材料物理性能测试技术讲课-光学特性共74页文档
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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。
材料物理性能(课件)
· 热重法(Thermogravimetry)： 测量质量与温度的关系 。 · 用途： 测量有机物分解温度 ， 研究高聚物的热稳定性
TIM
Ni(OH)2
19
（二）热容
■ 热分析方法 · 差热分析(Differential thermal analysis, DTA)： 测量试样与参比物之 间温差与时间或温度的关系 。分析所采用的参比物应是热惰性物质 ， 即在 整个测试温度范围内不发生分解、相变和破坏 ，也不与被测物质发生化学 反应 。参比物的热容、热传导系数等应尽量与试样接近。
5
（一 ）热学性能的物理基础
■ 晶格热振动
· 晶格热振动： 晶体点阵中质点围绕平衡位置的微小振动 。材料 热学性能的物理本质均与其晶格热振动相关。 · 晶格振动是三维的 ， 当振动很微弱时 ， 可认为原子作简谐振动。 振动频率随弹性模量Em增大而提高。
x=ACOS(ot+p)
· 温度升高时质点动能增大 ， 1/2 mv2= 1/2 kT, ∑ (动能)i ＝热能 · 质点热振动相互影响 ，相邻质点间的振动存在一定的相位差， 晶格振动以波（格波） 的形式在整个材料内传播 。格波在固体中的 传播速度： v = 3 * 103m/s, 晶格常数a为10-10 m数量级 ，格波最高频 率：v / 2a = 1.5 * 1013 Hz · 频率极低的格波： 声频支振动； 频率极高的格波： 光频支振动
■ 亚稳态组织转变为稳定态要释放 热量 ，热容 －温度曲线向下拐折。
H
TC
T
二级相变焓和热容随温度的变化
17
（二）热容
■ 热容的测量
· 量热计法 。低温及中温区： 电加热法 · 高温区：撒克司法
P：搅拌器 ，C： 量热器筒 18
TIM
Ni(OH)2
19
（二）热容
■ 热分析方法 · 差热分析(Differential thermal analysis, DTA)： 测量试样与参比物之 间温差与时间或温度的关系 。分析所采用的参比物应是热惰性物质 ， 即在 整个测试温度范围内不发生分解、相变和破坏 ，也不与被测物质发生化学 反应 。参比物的热容、热传导系数等应尽量与试样接近。
5
（一 ）热学性能的物理基础
■ 晶格热振动
· 晶格热振动： 晶体点阵中质点围绕平衡位置的微小振动 。材料 热学性能的物理本质均与其晶格热振动相关。 · 晶格振动是三维的 ， 当振动很微弱时 ， 可认为原子作简谐振动。 振动频率随弹性模量Em增大而提高。
x=ACOS(ot+p)
· 温度升高时质点动能增大 ， 1/2 mv2= 1/2 kT, ∑ (动能)i ＝热能 · 质点热振动相互影响 ，相邻质点间的振动存在一定的相位差， 晶格振动以波（格波） 的形式在整个材料内传播 。格波在固体中的 传播速度： v = 3 * 103m/s, 晶格常数a为10-10 m数量级 ，格波最高频 率：v / 2a = 1.5 * 1013 Hz · 频率极低的格波： 声频支振动； 频率极高的格波： 光频支振动
■ 亚稳态组织转变为稳定态要释放 热量 ，热容 －温度曲线向下拐折。
H
TC
T
二级相变焓和热容随温度的变化
17
（二）热容
■ 热容的测量
· 量热计法 。低温及中温区： 电加热法 · 高温区：撒克司法
P：搅拌器 ，C： 量热器筒 18
材料性能学课件第十一章 材料的光学性能
简要介绍材料的折射、色散、反射、吸收、散 射等线性光学性能的基本概念，线性光学性能在材 料中的应用及其影响因素，以及非线性光学性能产 生的条件、结构与性能之间的关系，以期研发新型 的非线性光学材料。
可见光的基本性质
可见光的基本性质
光速与真空中的电导率ε0 和导磁率μ0的关系：
粒子的光子（Photon） 的能量为 ：
6、吸收系数 选择性吸收：指材料对某一波段有强烈的吸收 作用，而对其他波段则吸收较弱或不吸收的现 象。严格说来，一切介质都是选择性吸收介质。
均匀吸收：在可见光范围内，对各种波长的吸 收程度相同的现象。在均匀吸收的情况下，随 着吸收程度的增加，颜色从灰变到黑。
