浙大材料物理性能-光学性能第一节
第三章光学性能PPT课件
人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。
第二节 光的反射和折射
①光在均匀介质中的直线传播定律；
②光通过两种介质的分界面时的反射定律 和折射定律；
③光的独立传播定律和光路可逆性原理。 •反射定律指出，反射线的方向遵从：
①反射线和入射线位于同一平面（即入射 面）内，并分别处在法线的两侧；
②反射角等于入射角。
如果第一介质为真空，则上式可写为
sini/sinr=n2
式中n2为第一介质相对于真空的相对折 射率，或第二介质的绝对折射率，简称
折射率。
折射率n的定义：
光在真空和材料中的速度之比即为材料 的折射率。
n=v真空/v材料=c/ v材
介质料的折射率永远是大于1的正数。
如空气 n=1.003， 固体氧化物 n=1.3～2.7， 硅酸盐玻璃 n=1.5~1.9。
第一节 光传播的基本理论
一、光的波粒二象性 二、光的波动性 三、光的干涉和衍射 四、光子的能量和动量 五、光通过固体的现象
一、光的波粒二象性
因斯坦理论中的光量子(光子)不同于牛顿微粒学说中的粒 子。他将光子的能量、动量等表征粒子性质的物理量与频 率、波长等表征波动性质的物理量联系起来，并建立了定 量关系。因此光子是同时具有微粒和波动两种属性的特殊 物质，是光的双重本性的统一。
方解石no=1.658，ne=1.486 刚玉no=1.760.，ne=1.768
❖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，平行于主应力方向的n小。
❖同质异构体
在同质异构体材料中，高温时的晶型折射 率较低，低温时存在的晶型折射率高。如：
常温下的石英玻璃 n=1.46，最小 常温下的石英晶体 n=1.55，最大 高温时磷石英 n=1.47 高温时方石英 n=1.49
1-《材料物理性能》-第一章-概论
材料物理性能第一章：概论本节主要内容(一)材料及其性能研究的重要性(二)知识体系1、材料的概念2、材料的分类3、材料科学与工程专业(三)课程简介(四)第一章：材料物理性能概论材料及其性能研究：贯穿于整个人类的文明史。
人类使用的材料，决定了人类的文明程度。
实质上——主要取决于材料的性能如何。
材料的重要性Michael Faraday 电气时代:电磁材料超级计算机个人电脑材料是信息社会的基石！传感器件半导体芯片半导体技术液晶材料光学材料金属、高分子材料磁性材料移动通讯数码拍照拍照功能显示功能外壳信号接受对话功能电子线路照片存储介电材料移动网络语音、视频本节主要内容(一)材料及其性能研究的重要性(二)知识体系1、材料的概念2、材料的分类3、材料科学与工程专业(三)课程简介(四)第一章：材料物理性能概论◼材料(materials)的概念：➢材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用物品的物质。
➢材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质的统称。
材料是人类赖以生存和发展的物质基础,与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。
20世纪70年代，把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。
80年代，以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。
◼材料的分类：➢按照人为加工程度区分：✓天然材料：自然界原来就有未经加工或基本不加工可直接使用•如棉花、沙子、石材、蚕丝、煤矿、石油、铁矿、羊毛✓合成材料：人为把不同物质经化学方法或聚合作用加工而成•如塑料、合成纤维和合成橡胶天然材料材料合成材料◼材料的分类：➢按照物理化学属性区分：✓金属材料✓无机非金属材料✓有机高分子材料✓复合材料➢按照用途区分：✓建筑材料、电子材料✓航空航天材料、核材料✓生物材料、能源材料✓。
金条铜阀玻璃水泥高分子材料碳纤维复合材料◼材料的分类：➢按照结晶状态区分：✓晶体(单晶、多晶)：短程有序，长程有序✓非晶：短程有序，长程无序✓准晶：介于晶体和非晶之间，长程有序，但无平移对称性(如：5次旋转对称性)✓液晶：由固态向液态转化过程中存在的取向有序流体非晶玻璃NaCl 晶体2011诺贝尔化学奖“发现准晶体”[铝锰合金]达尼埃尔·谢赫特曼◼材料的分类：➢按照使用性能区分：◼复杂性能◼化学性能◼物理性能◼力学性能③使用性能②工艺性能①复合性能③抗渗入性②耐腐蚀性①抗氧化性④刚性③延性②韧性①强度⑥辐照性能⑤声学性能④光学性能③磁学性能②电学性能①热学性能结构材料功能材料新材料？知识体系◼材料科学与工程：是关于材料的➢组成与结构（composition and structure ）➢合成与加工（synthesis and processing ）➢基本性质（proporties ）➢与服役性能（performance ）这四个要素➢以及它们两两之间的互相联系的学科。
