4.5 无机材料的红外光学性能
无机材料部分
这两种光谱分析机理不同，它们提供的信息也有差异。一 些对称性较高的基团，极性很小，红外吸收很弱，但在拉曼光 谱中却有较强的谱带，如C-C、C=C，S-S就很适合拉曼光谱研 究。红外光谱法更适合于测定高分子的侧基和端基，而拉曼光 谱法更多用于研究高分子的骨架结构。
IR与Raman光谱法分析特点
与红外光谱法相比，拉曼光谱法还有以下优点: (1) 在很多情况下样品不需处理，可直接用高分子材料的粉、 块、片或薄膜测量。也可以装在透明的容器 (如无荧光的玻璃 管)中测定，这对于测定液态样品特别方便。 (2) 水的红外吸收十分强烈，而它的拉曼散射极弱，只在1640 cm-1附近有一个弱谱带。拉曼光谱较适用于水溶液的研究。
(3)固体试样 常用的方法有压片法、石蜡糊法和薄膜法。 压片法是将12mg试样与200mg纯KBr研细混匀，置于模具 中，用(5 10)×107Pa压力压成透明薄片，即可用于测定。试样 和KBr都应干燥处理，研磨到粒度小于2m，以免散射光。 石蜡糊法是将干燥处理的试样研细，与液体石蜡或全氟代烃 混合，调成糊状，夹在盐片中测定。 薄膜法主要用于高分子化合物的测定。可将它们直接加热熔 融后涂制或压制成膜。也可将试样溶解在低沸点的易挥发溶剂 中，涂在盐片上，待溶剂挥发后成膜测定。 当样品量特别少或样品面积特别小时，必须采用光束聚光 器，并配有微量液体池、微量固体池和微量气体池，采用全反 射系统或用带有卤化碱透镜的反射系统进行测量。
在拉曼光谱中测定的是，将其作为横坐标，把入射频率 的位置作为零，纵坐标是拉曼散射强度。
常用的激光气体
氖ห้องสมุดไป่ตู้
拉曼散射的强度正比于波长的四次方 可获得拉 曼谱线宽 度和精细 结构的准 确数据
激光光源的单色性强，发出的拉曼谱线较简单 强度高，光束截面积小，激光的谱线宽度能窄 到0.005cm-1，所以记录容易 样品需量少 (固体用0.5g，液体10-7cm3， 气体1011个分子)
无机材料光学性能
无机材料光学性能无机材料的光学性能光的基本性质：1、波粒二象性2、光的电磁性3、光波是横波4、光的偏振性从宏观上讲，当光从一种介质进入另一种介质时，会发生光的透过、吸收和反射。
从微观上看，光与固体的相互作用，实际上是光子与固体材料中的原子、离子、电子之间的相互作用。
光与固体相互作用的本质有两种方式：1电子极化a电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量；b在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用引起电子极化，即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移；c所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时光速减小，后者导致折射。
2电子能态转变电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能态的过程4.1光透过介质的现象一、折射当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。
折射本质上是由于光的速度的变化而引起的光弯曲的结果。
vn真空v材料cv材料sini1n2v n21 1sini2n1v2材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。
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c麦克斯韦电磁理论：其中：ε为介电常数；μ为导磁率n v 无机材料：μ ＝1，ε ≠ 1 n 影响折射率的因素1、离子半径：介电常数随着离子半径的增大而增大，因而折射率n随着离子半径的增大而增大。
用大离子得到高折射率的材料；用小离子得到低折射率的材料。
2、材料的组成和结构：3、非晶态各向同性；玻璃的折射率和离子半径呈线性关系。
4、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。
