第八章 透光和导光材料
材料的光学性能
是非均质晶体的特性，是材料各向异性的表现。
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变化，始终为一常数， 服从折射定律。
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。
陶瓷和玻璃等材料的折射率比空气大，所以光从空气进入这些材料时，反射损失严重。
由多块玻璃组成的透镜系统，常常用折射率和玻璃相近的胶粘起来，这样除了最外和最内 的两个表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面均是玻璃和胶的较小的相对折射率， 从而大大减少了界面的反射损失。
3. 全反射
光线从光密介质（玻璃）进入光疏介质（空气）中时，折射角2大于入射角1 。当1 为某 值时，2可达到90°，这时光线平行于表面传播。 1 继续增大时，光线就会全部向内反射 回光密介质内，这种现象称为全反射。
§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
一、折射 1. 概念 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。
室内环境与设备试题课程主要知识点
课程主要知识点第一篇室内声环境第一章室内声学原理一、填空题：1、声音是在气体、液体或固体等弹性介质中以波动形式传播的机械振动。
2、声音在空气中的传播速度当空气为22℃时，等于344m/s，在常温条件下，空气中的声速为340m/s.3、声音是由声源的振动引起的。
声源在1s内完成的全振动次数称为频率。
它决定了声音的主调，符号为f，单位是赫兹。
4、在声波传播途径上，两相邻同位相质点之间的距离称为波长。
5、在室内声学中感兴趣的声音频率通常从63～10000Hz，相应的波长为5.4～0.034m。
6、单位时间通过垂直于声音传播方向上单位面积的平均声能通量称为声强，符号是I。
7、声强（I）与离开声源的距离（r）的平方成反比地衰减。
这称为几何衰减。
8、声波在空气中传播时，空气媒质某点（体积元）由于受声波扰动后压强超过原先大气静压强的值，称为声压。
9、由于人耳对中高频声音较敏感，对低频声音较不敏感，为了得到比声压级能更好地与人耳响度判别密切相关的升级值，在声级计中加进了“频率计权网络”。
10、对声源方位的辨别，正常人可辨别1°～3°水平方位的变化.在水平方位角0°～60°范围内，人耳有良好的方位辨别力，超过60°就变差。
对竖直方位，可能要在声源变化达10°～15°以上时才能辨别。
11、响度是人对声音强弱的主管评价指标。
人耳对2000～4000Hz的声音最敏感，频率越低，灵敏度越差；而频率很高时，灵敏度也会变差。
12、音高又称音调，是人耳对声音调子高低的主观感觉。
13、声源在自由空间传播时，人们听到的只有来自声源的直达声。
14、颤动回声——会引起声压分布不均，还会发生某些频率声音被增强，某些频率声音被减弱的现象，使声音产生失真，所以在室内设计中应加以避免。
二、名词解释：1、掩蔽效应——人耳在倾听一个声音的同时，如果存在另外一个声音，就会影响到人耳对所听声音的听闻效果。
功能材料学_周馨我
（2）材料的尺寸、规格、成品形状与加工制作 宏观尺寸向细观、介观、微观尺寸发展；常规材 料向轻、薄、细、短、小、微、超宽、超大、超 长、高纯等特种材料发展；规则形状向异型材发 展；材料元件一体化；通过加工和热处理，控制 和改变材料组织和结构，获得所需的性质和功能。 （3）材料的材质和复合 功能材料向“四高一智一集”（即：高性能、高 灵敏度、高精度、高可靠性，智能化、功能集成 化）的方向发展；硅材料的进一步发展；单一材 质的材料向多种材质的材料方向发展；简单复合 材料向复杂体系复合材料的方向发展。
对功能材料的研究和应用实际上远早于1965年， 但在相当长的时间内发展缓慢。20世纪60年代以 来，功能材料得到了迅速发展，其主要原因是： ①微电子、激光等各种现代技术的兴起及其对材 料的需求； ②固体物理、固体化学、量子理论、结构化学、 生物物理和生物化学等学科的飞速发展； ③各种制备功能材料的新技术和现代分析测试技 术在功能材料研究和生产中的实际应用。 目前结构材料和功能材料的关系发生了根本的变 化，功能材料已和结构材料处于基本同等的地位。 功能材料迅速发展是材料发展第二阶段的主要标 志，因此把功能材料称为第二代材料。
