金屬材料的光學性質課件

1、4-5 材料的光學性能optical properties of materialsBasic principles and concepts relating to interactions of electromagnetic radiation (visible light) with solid materials(atoms). Refraction, reflection, absorption, and transmission of incident light,and their relationship.mechanism of absorption and emissio

2、n of electromagnetic radiation in materialstransparency ,translucency and opacity of materialsindex of refraction and its applicationluminescence, photoconductivity,and light amplification (lasers)第1頁，共29頁。4-5 材料的光學性能(optical properties)4-5-1 電磁輻射及其與原子的相互作用 Interactions of electromagnetic radiation

3、and atoms1、光和物質的相互作用取決于物質電磁性質的 基本參數(shù)。電導率、介電常數(shù)和磁導率2、相互作用是由電子躍遷和極化效應實現(xiàn)的3、光子能量 energy E of a photon Ehchelectron transitions and electronic polarization第2頁，共29頁。FIGURE 19.2第3頁，共29頁。4、固體材料的光學性質，取決于電磁輻射與材料表 面、近表面以及材料內部的電子、原子、缺陷之間 的相互作用第4頁，共29頁。4-5-2 吸收、反射和透射第5頁，共29頁。1、光的吸收( photon absorption)（1）光吸收的一般規(guī)律朗伯

4、特定律 II0exAbsorbed intensity空氣: 10-5cm-1玻璃: 10-2cm-1金屬: 則達幾萬到 幾十萬 -吸收系數(shù)Absorption coefficient第6頁，共29頁。（2）光吸收與光波長radiation absorption and wave length在電磁波譜的可見光區(qū)：金屬和半導體的吸收系數(shù)很大； 電介質材料吸收系數(shù)小。在紫外吸收端：禁帶寬度大的材料，紫外吸收端的波長較小 在紅外區(qū)：離子的彈性振動與光子輻射發(fā)生諧振消耗能量所致 選擇吸收均勻吸收 = hc/Eg第7頁，共29頁。2、光的反射(reflection)鏡反射、漫反射吸收-發(fā)射折射(ref

5、raction index)n21=sini/sinr m :反射系數(shù) R:反射率（1-m）：透射系數(shù) 第8頁，共29頁。FIGURE 19.4第9頁，共29頁。FIGURE 19.5第10頁，共29頁。Figure19.6.第11頁，共29頁。3、光的透射(transmission) 透射率：T（1R）2el 透射率T(transmissivity)、反射率R(reflectivity)、吸收率A(absorptivity) 三者之和為1II0exR=(n-1)2/(n+1)2第12頁，共29頁。FIGURE 19.8第13頁，共29頁。4、折射指數(shù) Refraction Index 折射來

6、源于光線通過透明材料時，由于介質的電子極化使得光速降低，光線在界面彎曲的現(xiàn)象。 折射指數(shù)的大小與介質的性質（原子或離子的尺寸、介電常數(shù)、磁導率等）和波長相關第14頁，共29頁。 表4-5-2 各種材料在室溫對可見光的折射率物質n（折射率）物質n（折射率）空氣Al2O3 CaF2Cl2（氣體）Cl2（液體）金剛石H2O（水）H2O（冰）聚四氟乙烯醋酸纖維素聚甲基丙烯酸甲酯聚丙烯酚醛樹脂環(huán)氧樹脂低密度聚乙烯聚碳酸酯1.0002771.63-1.681.431.0007681.3852.4171.331.301.351.48-1.501.491.491.50-1.701.5-1.61.511.59玻

7、璃（重燧石）玻璃（鋅牌）KClKFNaCl石英熔融石英SrO聚丙烯腈天然橡膠聚酰胺高密度聚乙烯聚氯乙烯氯丁橡膠聚苯乙烯1.651.521.491.361.541.541.471.871.511.521.53-1.551.541.54-1.561.551.59第15頁，共29頁。例題19.21 The transmissivity T of a transparent material 20 mm thick to normally incident light is 0.85. If the index of refraction of this material is 1.6, comput