一、线性光学性能的基本参量
7、散射 光波遇到不均匀结构产生与主波方向不
2、色散及色散系数 材料的折射率随入射光波长的增加而减小的
性质，称为折射率的色散。其数值大小为： 色散＝dn/dλ
数值可以由色散曲线（如下图）来确定。
一、线性光学性能的基本参量
2、色散及色散系数 自然光透过单片透镜，色散使像的周围环绕
了一圈色带，成像不清晰，称为色差。克服的 方法是用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透 镜和凹透镜复合镜头，以消除色差，这被称之 为消色差镜头。
二、线性光学性能的应用及其影响因素
2、界面反射与光泽 利用光的反射可以在光学材料中达到各
种应用目的，例如雕花玻璃器皿，含铅量高， 折射率高，因而反射率约为普遍钠钙硅酸盐 玻璃的两倍，达到很好的装饰效果。宝石的 高折射率使之具有高反射性能。通讯用光导 纤维，有赖于光束总的内反射。
二、线性光学性能的应用及其影响因素
一、线性光学性能的基本参量
6、吸收系数 光线穿过介质时，引起介质的价电
可见光的基本性质
可见光的基本性质
光速与真空中的电导率ε0 和导磁率μ0的关系：
粒子的光子（Photon） 的能量为 ：
6、吸收系数 选择性吸收：指材料对某一波段有强烈的吸收 作用，而对其他波段则吸收较弱或不吸收的现 象。严格说来，一切介质都是选择性吸收介质。
均匀吸收：在可见光范围内，对各种波长的吸 收程度相同的现象。在均匀吸收的情况下，随 着吸收程度的增加，颜色从灰变到黑。
一、线性光学性能的基本参量
7、散射 光波遇到不均匀结构产生与主波方向不
2、色散及色散系数 材料的折射率随入射光波长的增加而减小的
性质，称为折射率的色散。其数值大小为： 色散＝dn/dλ
数值可以由色散曲线（如下图）来确定。
一、线性光学性能的基本参量
2、色散及色散系数 自然光透过单片透镜，色散使像的周围环绕
了一圈色带，成像不清晰，称为色差。克服的 方法是用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透 镜和凹透镜复合镜头，以消除色差，这被称之 为消色差镜头。
二、线性光学性能的应用及其影响因素
2、界面反射与光泽 利用光的反射可以在光学材料中达到各
种应用目的，例如雕花玻璃器皿，含铅量高， 折射率高，因而反射率约为普遍钠钙硅酸盐 玻璃的两倍，达到很好的装饰效果。宝石的 高折射率使之具有高反射性能。通讯用光导 纤维，有赖于光束总的内反射。
二、线性光学性能的应用及其影响因素
一、线性光学性能的基本参量
6、吸收系数 光线穿过介质时，引起介质的价电
材料性能与测试课件-第十二章材料的光学性能
光泽度与镜反射和漫反射的相对 图12.6 光镜面反射与漫反射 含量密切相关。主要由折射率和 (a) 釉或搪瓷 (b) 毛玻璃或瓷体 表面光洁度决定。
3.3 不透明性和半透明 高度乳浊（不透明性）： 要求光在达到具有不同光学特性底层 之前被漫反射掉。建筑陶瓷中加入第二 相粒子－乳浊剂(TiO2、SnO2、ZrSiO4)。 对乳浊剂的要求是：不能和玻璃相反应、 体积分数高、尺寸和入射光波长相当、 相对折射率n21大。
2. 性能指标 2.1 折射率
一、 绝对折射率
当光从真空进入较致密的材料时，其速 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 材料2相对于材料1的相对折射率为：
2.4 全反射
当光线从光密介质进入光疏介质中时，折射角 r大于入射角i，当i为某个值时，r可达90°， 相当于光线平行于表面传播，对于任意更大的 i值，光线全部向内反射回到光密介质内。其 临界角为：
sin i临界 1/ n
典型应用：光纤通讯 假设n=1.5，临界角约为42o。
2.5 吸收系数
电磁波谱
光与固体相互作用
光从一种介质进入另一种介质，例如从 空气进入透明介质时，一部分透过，一 部分被吸收，一部分在两种介质的界面 上被反射，还有一部分被散射。 微观分析，光和固体材料中原子、电子、 离子等的相互作用：电子极化－电子云 和原子核电荷重心发生相对位移，导致 光的一部分能量被吸收，减小光速，产 生折射；电子能态转变－吸收能量，受 激电子回基态发射电磁波。