5、同质异构体高温时晶型的折射率较低，低温时晶型的折射率较高，即结构敞广的高温态比结构紧密的低温态折射率小。
二、色散光在介质中的传播速度或折射率随波长改变的现象称为色散现象。
注意：色散是光学玻璃的重要参数；色散造成单片透镜成像不清晰――色差；若选择不同的光学玻璃，组成复合镜头，可以消除色差，称为消色差镜头；光学材料要求色散系数高γ，折射率n高。
无机纳米粒子材料光学性能的研究报告
无机纳米粒子材料光学性能的研究报告摘要：本研究报告旨在探讨无机纳米粒子材料的光学性能。
通过对无机纳米粒子材料的制备、结构表征以及光学性能的研究，我们希望能够深入了解这些材料在光学领域的应用潜力。
本研究采用了多种表征技术，包括透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和紫外可见吸收光谱（UV-Vis），并通过实验结果进行分析和讨论。
一、引言无机纳米粒子材料是一类具有特殊结构和性质的纳米材料，其尺寸通常在1到100纳米之间。
由于其尺寸效应和表面效应的存在，无机纳米粒子材料在光学领域具有广泛的应用。
本研究将重点关注无机纳米粒子材料的光学性能，包括吸收、散射和发射等方面。
二、实验方法本研究采用溶剂热法制备了一系列无机纳米粒子材料，并使用透射电子显微镜对其形貌和尺寸进行了表征。
通过X射线衍射技术，我们确定了无机纳米粒子材料的晶体结构和晶格参数。
此外，我们还使用紫外可见吸收光谱对材料的吸收特性进行了研究。
三、结果与讨论通过透射电子显微镜观察，我们发现制备的无机纳米粒子材料形貌均匀，尺寸分布较窄。
X射线衍射结果表明，这些材料具有良好的晶体结构，并且晶格参数与理论值相符。
紫外可见吸收光谱显示，无机纳米粒子材料在可见光范围内表现出明显的吸收峰，吸收峰位置与材料的尺寸有关。
四、光学性能分析通过对吸收光谱的分析，我们发现无机纳米粒子材料的吸收峰随尺寸的减小而红移。
这是由于量子限制效应导致的能带结构的改变。
此外，我们还观察到在一定尺寸范围内，无机纳米粒子材料的吸收峰强度随尺寸的减小而增强，这与表面等离子体共振效应有关。
五、结论通过本研究，我们深入了解了无机纳米粒子材料的光学性能。
通过制备、结构表征和光学性能的研究，我们发现无机纳米粒子材料在光学领域具有广泛的应用潜力。
未来的研究可以进一步探索无机纳米粒子材料的光学性能，以及其在光电子器件和传感器等领域的应用前景。
关键词：无机纳米粒子材料、光学性能、透射电子显微镜、X射线衍射、紫外可见吸收光谱。
第五章 无机材料的光学性能
无机材料透光性
介质透过率高低，或介质吸收光波能量多少，不仅 与介质电子能带结构有关，还与光程有关，也就是 与光通过介质厚度相关。 如入射光强度为I0，通过x厚度介质，其光强度下降。 光强度变为I，且有 x 0
I I e
式中：α为介质对光吸收系数，单位为cm-1, x为穿 过介质厚度。 α 取决于材料性质和光波长。 α越大 材料越厚，光被吸收越多，透过后光强度越小。不 同材料α值差别很大，空气α=10-5 cm-1 ，玻璃α=102 ，金属α值则高达几万到几十万，因此金属实际上 是不透明。
光通过介质现象
电磁波在真空中传播速度为3×108m/s以c表 示。C与真空介电常数ε0和真空磁导率μ0关系 为： 1
c
0 0
c
当光在介质中传播时，其速度v由下式决定：
光通过介质现象
在讨论光与材料相互作用产生反射、透 射、折射等现象时，应用光粒子性更容 易理解；讨论光波在介质中传播、衍射 等现象应用光波动性更方便。当光从一 种介质进入另一种介质时，例如从空气 进入透明介质，一部分透过介质，一部 分被吸收，一部分在两种介质界面上被 反射，还有一部分被散射。
三、光反射
设光总能量流W为：W＝W’＋W” W、W’、W”分别为单位时间通过单位面积入 射光、反射光和折射光能量流，根据波动理 论：W∝A2υS 由于反射波传播速度及横截面积都与入射波 相同，所以： 2
W ' A' W '' A
把光波振动分为垂直于入射光振动和平行于 入射光振动
无机材料透光性
