无机材料 光学性能.pdf

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1、无机材料的光学性能 第一节光与介质的作用 光与物质作用分两个方面： 1、光受到物质的作用，光的变化 2、物质受到光的作用，物质的变化 光 物质作用 现 象 现 象 光的折射、反射、散射、透射、吸收、旋光的折射、反射、散射、透射、吸收、旋 光以及物质受激辐射光以及物质受激辐射 光 谱 学 获得原子、分子及获得原子、分子及 晶体结构信息晶体结构信息 材 料 应 用 光透过、截止、传 输、调制，多色彩材 料，能量的转换等 一、光学性质的宏观描述一、光学性质的宏观描述 不同的固体有不同的光学性质（玻璃、金 属） 固体介质的光学性质可用一些称为光学常 数的物理量表示，如：折射率和光频介电 常数。 主要讨

2、论介质在稳态的、线性的和各向同 性条件下的性质。 1. 光的电磁理论 19世纪世纪60年代，年代，Maxwell建立经典电 磁理论。同时，他把光学现象和电磁现象 联系起来，指出光也是一种电磁波，从而 产生光的电磁理论。 建立经典电 磁理论。同时，他把光学现象和电磁现象 联系起来，指出光也是一种电磁波，从而 产生光的电磁理论。 1)电磁波谱 光是一种电磁波，可见光是 电磁波谱中的一小部分，太 阳光中除可见光还有红外和 紫外。 可见光380750nm 红外光0.751000m 紫外光3.1eV)，688nm，吸收 能量较低的光，也可使电子跃迁，故可见 光或红外都可吸收，吸收所有频率的可见 光。半导

3、体对可见光不透明，有色，吸收 系数很大。 散射规律 可与吸收规律合并： 散射与散射粒子的直径和入射波的波长有关 0 exp x II = () 0 x II e + = 散射系数（只考虑较强的弹性散射） 1.散射粒子的粒径大于波长时，散射主要由散 射粒子的反射、折射引起，当光碰到与基体折 射率不同的质点时，在界面上产生反射和折 射，效果相当于光线散射。散射系数可用 Fresnel规律处理，散射系数正比于散射质点的 投影面积： V散射粒子的体积含量；R散射质点的平均粒 径；K散射因素，取决于质点和基体的折射率 差。 3 )( 4 kV dFresnel R = 2.散射粒子线度小于波长时的散射。

4、由物质分 子密度的涨落而引起的分子散射也可以用瑞利 散射解释。 当散射粒子直径小于1/3波长时，散射系数可近 似为 432 2 42 321 /3() () 1 R V n dRayleigh n n2时，膜有增强反射的作用，且在n1d1= /4时反射最大，反射率仍可用（1）式表 示。 膜的n越大，R越大，经过多次镀膜后放射率最 高可达99.8% 当光学膜的厚度n1d1= /2时，不管镀什么 膜，反射率都与基质相同，既没有增透作 用也没有高反射作用。 2.多晶透明材料透明陶瓷 用途：固体激光器增益介质、闪烁体、窗口、盔 甲 透明陶瓷材料：氧化铝，氧化锆，氧化钇 Y3Al5-O12，MgAl2O

5、4，AlON，透明铁电体 PLZT 优点：高强度、高硬度、高透明度、耐腐蚀、耐 高温等，性能远优于一般光学材料，在制备成 本、尺寸、光功能效应等方面也具有优势，透明 光功能材料在节能环保、人类健康和国防安全等 领域具有不可替代的作用。 透明陶瓷的理论基础 陶瓷的透明性是指光线能够透过的能力。 要使陶瓷透明，其前提是使光通过。入射 到陶瓷的光，一部分表现为表面的反射和 内部的吸收和散射，剩下的就成为透射 光。 入射强度为I0的光线，通过厚度为t的 样品后，透过强度I可以用下式表示： I=I0(1-R)2exp-(+ Sp+ Sb)t Sp为气孔和杂质相所引起的散射系数，Sb 为晶界引起的散射系数