（五）功能晶体材料 1、光学晶体 2、非线性光学晶体：激光频率转换晶体、红外非 线性光学晶体、有机非线性光学晶体 3、激光晶体：掺杂型激光晶体、自激活激光晶体、 色心激光晶体、半导体激光器 4、电光和光折变晶体 5、其他交互效应功能晶体：压电晶体、声光晶体、 磁光晶体、热释电晶体 （六）具有特殊结构的功能材料 1、非晶态合金；2、纳米结构材料；3、储氢材 料；4、薄膜功能材料；5、形状记忆材料；6、 智能材料与结构；7、减振材料；8、生物医学材 料
第八章 光学材料课件
2018/7/17
第一节 激光材料
1960年，世界上第一个一红宝石（Al2O3：Cr3＋）
为工作物质的固体激光器研制成功，使得光学的 发展进入了一个新的发展阶段。
激光与一般的光不同的是纯单色，具有相干性，
因而具有较大的能量密度。
中文名称：激光 英文名称：laser
定义：由受激发射的光放大产生的辐射。 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
半导体激光器的工作原理 半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件: (1)增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布。在半导体中代表电子能量的是由 一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能 带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质 结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激 发到能量较高的导带中去.当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发 射作用. (2)要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡， 激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀 上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜.对F-p腔(法布里一拍罗腔)半导体激光器可以很方 便地利用晶体的与P一n结平面相垂直的自然解理面构成F一P腔. (3)为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及 从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场.这就必须要有足够强的电流注入， 即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的 电流阀值条件.当激光器达到阀值，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成 激光而连续地输出.可见在半导体激光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光 放大过程。对于新型半导体激光器而言，人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的根本动 力.量子线和量子点能否充分利用量子效应的课题已延至本世纪，科学家们已尝试用自组织 结构在各种材料中制作量子点，而GaInN量子点已用于半导体激光器.另外，科学家也已经做 出了另一类受激辐射过程的量子级联激光器，这种受激辐射基于从半导体导带的一个次能级 到同一能带更低一级状态的跃迁，由于只有导带中的电子参与这种过程，因此它是单极性器 件.
透光和导光材料
光纤的尺寸
外径一般为125um(一根头发平均100um) 内径：单模9um
多模50/62.5um
125 9
125 50
125 62.5
光纤传输信息具有许多优点：
●载频为3×1014Hz，约为电视通信所用超高频 的100000倍，从而使信息载带容量或带宽激增；
光纤通讯
Electrical to Light
Input
Light to Electrical
Output
目标：电输出 = 电输入
1 光导纤维材料