如果吸收光子能量是把电子从填满价带激 发到导带空能级上，将在导带中出现一个 只有电子，而在价带上留下一个空穴。激 发电子能量与吸收光子频率间满足 ΔE =hν。只要光子能量大于禁带宽度Eg时， h ν＞Eg, 才能以这种机制产生吸收。 计算 出非金属材料禁带宽度大于3.1eV，则不 可能吸收可见光。若这种材料纯度很高， 则对可见光是无色透明的。
红外光学材料第三章
第三章 红外光学材料的热学、力学性质3.1.引言到目前为止，红外光学材料都是无机非金属材料。
它的最大特点是脆性，和传统的结构陶瓷特点是一样的，因而应归类为陶瓷材料。
尽管其中有一些是属于半导体材料，因为它们在一定的波段是光学透明的，又可以称它们为光学陶瓷。
除过少数半导体红外光学材料（如Ge 、Si ）外，光学陶瓷在电学上都是绝缘体。
因而也是热的不良导体（有少数例外，如金刚石）。
在红外光学材料的应用中，除光学性能必须要考虑以外，力学性能、热学性能和化学性能也要同时考虑。
尤其是，在严酷环境中使用的窗口和整流罩，力学性能和热学性能则体现在抗热冲击的能力、抗沙粒腐蚀和抗雨滴腐蚀的能力上。
因此，为某一特定用途而选择红外光学材料时，要折中考虑。
本章对目前使用或研制的一些红外光学材料的力学和热学性质以及抗热冲击、抗沙蚀、抗雨蚀的实验结果作一介绍和分析。
在一些性质上力求能给出较为准确的参考值。
3.2.红外光学材料一般力学和热学性质这里对表征红外光学材料力学性质和热学性质的参数作一简单的描述。
3.2.1弹性模量E 和泊松比ν一个横截面积为S ，长度为L 的圆柱光学陶瓷体，两端加紧，施加拉伸力F ，则作用于单位面积上的应力SF =σ。
在拉伸力作用下，陶瓷体内部各质点之间会发生相对位移，因而长度将从L 变为L L ∆+， L L ∆称为陶瓷体的应变，用ε表示。
注意一点是，当拉伸力消失，则陶瓷体长度又恢复到L ，陶瓷体的形变属于弹性形变。
当拉伸力超过某一临界值，发生断裂。
金属在拉伸的初始阶段呈现弹性形变。
当拉伸力达到一定程度出现塑性形变，继续增加拉伸力则发生塑性断裂。
图3-1表示了陶瓷和金属的断裂行为。
对于弹性形变，应力和应变遵守虎克定律，即E σε=（3-1） 或εσ=E （3-2） 式中：E 称为弹性模量（又称为杨氏模量）。
当受到剪切应力（τ）作用发生剪切应变（γ）时，有γτ=G （3-3） 式中：G 为剪切模量。
当受等静压力压缩时，压缩应力σ与体积应变εv 之间有vK εσ= （3-4） 式中：K 为体积弹性模量。
红外光学材料性能-总结归档
发展和展望： 1、对已研究的红外材料要着重开展工艺方面研究，以期获得更大尺寸、更高质量和更低成本； 2、要开展对光学级金刚石生长，蓝宝石近尺寸成型技术，ZnS/ZnSe复合材料、多晶氧化铝的研 究，填补国内技术空白。
红外窗口的综合性能指标主要由热破裂品质因子(M)和光畸变品质因子(Q)来表征。高马赫数导弹整流罩还有抗热冲击品质因子(R)
＜0.1@5 μ m
3500
0.8～1.2 @300 K
-
2050
4.4@300K（垂 直）
0.92@5μ m
0.33@296K 1.02@300K
0.124
0.78@300K
18@300K 74/70.9
63
21@300K 114/139
1
20@300K
35@300K（平行） 33@300K（垂直）
0.5/0.9 36.5 50/68
1 50/150 100～150
2~8
2.2/1.7/2
-
784±35%（a 轴）
200
105350±03～4%1（00c0
1.1/1.9 100-200
190
1.43/2-2.4 0.7/0.43 0.74/0.9
300
90-100
70-340
300/622
90
986～1079
340-460
9.6×10－6 @10.6 μ m
6~12
2135
5.6@300K 11.7@2000K
0.5@5 μ m
1.08@441K 0.88@300K 13.8@308K 14.6@300K
193
3
氮氧化铝 （AlON）
立方结构
无机光学传感材料的内禀光谱学特征
无机光学传感材料的内禀光谱学特征无机光学传感材料是一种具有广泛应用前景的新型材料。
其独特的物理和化学性质，使其在环境监测、医学诊断、生物分析等领域得到了广泛应用。
而无机光学传感材料的内禀光谱学特征，则是这些材料得以实现高灵敏度和高选择性的关键所在。