6、。 可以看出：R，Sp，Sb小的材料具有良好的 透光性。虽然光吸收和光散射都引起光的损耗， 但光吸收过程涉及光能向其它形式能量的转变， 如电子跃迁、分子振动等；而光散射过程中没有 能量形式的转变，光的能量没有改变，但它改变 了光的传播途径和方向。 陶瓷的相组成、晶体结构、晶界、气孔率和表面 光洁度等是影响其透明性的主要因素。 陶瓷透光的条件 1.相组成 多相材料由于各项间组成、结构不同，折 射率n差别很大，光散射强，透过弱或无。 透光陶瓷都是单相的 2.晶体结构 当光线从一个晶粒进入相邻晶粒时，由于 陶瓷中晶粒的取向是随机的，若该晶体具 有双折射现象，则将产生界面反射和折 射，而且在不同取向晶

7、粒的晶界上还将产 生应力双折射。因此，透明陶瓷通常选用 具有高对称性的立方晶系材料，如YAG， Y2O3，Sc2O3等。 3. 晶界晶界 洁净的晶界，即晶界上没有杂质、非晶相和 气孔存在，或晶界层非常薄，其光学性质与晶粒 内部几乎没有区别，因此也不会成为光散射中 心。 晶界结构透明和不透明陶瓷的晶界结构是不 同的。透明材料的晶界模糊不清，而非透明材料 的晶界很清晰。陶瓷材料的物相组成中通常包含 着两相或更多相，这种多相结构会导致光在相界 表面上发生散射。 4. 微气孔微气孔 气孔是影响陶瓷材料透过率最重要的因素，由 气孔引起的光散射将远大于晶界区，甚至是非主 晶相和非晶相( 玻璃相)等引起的散

8、射损耗。气孔 可以用气孔体积分数和它们的大小、形状和分布 (包括粒径分布)来描述。对于透明陶瓷，常用光 学显微镜对规定体积内的气孔数量和尺寸进行记 录，定量测定气孔率。例如对于首例Nd:Y2O3陶 瓷激光器，其气孔率仅为0.3310-6。透明陶瓷 中的微气孔，可存在于晶界上和晶粒内部，主要 为闭气孔。 5. 杂质和非主晶相杂质和非主晶相 杂质包括原料或工艺中由于污染而引入的杂质、有意 掺入的杂质和作为添加剂的杂质离子。对于原料中或工艺 中由污染引入的杂质，如果它们能够溶入基质，部分显色 离子可能引起有害的吸收带。而对于那些不溶解或者溶解 度极低的杂质，则将聚集在晶界上，形成不同于晶粒的晶 界相

9、，并引起较大的界面损耗。对于有意掺入的杂质，当 掺入浓度低于溶解度上限时，稀土掺杂离子成为材料中的 光吸收中心，添加剂则进入晶格成为材料的一部分，在构 建陶瓷的微结构平衡中发挥重要作用；当掺杂浓度高于溶 解度上限时，则将出现非主晶相，第二相与主晶相形成界 面，且折射率不同于主晶相，从而构成了新的光散射中 心。 6. 表面散射表面散射 当透明陶瓷进行光透过率精确测试或加工成光学 元件时，必须对样品进行高精度光学加工。例 如，首例Nd:YAG陶瓷激光器的出光面平整度 /10(=632nm)，端面平行度为10，表面粗 糙度Ra0.2nm。因加工引起的表面起伏和划痕导 致表面具有较大的粗糙度，即呈微小

10、的凹凸状， 光线入射到这种表面上会产生漫反射，严重降低 陶瓷的透光率，而且这也可能对样品表面镀制的 光学薄膜质量产生很大影响。 多晶透明陶瓷透光性的计算 气孔率为零，晶界是影响陶瓷透光 性的主要因素 陶瓷中折射反射损失最大的情况， 如图，是相邻两晶粒光轴互相垂直 的情况。光沿左晶粒的光轴入射， 在左晶粒中的n为no，在右晶粒中 的n为ne 若晶粒的平均粒径为d，瓷片的厚 度为D，则经晶界反射后剩余的光 强为： 而对可见光晶界散射损失为 因为n21=ne/no1,k 0,散射损失很小 /2 0(1 ),() D d eo eo nn Imm nn = + 0 3 , 4 d kV II e R