一些磷光材料 电子激发： 彩电用－ZnS:Ag (蓝) ZnS:Cu/Al (黄绿) Y2O3:Eu (红)。
3.3 不透明性和半透明 高度乳浊（不透明性）： 要求光在达到具有不同光学特性底层 之前被漫反射掉。建筑陶瓷中加入第二 相粒子－乳浊剂(TiO2、SnO2、ZrSiO4)。 对乳浊剂的要求是：不能和玻璃相反应、 体积分数高、尺寸和入射光波长相当、 相对折射率n21大。
2. 性能指标 2.1 折射率
一、 绝对折射率
当光从真空进入较致密的材料时，其速 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 材料2相对于材料1的相对折射率为：
2.4 全反射
当光线从光密介质进入光疏介质中时，折射角 r大于入射角i，当i为某个值时，r可达90°， 相当于光线平行于表面传播，对于任意更大的 i值，光线全部向内反射回到光密介质内。其 临界角为：
sin i临界 1/ n
典型应用：光纤通讯 假设n=1.5，临界角约为42o。
2.5 吸收系数
电磁波谱
光与固体相互作用
光从一种介质进入另一种介质，例如从 空气进入透明介质时，一部分透过，一 部分被吸收，一部分在两种介质的界面 上被反射，还有一部分被散射。 微观分析，光和固体材料中原子、电子、 离子等的相互作用：电子极化－电子云 和原子核电荷重心发生相对位移，导致 光的一部分能量被吸收，减小光速，产 生折射；电子能态转变－吸收能量，受 激电子回基态发射电磁波。
一些磷光材料 电子激发： 彩电用－ZnS:Ag (蓝) ZnS:Cu/Al (黄绿) Y2O3:Eu (红)。
材料性能----光学性能
SIT
第九章 材料的光学性能
1、折射率 折射率与介质介电常数的关系
v=
已知光在介质中的传播速度为： 已知光在介质中的传播速度为：
c
两式联立可得
而根据折射率定义有： 而根据折射率定义有：
εµ c n= v
n = εµቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
可见，随介质的介电常数 增 可见，随介质的介电常数ε增 介质的折射率也增高。 高，介质的折射率也增高。
1 ′ / W = [sin 2 ( i − r ) / sin 2 (i + r ) + tan 2 ( i − r ) / tan 2 (i + r )] W 2
当角度很小时，即垂直入射时 当角度很小时，即垂直入射时:
sin 2 (i − r ) tan 2 ( i − r ) (i − r ) 2 (i / r − 1) 2 n 21 −1 = = = = 2 2 2 2 n21 + 1 sin (i + r ) tan ( i + r ) (i + r ) (i / r + 1)
材料
c
v材料
如果光从介质 1 通过界面穿入介质 2 时，与界面法线所形成的入射 有如下关系： 角 i 和折射角 r 与两种介质的折射率 n1和 n2有如下关系：
n21为介质2相对与介质1的折射率 Material Performances
sin i n2 v1 = = = n21 sin r n v2 Shanghai Institute1 of Technology
• 电子能态转变
光子被吸收或发射， 光子被吸收或发射，都可能涉及到 固体材料中电子能态的转变。 固体材料中电子能态的转变。电子发生 的能量变化∆E 与入射波的频率 有关： 与入射波的频率ν有关 有关： 的能量变化
材料物理性能材料的光学性能PPT学习教案
从图4.6中可以看出，曲线由左右两条不同形状
的曲线所组成，各自有着不同的规律。当
时，则
随着d的增加，散射系数S也随之增大；当
时，则
随着d的增加，s 反而减小，当
时，s 达最大值
。
第26页/共48页
对于散射，可以认为散射系数正比于散射质点的投 影面积：
式中： 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。
设散射质点体积
，则
第27页/共48页
故 由上式可知， 符合实验规律。当
时，R越小，V越大，则S愈大，这 时，此时散射系数。
总之，不管在上述哪种情况下，散射质点的折射率与 基体的折射率相差越大，将产生越严重的散射。
第28页/共48页
三、材料的透光性 光通过厚度为x的透明陶瓷片时，各种光能的损失