无机光学传感材料是一种非常特殊的材料，其内在的物理和化学性质与传统的无机材料不同。
这是因为，这种材料具有一定的结构和组成，其内部的光学谱特点，能够反映出其物理和化学性质的本质特征。
这些特征包括红外吸收谱、紫外可见吸收谱、拉曼散射光谱、荧光光谱等等。
在红外吸收谱方面，无机光学传感材料表现出了非常独特的特征。
其具有丰富的吸收峰和特征峰，可以用来识别材料中特定官能团的存在及其化学环境。
此外，红外吸收谱还可以用来检测材料的结晶度、晶体形态等物理性质。
一个典型的例子就是，以光催化材料TiO2为代表的半导体材料，其材料的红外吸收谱表现出的特征，在环境监测、污染物处理和气体检测等方面拥有极为广泛的应用。
在紫外可见吸收谱方面，无机光学传感材料也表现出了非常独特的特征。
其吸收峰在不同波长处的出现和消失，能够反映出材料中电子的运动和化学键的断裂情况，有助于对材料中化学反应的动力学过程进行深入的研究。
比如，氧化钛、氧化锌等典型的氧化物材料，就表现出了非常鲜明的紫外吸收谱特征。
这些特征对于其在太阳能电池、生物传感等领域中的应用具有非常重要的意义。
拉曼散射光谱是无机光学传感材料中另一个极为重要的光谱学技术。
它可以提供材料的分子振动光谱信息，在检测材料中分子的存在和形态方面具有非常广泛的应用。
比如，以石墨烯、单壁碳纳米管、氧化锌等为代表的纳米材料，其很多特性都可以通过拉曼散射光谱进行表征。
同时，拉曼光谱技术还可以用来研究材料的光学性质、电子输运性质等。
荧光光谱是无机光学传感材料中又一种极为重要的光谱学技术。
它可以在分子水平上研究材料的能量传递、电荷转移、分子间的相互作用等，对于研究材料的发光机制、材料结构及其组成具有重要的意义。
材料的红外光学性能
折射率和色散是红外光学材料的另一重要特性。首先，折射率和反射率损失密切相关，折射率越大，反射损失也越高。其次，对于不同用途，对折射率有不同的要求。例如，对于制造窗口和整流罩的光学材料，为了减少反射损失，要求折射率低一些；而用于制造高放大率、宽视场角光学系统中的棱镜、透镜及其他光学部件的材料则要求折射率要高一些。例如，有时为了消色差或其他像差，不但需要使用不同折射率的材料作为复合透镜，而且对色散也有一定要求。作为分光光度计中色散元件的棱镜，它的性能直接与材料的折射率和色散有关。
对整流材料的要求是在探测器相应波段内，整流罩必须有很高的透过率，自辐射应很小，以免产生假信号。有些材料在室温有很高的透过率，但高温时，由于只有载流子吸收增加，透过特性显著恶化（例如锗），这种材料就不能作为整流罩。整流是安装在飞机、导弹、飞船等高速飞行体的光学系统的前部，由于空气动力加热，整流罩的温度是很高的，因此，要求整流罩的溶点、软化温度要高，并且材料的热稳定性要好，要能经受得住热冲击。整流罩得硬度要大，这样，一方面有利于加工、研磨和抛光，另一方面不至于被飞扬的尘土和沙石所擦伤。由于整流罩暴露在空气中，因此化学稳定性要好，要能防止大气中的盐溶液或腐蚀性气体的腐蚀，并且不怕潮解。应当特别指出的一点是：一般的窗口尺寸较小，而整流罩的尺寸往往较大（直径几十毫米到几百毫米），并且折射率要连续，以免发生散射。因此，常常要求整流罩用单晶或折射率在晶粒间界没有突变的均匀的多晶制成。整流罩的曲线率往往很大，因此要有足够的强度，以便于加工、装配，并且经受住震动和气浪。
材料的红外光学性能
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2008年7月19日，为了保障北 年 月 日 京奥运会的顺利举办， 京奥运会的顺利举办，“鸟巢 的外围栏开始安装红外对射 “的外围栏开始安装 报警器，一排排黑色胶棒为奥 一排排黑色胶棒为奥 运场馆又增加了一道安全的屏 据悉，北京奥运会期间， 障。据悉，北京奥运会期间， 所有奥运场馆外围围栏全部设 置红外对射报警器， 置红外对射报警器，可及时发 现侵入人员，并发出警报。 现侵入人员，并发出警报。