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。
材料性能学课件第十一章 材料的光学性能
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
材料热学性能unit1-浙江大学材料物理性能笔记
1．1.晶格振动热容，热膨胀，热传导等热学性能都与晶格振动相关。
相邻原子的相位差：ak. a 为晶格常数，K 为相位差常数（波数/波矢）。
热激发时，每个原子在平衡位置附近振动，会通过邻近原子以行波的形式在晶体内传播，这种波称为格波格波: λ=2π/K ，v=w/KK ∈（-π/a, π/a ）——>布里渊区——>保证Xn 单值性①波矢K 取值的有限性格波的特性 ②存在色散关系：当λ>>a ，晶格可看成连续介质，格波可看成弹性波 K 很大时，波长很短，介质不能看成连续③波矢取值的分立性周期性边界条件：边界对内部原子振动状态的影响。
声子：把量子化的格波看成的某种微粒。
晶格振动能量=∑各声子的能量一维复式格子与一维单式格子的不同点是一个波矢对应两个独立的频率，存在两种色散关系。
波矢K 的取值需要限制在[-π/2a ，π/2a]之间，这个范围就是一维双原子链的布里渊区 w1:K=+π/2a w1max=1/2m β；K=0，w1min=0.w2:K=+π/2a w2min=2/2m β；K=0，w2max=)21/()212m m m m +（β.=u /2β u 为折合质量ω2：处于光频范围(红外区)，光频支或光频波ω1：以声波形式出现的驻波，声频支或声频波声学波与光学波的区别。
前者是相邻原子的振动方向相同，波长很长时，格波为晶胞中心在振动，可以看作连续介质的弹性波；后者是相邻原子的振动方向相反，波长很长时，晶胞中心不动，晶胞中的原子作相对振动(ω1)max 和(ω2)min 之间的频率区间不存在格波，故称为“禁止”频率（或能量）区。
质量比（M/m ）愈大，两支波之间频率间隙Δω愈宽一维单原子晶格： N 个原子组成，晶胞数为N ，波矢K 可取N 个不同值，自由度共有N 个(每个原子的自由度是1 )有N 个晶格振动频率（1个波矢K 对应1个振动频率）一维双原子晶格： 2N 个原子组成，晶胞数为N ，波矢K 可取N 个不同值，自由度共有2N 个(每个晶胞的自由度是2 )有2N 个晶格振动频率（1个波矢K 对应2个振动频率）因此有：晶格振动波矢数= 晶体所包含的原胞数晶格振动频率数= 晶体自由度数在恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要对外界做功，所以温度每提高1K需要吸收更多的热量，即CP > CV,固体热容与晶格振动有关。
材料的光学性能材料物理
线性光学性能
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。
P0xE
x为介质的极化率，0位真空介电常数。
材料的光学性能材料物理
§4.1 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
材料的光学性能材料物理
材料的光学性能材料物理
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
描述光学玻璃的色散还用平均色散（nF-nC）
c n
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
材料的光学性能材料物理
（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
……
材料的光学性能材料物理
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。
材料的光学性能材料物理
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
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
。
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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
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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。
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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
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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 。
