第五章 材料的光学性质
材料物理导论
《材料物理导论》习题解答第一章材料的力学1. 一圆杆的直径为2.5 mm、长度为25cm并受到4500N的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：根据题意可得下表2. 一试样长40cm,宽10cm,厚1cm，受到应力为1000N拉力，其杨氏模量为3.5×109 N/m2，能伸长多少厘米?3. 一材料在室温时的杨氏模量为3.5×108 N/m2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。
5. 一陶瓷含体积百分比为95%的Al2O3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
8. 一试样受到拉应力为1.0×103 N/m2,10秒种后试样长度为原始长度的1.15倍,移去外力后试样的长度为原始长度的1.10倍,若可用单一Maxwell模型来描述,求其松弛时间τ值。
第二章材料的热学9.一硅酸铝玻璃的性能为=2.1J/(㎡▪s▪K)，α=4.6×/K,σf=N/㎡,E=N/㎡,μ=0.25.求第一和第二抗热冲击断裂因子和。
10.一热机部件由氮化硅制成，导热率为1.84J/(㎡▪s▪K)，最大厚度=0.12m,表面热传导系数为500J/(㎡▪s▪K)，请估算能承受热冲击的最大允许温差。
第三章材料的电学20.如果A原子的原子半径为B原子的两倍，那么在其他条件都相同的情况下，A原子的电子极化率大约是B原子的多少倍？25、画出典型铁电体的电滞回线示意图，并用有关机制解释引起非线性关系的原因。
解：铁电体晶体在整体上呈现自发极化，这意味着在正负端分别有一层正的和负的束缚电荷。
束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高。
在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还能使应变能增加。
八年级物理上册第五章第一节透镜
80%
应用
在光学实验中，常常通过光心来 调整光路，以保证实验结果的准 确性。
透镜的光路
定义
透镜的光路是指光线通过透镜 后的传播路径。
性质
光线通过透镜后会发生折射、 反射、聚焦等现象，光路的性 质取决于透镜的形状和光线的 入射角。
应用
在光学仪器、摄影等领域中， 透镜的光路是至关重要的，不 同的光路会导致不同的成像效 果。
理解透镜焦距与成像 性质的关系。
实验器材
凸透镜、凹透镜各一个 光屏、光源、光具座
直尺、笔记本和笔
实验步骤与记录
01
步骤一
安装光具座，调整光源、 透镜和光屏的位置，确保 它们在同一高度上。
02
03
04
05
步骤二
将凸透镜放置在光具座上 ，调整光源和光屏的位置 ，观察并记录成像情况。 改变光源的位置，观察并 记录成像的变化。
步骤三
将凹透镜放置在光具座上 ，重复步骤二的操作，观 察并记录成像情况。改变 光源的位置，观察并记录 成像的变化。
步骤四
根据实验结果，分析并归 纳出不同类型透镜的成像 规律。比较透镜焦距与成 像性质的关系，得出结论 。
记录
在笔记本上详细记录每个 步骤的实验过程和结果， 包括成像的性质、光源位 置和透镜焦距等信息。分 析实验数据，得出结论并 与理论知识进行对比。
一倍焦距以内
正立放大的虚像 当物体位于一倍焦距以内时，透镜成正立、放大的虚像，像位于无限远。
像的特点是正立、放大、虚像，且物距小于像距。
04
透镜的实际应用
照相机
照相机是利用透镜将景物反射的光线聚焦在胶片上 ，形成倒立、缩小的实像，从而记录下景物的影像 。
照相机的镜头通常由多个透镜组成，能够调节焦距 ，使拍摄的景物清晰。
材料的光学性质PPT课件
Company Logo
基本公式：
v
光波在不同介质中的传播速度不同，而光振动的频率不变，因此 相同频率的光波在不同介质中可有不同的波长。如果不特别说明， 通常使用的是真空中的波长值。
Company Logo
电磁波在介质中的速度：
构成材料元素的离子半径
材料的结构、晶型和非晶态
材料所受的内应力
同质异构体
Company Logo
构成材料元素的离子半径
介质的折射率随介质的介电常数ε的增大而增大。 ε与 介质的极化现象有关。当光的电磁辐射作用到介质上时， 介质的原子受到外加电场的作用而极化，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。外电场越强，原子正负电荷中心居里 愈大。由于电磁辐射和原子的电子体系的相互作用，光波 被减速了。
同质异构体
在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时 存在的晶型折射率较高。
Company Logo
2. 折射率与传播速度的关系
材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。 两种介质相比，折射率较大者，光的传播速度较慢，称为 光密介质；折射率较小者，光的传播速度较快，称为光疏 介质。
当光沿晶体光轴入射时，只有n0存在；与光轴方向垂 直入射时，ne达最大值，此值视为材料特性。
Company Logo
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。
Company Logo
Company Logo
3. 反射率和透射率
反射光的功率对入射光的功率之比称为反射率（有时 也称反射比）。经过折射进入第二介质的光为透射光，透 射光与入射光之比称为透射率。
材料性能学光学性能..