无 线 红 外 报 警 装 置 Nhomakorabea20世纪 年代以前主要用来做学术研究；其后发现，每 世纪30年代以前主要用来做学术研究 其后发现， 世纪 年代以前主要用来做学术研究； 种处于0K以上的物体均发射特征电磁波辐射 以上的物体均发射特征电磁波辐射（ 种处于 以上的物体均发射特征电磁波辐射（由于原子和 分子结构内部的热运动， 分子结构内部的热运动，而向外界辐射包括红外波段在内 的电磁波能量 .）并主要位于电磁波谱的红外区域 ）并主要位于电磁波谱的红外区域----这个 这个 特征被用于军事观察和测定肉眼看不见的物体具有特殊意 特征被用于军事观察和测定肉眼看不见的物体具有特殊意 义。
红外线照射体表后，一部分被反射 反射，另一部分被皮肤吸收。 反射 皮肤对红外线的反射程度与色素沉着的状况有关，. 由于眼球 眼球含有较多的液体，对红外线吸收较强，因而一定强度 眼球 的红外线直接照射眼睛时可引起白内障 白内障。 白内障
红外探测技术在现代国防技术中占有十分重要的地位， 红外探测技术在现代国防技术中占有十分重要的地位，各种 导弹的制造，红外预警（包括探测、识别和跟踪、预警卫星、 导弹的制造，红外预警（包括探测、识别和跟踪、预警卫星、 预测飞机、各种侦察机等）、观察瞄准（高能束拦截武器等） ）、观察瞄准 预测飞机、各种侦察机等）、观察瞄准（高能束拦截武器等） 都离不开红外探测技术。 都离不开红外探测技术。海湾战争中被美国击落的飞机， 40%左右是由红外制导的空/空导弹击中的. 红外制导:是利用红外探测器捕获和跟踪目标自身辐射的能 红外制导 量来实现寻地制导的技术。红外制导技术是精确制导武器一 个十分重要的技术手段 。国外红外技术的发展，都是以红外 国外红外技术的发展， 国外红外技术的发展 探测器，特别是红外探测器材料（简称红外材料） 探测器，特别是红外探测器材料（简称红外材料）的发展为 先导和标志的。红外材料是红外光电探测技术的基础， 先导和标志的。红外材料是红外光电探测技术的基础，在红 外技术的研究中有举足轻重的地位。 外技术的研究中有举足轻重的地位。 红外材料包括硫化铅、锑化铟、锗掺杂（ 红外材料包括硫化铅、锑化铟、锗掺杂（金、汞）、 包括硫化铅
红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种， 德国科学家霍胥尔于 红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由德国科学家霍胥尔于 太阳光线中众多不可见光线中的一种 科学家霍胥尔 1800年发现，又称为红外热辐射 他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不 年发现， 他将太阳光用三棱镜分解开， 年发现 又称为红外热辐射,他将太阳光用三棱镜分解开 同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。 同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。 结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。因此得到结论： 结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。因此得到结论：太阳光 谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。 谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。也可以当作传 输之媒界。 太阳光谱上红外线的波长大于可见光线 波长为 上红外线的波长大于可见光线， 输之媒界。 太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.75～ ～ 1000µm。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为 。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.75～1.50µm之 ～ 之 中红外线，波长为1.50～6.0µm之间；远红外线，波长为 之间； 间；中红外线，波长为 ～ 之间 远红外线，波长为6.0～ ～ l000µm 之间。 之间。