•   材料的光学性能_材料科学_工程科技_专业资料。 ? 显示材料的应用 第五章 材料的光学性能 ? ? ? 为什么要研究光学性能? 新型的功能材料在新的技术中的应用。如激光技术、 光通讯、光机电一体化技术飞速发展,为满足上述技 术的发展,对

      ? 显示材料的应用 第五章 材料的光学性能 ? ? ? 为什么要研究光学性能? 新型的功能材料在新的技术中的应用。如激光技术、 光通讯、光机电一体化技术飞速发展,为满足上述技 术的发展,对光学性能提出更高的要求。 光学性能有哪些? 材料光的折射、色散、反射、吸收、散射等线性光学 性能以及非线性光学性能。 本章内容: 光学性能的概念、光学特性、光发射等。 非线性光学性能产生条件、光学测量、光学材料应用 频率(Hz) 102 104 106 108 1010 1012 1014 106 104 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 波长 名称 电磁波谱 10mm 长波 中波 短波 超短波 微波 毫米波 红外线 可见光 紫外线 1018 1020 1022 10-14 人眼所感受的叫可见光的波长范围:? = 400—760 nm 对应的频率范围:? = 3.94 ? 7.5 ?1014 Hz 电磁波谱—波长与 频率的对应关系 可见,肉眼可见的 光频段窄小 v ? c0 / ? c0 线 m/s 光学性能 ? 线性光学性能的物理基础 P ? ? 0 ?E (P 介质的电极化强度,? 介质的极化率,E 入射光 波中的电场) 介质对光的作用与介质本身的电极化特性是有关 的,极化特性决定了其光学性能,光和电是不可分割 的,许多光现象是用电子理论解释的。 1、折射 1、折射与折射率 折 射——光线依次通过两种不 同的介质时,光的行 进方向发生改变的现 象。 折射实质——由于介质密度不同, 光通过时,传播速 度不同。 光的折射现象, i入射角,r折射角 5.3.1 折射 绝对折射率n——光从真空进入介质材料时,光在两者中的传播速度之 比为材料的绝对折射率,即 n= υ真空/υ材料 = c/υ材料 1 相对折射率n21——光从材料1通过界面进入材料2,两种材料的绝对折 射率之比为“材料2相对材料1的相对折射率。 n21= n2/n1 = υ1/υ2 = sin i/sin r 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=1.3~2.7,硅酸盐玻璃 n=1.5-1.9 。 折射率n与介质的极化现象有关,影响极化率的因素即 影响n。 折射率n是物质重要的特性参数,影响 因素有: 1.构成材料元素的离子半径和电子结构 麦克斯韦电磁波理论认为光在介质中的传播速度 式中:C—真空中光速,ε —介质介电常数, —介质导磁率 对于无机材料电介质 ,故 当离子半径增大时,其ε增大,因而n也增大。因此, 可以用大离子得到高n的材料, 到低n的材料,如 。 ,用小离子得 2.材料的结构、晶型和非晶态 象非晶态和立方晶体这些各向同性材料,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,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。 5.3.1 双折射 均质-非晶、等轴晶系:介质只有一个折射率 光学材料 非均质-非等轴晶系:具有双折射特性 自然光进入非匀质介质(非等轴晶系晶体)时, 一般要分为振动方向相互垂直传播速率不等的两个 波,分别构成两条折射光线,这种现象称为双折射 (原因:各向异性的表现)。 寻常光和非常光 对于各向异性晶体,一束 光射入晶体后,可以观察到有 S 两束折射光的现象。 I ? ? ? R1 R2 ? ? ? ? ? ? 寻常光线(o光) -----遵守折射定律 非常光线(e光) -----不遵守折射定律 o e o光和e光都是线偏振光。 ··· e o e · · · 方解石 自然光 n1 n2 (各向异 性媒质) ? ? o i re e光 寻常光和非寻常光 ro o光 n1 sin i ? n2 sin ro o光 : 遵从折射定 sin i 律 ? const e 光 : 一般不遵从折射定 sin re 律 e光折射线也不一定在入射面内。 当方解石晶体旋转时 o光不动,e光围绕o光旋转 纸面 双 折 射 光 光 方解石 晶体 当方解石晶体旋转时 o光不动,e光围绕o光旋转 纸面 双 折 射 光 光 方解石 晶体 当方解石晶体旋转时 o光不动,e光围绕o光旋转 纸面 双 折 射 光 光 方解石 晶体 当方解石晶体旋转时 o光不动,e光围绕o光旋转 纸面 双 折 射 方解石 晶体 光 光 3.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。 4.外界因素(应力、电场等) 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。 表 各种玻璃和晶体的折射率 5.3.2 反射和透射 当光线时,光在介质面上分成了反 射光和折射光,所图所示。 单位能量流: W=W+W“ 反射系数: W m? ? [( n 21 - 1)/(n 21 ? 1)] 2 W 透射系数: W 1? m ? W m——反射系数, 根据能量守恒定律 (1-m)称为透射系数。由上式可知,在垂直入射的情 况下,光在界面上的反射的多少取决于两种介质的相对 折射率 。 设一块折射率为 为 ,透过部分为 的玻璃,光反射损失 。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 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。 全反射 sin iC = 1/n1 光纤利用了全反射特性。 光在其中传播无能量损失。 思考题: 界面能造成光反射损失,如何减少多层玻璃造成的光 反射损失? i i? iic 光密介质 光疏介质 i=ic 通信用光纤、光缆 ? 光纤种类与尺寸 多模 单模 纤芯直径 65/50μ m 10μ m 左右 包层直径 125μ m 125μ m 简单说模式就是指电磁场的“波形” 纤芯 包层 包层与纤芯的主要材料均为玻璃,但它们掺杂不同的杂质, 使包层与纤芯具有不同的折射率。