材料的光学性能课件.ppt

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1、第四章材料的光学性能4.1概述4.2光传播的基本理论光的现象光的微粒说光的波动说光的电磁说光的波粒二象性光的直线传播光的传播速度光的反射光的折射光的干涉光的衍射电磁波谱光谱?4.2.1波粒二象性介电常数磁导率（1）光是一种电磁波（2）光波是一种横波(偏振性)（3）偏振性是横波的特有性质4.2.2光的电磁性电磁辐射由于人的视觉、植物的光合作用，以及绝大多数测量光波的仪器对光的反应主要是光波中的电场所引起，磁场对介质的作用远比电场弱，因此讨论光波时往往只考虑电场的作用，所以电场强度矢量被直接作为光矢量。光波的

2、电矢量的振动只确定在某个确定方向称为平面偏振光，亦称线偏振光。光波的电矢量在垂直光传播方向的平面内随时间规则变化的轨迹呈椭圆或圆，被分别称为椭圆偏振光、圆偏振光。光波在垂直光传播方向的平面内电矢量振动取向机会均等，称为自然光。光波振动的数学表达式：电磁波光谱•可见光(visiblelight)——能够引起人的视觉的电磁波。光的波动性主要表现在它有干涉和衍射及偏振等特性。双光束干涉就是指两束光（同频率、同振动方向）相遇以后，在光的叠加区，光强重新分布，出现明暗相间、稳定的干涉条纹。4.2.3光的干涉和衍射当

3、光波传播遇到障碍物时，在一定程度上绕过障碍物（尺寸与波长相近）而进入几何阴影区，这种现象称为衍射。爱因斯坦提出电磁场（或光场）的能量是不连续的，其数值为：式中，ν为光波电磁场的频率；h为数值很小的普适常数，称为普朗克常数。总之，光既可看成为光波又可看成光子流。光子是电磁场能量和动量量子化的粒子，而电磁波是光子的概率波。光作为波的属性可以用频率和波长来描述，而作为光子的属性则可以用能量和动量来表征。波动性和粒子性的统一就定量地反应在爱因斯坦两个等式之中4.2.4光子的能量和动量光波入射到两种媒质的分界面以后

4、，如果不考虑吸收、散射等其它形式的能量损耗，则入射光的能量只在两种介质的界面上会发生反射、折射。4.3光的反射和折射（1）光在均匀介质中直线传播，在不同的介质中具有不同的传播速度。（2）光在两种介质的分界面时遵守反射、折射定律。（3）光路可逆4.3.1反射定律和折射定律及其影响因素4.3光的反射和折射1.光通过固体现象光从一个介质进入到另一个介质时，将发生透射、反射、吸收和散射现象。入射光的能流率等于透射、反射、吸收和散射能流率之和。Φ0=Φτ+Φα+Φm+Φs透射、反射、吸收和散射能流率相对于入射

5、光所占的比率分别被称为透射系数τ、反射系数α、吸收系数m和散射系数s。τ+α+m+s=1。2.反射定律和折射定律4.3光的反射和折射（1）构成材料元素的离子半径当离子半径增大时，其ε增大，因而n也增大。陶瓷等无机材料的相对磁导率约等于13.材料折射率的影响因素（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。（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。（2）材料的结构、晶型和非晶态非晶态和立方晶体这些各向同性材料

6、，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（双折射现象）。惠更斯原理：光波波前（最前沿的波面）上的每一点都可以看做球面次波源。Δt时间后，无数个次波的包络就是新的波前。4.3.2折射率与传播速度的关系导出反射定律和折射定律。折射定律：光速与折射率成反比。4.3.2折射率与传播速度的关系折射定律：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

7、。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。4.3.3反射率和透射率反射率：反射光的功率与入射光的功率之比。透射率：透射光的功率与入射光的功率之比。光的反射率和透射率与光的偏振方向有关，并随入射角度而变化。光是横波，在垂直于传播方向上，电矢量可以取任何方向。因此，可以分解成两个相互垂直的线偏振分量。即振动方向垂直于入射平面的s分量和振动方向平行于入射平面的p分量。当入射角和反射角之和为π/2时，反射光没有平行入射面的矢量。此时的入射角称为布儒

8、斯特角。利用布儒斯特角可以产生偏光。反射率：垂直入射时：4.3.4光的全反射和光导纤维当光从光密介质进入到光疏介质，当入射角达到某一角度时，不再有折射光线，光线被全部反射的现象，称为全反射。全反射临界角：光纤结构示意图纤芯包层涂敷层护套4.3.5棱镜、透镜和反射镜棱镜主要用于分光和偏转光的方向；透镜主要是两个球面或曲面包围而成的透明光学材料，主要用于聚光和成像；反射是指材料表面洁度非常高的情况下的反射，反射光线具有明确的方向性