光导纤维是指能导光的纤维，通常由折射率高的纤 芯及折射率低的包层组成，这两部分对传输的光具有 极高的透过率。目前应用的光纤是以SiO2为主要原料 的纤维，其纤芯芯径为数µm到数百µm。光线进入光 纤在纤芯与包层的界面发生多次全反射，将载带的信 息从一端传到另一端，从而实现光纤通信。
1966年，英籍华人高昆(K．C．Kao)和他的同事 Hockham以及法国的Werts根据介质波导理论提出光 纤传输线的概念。尽管他们所试验的光纤损耗高达 1000dB／km，但他们指出如采用石英玻璃等作介质， 可使其损耗降低到20dB ／km。（光纤的损耗:损耗指光
信号功率传输每单位长度衰减的程度,用分贝/公里(dB/km)表示 ）
●光纤材料主要是石英(SiO2)，它在地球上非常丰 富。
光纤的传输原理
光线理论（几何光学方法）
把光看作射线，并引用几何光学中反射与折射原理解 释光在光纤中传播的物理现象
波动理论 （波动光学方法）
把光波当作电磁波，把光纤看作光波导，用电磁场分 布的模式来解释光在光纤中的传播现象
几何光学方法更简单直观，但用波动理论可以对光纤 的传输特性和传输原理有更精确的分析
透光材料
按材料的透光率大小，可以将其分为：透明材料：波长400nm-800 nm可见光的透光率在80%以上；半透明材料：400 nm -800 nm可见光的透光率在50%-80%之间；不透明材料：400 nm -800 nm可见光的折射率在50%以下。
按上述分类，可以将树脂分为透明性树脂：主要包括PMMA、PC、PS、PET、PES、J.D系列、CR-39、SAN(又称AS)、TPX、HEMA、BS（又称K树脂）等；半透明树脂：PP、PA；不透明树脂：ABS、POM、PTFE、PF等。
一、PMMA(亚克力）：化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯，俗名有机玻璃1、物理特性：高度透明的无定形热塑性聚合物，PMMA的密度大约在1150-1190 kg/m3，是玻璃(2400-2800 kg/m3)的一半；高度通明性，透光率90％-92％，比无机玻璃还高(普通玻璃的透光率大约在86%左右，光学玻璃透光率能达到92% )，并能透过紫外线光达73．5％。
折射率1. 49。
机械强度高、韧性好，拉伸强度60--75MPa，冲击强度12-13kJ／m，比无机玻璃高8-10倍。
具有优良的耐紫外线和大气老化性。
玻璃化温度80-100 ℃，分解温度＞200 ℃。
使用温度-40～80℃。
耐碱、耐稀酸、耐水溶性无机盐、烷烃和油脂。
溶于二氯乙烷、氯仿、丙酮、冰醋酸、二氧六环、四氢呋喃、醋酸乙酯等，不溶乙醇、乙醚、石油醚等。
电绝缘性良好。
PMMA具有质轻、价廉，易于成型等优点。
2、压克力板分类：压克力板（亚克力板）按透光度又可分纯透明板、著色透明板、半透明板（如彩色板）；按表面光泽，则可分为高光板，丝光板和消光板（也称磨砂板）；按照性能，亚克力板还可他普通板、抗冲板、抗紫外线板、阴燃板及高耐磨板等等。
3，工，电子产品的按键(。
日用消费品（饮料杯、文具等）。
二、PC材料：化学名为聚碳酸酯，是一种综合性能优良的非晶型热塑性树脂1、物理特性：具有特别好的抗冲击强度、热稳定性、光泽度、抑制细菌特性、阻燃特性以及抗污染性；工作温度为115℃，PC有很好的机械特性、透光特性，透光率达89%, 还具有自熄、无毒、可着色等优点。
建筑光环境-建筑环境学
第八章建筑光环境建筑光环境是建筑环境中的一个非常重要的组成部分。
人们对光环境的需求与所从事的活动有密切关系。
在进行生产、工作和学习的场所，适宜的照明可以振奋人的精神、提高工作效率、保证产品质量、保障人身安全与视力健康。
因此，充分发挥人的视觉效能是营建这类光环境的主要目标。
而在居住、休息、娱乐和公共活动的场合，光环境的首要作用则在于创造舒适优雅、活泼生动或庄重严肃的特定环境气氛，使光环境对人的精神状态和心理感受产生积极的影响。
建筑照明能耗在建筑能耗中也占据了重要的份额。
国内外的统计数据都表明，在现代的办公建筑与大型百货商场，照明能耗均约占整个建筑能耗的三分之一左右。
因此，在保证满足室内光环境要求的条件下，最大限度地降低照明能耗，对于减少建筑总能耗，降低高能耗所导致的污染排放具有非常重要的社会意义和经济效益，也是建筑设备工程专业的重要的任务。
为了创造令人满意的室内光环境，同时又要避免过高的建筑能耗，就必须充分了解不同类型的采光、照明设备与方法的性能特点与能耗特点。