包层的外面还有一层保 护层保护光纤 光纤中光波的传输原理-全反射之字线 反射光 空气 只要满足全内反射条件连 续改变入射角的任何光射 线都能在光纤纤芯内传输 n2 θ A B MAX n1 光纤制造与衰减 光纤制造: 现在光纤制造方法主要有: 管内CVD(化学汽相沉积)法, 棒内CVD法, PCVD(等离子体化学汽相沉积)法 VAD(轴向汽相沉积)法. ? 光纤制造 高纯度金属氧化物的蒸汽 汽相沉积法 管状玻璃或者石英体 拉丝机 氧气 制 造 光 纤 预 制 棒 光纤 拉 制 成 形 光纤衰减 ? 造成光纤衰减的主要因素有: 本征,弯曲, 挤压,杂质,不均匀和对接 本征: 是光纤的固有损耗,包括: 瑞利散射,固有吸收 弯曲: 光纤弯曲时部分光纤内的光会因散 射而损失掉,造成的损耗。 色散 色 散——材料的折射率随入射光波长的增加而减少 的性质,称为材料的色散。 色 散 = dn/dλ 色散系数 r= (na-1)/(nf-nc) nd、nf、nc分别为用波长一定 的纳的D谱线、氢的F谱线和C 谱线测得的折射率代入上式。 为倒数相对色散系数。 5.3.3 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,如图5-3,入射光 的强度为I0,通过此材料后光强度为 薄层 于在此处的光强度 I 和薄层的厚度 。选取其中一 正比 , ,并认为光通过此层的吸收损失 图5-3 光的吸收 即: 上式表明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 α 为物质对光的吸收系数,其单位为 cm-1 。 α 取决于材料的性质和光的波长。 2.光吸收与光波长的关系 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。 在紫外区出现紫外吸收端,当光子能量达到禁带 宽度时,电子就会吸收光子能量从满带跃迁到导带, 此时吸收系数将骤然增大。此紫外吸收端相应的波长 可根据材料的禁带宽度 Eg 求得: 式中,普朗克常数 ,C——光速。 另外,在红外区的吸收峰是因为离子的弹性振动与 光子辐射发生谐振消耗能量所致。要使谐振点波长尽可 能远离可见光区,即吸收峰的频率尽可能小,则需选择 较小的材料热振频率 v 。 式中 —与力有关的常数,由离子间结合力决定, Mc和Ma分别为阳离子和阴离子质量。 5.3.4 光的散射 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。 光波遇到不均匀结构产生的次级波,与主波方向不一致, 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 I0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其单位为 。 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: 从上图可以看出,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的增加,散射系数S也随之增大;当 d的增加,s 反而减小,当 时,则随着 时,则随着 时,s 达最大值。 对于散射,可以认为散射系数正比于散射质点的投 影面积: 式中: N—单位体积内的散射质点数; R —散射质点的平均半径; K—散射因素,取决于基体与质点的相对折射率。 设散射质点体积 ,则 故 由上式可知, 符合实验规律。当 时,R越小,V越大,则S愈大,这 时,此时散射系数。 总之,不管在上述哪种情况下,散射质点的折射率与 基体的折射率相差越大,将产生越严重的散射。 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 见图所示。强度为I0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 在表面上有反射损失①: ,因而 L①= 透进材料中的光强度为: 材料的透光性 这一部分光能穿过厚度为x的材料后,又消耗于吸收 损失②和散射损失③。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 L④= 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α在可见光范围内是比较低的。 ? 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。 ① 材料宏观及显微缺陷 ② 晶粒排列方向 ③ 气孔引起的散射损失 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。 非线性光学性能 一、概念 在强光光学范围内,光波在介质中传播时不再服 从独立传播原理,两束光波相遇时,也不再满足线性 叠加原理,而要发生强的相互作用,并由此使光波的 频率发生变化。 物理基础:激光作用下,介质的电极化强度与入 射光场强的关系为一般的幂级数关系,即非线性关系 不同的晶体结构(对称性)产生的非线性极化阶 次不同。 (1) ( 2) pi ? ? xij Eij (w1 ) ? ? xijk E j (w1 )Ek (w2 ) ? ??? 激光的特性 单色性 ? 相干性好 ? 方向性好 ? 亮度高 ? 非线性光学性能 二、条件 1. 入射光为强光 2. 晶体对称性要求 3.位相匹配。 非线性光学性能 非线性光学性能的理论模型 ? ? ? ? ? ? ? 电荷转移理论 阴离子基团理论 非谐振振子模型 双能级模型 键电荷模型 键参数模型 ……. 非线性光学性能 非线性光学性能的应用对材料的要求 ? ? ? ? ? ? 较大的非线性光学系数(必要条件) 位相匹配; 高的激光损伤阀值; 宽的透光波段; 充分条件 良好的光学均匀性; 容易加工。 非线性光学性能 主要的非线性光学材料 ? 激光变频晶体 KDP、KTP、BBO、LI、LN等晶体 SHG、THG、FOHG等 光折变晶体; 光折变效应:晶体折射率随外加场作用而发生变化的效应; 应用:光存储等; ? 本章小结 ? ? ? 光学现象的物理基础; 各种光学性能的定义及物理意义; 各种光学性能的应用。

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    2019-10-23 09:26
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