《无机材料光学》PPT课件

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1、无机材料光学性能无机材料2007教师:李享成同学2无机材料的光学性能无机材料的主要用途:器件、窗口、透镜、激光器、光导纤维等除了大量使用玻璃，还有部分需要使用透明陶瓷，如高压钠灯的外壳用透明陶瓷、激光陶瓷日用陶瓷的颜色、光泽等也和陶瓷的光学性能有关3光速：真空:折射率:折射定律:①三线共面；②§1.两媒质界面上光的折射和反射4折射：光在不同材料中速度不同，材料对光有折射，折射率为：n=c/v材料，n1N的影响因素：构成材料元素的离子半径，离子半径越大，材料极化，折射率增加5材料的结构，晶型和非晶态：材料的各向同性，材料一个折射率，各向异性，

2、材料有双折射率材料的内应力：应力将改变材料的折射率同质异构体：高温型的折射率低，低温型较高6§2.光的反射与折射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。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。7正是因为介质的极化，“拖住”了电磁波的步伐，才使得其传播速度变得比真空中慢。铁磁性材料非铁磁性材料8在真空中，光以恒定的速度传播，与光的频率无关。然而，在通过

3、任何物质时，光的传播速度要发生变化，而且不同频率的光在同物质中的传播速度也不同；这一事实在折射现象中最明显地反映了了出来，即物质的折射率与光的频率有关，折射率n取决于真空中光速c和物质中光速u之比，即这种光在介质中的传播速度（或介质的折射率）随其频率（或波长）的减小而减小的现象，称为光的色散现象。6-4§3介质对光的色散色散的一般现象91672年牛顿首先利用棱镜的色散现象，把日光分解成了彩色光带。棱镜的折射率为在棱镜顶角A已知的条件下，通过最小偏向角δm的测量，利用上式可以得到棱镜材料对该波长的光的折射率n。用各种波长λ的光入射，即可得到δm

4、和n随波长λ的变化关系。10§4反射反射率R:透射系数：1-R11光疏介质和光密介质全反射：当光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于临界角时，光线被100%反射的现象。此时不再有折射光线，入射光的能量全部回到第一介质中。临界角：光纤导光原理：全反射光的全反射12光纤结构示意图：纤芯：575μm掺杂了的SiO2，n一定或随半径增加而减小。包层:总直径为100200μm,折射率稍小于纤芯的掺杂了的SiO2。涂敷层：硅铜或丙烯酸盐，隔离杂光。护套：尼龙或有机材料，增加强度，保护光纤。纤芯包层涂敷层护套光的全反射13§5介质对光的吸收在光束通过物

5、质时，它的传播情况将要发生变化。首先光束越深入物质，它的光强将越减弱，这是由于一部分光的能量被物质所吸收，而另一部分光向各个方向散射所造成的，这就是光的吸收和散射现象。其次，光在物质中的速度将小于光在真空中的速度，并将随频率而改变，这就是光的色散现象，光的吸收、散射和色散这三种现象，都是由于光与物质的相互作用引起的，实质上是由光与原子中的电子相互作用引起的。14换言之，若入射光强为I0，则通过l的物质后的光强为称为布格定律（Bouguerlaw）或朗伯定律。式中α是与光强无关的比例系数，称为该物质的吸收系数该定律是布格（P.Bouguer，1

6、698—1758）在1729年发现的，后来朗伯（J.H.Lambert，1728—1777）在1760年又重新作了表述。吸收定律x+dxldxxII+dI光的吸收规律15可见光中波长最短的是紫光，波长最长的是红光：所以，Eg<1.8eV的半导体材料，是不透明的，因为所有可见光都可以通过激发价带电子向导带转移而被吸收。Eg=1.83.1的非金属材料，是带色透明的，因为只有部分可见光通过激发价带电子向导带转移而被材料吸收。吸收的物理机制16除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，

7、而对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。例如，在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象为一般吸收；但是对于波长范围为3.5—5.0μm的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸收。换言之，石英对可见光和紫外线的吸收甚微，而对上述红外光有强烈的吸收。一般吸收和选择吸收17又例如，普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线主紫外线都有强烈的吸收，是不透明的。因此在红外光谱仪中，棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶体和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，棱镜常用对紫外线透明的石英制

8、作。实际上，任何光学材料，在紫外和红外端都有一定的透光极限。任何物质都有这两种形式的吸收只是出现的波长范围不同而已。6-318光的散射导致原来传播方向上光强的减弱如