3 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
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
光强度随穿过介质厚度的变化符合指数衰减规律。
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4K/
：物质对光的吸收系数，单位为cm-1。K为吸收率。
取决于材料的性质和光的波长。越大，材料越厚，光就被吸收
的越多，透过后的光强度就越小。
不同材料， 差别很大。
空气： 10-5cm-1 玻璃： 10-2cm-1 金属： 为几万～几十万，所以金属实际上时不透明的。
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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。
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。
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2. 影响因素
散射系数与散射质点的大小、数量以及其与基体的相对 折射率等因素有关。
（1）质点大小 当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。
散射质点的体积分数不变：
材料的光学性能范文
材料的光学性能范文1.折射率：折射率是材料对光的折射程度的度量。
光在从一种介质进入另一种介质时，其传播速度和方向都会发生变化。
折射率决定了光线在材料中的传播速度和传播方向。
折射率较高的材料能够更好地将光束聚焦在一点上，适用于透镜和光纤等光学元件。
2.反射率：反射率是材料对光的反射程度的度量。
当光线遇到界面时，一部分光会被反射回来，另一部分光会被透射到下一种介质中。
反射率取决于入射角度和材料的电学和磁学性质。
高反射率的材料被广泛应用于反射镜和光学薄膜。
3.透射率：透射率是材料对光的透过程度的度量。
透射率取决于材料吸收、散射和折射等因素。
透射率较高的材料能够有效地传递光线，适用于光学器件和光学通信。
4.吸收率：吸收率是材料对光的吸收程度的度量。
当光线遇到材料时，一部分光会被材料吸收，转化为热能或电能。
吸收率取决于材料的能带结构和光的频率。
高吸收率的材料可用于太阳能电池和光热转换器等应用。
5.散射：散射是光在材料中遇到不均匀性或微观结构时的改变方向的现象。
散射会使得光在材料中的传播路径变得随机，并且会减弱光的强度。
散射现象在光学材料中常见，如毛玻璃和雾气等。
6.极化特性：光的极化特性是指在一个特定的方向上振动的光。
材料对光的极化特性会影响光的传播速度和方向。
在光学器件中，设计材料的极化特性可以改变光束的偏振状态。
7.发光特性：发光特性是指材料在受到外部能量激发后产生可见光的能力。
发光特性涉及材料的能带结构和能级跃迁等。
许多光电子器件和发光二极管都利用材料的发光特性。
总之，材料的光学性能是多方面因素综合作用的结果，包括折射率、反射率、透射率、吸收率、散射、极化特性和发光特性等。
这些性能对于光学器件设计和应用至关重要，可以实现光信息的传递、控制和转换等功能。
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。
第四章 材料的光学性能
（2）
由于电子极化影响介电常数，而光在介质中传播的速 度与介电常数ε 有关,所以电子极化对光学性能有很大影 响。
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，把光当成粒子来看待，称为光子。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，而是与其频率v 有关。 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； 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。正是由于它们彼此间能量交换的这 种“苛刻”条件，所以不同的材料具有完全不同的光 学性能。
磷光材料一般由二部分组成：基体和激活剂。 磷光材料一般由二部分组成：基体和激活剂。基 体常是金属硫化物， CaS,BaS,ZnS,CdS等 体常是金属硫化物，如CaS,BaS,ZnS,CdS等; 激活剂 主要是金属,根据不同的基体, 激活剂有所不同( 主要是金属,根据不同的基体, 激活剂有所不同(表317) 发光激发源也可以有多种，如电子激发、 17)。发光激发源也可以有多种，如电子激发、紫外 线激发、 射线激发和红外激发。 线激发、X射线激发和红外激发。发光的颜色也可以 选择。 选择。另外对于磷光材料使用上还要考虑其与附着材 料的结合强度及适当的余辉时间。 料的结合强度及适当的余辉时间。余辉时间指的是发 光后其强度降到原强度的1/10所需时间, 1/10所需时间 光后其强度降到原强度的1/10所需时间,在雷达上就 要求使用长余辉材料。 要求使用长余辉材料。 在此特别要指出的是许多材料加热到高温后也能 发光， 发光，这是由于电子被热激发到较高能级后回到正常 能级发射光子，这种现象称之为热辐射 热辐射。 能级发射光子，这种现象称之为热辐射。热辐射材料 的颜色随温度变化， 的颜色随温度变化，这也就是炼钢工人根据钢水颜色 估计钢水温度的原理所在。 估计钢水温度的原理所在。
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。
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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4.8110 4 ~5.0110 4 610
5.0110 4 ~5.4110 4 570
5.41104 ~6.11104 540
6.11104 ~6.41104 480