自然光在各方向振动的机会均等，可以认为一半能量 属于同入射面平行的振动，另一半属于同入射面垂直的
第12页/共48页
振动，所以总的能量流之比为： 当角度很小时，即垂直入射
因介质2对于介质1的相对折射率
，故
第13页/共48页
m——反射系数， 根据能量守恒定律
（1-m）称为透射系数。由上式可知，在垂直入射的情 况下，光在界面上的反射的多少取决于两种介质的相对 折射率 。
第14页/共48页
设一块折射率为
的玻璃，光反射损
失为
,透过部分为
。如果透
射光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，
此时透过部分为
如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分为
第15页/共48页
由于陶瓷，玻璃等材料的折射率较空气大，所以 反射损失严重。如果透镜系统由许多块玻璃组成，则 反射损失更可观，为了减少这种界面损失，常常采用 折射率和玻璃相近的胶将它们粘起来，这样，除了最 外和最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部 各界面都是和胶的较小的相对折射率，从而大大减少 界面的反射损失。
材料物理性能(第四章材料的光学性能)
发光材料的发光效果直接影响光电 子器件的性能和效率。
以上是关于材料物理性能(第四章材 料的光学性能)的高质量文案，包含 了各个层级的标题和与标题相关的
内容列表。
谢谢大家
汇报人：AIPPT 汇报时间：202X.XX
材料物理性能(第四章材料的光学性能)
汇报人：AIPPT 汇报时间：202X.XX
目录
光学性能概述
折射率的影响因素
光学性能的应用
01
光学性能概述
光学性能的定义和重要性
光学性能的定义
光学性能是指材料在光学方面的表现和特性。 它包括折射率、透过率、反射率、发光性能等指标。
光学性能的重要 性
光学性能直接影响材料在光学器件中的应用效果。 各种光学性能指标的优化可以提高光学器件的性能和效率。
折射率的调控可以实现透镜和棱镜的光学性能优化。 合适的折射率分布可以消除光学器件的像差。
02
光纤和光波导的应用
折射率的调控可以实现光纤和光波导的传输性能优化。 通过改变折射率分布可以实现光信号的传输和调控。
光学涂层和薄膜的设计
反射镜和透射镜的设计
反射镜和透射镜的光学性能与材料的折射率相关。 通过合适的折射率调控可以实现涂层的光学性能优化。
光学滤波器和频率选择器的应用
光学滤波器和频率选择器的设计依赖于材料的折射率。 材料的折射率调控可以实现滤波器和选择器的工作波长。
光学材料的发光性能优化
发光材料的选择和设计
不同发光材料具有不同的能带结构和发光性能。 通过选择合适的发光材料可以实现发光器件的效率和亮度优化。
光电子器件的应用
光电子器件的光学性能与材料的发 光性能相关。
杂质和掺杂物的影响
杂质和掺杂物的引入会改变材料的折射率。 杂质和掺杂物的能带结构和晶体结构对折射 率有影响。
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材料物理性能(第四章材料的光学性能)
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目录
光学性能概述
折射率的影响因素
光学性能的应用
01
光学性能概述
光学性能的定义和重要性
光学性能的定义
光学性能是指材料在光学方面的表现和特性。 它包括折射率、透过率、反射率、发光性能等指标。
光学性能的重要 性
光学性能直接影响材料在光学器件中的应用效果。 各种光学性能指标的优化可以提高光学器件的性能和效率。
折射率的调控可以实现透镜和棱镜的光学性能优化。 合适的折射率分布可以消除光学器件的像差。
02
光纤和光波导的应用
折射率的调控可以实现光纤和光波导的传输性能优化。 通过改变折射率分布可以实现光信号的传输和调控。
光学涂层和薄膜的设计
反射镜和透射镜的设计
反射镜和透射镜的光学性能与材料的折射率相关。 通过合适的折射率调控可以实现涂层的光学性能优化。
光学滤波器和频率选择器的应用
光学滤波器和频率选择器的设计依赖于材料的折射率。 材料的折射率调控可以实现滤波器和选择器的工作波长。