11、= 3.不透明性和半透明性不透明性和半透明性 不透明无机材料乳浊釉 光通过实际介质时的现象 乳浊釉 半透明性乳白玻璃等 不透明性（乳浊釉） 用于 覆盖陶瓷坯体（气孔， 色泽不均匀，颜色较 深， 缺乏光泽） 覆盖搪瓷底层的铁皮 使光源射出的光线柔和 要获得高度乳浊（半透明）要求 光在到达具有不同光学特性的底层之 前被漫反射掉。 乳浊剂 加入的乳浊剂必须与釉和搪瓷的主 要成分的折射率显著不同，能够在硅 酸盐玻璃基体中形成小颗粒。TiO2是 最有效的乳浊剂，因为它那能够成核 并结晶成非常细的颗粒。在玻璃中稳 定存在。 4.表面光泽 表面是否光泽与以下因素密切相关： 反射影像的清晰度和完整性即镜反射光

12、带的宽度 和他的强度。这些因素由折射率和表面光洁度决 定。 要获得高的表面光洁度采用铅基的釉或搪瓷 组分，烧到足够高的温度，使釉铺展而形成完整 的光滑表面。 要获得小的表面光洁度可以采用低折射率玻 璃相或增加表面粗糙度，如研磨或喷砂、表面化 学腐蚀、沉积一层细粒材料的方法产生粗糙表 面。 五、 光的传输与光纤材料 光传输的原理 全反射 光从光密介质进入 光疏介质，入射角大 于某一临介值，则光 线全部折回原来的介 质。 当n1n2,21 12 21 21 sin sin n n n = 第三节 荧光和激光 一、概念 发光：材料的原子或分子从外部接受能量成为激发态，从 激发态回到正常态时，会以电磁

13、辐射的形式放出能量， 这种辐射如在可见光范围，称之为发光。 荧光和磷光 荧光为中断能量供给后，发光时间在10-8秒内的发光。 磷光为中断能量供给后，发光时间大于10-8秒的发光。 实际上区别磷光和荧光最好的方法是，是否有热 释光。荧光的发射与温度无关，而磷光的延续时间是温 度的函数。 激光 具有时间和空间相干性的单色定向光束。 二、自发发射、受激发射和受激吸收二、自发发射、受激发射和受激吸收 1. 爱因斯坦粒子模型1. 爱因斯坦粒子模型 爱因斯坦在光量子论的基础上, 把光频电磁场与物质 的相互作用划分为三种过程-自发发射, 受激吸收和受 激发射, 并把它们用三个爱因斯坦系数加以定量描述。 爱因

14、斯坦在光量子论的基础上, 把光频电磁场与物质 的相互作用划分为三种过程-自发发射, 受激吸收和受 激发射, 并把它们用三个爱因斯坦系数加以定量描述。 (1)模型:(参予与光相互作用的)粒子只有间距为hv=E2E1(E2E1) 的二个能级,且它们符合辐射跃迁选择定则。 (2).在这种模型中的辐射跃迁: 粒子从低能级向高能级跃迁,须吸收光子; hv=E2-E1 从高能级向低能级跃迁, 会发射光子。hv=E2-E1 21 EE h = 2. 光频电磁场与物质的三种相互作用过程光频电磁场与物质的三种相互作用过程 (1).自发发射自发发射在无外电磁场作用时,粒子自发地从在无外电磁场作用时,粒子自发地从E