本章介绍了建筑光环境有关的基本概念和理论，此外，对照明、采光设备、控光材料、照明形式、计算方法等也有介绍，以期读者对光环境的设计原理有正确的了解，并初步掌握光环境的设计与控制方法。
第一节光的性质与度量光是以电磁波形式传播的辐射能。
电磁辐射的波长范围很广，只有波长在380nm至760nm的这部分辐射才能引起光视觉，称为可见光（简称光）。
波长短于380nm的是紫外线、x射线、 射线、宇宙线；长于760nm的有红外线、无线电波等等。
它们与光的性质不同，人眼是看不见的（图8-1）。
图8-1 辐射波谱不同波长的光在视觉上形成不同的颜色，例如700nm的光呈红色，580nm呈黄色，470nm呈蓝色。
单一波长的光呈现一种颜色，称为单色光。
日光和灯光都是由不同波长的光混合而成的复合光，它们呈白色或其他颜色。
将复合光中各种波长辐射的相对功率量值按对应波长排列联结起来，就形成该复合光的光谱功率分布曲线，它是光源的一个重要物理参数。
l8光学材料
第八讲 光学材料
五、折射材料－光学玻璃
1、无色玻璃：对可见光区透过率较高 冕牌玻璃、火石玻璃
2、有色玻璃：可见光附近选择性透光 离子着色、胶体着色
16
第八讲 光学材料
五、折射材料－光学玻璃
17
第八讲 光学材料
六、无色玻璃 1、冕牌玻璃 nd=1.4~1.7
2、火石玻璃 nd=1.5~1.9
vd =80~50
vd =60~20
18
第八讲 光学材料
六、无色玻璃
冕牌玻璃
代号
名称
FK QF K PK BaK ZK LaK TK KF
氟冕玻璃 轻冕玻璃 冕玻璃 磷冕玻璃 钡冕玻璃 重冕玻璃 镧冕玻璃 特冕玻璃 冕火石玻璃
火石玻璃
代号
名称
QF F BaF ZF ZBaF LaF ZLaF TiF TF
7
第八讲 光学材料
四、折射材料要求
③光学均匀性——表示一块玻璃内部折射率逐渐 变化而造成的不均匀程度。分为五类(用平行光 管、星点板和显微镜检测)
④ 应力双折射——玻璃内部的残余应力所引起的 双折射。用最大光程差表示，可分为五类（用 应力双折射仪检测）
8
第八讲 光学材料
四、折射材料要求
⑤ 条纹度——表示玻璃中因折射率显著不同而 造成的透明的丝状或层状疵病程度。 （用条纹仪测量）共分二类三级。
化二钛，五氧化三钛，五氧化二钽，五氧化二铌，三氧化二铝，三氧化二钪，三氧化二铟，二氧
化硅，二钛酸镨，二氧化铈，氧化镁，三氧化钨，氧化钐，氧化钕，氧化铋，氧化镨，氧化锑，
氧化钒，氧化镍，氧化锌，氧化铁，氧化铬，氧化铜。
2. 氟化物：
氟化镁，氟化镱，氟化钇，氟化镝，氟化钕，氟化铒，氟化镝，氟化钾，氟化锶，氟化钐，氟化
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一、材料的光学性能
光是一种电磁波， 各种电磁波的能量、 波长和频率见左图。
材料的光学性 能是指材料对电磁 波辐射、特别是对 可见光的反应，主 要是用材料对电磁 波的吸收、反射和 透射特性来衡量。
EXIT
光功能材料基本知识
一、材料的光学性能
当一束强度为I0的光入射到玻璃 中时，在材料的表面会发生光的反
EXIT
光功能材料基本知识
一、材料的光学性能
根据透射率、吸收率和反射率之间 的相对大小，材料可分为：
光 透 明 的 (transparent) 材 料 ： A 、 R 很小，可见光几乎可以全部透过。
光半透明的(translucent)材料：可见 光穿透比较困难。
光不透明的(opaque)材料：不能透过 可见光。
不仅已用于眼镜和低档照相机上，而且已逐步应用 于显微镜、天文望远镜、夜视仪、制导系统、测距机等 各种中高档光学仪器上。
EXIT
第八章 透光和导光材料
§8.1 透光材料
入射光强Io，射入介质的 光强为(1-R)Io，反射掉部 分光强为IoR。
EXIT
第八章 透光和导光材料
§8.1 透光材料
一、透光材料的特征值 1. 透射率 T 射入介质的光在穿过介质 时被吸收一部分后，达到介质另 一面的光强为:
Io(1-R)e-al 又被反射回介质内的光强为:
IoR(1-R) e-al 最后透射出介质的光强:
Байду номын сангаасEXIT
光功能材料基本知识
二、材料光学性能的本质
2、光子与电子的能量转换 对于电子来说，从光子处吸收的
能量或给光子的能量也不是任意的， 而是要刚好等于材料中电子可能存在 的能级的能量差。