(W1 / W ) ( A1s / As ) 2 sin 2 (i r ) / sin 2 (i r ) (W1 / W ) // ( A1 p / A p ) 2 tan2 (i r ) / tan2 (i r )
自然光在各个方向振动机会均等，可以认为一半能量属于入 射面平行的振动，另一半属于同入射面，所以总能流之比为： W1/W=1/2[sin2(i-r)/sin2(i+r)+tan2(i-r)/tan2(i+r)]
W1/W=[(n21-1)/(n21+1)]2=R 1－R为透射系数。光透过的界面越多，且材料的折射率相 差越大，界面反射就越严重。
5、全反射 当光从光密介质进入光疏介质时，折射角 r大于入射角I。 当Байду номын сангаас为某值时，r可达到90,相当于光线平行于表面传播。；对 于更大的I值，光线全部反射回光密介质。全反射的临界角为 sini临界＝1/n1 大于临界角，光线全反射，无折射能量损失。光纤通讯正 是利用这个特性。
I=I0e-βx
光强度随介质厚度变化而不断衰减，这一规律称为 Lambert 定律。I0未初始光强，I未透射后的强度；x为材料厚度；β为吸 收系数，单位为cm-1. 透射率为T=I/I0=e-βx,一般表示为T=(1-R)2 e-βx 不同材料的吸收系数有很大不同，空气一般为 10-5cm-1；玻璃 为10-2cm-1；而金属达到几十万，所以金属实际上是不透明的。 材料对可见光的吸收强弱取决于电磁波的波长。金属对可见 光吸收强烈是因为金属中价电子处于未满带，吸收光子后为激 活态，而不用跃迁到导带，在电磁波谱的可见光区内，金属和 半导体的吸收系数都很大；对于电介质材料，吸收系数很小， 这是因为电介质中的价电子是填满的，不能吸收可见光的能量 而自由运动，而光子的能量不足以使价电子跃迁到导带，所以 这一波谱吸收系数很小。 吸收分为选择性吸收和均匀吸收。
第五章 色散型光谱技术及分析
92
石英窗吸收的限制，通常紫外光区波长的有效范围一般为 200～375nm。它们属于气体放电 光源，灯内氢气压力为 102Pa 时，用稳压电源供电，放电十分稳定，光强度大且恒定。氘灯 的灯管内充有氢同位素氘，其光谱分布与氢灯类似，但光强度比氢灯大 3～5 倍，是紫外光 区应用最广泛的一种光源。
可见光区最常见的连续光源就是上面提到的溴钨灯、钨灯或碘钨灯。钨灯和碘钨灯可使 用的波长范围为 340～2500nm。它们属于热辐射光源，这类光源的辐射强度与施加的外加电 压有关，在可见光区，辐射的强度与工作电压的 4 次方成正比，光电流也与灯丝电压的 n 次方(n＞1)成正比。因此，使用时必须严格控制灯丝电压，必要时须配备稳压装置，以保证 光源的稳定。
第五章 色散型光谱技术及分析
材料的光学性质是通过光谱学方法获得的。传统的色散型光谱技术包括散射光谱、反射 光谱、吸收光谱、发射光谱、荧光光谱及激发光谱等。色散型光谱技术的基本组成部分是： 光源、样品装置、色散型光谱仪。色散型光谱仪是光谱技术的基础，棱镜和光栅是基本的色 散元件。现代光谱仪主要用光栅来分光。根据测量波段的不同，要求使用不同的色散元件、 聚光元件(透镜与反射镜)和探侧器。色散型光谱仪分为真空紫外、紫外—可见—近红外及中 远红外光谱仪。除了色散元件以外，一台光谱仪还包括光路系统、狭缝、探测器以及数据处 理系统等。因此，一台光谱仪是光(光路)—机(机械)—电(电子和电脑)一体化。此外，对光谱 仪还要求能够进行时间和空间分辨的测量，时间分辨已经达到飞秒(10-15 秒)，采用近场光谱 技术可以提高空间分辨的本领，人们正在努力实现纳米级的空间分辨测量。
体激光正好与 Nd3+离子的强吸收匹配，因此可做成小型紧凑高性能的 YAG 激光器。
钛宝石激光器是一种室温工作的可调谐激光器。其工作物质钛宝石与红宝石具有相同的
05.1 光的基本性质及宝石的光学性质
现代科学证实，光具有波粒二像性，只有将 光的波动理论与光的量子理论结合起来，才能对
