和器件。
五、光学材料的应用1.光学元件：如透镜、反射镜、光栅等，用于光学系统中的成像、分光等。
2.光学仪器：如望远镜、显微镜、干涉仪等，应用于科学研究和实际生产。
3.光通信：光纤、光放大器等，实现信息的高速传输。
4.光学显示：如投影仪、显示器等，用于图像显示和虚拟现实等领域。
5.光学存储：如光盘、蓝光盘等，用于信息的存储和读取。
六、光学材料的发展趋势与展望1.技术创新：新型光学材料的研发，提高光学性能和降低成本。
2.产业应用：光学材料在电子信息、生物医学、新能源等领域的广泛应用。
3.国际化合作：加强国际间光学材料研究和产业发展的交流与合作。
综上所述，光学材料具有广泛的应用领域，其性能和制备技术不断取得突破。
材料性能学光学性能..
(W1 / W ) ( A1s / As ) 2 sin 2 (i r ) / sin 2 (i r ) (W1 / W ) // ( A1 p / A p ) 2 tan2 (i r ) / tan2 (i r )
自然光在各个方向振动机会均等，可以认为一半能量属于入 射面平行的振动，另一半属于同入射面，所以总能流之比为： W1/W=1/2[sin2(i-r)/sin2(i+r)+tan2(i-r)/tan2(i+r)]
W1/W=[(n21-1)/(n21+1)]2=R 1－R为透射系数。光透过的界面越多，且材料的折射率相 差越大，界面反射就越严重。
5、全反射 当光从光密介质进入光疏介质时，折射角 r大于入射角I。 当Байду номын сангаас为某值时，r可达到90,相当于光线平行于表面传播。；对 于更大的I值，光线全部反射回光密介质。全反射的临界角为 sini临界＝1/n1 大于临界角，光线全反射，无折射能量损失。光纤通讯正 是利用这个特性。
I=I0e-βx
光强度随介质厚度变化而不断衰减，这一规律称为 Lambert 定律。I0未初始光强，I未透射后的强度；x为材料厚度；β为吸 收系数，单位为cm-1. 透射率为T=I/I0=e-βx,一般表示为T=(1-R)2 e-βx 不同材料的吸收系数有很大不同，空气一般为 10-5cm-1；玻璃 为10-2cm-1；而金属达到几十万，所以金属实际上是不透明的。 材料对可见光的吸收强弱取决于电磁波的波长。金属对可见 光吸收强烈是因为金属中价电子处于未满带，吸收光子后为激 活态，而不用跃迁到导带，在电磁波谱的可见光区内，金属和 半导体的吸收系数都很大；对于电介质材料，吸收系数很小， 这是因为电介质中的价电子是填满的，不能吸收可见光的能量 而自由运动，而光子的能量不足以使价电子跃迁到导带，所以 这一波谱吸收系数很小。 吸收分为选择性吸收和均匀吸收。
材料的光学性能
一般地说
属于四角晶系、三角晶系和六角晶系旳晶 体为单轴晶体,如红宝石、电气石、石英、 冰等;而属于正交晶系、单斜晶系和三斜晶 系旳晶体为双轴晶体,如云母、蓝宝石、硫 磺等。 具有立方构造旳晶体无双折射性质。
利用晶体材料旳双折射性质能够制成特殊旳光学元件,在光 学仪器和光学技术中有广泛应用。例如利用晶体旳双折射,
至几十 旳细丝(称为纤芯),在纤芯外面覆盖直径
旳包层,包层旳折射率比纤芯略低约 ,两层之间形成良好旳光学
界面。当光线从一端以合适旳角度射入纤维内部时,将在内外两层
图光在光导纤维中旳传播之间产生屡次全反射而传播到另一端,
一束平行光照射均质旳材料时,除了可能发生反射和折射而变 化其传播方向之外,进入材料之后还会发生两种变化。一是伴 随光束旳进一步,一部分光旳能量被材料所吸收,其强度将被 减弱;二是介质中光旳传播速度比真空中小,且随波长而变化, 这种现象称为光旳色散。
不同介质旳临界角大小不同,例如一般玻璃对空气旳临界角为 ,
水对空气旳临界角为 ,而钻石因折射率很大
,故临界角
很小,轻易发生全反射。切割钻石时,经过特殊旳角度选择,可使进
入旳光线全反射并经色散后向其顶部射出,看起来就会显得光彩夺
目。
利用光旳全反射原理,能够制作一种新型光学元件——光导纤维,简
称光纤。光纤是由光学玻璃、光学石英或塑料制成旳直径为几
(1)正常色散
我们已经了解光在介质中旳传播速度低于真空中旳光速,其关系为y=c/n,据此
能够解释光在经过不同介质界面时发生旳折射现象。若将一束白光斜射到两 种均匀介质旳分界面上,就能够看到折射光束分散成按红、橙、黄、绿、青、 蓝、紫旳顺序排列而成旳彩色光带,这是在介质中不同波长旳光有不同旳速度 旳直接成果。所以,介质中光速或折射率随波长变化旳现象称为色散现象。研
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光参量
光具有波粒二象性，既有波动性，又有粒子性。
照片底片感光、眼睛的视觉作用等都是由光波电场引起，所以用图形表示
光波时，通常略去磁场不画，P只PT学画习电交流场。
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Einsten光电效应方程：
E h h c
频率（）：每秒钟电场完成振动周期的次数（Hz）。 波长（ ）：两相邻波峰或波谷间的距离，亦即在周期性波动的传播方向上具有相同
当光线依次通过不同的介质时，光的行进方向会发生改
变，称为“折射”。
折射现象的实质：介质的密度不同，光通过时，传播速 度也不同。
2. 折射率 介质对光的折射性质用材料的“折射率”n表示。
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（1）绝对折射率
光从真空进入介质材料时，速度降低。光在真空和材料
中的速度之比即为材料的绝对折射率。
描述光学玻璃的色散还用平均色散（nF-nC）
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3. 讨论
由于光学玻璃一般都或多或少具有色散现象，因而 使用这种材料制成的单片透镜，成像不够清晰，
在自然光的透过下，在像的 周围环绕一圈色带，克服的 办法是用不同牌号的光学玻 璃，分别磨成凸、凹透镜组 成复合镜头，可消除色差， 这种镜头就是消色差镜头。
对于无机材料： 1,1
n
介质的折射率随其介电常数的增大而增大。
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介电常数
折射率与介质的极化现象有关。
外加电场作用下，介质中的正电荷沿着电场方向移动， 负电荷沿着反电场方向移动，这样正负电荷的中心发 生相对位移，这种现象就是介质的极化。外加电场越 强，正负电荷中心的距离越大。