6.4110 4 ~6.6110 4 460
6.6110 4 ~7.5110 4 430
人眼最为敏感的光是黄绿光，即 555 nm 附近。
4．同质异构体
在同质异构材料中，高温时的晶型折射率n较低，低 温时存在的晶型折射率n较高。
光的色散
6-5
材料的折射率随入射光的频率的减小(或波长的增加)而减 小的性质，称为光的色散(dispersion)。
凡在可见光范围内无色透明的物质，它们的色散曲线在形 式上很相似，这些曲线的共同特点是，折射率n以及色散率 dn/dλ的数值都随着波长的增加而单调下降，在波长很长时折 射率趋于定值，这种色散称为正常色散（normal dispersion）。
介质的n总是大于1的正数，例如空
气
，固体氧化物n=1.3~2.7，硅酸
盐玻璃
。
折射率与两种介质的性质和入射光的波长
有关。波长越长，折射率越小。
3.2.2 折射率的影响 因素
1．构成材料元素的离子半径
麦克斯韦电磁波理论认为光在介质中的传播速度 为：
式中：C—真空中光速，ε —介质介电常数， —介质导磁率
3.2 光的反射和折射 一、折射
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折射率。
如果光从材料1，通过界面传入材 料2时，与界面法向所形成的入射 角i，折射角r与两种材料的折射 率n1和n2有下述关系：
式中： 和 分别表示光在材料1及2中的传播速度， 为材料2相对于材料1的相对折射率。
光进入非均质介质时，一般都要分为振动方向相互 垂直、传播速度不等的两个波，它们分别构成两条折射 光线，这个现象称为双折射。双折射是非均质晶体的特 性，这类晶体的所有光学性能都和双折射有关。
上述两条折射光线，平行于入射面的光线的折射率， 称为常光折射率n0，不论入射光的入射角如何变化，n0 始终为一常数，因而常光折射率严格服从折射定律。另
图3-2 激光狭缝衍射实验
3.1.３ 光通过固体的现象（思考）
反射（能量的变化） 折射（光速的变化） 吸收（能量的变化） 散射（能量的变化） 透过（能量）
界
界
面
面
１
２
②③
①
④
I0
Ｉ
I1
I２
① 界面１反射 ② 吸收 ③ 散射 ④ 界面２反射
x
3.1.3 光通过固体现象
0AR
T R 1
电子极化
一条与之垂直的光线所构成的折射率，则随入射线
方向的改变而变化，称为非常光折射率ne，它不遵守折
射定律，随入射光的方向而变化。当光沿晶体光轴方向入
射时，只有n0存在，与光轴方向垂直入射时，ne达最大
值，此值是材料的特性。
3．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， 平行于受拉主应力方向的n小。
材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子 激发到较高能级上去，电子发生的能级变化∆E与电磁波频 率有关： ∆E=hν
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，同时发射出电磁波，即自 发辐射。
原子的能级和晶体的能带
图3-4孤立原子吸收光子后电子态转变示意图
和C谱线(589.3nm，486.1nm和656.3nm)为光 源，测得的折射率。
3.2 光的反射和折射 二、光的反射
电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量；
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；
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。
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；
折射定律
三线共面；
sin1 n2 sin2 n1
Hale Waihona Puke v1 v2n21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。
材料的折射率从本质上讲，反映了材料的电 磁结构（对非铁磁介质主要是电结构）在光 波作用下的极化性质或介电特性。
3.1.2 光的干涉和衍射
光的波动性主要表现在它有干涉、衍射及偏振 等特性。
双光束干涉(interference):指两束光相遇以后， 在光的叠加区，光强重新分布，出现明暗相问、 稳定的干涉条纹。
衍射(diffraction)(绕射):当光波传播遇到障碍物 时，在—定程度上能绕过障碍物而进入几何阴 影区，这种现象称为衍射。
对于无机材料电介质
，故
当离子半径增大时，其ε增大，因而n也增大。因此，可
以用大离子得到高n的材料，
，用小离子得到
低n的材料，如
。
2．材料的结构、晶型和非晶态
象非晶态和立方晶体这些各向同性材料，当光通 过时，光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折 射率，称为均质介质。但是除立方晶体以外的其他晶型， 都是非均质介质。
测量不同波长光线通过棱镜的最小偏向角，就可以算出棱 镜材料的折射率n与波长λ之间的关系曲线，即色散曲线。
6-6
实验表明，在发生强烈吸收的波段，色散曲 线发生明显的不连续，折射率n随着波长的增 加而增大，即dn/dλ> 0，这种在吸收带附近 与正常色散曲线大不相同的特征称之为反常色 散（anomalous dispersion）
尽管通常把这种色散称为反常色散，但实际 上它反映了物质在吸收区域内所普遍遵从的色 散规律。
图3-11 几种材料的色散
色散 dn
d
通常采用固定波长下的折射率来表达，色散系 数(abbe number)常用倒数相对色散，即
nD 1
nF nC 式中nD,nF和nC分别为以钠的谱线、氢的F谱线
3.1 光传播的基本性质
光的波粒二象性
可见光七彩颜色的波长和频率范围
光色 红 橙 黄 绿 青 兰 紫
波长(nm) 760~622 622~597 597~577 577~492 492~470 470~455 455~400
频率(Hz)
中心波长 (nm)
3.9110 4 ~4.8110 4 660