光的本质进行完整的解释。
第二节
自然光与偏振光
1.自然光 一切从光源直接发出的光波，统称为自然光，如 太阳光、灯光等。
2.偏振光 在垂直光波传播方向的某一固定平面内沿一固 定方向振动的光波称为平面偏振光，简称偏振光 或偏光。如图1—3—4所示，偏振光的振动方向 与传播方向构成的平面称振动面。
一轴晶宝石，在平行光轴或平行光轴面 的面内，多色性表现最明显（二色性），垂 直光轴的平面则不显多色性；其它方向的平 面的多色性的明显程度介于上述二者之间。
二轴晶彩色宝石可以有三个主要颜色（三 色性），它们分别与光率体三个主轴ng 、 nm 、 np相对应。 在平行光轴面的切面中多色性最明显，它 的两个颜色分别与ng和np相当，在垂直光 轴的切面上只显示一种颜色，此颜色与nm 相对应。
光的量子理论 普朗克在1900年提出了光的量子理论，认为 各种频率的光只能不连续地被发射和吸收，即光具 有粒子性，能量是不连续的，是量子化的。 爱因斯坦进一步提出，光的辐射场也是量子化 的，光在空间传播也具有粒子性，即一束光是一束 以光速运动的粒子流，这些粒子称为光量子，或光 子，不同频率的光子具有不同的能量。 光的粒子性很好地解释了光的直线传播、光的 折射和反射，能解释宝石的颜色成因，以及荧光、 磷光等现象。
3.光的散射 散射是指由传播介质的不均匀性引起的光线 向四面八方射去的现象。
若散射中心非常小，即引起散射的粒子小于光的波 长（d<λ）时，这种散射称为瑞利散射。 在瑞利散射中，散射强度与光的波长成反比。 所散射的高能光波为蓝紫色光，橙红色光大多不被 散射，因此所见侧光多呈浅蓝色。
材料的光学性质PPT课件
此为可见光，呈黄色。
热辐射
• 当材料开始加热时，电子被热激发到较高 能态。当它们跳回正常能级时就会发射出 低能长波光子（红外线），波长位于可见 光之外。温度增加发射有短波光子，材料 开始显示红、橙、黄的混合颜色。在高温 下材料辐射所有可见光的光子，所以成为 白光辐射，即看到材料呈白亮色。
hc Eg
算得能通过的最短波长。因而得知Si和Ge对较短 的波长（如可见光）是不透过的，产生吸收。而 对于波长较长的红外线则是透过的。
掺杂半导体的光吸收
• 如果是掺杂半导体，只要光子的能量大于施主和 受主能级，（Ed和Ea），就会产生吸收。
• 根据能隙标准判断时，绝缘体和多数半导 体，其对于长波长的光子是能透过的，因 而是透明的。然而一些杂质会产生施主和 受主能级，另一些缺陷象气孔和晶界可使 光子被散射，使材料变得不透明。结晶的 聚合物就比无定形聚合物更容易吸收光子。
长成反比，与频率成正比。当电子吸收光子时每次总是吸 收一个光子，而不能只吸收光子的一部分。
光的速度
• 电磁波在真空中的传播速度为c=3×108m/s
c 1 00
式中ε0、μ0分别为真空中的介电常数和磁导率 • 当光在介质中传播时，其速度v由下式决定
v c
rr
式中εr、μr分别为介质的介电常数和磁导率 • c与v的比值称为介质的折射率n
• 公路交通中应用的夜间路标都用长余辉的 磷光体。
• 例题 ZnS的能隙为，要激发ZnS的电子需要光子的波长使多少？如在ZnS中加 入杂质，使之在导带下的处产生一能量陷阱，试问发光时的波长是多少？
解：（1）激发电子进入导带的最大波长为
这个波长相 当E h 于g紫 c( 外6 ( .线6 3 .5 。 2 1 )1 4 .( 6 3 0 )4 1 3 ( 1 1 0 )9 8)0 m 3 .5 0 1 6 7 0 m 35 A 06
材料的光学性质
材料的光学性质光学是一门研究光的传播、相互作用以及对物质的影响的学科。
作为光学中的一个重要领域，材料的光学性质对科学研究和工程应用有着深远的影响。
在我们日常生活中，我们可以观察到许多材料对光的传播和反射具有不同的性质。
这些性质对光的使用和光学设备的设计具有重要的意义。
首先，材料的折射率是光学性质的一个重要参数。
