复材料的光学性能

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,中南大学材料科学与工程学院,*,Click to edit Master title style,材料的光学性能,4.1,光和固体的相互作用,1.,光的波粒二相性,爱因斯坦的光电方程,把光的波动性和粒子性结合起来,E=h=hc/,讨论光与材料相互作用产生的反射、折射、投射现象,-,光的粒子性,讨论光波在介质中的传播、衍射等,-,光的波动性,2.,光通过固体现象,可见光：,0.38-0.76m,0,=,R,+,A,+,光和固体介质的作用,0,=,R,+,A,+,1=T+R+,+,T:,透射系数,R,：反射系数,：吸收系数,：散射系数,光子与固体材料的相互作用，其实质上就是光子与固体材料中的原子、离子、电子等的相互作用。其中：,1,）电子极化：,电磁辐射的电场分量在传播的过程中，与每一个原子都发生作用，引起电子云与核外电荷重心发生相对位移,引起电子极化。结果是光的部分能量被吸收，光速减慢。,2,）电子能态转变：,光子被材料吸收后，材料中的原子吸收了光子能量（,E=h,42,）后，将,E,2,能级上的电子激发到,E,4,空能级上,注：,原子中电子能级是分立的，即能级间存在特定的,E,，只有能量为,E,的光子才能被原子通过能态转变而吸收。,受激电子不可能长时间保持在激发态，短时间后又衰变回基态，同时发出电磁波。,4.1.1,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,1,，折射角,i,2,与两种材料的折射率,n,1,和,n,2,有下述关系：,式中,:V,1,和,V,2,分别表示光在材料,1,及,2,中的传播速度，,n,21,为材料,2,相对于材料,1,的相对折射率。,介质的,n,总是大于,1,的正数,例如 空气,n=1.0003,，固体氧化物,n,=1.32.7,，硅酸盐玻璃,n,=1.51.9,。,影响,n,值的因素：,1,构成材料元素的离子半径,马克斯威尔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，,介质介电常数，,介质导磁率,当离子半径增大时，其,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,根据光线通过材料的表现，介质分为均质介质和非均质介质。,对于,均质介质,，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。,对于,非均质介质,，,光通过时，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,。,中南大学材料科学与工程学院,平行于入射面的光线的折射率，称为,常光折射率,n,0,，不论入射光的入射角如何变化，,n,0,始终为一常数，因而常光折射率严格服从折射定律。另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,n,e,，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,n,0,存在，与光轴方向垂直入射时，,n,e,达最大值。,中南大学材料科学与工程学院,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。,下表列出了部分玻璃和晶体的折射率。,中南大学材料科学与工程学院,4.1.2,反射,当光线由介质,1,入射到介质,2,时，光在介质面上分成了反射光和折射光。,设光的总能量流,W,为,W=W,+W,式中,W,、,W,和,W,分别为单位时间通过单位面积的入射光、反射光和折射光的能量流，根据波动理论,由于反射波的传播速度及横截面积都与入射波相同，所以,式中,A,与,A,分别为反射波与入射波的振幅。,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：,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：,因介质,2,对于介质,1,的相对折射 ，故,m,反射系数,根据能量守恒定律,（,1-,m,）称为,透射系数,。,例如：设一块折射率为,n=1.5,的玻璃，光反射损失,m=0.04,透,过部分为,1-m=0.96,。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,(1-m),2,=0.922,如果连续透过,x,块平板玻璃，则透过部分为,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。,4.1.3,材料的透光性,一、介质对光的吸收,1,吸收的一般规律,设有一块厚度为,x,的平板材料，入射光的强度为,I,0,，通过此材料后光强度为,I,。选取其中一薄层,dx,，并认为光通过此层的吸收损失,-dx,正比于在此处的光强度,I,和薄层的厚度,dx,，,光强度随厚度的变化符合指数衰减规律，即,朗伯特定律,。,式中,为物质对光的吸收系数，其单位为,cm,-1,。,取决于材料的性质和光的波长。,即,:,图,4.5,所示在电磁波谱的可见光区，金属和半导体的吸收系数都是很大的，但是电介质材料，包括玻璃、陶瓷等无机材料的大部分在这个波谱区内都有良好的透过性，即吸收系数很小。这是因为电介质材料的价电子所处的能带是填满了的,它不能吸收光子而自由运动，而光子的能量又不足以使电子跃迁到导带，所以在一定的波长范围内，吸收系数很小。,2,光吸收与光波长的关系,二、介质对光的散射,光波遇到不均匀结构产生的次级波，与主波方向不一致，与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向，从而引起,散射,。,对于相分布均匀的材料，由于散射而光强度减弱的规律与吸收规律具有相同的形式：,式中,I,0,为光的原始强度，,I,为光束通过厚度为,x,的试件后，由于散射在光前进方向上的剩余强度，,S,散射系数，与散射质点的大小、数量以及散射质点与基体的相对折射率等因素有关，见图,4.6,。其单位为 。,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,d,时，则随着,d,的增加，,s,反而减小，当,d=,时，,s,达最大值，即,当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。,。,如果将吸收定律与散射规律的式子统一起来，则,:,三、材料的透光性,光通过厚度为,x,的透明陶瓷片时，各种光能的损失见图,4.7,所示。强度为,I,0,的光束垂直地入射到陶瓷左表面，由于陶瓷片与左侧介质之间存在相对折射 ，因而在表面上有反射损失,:,L,=,透进材料中的光强度为,:,这一部分光能穿过厚度为,x,的材料后，又消耗于吸收损失和散射损失。到达材料后表面时，光强度剩下,。,再经过表面，一部分光能反射进材料内部，其数量为,L,=,另一部分传至右侧空间，其光强度为,显然 才是真正的透光率。,影响材料透过率的因素有：,1,吸收系数,对于陶瓷、玻璃等电介质材料，其吸收率或吸收系,数,在可见光范围内是比较低的，见图,4.4,所示。,2,反射系数,材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。,3,散射系数,这一因素最影响陶瓷材料的透光率。,材料宏观及显微缺陷,晶粒排列方向,气孔引起的散射损失,四、提高材料透光性的措施,1,提高原材料纯度,2,掺加外加剂,目的是降低材料的气孔率，气孔由于相对折射率的 关系，其影响程度远大于杂质等其它结构因素。,3,工艺措施,采取热压法比普通烧结法更便于排除气孔，因而是获得透明陶瓷较为有效的工艺，热等静压法效果更好。,第三节 界面反射和光泽,一、镜反射和漫反射,当光的反射是指材料表面光洁度非常高的情况下的反射，反射光线具有明确的方向性，一般称之为,镜反射,。,陶瓷中大多数表面并不是十分光滑的，因此当光照射到粗糙不平的材料表面上时，发生相当的,漫反射,，其原因是材料表面粗糙，在局部地方的入射角参差不一，反射光的方向也各式各样。材料表面愈粗糙，镜反射所占的能量分数愈小。如图,4.8,