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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。
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第四章材料光学性能
当光通过固体材料时，会发生透射、折射、反射、吸收、散射等现象，不同的材料具有不同的光学性能
同时，在电、声、磁、热、压力等外场作用下，材料的光学性能会发生变化，或者在光的作用下其结构和性能会发生变化，如发光材料、激光材料、光导材料、磁光材料、非线性光学材料等
1
人们对光学性能以及在材料中发生的光学现象的研究和应用，已经有很长的历史了。
人类很早就认识到用光可以传递信息，2000多年前我国就有了用光传递远距离信息烽火台
的设施—
2
等传递信息的方法
后来出现了用灯光闪烁、旗语
3
以发明电话而著称的发明家贝尔（A. G. Bell，1847∼1922）也在光通信方面作过贡献，1880年，他利用太阳光作光源，用硒晶体作为光接收器件，成功地进行了光电
米。
话的实验，通话距离最远达到了213
4
用大气作为传输介质，损耗很大，而且无法避免自然气象条件的影响和各种外界的干扰，最多只能传几百米远。
人们不得不寻求可以在封闭状态下传送光信号的办法
低损耗石英光纤的出现，实现了大容量、高速、长距离、低成本的光信息传输
现在不少发达国家又把光缆铺设到住宅前，实现了光纤到办公室、光纤到家庭
5
6
城市的绚丽灯光
7
地球夜景的卫星照片
激光光束
8
9
短波发光与激光材料在许多领域有着广泛而重要的应用价值，例如高密度的数据存储、海底通信、大屏幕显示（需要蓝绿光构造全色显示）、检测及激光医疗等
蓝色LED 和LD 的出现大大促进了高密度光学存储以及高分辨显示器、图象扫描仪、彩色打印机、生物医学诊断仪、遥感探测仪等的发展。
下图所示为蓝色发光二极管在紧凑、便携式发光显示器件中的应用
10安装在美国时代广场的GaN 蓝光LED
显示屏
玻璃制品可以显示出各种各样的颜色
11
13
第一节基本概论第二节折射和色散第三节反射和散射第四节吸收与颜色
第五节
其它光学现象、光学材料及其应用
本章主要内容
讨论与电磁辐射及其与固态材料相互作用相关的一些基本概念与原理 从光折射、反射、吸收、透射、辐射等性质来探讨金属和非金属材料的光学性能，并从导体、半导体和绝缘体的电子能带结构出发，揭示它们在光的作用下表现出不同光学特性的本质
对固体的发光、激光、非线性光学、光电转换等各种光学材料及其应用作一简要介绍
第一节基本概念
一、电磁辐射
光的本质是什么？
历史上有过很多争论。
现在，我们知道光具有波粒二象性，牛顿（I. Newton，1642∼1727）的微粒理论和惠更斯（C. Huygens，1629∼1695）的波动理论二者同时有效，前者有光电效应为其证明，后者有光的干涉现象作为例证
垂直并都垂直于波的传播方向
14
17
入射到固体表面的光辐射能流率为ϕ0，透射、吸收和反射光的辐射能流率分别为
ϕT 、ϕA 和ϕR ，则：
上式的另一种表达式为：
二、光和固体的相互作用
0T A R
ϕϕϕϕ=++光辐射能流率（单位为W/m 2）：表示单位时间内通过单位面积的能量
1
R τχ++=τ为透射率（ϕT /ϕ0）；χ为吸收率（ϕA /ϕ0）；R 为反射率（ϕR /ϕ0）
三、光和原子、电子的相互作用
固体材料中出现的光学现象是电磁辐射与固体材料中原子、离子或电子之间相互作用的结果。
其中最重要的两种作用是
1. 电子极化
电子极化：在可见光频率范围，电场分量
子云都会发生相互作用，引起极化，即
原子核的电荷中心发生相对位移
电子极化的结果：光线通过介质
时，一部分光子能量被吸收，同时
光波速度减小。
后者导致光的折射
19
电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态跃迁到另一种能态的过程
原子吸收了光子的能量之后，可能将E 2能级上的电子激发到能量较高的E 4空能级上去，电子发生的能量变化ΔE 与被吸收光子的频率有关：
2. 电子跃迁
4242
E E E h νΔ=−=式中ν42为光子振动频率。
能量的吸收是量子化的，即只有能量为ΔE 的光子才能被该原子通过电子跃迁而吸收
受激电子不可能无限长时间地保持在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态或低激发能级，同时发射出电磁波
20
金属对可见光是不透明的：在金属的电子能带结构中，费米能级以上存在许多准连续的空能级。
因而各种不同频率的可见光，即具有各种不同能量（ΔE ）的光子都能被吸收
四、材料光学性能概述
大部分被金属材料吸收的光又会从表面上以同样波长的光被发射出来，表现为反射光。
大多数金属的反射率为0.9～0.95。
肉眼看到的金属颜色不是由吸收光的波长决定的，而是由反射光的波长决定的
非金属材料对于可见光可能是透明的，也可能不透明。
因此，除反射和吸收以外，还应考虑折射和透射。