《材料的光学性能》PPT课件.ppt

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1、第五章材料的光学性能5.1光传播的基本理论一、光的波粒二象性根据电磁场的麦克斯韦方程组，可得出电磁波在介质中的速度C为电磁波在真空中的传播速度，r为介质相对介电常数，r为介质的相对磁导率，且0，0为真空介电常数、磁导率光在真空中的速度与介质中的速度之比n称为介质常数，这个介质常数决定了材料的光折射性质，称为介质的折射率二、光和物质的相互作用光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是电磁辐射的载体。光子还具有分立的动量：5.2.光的折射、反射、吸收和散射特性5.2.1．折射率1）定义光是具有一定波长的电磁波，光的折射可理解为光在介质中传播速度的降低而产生的（以真空中的光速为基础）。当光从真

2、空进入较致密的材料时,其速度是降低的。折射率定义为：光在真空和材料中的速度之比。即：n=v真空/v材料=c/v材料(5.1)62）绝对折射率与相对折射率（1）绝对折射率材料相对于真空中的折射率称为绝对折射率。一般将真空中的折射率定为1。（2）相对折射率材料相对于空气的折射率称为相对折射率：n′=va/v材料（3）绝对折射率与相对折射率的关系∵n=c/v材料则v材料=c/n又∵空气的绝对折射率为：na=c/va，则va=c/na∴因此，n=na·n′=1.00023n′22．两种材料间的相对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i1、折射角i2与两种材料的折射率

3、n1和n2现有下述关系：式中：v1及v2分别表示光在材料l及2中的传播速度，n21为材料2相对于材料l的相对折射率。3．影响折射率的因素1）构成材料元素的离子半径（1）折射率n与极化率的关系由于光是一种电磁波，所以根据马克斯威尔电磁波理论，光在介质中的传播速度应为：式中：c为真空中的光速，ε为介质的介电常数，μ为介质的导磁率。3(5.2)(5.3)根据(5．1)式和(5．3)式可得:由于在无机材料这样的电介质中，μ=1，ε≠l∴（5.5）（2）极化率与离子半径的关系当光通过材料时，必然引起内部质点的极化（变形），在可见光范围内，这种变化表现为离子或核外电子云的变形，而且，随着光波电场的交变

4、，电子云也反复来回变形。如下图:4(5.4)当离子半径增大时，其ε增大，因而n也随之增大2）材料的结构、晶型和晶态（1）均质介质如非晶态(无定型体)和立方晶体材料，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。（2）非均匀介质光进入非均质介质时，一般会产生双折射现象。双折射：当一束光通过一个介质时，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的现象。①常光折射率n0上述两条折射光线中，平行于入射面的光线的折射率称为常光折射率。特性：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。②非常光折射率ne与入射面垂直的光线的折射率

5、，称为非常光折射率。非常光折射率的特性：它不遵守折射定律，随入射光的方向而变化。53）同质异构体一般情况下，同质异构材料的高温晶型原子的密堆积程度低，因此折射率较低；低温晶型原子的密堆积程度高，因此折射率较高。以SiO2为例①石英晶体常温下的石英晶体，n=1.55，数值最大；高温时的鳞石英，n=1.47；方石英，n=l.49。②石英玻璃常温下的石英玻璃，n=1.46，数值最小。至于普通钠钙硅酸盐玻璃，n=1.51，比石英的折射率小。提高玻璃折射率的有效措施是掺入铅和钡的氧化物。例如含Pb090％(体积)的铅玻璃n=2.1。4）外界因素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

6、拉主应力方向的n小。因此产生双折射。测定材料中内应力的大小，常采用测定双折射的光程差的大小。65.3.2．反射率和透射率1．反射系数（反射率）当光投射到材料表面时一般产生反射、透过和吸收。这三种基本性质都与折射率有关。m（%）+A（%）+T（%）=100%1）反射系数的定义10设光的总能量流w为W=W′+W″（5.8）W，W′，W″分别为单位时间通过位面积的入射光、反射光和折射光的能量流。则，反射系数为m=W′/W。或：m=被反射的光强度/入射光强度=L/I02）反射系数与折射率的关系根据波动理论W∝A2vS(5.9)式中，A为入射波的振幅，v为入射波的传播速度，S为界面面积。由于反射波的

7、传播速度及横截面积都与入射波相同，所以：A′，A分别为反射波和入射波的振幅。把光波振动分为垂直于入射面的振动和平行于入射面的振动，Fresnel推导出：11（5.10）（5.11）（5.12）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振动，所以总的能量流之比为:当角度很小时，即垂直入射时：因为介质2对于介质l的相对折射率为：故：n21=i/rm称为反射系数。12(5.1