材料的光學(xué)性能與檢測

會計學(xué)1材料的光學(xué)性能與檢測孔雀藍(lán)色玻璃長頸瓶第1頁/共70頁神光I裝置（2×1012）(1986～1994年)

第2頁/共70頁新型光學(xué)和光電子器件的各種應(yīng)用

第3頁/共70頁主要內(nèi)容光的物理本質(zhì)光通過介質(zhì)的現(xiàn)象材料的透光性界面反射與光澤光學(xué)性能檢測第4頁/共70頁光的物理本質(zhì)第5頁/共70頁光速與真空中的電導(dǎo)率ε0和導(dǎo)磁率μ0的關(guān)系：光子（Photon）的能量：光速與波長λ和頻率ν的關(guān)系：第6頁/共70頁第7頁/共70頁光色波長(nm)頻率(Hz)中心波長(nm)紅760~6223.9×1014～4.8×1014

660橙622~5974.8×1014～5.0×1014

610黃597~5775.0×1014～5.4×1014

570綠577~4925.4×1014～6.1×1014

540青492~4706.1×1014～6.4×1014

480蘭470~4556.4×1014～6.6×1014

460紫455~4006.6×1014～7.5×1014

430人眼最為敏感的光是黃綠光，即555nm附近?？梢姽馄卟暑伾牟ㄩL和頻率范圍第8頁/共70頁①光在均勻介質(zhì)中的直線傳播定律；②光通過兩種介質(zhì)的分界面時的反射定律和折射定律；③光的獨立傳播定律和光路可逆性原理。反射定律指出，反射線的方向遵從：①反射線和入射線位于同一平面（即入射面）內(nèi)，并分別處在法線的兩側(cè)；②反射角等于入射角。光通過介質(zhì)的現(xiàn)象一、介質(zhì)對光的反射與折射第9頁/共70頁折射定律指出，折射線的方向滿足：①折射線位于入射面內(nèi)，并和入射線分別處在法線的兩側(cè)；②對單色光而言，入射角i的正弦和折射角r的正弦之比是一個常數(shù)，即

sini/sinr=n2/n1=n21

n21稱為第二介質(zhì)相對于第一介質(zhì)的相對折射率。它與光波的波長及界面兩側(cè)介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，而與入射角無關(guān)。

第10頁/共70頁如果第一介質(zhì)為真空，則上式可寫為

sini/sinr=n2式中n2為第一介質(zhì)相對于真空的相對折射率，或第二介質(zhì)的絕對折射率，簡稱折射率。第11頁/共70頁n=v真空/v材料=c/v材料介質(zhì)的折射率永遠(yuǎn)是大于1的正數(shù)。如空氣n=1.003，固體氧化物n=1.3～2.7，硅酸鹽玻璃n=1.5~1.9。折射率n的定義：

光在真空和材料中的速度之比即為材料的折射率。第12頁/共70頁n1n2i1入射束i2折射束

入射角、折射角、材料的折射率、光在材料中的傳播速度有下述關(guān)系：第13頁/共70頁材料的折射率從本質(zhì)上講，反映了材料的電磁結(jié)構(gòu)（對非鐵磁介質(zhì)主要是電結(jié)構(gòu)）在光波作用下的極化性質(zhì)或介電特性。材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。光密介質(zhì)：折射率大的介質(zhì)，光的傳播速度慢；光疏介質(zhì)：折射率小的介質(zhì)，光的傳播速度快。第14頁/共70頁

影響折射率的因素構(gòu)成材料元素的離子半徑一般大離子得到高折射率的材料，小離子得到低折射率的材料，如：PbS的n=3.912SiCl4n=1.412材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)

折射率和離子的排列密切相關(guān)

均質(zhì)介質(zhì)：對于非晶態(tài)（無定性體）和立方晶體各方向同性材料，光速不因傳播方向改變而變化，材料只存在一個折射率。

非均質(zhì)介質(zhì)：除立方晶體外的晶體，光進(jìn)入后分為兩相垂直而傳播速度不同的兩個波，構(gòu)成兩條折射光線，此現(xiàn)象稱為雙折射。平行于入射面的光線折射率稱為常光折射率no，始終為一常數(shù)，不隨入射方向而改變；另一與之垂直的光線的折射率為非常光折射率ne，隨入射方向改變。如石英no=1.543，ne=1.552

方解石no=1.658，ne=1.486剛玉no=1.760.，ne=1.768第15頁/共70頁材料所受的內(nèi)應(yīng)力

有內(nèi)應(yīng)力的透明材料，垂直于受拉主應(yīng)力方向的n大，平行于主應(yīng)力方向的n小。同質(zhì)異構(gòu)體在同質(zhì)異構(gòu)體材料中，高溫時的晶型折射率較低，低溫時存在的晶型折射率高。如：常溫下的石英玻璃n=1.46，最小常溫下的石英晶體n=1.55，最大