15、2跃迁到跃迁到 E1,发射光子,发射光子hv。 自发辐射是原子在不受外界辐射场控制的情况下自发 过程，因此，大量原子的自发辐射场的相位是无规则分 布的，因而是不相干的。此外，自发辐射场的传播方向 和偏振方向也是无规则分布的。（自发辐射平均地分配 在腔内所有的模式上。） E2 E1 n2 n1 h 自发发射特点自发发射特点:各粒子自发、独立地发射的光 子。各光子的方向、 偏振、初相等状态是无 规的 各粒子自发、独立地发射的光 子。各光子的方向、 偏振、初相等状态是无 规的, 独立的，粒子体系为非相干光源。独立的，粒子体系为非相干光源。(普 通光源) 参予自发发射的每个粒子发射一个光子参予自发发射

16、的每个粒子发射一个光子hv 自发发射光功率随时间自发发射光功率随时间 t 亦按指数律衰减亦按指数律衰减 辐射跃迁: 原子吸收或发射一个光子从一个能级 改变到另一个能级的过程.有自发辐射和受 激辐射两种. 无辐射跃迁: 原子通过与外界碰撞或其他与外界交 换能量的过程,而不是吸收或发射光子的过 程,从一个能级改变到另一个能级. (2).受激辐射:原处于高能级E2的粒子, 受到能量恰为 hv=E2-E1的光子的激励, 发射出与入射 光子相同的一个光子而跃迁到低能级E1。 (a)特点: 受激发射只能在频率满足hv=E2-E1的光子的激励下发生; 不同粒子发射的光子与入射光子的频率、位相、偏振等 状态相

17、同; 这样,光场中相同光子数目增加,光强增大,即 入射光被放大 光放大过程光放大过程 h E2 E1 N2 N1 受激发射的粒子系统是相干光源相干光源(相同相干): 受激发射是产生激光的最重要机理受激发射是产生激光的最重要机理 E2 E1 外来光子外来光子 受激幅射光子受激幅射光子 受激辐射是在外界辐射场的控制下的发光过程，因而各 原子的受激发射的相位不再是无规则分布的，而应有和外界 辐射场相同的相位。量子电动力学可证明：受激辐射光子与受激辐射光子与 入射光子属于同一光子态。入射光子属于同一光子态。 原子发光的经典电子论可以帮助我们得到一个定性的 粗略理解。按经典电子论模型，原子的自发跃迁是原

18、子中电 子的自发阻尼振荡，没有任何外加光电场来同步各个原子的 自发阻尼振荡，因而电子振荡发出的自发辐射是相位无关 的。而受激辐射对应于电子在外加光电场作用下作强迫振荡 时的辐射，电子强迫振荡的频率、相位、振动方向显然应与 外加光电场一致。因而强迫振动电子发出的受激辐射应与辐 射场具有相同的频率、相位、传播方向和偏振状态。 受激辐射与自发辐射的重要区别相干性相干性 *( (因为不同粒子发射的光子与入射光子的频率、位相、 偏振等状态相同, 而且使相干光子数目不断增加, 所以受 激发射使激光具备了高亮度、方向性、单色性、相干性的 特点) ) (3).受激吸收:原处于低能级E1的粒子,受到能量恰为 h

19、v=E2-E1的光子照射而吸收该光子的能量, 跃迁到高能级E2 E2 E1 N2 N1 h 自发辐射、受激辐射和受激吸收的关系 受激辐射与辐射场的单色能量密度成正 比，自发辐射与之无关 对光波来说，热平衡情况下，自发辐射 占绝对优势；非热平衡状态下，由于外界 源的激励，使处于高能级的粒子数密度大 大增加，受激辐射将占绝对优势。 第三节 无机材料的颜色第三节 无机材料的颜色 一、光和颜色 光的三基色：红、蓝、绿 在色度学中，国际照明委员会（CEI）于1931年规定 了三基色（RGB）计色系统。该系统采用的三基色是波 长700nm、光通量1lm的红光为一个红基色单位，用 （R）表示；波长546.1