电子和光子彼此间能量交换的这 种“苛刻”条件，导致不同的材料具 有完全不同的光学性能。
当光子的能量给了电子，光被材 料吸收；当受光激发的电子回落到低 能级放出光子，光被材料反射。
射，另外光也会透过玻璃，常常透
过的光的强度小于入射强度，这往
往是由于玻璃会吸收一部分光。
光的入射、反射、透射、吸收
T+A+R=1 透射率、吸收率和反射
和强度关系：I0＝ IR+ IT+ IA
率的大小不仅与材料有
透射率T：T= IT / I0
关，还与光波的波长有
吸收率A：A= IA / I0
关。
反射率R：R= IR / I0
IT ＝Io(1-R)2e-al
透射率T为: T=(1-R)2e-al
α 吸收系数；l介质长度。 一般取介质长度为1Omm的值 作为标准。
EXIT
第八章 透光和导光材料
§8.1 透光材料
一、透光材料的特征值
2. 光密度 D
D lg 1 T
D
lg
(1
1 R) 2 e al
al lg e 2 lg(1 R)
EXIT
第八章 透光和导光材料
§8.1 透光材料
二、透光材料的种类 高聚物材料：另一类透光材料，发展较快，主要有
聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、苯乙烯丙烯 腈共聚体、聚甲基异戍二烯、透明聚酰胺等。
高聚物材料材料的透射率已达到90％左右，有的原 来透射率不太高的树脂如PVC也已经制出透射率达到90 ％的产品。
nF-nC－平均色散，也称中 部色散。
对于玻璃，υ D＞50称冕玻 璃，υ D＜50 称火石玻璃。
第八章 透光和导光材料
§8.1 透光材料
二、透光材料的种类 透可见光的材料常用的有玻璃和高聚物两大类。 玻璃材料的优点：透射率最高(可高达98％以上)， 折射率范围大(1.44～1.94)，色散系数范围大(υD= 20～90) 光学稳定性好，耐磨损。 玻璃材料的缺点：密度大(2.27～6.26g/cm3)，耐冲击 强度低，加工困难，制造周期长。 目前，玻璃仍是制造各种光学元件特别是高、精光 学元件的最主要的材料。
el
T (1 R)2
吸收系数越大时，θ 值就越小，材料的透光性 能就不好。
第八章 透光和导光材料
§8.1 透光材料
一、透光材料的特征值
4. 平均色散系数υ D 透光材料中光学玻璃通常 按 折 射 率 nD 和 平 均 色 散 系 数 υ D两个光学常数进行分类。 平均色散系数的表示为:
光的折射 折射率和相对折射率 折射率与材料和入射光的频率有关。
EXIT
光功能材料基本知识
二、材料光学性能的本质
固体材料的透射、吸收和反射等光学性能的本质涉及 电磁波与材料中原子、离子或电子的相互作用，最重要的 二点是电子极化和电子的能量转换。
1、电子极化 电子极化影响介电常数，折射率与介电 常数有关，反射率与反射界面二侧介质 的折射率有关，所以电子极化对光学性 能有很大影响。
0.434al Dr Dr 2 lg(1 R)
Dr－反射修正值。 光密度的物理意义：吸收 (失0.之43和4α。l)和反射(Dr)两部分损
EXIT
3. 内透射率θ 内透射率θ所表示光线 在透过介质时，只考虑吸收 不考虑反射的特征值。
I 0 (1 R)el
I 0 (1 R)
D
nD 1 nF nC
EXIT
υ D－平均色散系数，也称 阿贝数；（数值越小色散现象
越厉害）
nF － 材 料 对 标 准 谱 线 F(λ =4861.3Å) 的折射率；
nC － 材 料 对 标 准 谱 线 C(λ =6562.7Å) 的折射率；
nD － 材 料 对 标 准 谱 线 D(λ =5892.9Å) 的折射率。
EXIT
第八章 透光和导光材料
§8.1 透光材料
透光材料包括透可见 光(波长0.39～0.76μ m)、 红外光 (波长1～1000μ m ) 和紫外光(波长0.01～ 0.4μ m)的材料。
一、透光材料的特征值 1. 透射率 T 透射率T为透射光强IT 与入射光强I0 之比T=IT/I0， 也称透光率。
2、光子与电子的能量转换 光具有波动和微粒二重性，当考虑光与 电子之间的能量转换时，光当成粒子， 称为光子。
EXIT
光功能材料基本知识
二、材料光学性能的本质
2、光子与电子的能量转换 光子是最早发现的构成物质
的基本粒子之一。 光子所具有的能量不是连续
的，与频率v有关，光子能量 E=hv。当电子与光子间发生能量 转换时，或是吸收一个光子的能 量，或是发射出一个光子，而不 能只交换一部分光子的能量。