光学材料的发光性能优化
发光材料的选择和设计
不同发光材料具有不同的能带结构和发光性能。 通过选择合适的发光材料可以实现发光器件的效率和亮度优化。
光电子器件的应用
光电子器件的光学性能与材料的发 光性能相关。
杂质和掺杂物的影响
杂质和掺杂物的引入会改变材料的折射率。 杂质和掺杂物的能带结构和晶体结构对折射 率有影响。
(推荐)《材料物理性能》PPT课件
焓 内能
P
比定容热容：材料温度升高时，体积恒定，所测得的比热容。
cp与cv哪个大？ cp＞cv 原因？ cp测量方便，cv更具理论意义。对于固体材料二者差别很小，可忽 略，但高温下差别增大。cp、cv与温度之间的关系（三个阶段）。 12
二、晶态固体热容的经验定律与经典理论
19世纪提出，认为热容与温度和材料种类无关。
CV,m
3R1
2 TD3
D T 0
x3 d
ex 1
xe3 T DTD1
ω x
kT
讨论： （1）高温时（T＞＞θD ） ex 1x
1mol原子的原子个数为N（阿佛加德罗常数 6.02 ×1023），1mol原子 的总能量为： E＝3NkT＝3RT
＝3R＝3 × 8.314≈25J/K·mol
(2) 实际上大部分元素的在常温以上原子热容接近该值，但对于轻元素 与实际值差别较大。
13
二、晶态固体热容的经验定律与经典理论
2. 化合物的热容定律——奈曼－柯普定律
通过材料性能的学习，可以掌握材料性能的基本概念、物理本质、 变化规律及性能指标的工程意义，了解影响材料性能的各种因素及材料 性能与其化学成分、组织结构间的关系，掌握改善和提高材料性能、充 分发挥材料性能潜力的主要途径，同时了解材料性能的测试原理、方法 及相关仪器设备。
只有这样才能在合理选用材料、提高材料性能和开发新材料过程中 具有必须的基本知识、基本技能和明确的思路。
xn+1 。该质点的运动方程为：
Em为微观弹
性模量。
描述： 相邻质点振动位移间的关系。
说明： 临近质点的振动存在一定的相位差，即各质点的热振动不是孤 立的，与临近质点存在相互作用。
3、质点的热振动与物体热量 构成物体各质点热运动动能的总和即为物体的热量。温度升高，质
P
比定容热容：材料温度升高时，体积恒定，所测得的比热容。
cp与cv哪个大？ cp＞cv 原因？ cp测量方便，cv更具理论意义。对于固体材料二者差别很小，可忽 略，但高温下差别增大。cp、cv与温度之间的关系（三个阶段）。 12
二、晶态固体热容的经验定律与经典理论
19世纪提出，认为热容与温度和材料种类无关。
CV,m
3R1
2 TD3
D T 0
x3 d
ex 1
xe3 T DTD1
ω x
kT
讨论： （1）高温时（T＞＞θD ） ex 1x
1mol原子的原子个数为N（阿佛加德罗常数 6.02 ×1023），1mol原子 的总能量为： E＝3NkT＝3RT
＝3R＝3 × 8.314≈25J/K·mol
(2) 实际上大部分元素的在常温以上原子热容接近该值，但对于轻元素 与实际值差别较大。
13
二、晶态固体热容的经验定律与经典理论
2. 化合物的热容定律——奈曼－柯普定律
通过材料性能的学习，可以掌握材料性能的基本概念、物理本质、 变化规律及性能指标的工程意义，了解影响材料性能的各种因素及材料 性能与其化学成分、组织结构间的关系，掌握改善和提高材料性能、充 分发挥材料性能潜力的主要途径，同时了解材料性能的测试原理、方法 及相关仪器设备。
只有这样才能在合理选用材料、提高材料性能和开发新材料过程中 具有必须的基本知识、基本技能和明确的思路。
xn+1 。该质点的运动方程为：
Em为微观弹
性模量。
描述： 相邻质点振动位移间的关系。
说明： 临近质点的振动存在一定的相位差，即各质点的热振动不是孤 立的，与临近质点存在相互作用。
3、质点的热振动与物体热量 构成物体各质点热运动动能的总和即为物体的热量。温度升高，质
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39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie肯
材料物理性能测试技术讲课-光学特性
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。