介质的离子半径增大时，其增大，因而n也随之增大。
2
1
折射率n1
材料2相对于材料1的相对折射率为：
n21nn1 2 ssiinn1 2 vv1 2
分别表示光在材料1和 材料2种的传播速度。
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2. 影响因素
（1）构成材料元素的离子半径
根据Maxwell电磁理论，光在介质中的传播速度为：
v c
n
c：真空中的光速； ：介质的介电常数； ：介质的导磁率。
变化，始终为一常数，服从折射定律。
✓ 非常光：与寻常光垂直的光线的折射率ne随入射线方向的改变
而变化,不服从折射定律。
不发生双折射的特殊方
非常光(e光)
向称为“光轴”，光沿
光轴方向入射时，只有
寻常光(o光)
n0 存 在 ； 与 光 轴 方 向 垂
直 入 射 时 ， ne 达 到 最 大
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三、反射 1. 反射系数
W=W´+ W´´
W ， W´ ， W´´ 分 别 为 单 位 间内通过单位面积的入射 光、反射光和折射光的能 量流。
反射系数m： m W '
W
透射系数1-m：
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W'' 1m1W'
W
W
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根据波动理论：
WA2vS
S、v分别为光束的横截面积和传播速度 A为振幅
反射波的传播速度与横截面积与入射波相同
描述普通光学现象的重要公式表现出数学上的线性特 点，即介质的电极化强度P与入射光波的电场E成简 单的线性关系。
P 0xE
x为介质的极化率，0位真空介电常数。
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§11.1 光通过介质的现象
一、折射 二、色散 三、反射 四、介质对光的吸收 五、介质对光的散射
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一、折射
1. 概念
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二、色散 1. 概念
材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）
而减小的性质，称为折射率的色散。
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2. 色散系数
实用的测量色散的方法是采用固定波长下的折射率 来测量，描述材料色散的光学参量最常用的数值是
倒数相对色散，即色散系数。
nD 1
nF nC
nD，nF，nC分别为以钠的D谱线、氢的F谱线和C谱线（5893Å， 4861Å， 6563Å）为光源，测得的折射率
第十一章 材料的光学性 能
※§11.1 光通过介质的现象 ※§11.2 无机材料的透光性
基础 光 学
§11.3 界面反射与光泽
性
§11.4 不透明性和半透明性
能 的
§11.5 其它光学性能的应用
应
用
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1
引言
取之不尽的能源
光
信息载体
生命之源
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2
光学材料分类
透光材料 光纤材料（导光材料） 发光材料 激光材料 光电材料 光信息材料 非线性光学材料 光调制材料（电光、磁光、声光材料）
n c 材料
介质的折射率永远为大于1的正数。
空气：n=1.003 固体氧化物： n= 1.3~2.7 硅酸盐玻璃： n= 1.5~1.9
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（2）相对折射率
折射率n2
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1 、折射角2与两种
材料的折射率n1和n2之间的关系为：
折射定律： n1sin1= n2sin2
相位的两相邻点之间的距离，即波的空间周期。
振幅：光波中振动着的电场的最大值。光强的大小与振幅的平方成正比，因此振幅
的大小决定着光的强弱。
相位：在一个转动周期或一个波长范围内，各点位置的度量，它是综合频率、时间、
波长、距离在内的一个角度量。是描述振动和波动状态的一个综合性波参量。
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线性光学性能
值。
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（3）材料的内应力
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。对于压应力，具有相反的效果。
（4）同质异构体
❖ 在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存在 的晶型折射率较高；
❖ 相同化学组成的玻璃比晶体的折射率低。
如：室温下， 石英玻璃：n=1.46 石英晶体：n=1.55
大离子得到高折射率材料：PbS n=3.912 小离子得到低折射率材料： SiCl4 n=1.412
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（2）材料的结构、晶型和非晶态（离子的排列）
晶体中沿密堆积方向上具有最高的折射率。
光学均质介质：非晶态（无定型体）、等轴系晶体（各向同性） 光通过时，光速不会因传播方向的改变而变化，材料只有 一个折射率
光学非均质介质：等轴系晶体外的其它晶体材料 光通过时，一般都要分为振动方向相互垂直、传播速度不
等的两个波，构成两条折射线，这种现象称为双折射。
是非均质晶体的特性，是材料各向异性的表现。
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双折射：当一束单色自然光在各向异性晶体的界面折射
时，一般产生两束折射光（均为线偏振光）。
✓ 寻常光：平行于入射面的光线的折射率n0不随入射角的变化而