高溫時磷石英n=1.47

高溫時方石英n=1.49第16頁/共70頁反射率與透射率

當(dāng)光線由介質(zhì)1入射到介質(zhì)2時，光在介質(zhì)面上分成了反射光和折射光。這種反射和折射可以連續(xù)發(fā)生。由于反射，使得透過部分的強度減弱。第17頁/共70頁光的連續(xù)反射和折射第18頁/共70頁光的總能量流W為：W＝W'＋W"波動理論有

W、W’、W”分別為單位時間通過單位面積的入射光，反射光和折射光的能量流。第19頁/共70頁把光波振動分為垂直于入射面的振動和平行于入射面的振動，F(xiàn)resnel推導(dǎo)出：第20頁/共70頁自然光在各方向振動的機會均等，可以認(rèn)為一半能量屬于同入射面平行的振動，另一半屬于同入射面垂直的振動，所以有：第21頁/共70頁當(dāng)角度很小時，即垂直入射：介質(zhì)2對于介質(zhì)1的相對折射率：

第22頁/共70頁m稱為反射系數(shù)(1-m)稱為透射系數(shù)第23頁/共70頁由反射系數(shù)的公式可以看出：光在界面的反射取決兩種介質(zhì)的相對折射率，n21愈大，m愈大，反射損失愈大如果介質(zhì)１為空氣，可以認(rèn)為n1=1,則n21=n2。如果n1和n2相差大，那么界面反射損失就嚴(yán)重；

如果n1=n2，則m=0，因此，在垂直入射的情況下，幾乎沒有反射損失。

光連續(xù)透過x塊平板玻璃，則透過部分應(yīng)為

(1－m)2x在垂直入射的情況下，第24頁/共70頁由于陶瓷、玻璃等材料的折射率較空氣的大，所以反射損失嚴(yán)重。如果透鏡系統(tǒng)由許多塊玻璃組成，則反射損失更可觀。為了減小這種界面損失，常常采用折射率和玻璃相近的膠將它們粘起來，這樣，除了最外和最內(nèi)的表面是玻璃和空氣的相對折射率外，內(nèi)部各界面都是玻璃和膠的較小的相對折射率，從而大大減小了界面的反射損失。第25頁/共70頁光的全反射全反射：當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，且入射角大于臨界角時，光線被100%反射的現(xiàn)象。此時不再有折射光線，入射光的能量全部回到第一介質(zhì)中。臨界角：第26頁/共70頁若將一束白光斜射到兩種均勻介質(zhì)的分界面上，就可以看到折射光束分散成按紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫的順序排列而成的彩色光帶，這是在介質(zhì)中不同波長的光有不同的速度的直接結(jié)果。所以，介質(zhì)中光速或折射率隨波長改變的現(xiàn)象稱為色散現(xiàn)象。研究色散最方便的實驗可以通過棱鏡來進(jìn)行。測量不同波長的光線經(jīng)棱鏡折射的偏轉(zhuǎn)角，就可以得到折射率隨波長變化的曲線。二、色散第27頁/共70頁幾種玻璃的色散曲線材料的折射率隨入射光的頻率的減小而減小的性質(zhì)，稱為折射率的色散第28頁/共70頁幾種晶體和玻璃的色散曲線第29頁/共70頁

在給定入射光波長的情況下：色散值可以直接由色散圖確定，然而最實用的方法是用固定波長下的折射率來表達(dá)，而不是去確定完整的色散曲線。第30頁/共70頁式中nD、nF、nC分別以鈉的D譜線、氫的F譜線和C譜線（5893A,4861A和6563A）為光源測得的折射率。

倒數(shù)相對色散，即色散系數(shù)：描述光學(xué)玻璃的色散還用平均色散（=nF-nC）第31頁/共70頁①對于同一材料而言，波長愈短則折射率愈大②波長愈短色散率愈大（一般不考慮負(fù)號）③不同材料，對同一波長，折射率大者色散率dn／dλ也大④不同材料的色散曲線沒有簡單的數(shù)量關(guān)系第32頁/共70頁第33頁/共70頁材料的透光性一、介質(zhì)對光的吸收光在介質(zhì)中傳播時會有能量的損失，使透過介質(zhì)的光強度減弱的現(xiàn)象，這就是光的吸收。1、定義

第34頁/共70頁2、光吸收的一般規(guī)律—朗伯特定律光通過材料時的衰減規(guī)律第35頁/共70頁二、介質(zhì)對光的散射光通過介質(zhì)時光能被發(fā)散而使通過光的強度減弱的現(xiàn)象叫光的散射材料中如果有光學(xué)性能不均勻的結(jié)構(gòu)，例如含有小粒子的透明介質(zhì)、光性能不同的晶界相、氣孔或其它夾雜物，都會引起一部分光束被散射，從而減弱光束強度。1、定義第36頁/共70頁2、散射與吸收的區(qū)別吸收是由能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而使透射強度減弱；散射是由某些幅射的方向改變成與原來光束不同的方向而引起。第37頁/共70頁3、散射規(guī)律對于相分布均勻的材料，其減弱的規(guī)律與吸收規(guī)律具有相同的形式：