20、nm、光通量为4.5907lm的绿光 为一个绿色单位，用（G）表示；波长435.8nm、光通 量为0.0601lm的蓝光为一个蓝基色单位，用（B）表 示； 绝大多数可视光谱可用红 色、绿色和蓝色 (RGB) 三色光的不同比例和强度 的的混合来表示。在这三 种颜色的重叠处产生青 色、洋红、黄色和白色； 等量的RGB能配出等能的 白光。这就是色光的相加 原理。 颜料的三基色：红、黄、蓝 白光照射下，青色颜料能吸收红色而反射青色，黄色颜料吸收蓝色而 反射黄色，品红颜料吸收绿色而反射品红。也就是： 白色-红色=青色 白色-绿色=品红 白色-蓝色=黄色 另外，如果把青色和黄色两种颜料混合，在白光照射下，

21、由于颜料吸 收了红色和蓝色，而反射了绿色，对于颜料的混合我们表示如下： 颜料(黄色+青色)=白色-红色-蓝色=绿色 颜料(品红+青色)=白色-红色-绿色=蓝色 颜料(黄色+品红)=白色-绿色-蓝色=红色 以上的都是相减混色,相减混色就是以吸收三基色 比例不同而形成不同的颜色的。所以有把青色、品 红、黄色称为颜料三基色。颜料三基色的混色在绘 画、印刷中得到广泛应用。在颜料三基色中，红绿 蓝三色被称为相减二次色或颜料二次色。在相减二 次色中有： (青色+黄色+品红)=白色-红色-蓝色-绿色=黑色 用以上的相加混色三基色所表示的颜色模 式称为RGB模式,而用相减混色三基色原理 所表示的颜色模式称为C

22、MYK模式,它们广 泛运用于绘画和印刷领域。 CMYK模式是一种颜料模式,所以它属于印 刷模式,但本质上与RGB模式没有区别,只是 产生颜色的方式不同。RGB为相加混色模 式，CMYK为相减混色模式 。 二、颜色的起因 光和物质相互作用引起，归纳为以下三个方 面： 物质对光的选择吸收 物质发射的波长不同的电磁波 光在物质中的传播（反射、透射、偏转、散射） 颜色是上述过程与人视觉相互感夜的综合效 果。 进一步从化学和物理因素分析共有十五种类 型： 三、发色的化学机理 1.过渡金属原子的能级在配位场中的变化 过渡金属化合物中，过渡金属离子处于不同的配 位场，由于配位的几何形式不同，配位场的强弱 不

23、同，d轨道或f轨道能级分裂的状况以及能级中 电子的排布不一样，电子在能级间的跃迁所产生 的颜色就有差别。 同一种元素原子，在不同条件下产生不同的颜 色，如Cr2O3呈绿色，而Al2O3:Cr3+呈红色，Al、 Cr都是6配位，但在Al2O3中由于Cr半径较大置换 Al配位场强度发生变化。 2.电荷转移效应 同种元素间电荷转移：如Fe3O4，为尖晶石结构， 二价铁为八面体配位，三价铁一半为八面体配位一 半为四面体配位，电子在不同配位环境和不同价态 离子间转移，有能量差异，导致吸收和放出光能， 产生颜色，天然磁铁矿呈蓝黑色。 异种元素间电荷转移：如：蓝宝石（Al2O3:Fe2 ,Ti4），结构中相

24、邻的Fe和Ti的dz2轨道之间有 一定的叠加，在白光作用下，电子从一个离子跑到 另一个离子上，发生以下过程： 2.11 2433 eV FeTiFeTi + + 3.电子在固体能带间跃迁 金属：光照射到金属上，自由电子吸收光 在金属表面诱发交变电流，这些电流从金 属中立刻释放出来，形成强反射。不同金 属由于结构不同，对不同波长的波反射率 不同，造成了金属的各种颜色，如Fe，Ag 半导体：禁带宽度不同吸收不同波长的光 绝缘体：禁带宽度较大一般不吸收可见 光，但通过掺杂改变禁带宽度或增加禁带 中的次级能级则可以呈色。 无机材料呈色的原因： 材料对光的选择性吸收，引起的选择性 反射或选择性透过的结果。 无机着色剂 分子着色剂 单个离子：Co2、Cu2、Cr3、U6 复合离子：CrO42、MnO4 胶体着色剂：金胶体