8、e the thickness of material that will yield a transmissivity of 0.75. All reflection losses should be considered.Solution第16頁，共29頁。5、金屬材料的光學性質（1）各種入射輻射被吸收 金屬導帶中已填充的能級上方有許多空的電子能態(tài)頻率分布范圍很寬的各種入射輻射都可以激發(fā)電子到能量較高的未填充態(tài)從而被吸收；（2）金屬的反射，是由吸收再反射綜合造成的 反射率具有頻率依賴性 對于紅外輻射則透明第17頁，共29頁。第18頁，共29頁。6、無機非金屬材料的光學性質（1）對紅外線有一

9、定程度的吸收（2）吸收可見輻射，且不透明（半導體）（3）絕緣體傾向于對可見輻射透明 Eg大（4）漫透射由多次內反射造成（5）加工過程中留下孔洞而不透明 1% 陶瓷第19頁，共29頁。7、高分子材料的光學性質 聚合物多數(shù)無色,包括高透明(transparent)到不透明。透明度的損失起源于材料內部折射指數(shù)(refraction index)不均勻性產生的光散射 聚合物透明帶色，選擇性吸收 結晶聚合物通常是半透明(translucent)或不透明(opaque)的 增加聚合物材料透明性的方法 加速成核或由熔體急劇冷卻減少球晶大??； 拉伸球晶轉變?yōu)槿∠蛭⒔z 第20頁，共29頁。4-5-3 旋光性及非

10、線性光學性(nonlinear optical performance)1、旋光性 不對稱碳原子手性分子2、非線性光學性質（1）非線性光學效應分子（介質）受強光場（激光）作用時會產生極化，誘導極化強度 =0+2+3+ 0-分子永久偶極矩；-為局域電場強度；-分子線性極化率；和-二階和三階分子超極化率第21頁，共29頁。宏觀物質，極化強度 P=（1）E十（2）E2十（3）E3十 E-入射光電場強度 （1）-物質的線性極化率 （2）和（3）-物質的二階和三階非線性極化率二階或三階非線性光學材料 （2）功能 變頻、增幅、開關、記憶等元件功能（3）結構特點（有機材料） 二階：具有A-D結構 三階：具有

11、容易移動的非定域電子體系A：拉電子基，D：供電子基：共軛結構 第22頁，共29頁。4-5-4光澤：取決于材料的表面反射狀態(tài)4-5-5發(fā)光 luminescence 熒光(fluorescence)：延遲發(fā)射 10-8 s 磷光(phosphorescence)：延遲發(fā)射 10-2 s 10s含有雜質和缺陷 價帶與導帶重疊沒有能隙，發(fā)射光波長長于可見光 價帶與導帶間有能隙為Eg 第23頁，共29頁。第24頁，共29頁。激光(laser)-材料發(fā)光性能的重要應用 必要條件 維持連續(xù)不斷的受激輻射， 粒子數(shù)反轉：高能級的原子數(shù)大于低能級的原子數(shù)紅寶石激光器中的Cr的能級 平衡態(tài)時各能級的粒子數(shù)n1n

12、2n3 波長為5500埃的黃綠光照射 后 n2n1 Al2O3 + Cr第25頁，共29頁。FIGURE 19.12第26頁，共29頁。4-5-6 光敏性（物理）(photo sensitivity) 在光的作用下，材料的某些性能發(fā)生可逆變化的性質 光敏物質 智能材料 光致變色器 光力學現(xiàn)象光敏凝膠高聚物 第27頁，共29頁。4-5-7 光纖 OPTICAL FIBERS IN COMMUNICATIONSGuide these light pulses over long distances without significant signal power loss (i.e.,attenu

13、ation) and pulse distortion. Fiber components are the core, cladding, and coating; The signal passes through the core, whereas the surrounding cladding constrains the light rays to travel within the core; the outer coating protects core and cladding Any light rays traveling at oblique angles to the fiber axisare