折射率描述了光在材料中传播速度的相对差异。
当光从一个介质进入另一个介质时，会发生折射。
不同材料的折射率不同，这导致了光在不同材料之间的传播方向发生改变。
折射率的大小和材料的性质密切相关，不同的材料对光的传播具有不同的速度和偏向性。
折射率的控制对于光学器件如透镜、光纤等的设计和制造是至关重要的。
其次，材料的吸收特性也是光学性质中的一个关键点。
吸收是指材料对光的能量进行吸收和转化的过程。
当光通过材料时，部分光能可能会被材料中的电子吸收，导致电子的能级发生变化。
吸收过程可以使材料发生加热、发光等现象。
不同材料对不同波长的光有着不同的吸收特性，这也是光学材料在多个领域的应用之一。
如太阳能电池就利用材料的吸收特性将光能转化为电能。
此外，材料的散射特性也是光学性质中的一个重要方面。
散射是指光在材料内部或表面上发生的方向改变的过程。
材料中微小的结构和不均匀性会引起光的散射，使光的传播方向发生随机改变。
散射会导致光在材料中的传播距离缩短，对于光在材料中的可见性和透明性产生重要影响。
例如，云朵中水汽的散射作用使得阳光散开形成彩虹的现象。
材料的光学性质还涉及其他因素，如反射、透射、偏振等。
反射是指光从材料表面发生反射的现象，其反射率取决于材料的光学特性和入射角度。
透射是指光从材料中穿过的过程，透射率也取决于材料的特性。
光的偏振描述了光的振动方向，不同材料对不同偏振方向的光的影响也是研究的重点之一。
总结起来，材料的光学性质是光学研究和光学应用中的关键要素之一。
折射率、吸收、散射、反射、透射和偏振等性质的研究和理解对于光学器件、光纤通信、太阳能电池、光学成像等领域的发展都具有重要的意义。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
。。。
5.1 材料的透光性
折射率与波长的关系（以金刚石为例）
纳米多孔材料的折射率
纳米多孔薄膜
纳米多孔材料的透射光谱
纳米多孔材料的折射率 n2=xn12+(1-x)n22
n1为空气的折射率，为1 n2为材料的折射率 x为空气的体积百分比。
光学薄膜
• 光学薄膜按应用分为反射膜、 增透膜、滤光膜、光学保护膜、 偏振膜、分光膜和位相膜。常 用的是前4种。光学反射膜用 以增加镜面反射率，常用来制 造反光、折光和共振腔器件。 光学增透膜沉积在光学元件表 面，用以减少表面反射，增加 光学系统透射，又称减反射膜。 光学滤光膜用来进行光谱或其 他光性分割，其种类多，结构 复杂。光学保护膜沉积在金属 或其他软性易侵蚀材料或薄膜 表面，用以增加其强度或稳定 性，改进光学性质。最常见的 是金属镜面的保护膜。
第五章 材料的光学
新兴产业中的光学材料
平板显示
液晶显示
OL
球泡
灯条
平板灯
灯箱广告
路灯
太阳能电池
单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池 薄膜硅太阳能电池 CIGS薄膜太阳能电池 染料敏化太阳能电池 有机太阳能电池
太阳能光热发电
塔式
槽式
碟式
光纤通信
激光器 吸波隐身材料
节能灯
LED灯
长余辉材料（夜光粉）的应用
塑料光纤
半透明材料的应用举例
LED灯管
LED球泡灯罩
LED平板灯
技术要求
• 具有较高的雾度，Haze>85%。将点光源变 换成面光源。消除hotspot, 防眩光。 • 具有较高的透光性，Rt>90%,光能量损失小。 • 色均匀性高，没有色散效应。 • 空间色均衡性高，不产生空间色散。
采用不良材料的产品
无机荧光粉
荧光粉是一种在紫外线、可见辐射和电场作用下引起发光的物质。20世纪初人们在 研究放电现象过程中发现荧光粉，有多种颜色，主要用于弱照明光源和发光材料。 稀土三基色荧光粉中,红粉为铕激活的氧化钇(Y2O3:Eu),绿粉为铈、铽激活的铝酸盐 (MgAl11O19:Ce,Tb),蓝粉为低价铕激活的铝酸钡镁(BaMg2Al16O27:Eu)。