I0—光的原始強度；I—剩余強度（厚度x）

S—散射系數(shù)（單位為cm-1）

S與散射（質(zhì)點）的大小、數(shù)量以及散射質(zhì)點與基體的相對折射率等因素有關(guān)，當(dāng)光的波長約等于散射質(zhì)點的直徑時，出現(xiàn)散射峰值。

第38頁/共70頁

吸收定律與散射規(guī)律的式子統(tǒng)一起來：

散射最強時，質(zhì)點的直徑為：第39頁/共70頁質(zhì)點尺寸對散射系數(shù)的影響第40頁/共70頁

當(dāng)d<λ時，則隨著d的增加，S也隨之增大；若散射質(zhì)點的體積濃度不變，則

當(dāng)d>λ時，則隨d的增加，S反而減??；

當(dāng)d≈λ時，S達(dá)到最大值。第41頁/共70頁當(dāng)d>λ時，反射、折射引起的總體散射起主導(dǎo)作用遵循Fresnel規(guī)律當(dāng)d<1/3時，采用Rayleigh散射來處理K:散射因素R:散射質(zhì)點的平均半徑V:散射質(zhì)點的體積含量第42頁/共70頁三、無機材料的透光性無機材料是一種多晶多相體系，內(nèi)含雜質(zhì)、氣孔、晶界、微裂紋等缺陷，光通過無機材料時會遇到一系列的阻礙，所以無機材料并不象晶體、玻璃體那樣透光。多數(shù)無機材料是不透明的，這主要是由于散射引起的。透光性是個綜合指標(biāo)，即光通過無機材料后，剩余光能所占的百分比。第43頁/共70頁光通過陶瓷片的吸收、散射損失與反射損失第44頁/共70頁第45頁/共70頁陶瓷含氣孔0·2%,d=2μm試驗散射因子K=2

S=K×（3V/4R）=1·5（mm-1）材料厚為3mm則

I=I0e

-1·5×3=0·011I0（1）

氣孔率和材料缺陷影響透光性的因素第46頁/共70頁（2）

晶粒排列方法的影響

如果晶體不是各向同性的立方晶體或玻璃態(tài)，則存在雙折射問題，與晶軸成不同角度的方向上的折射率均不相同，這樣，由多晶材料組成的無機材料，晶粒與晶粒之間，結(jié)晶的取向不見得都一致。因此，晶粒之間產(chǎn)生折射率的差別，引起晶界處的反射及散射損失。第47頁/共70頁晶粒排列方向的影響對于常光n0/n0=1，m=0,無反射損失。但左晶粒的n0與右晶粒ne的則形成相對折射率n0/ne≠1。此值則導(dǎo)致反射系數(shù)和散射系數(shù)，亦即引起相當(dāng)可觀的散射損失。因此，對多晶無機材料說，影響透光性的主要因素在于組成材料的晶體的雙折射率。

雙折射晶體在晶粒界面產(chǎn)生連續(xù)的反射和折射第48頁/共70頁數(shù)值雖不大，但許多晶粒之間經(jīng)多次反射損失之后，光能仍有積累起來的可觀損失。а-Al2O3晶體，n0=1.760,ne=1.768。假如相鄰晶粒的取向彼此重復(fù)，則晶界面的反射系數(shù)第49頁/共70頁假設(shè)材料厚2mm，晶粒平均直徑10μm，理論上具有200個晶界，則除去晶界反射損失后，剩余光強占(1一m)200＝0.99897從散射損失分析，n21=1.768/1.760≈1，K≈0，S≈0，散射損失也小，因此，氧化鋁陶瓷就有可能制成高透光率的燈管。第50頁/共70頁無論是石英玻璃還是微晶玻璃，透光率都是很高的。但是，金紅石瓷那樣的陶瓷材料則不能制成透明陶瓷。金紅石晶體的n0與ne相差較大，反射和散射損失均很大。多晶陶瓷的透光率遠(yuǎn)不如同成分的玻璃大。第51頁/共70頁提高無機材料透光性的措施1．提高原材料純度2．摻加外加劑

3．工藝措施采取熱壓法要比普通燒結(jié)法更便于排除氣孔，因而是獲得透明陶瓷較為有效的工藝（熱等靜壓法效果更好）。第52頁/共70頁界面反射與光澤1

鏡反射和漫反射

鏡反射：反射光線具有明確的方向性a.

雕花玻璃器皿、含鉛量高，折射率高，達(dá)到裝飾效果；b.

寶石的高折射率使之具有強折射和高反射性能；c.玻璃纖維作為通訊的光導(dǎo)管時，有賴于光束總的內(nèi)反射，這是用一種可變折射率的玻璃或用涂層來實現(xiàn)的。

第53頁/共70頁

陶瓷中大多數(shù)表面并不是十分光滑的，因此當(dāng)光照射到粗糙、不平的材料表面時，發(fā)生相當(dāng)?shù)穆瓷洹Ｂ瓷涞脑蚴怯捎诓牧媳砻娲植?，在局部地方的入射角參差不一，反射光的方向各式各樣，致使總的反射能量分散在各個方向上，形成漫反射。材料表面越粗糙，鏡反射所占的百分?jǐn)?shù)越小。第54頁/共70頁釉或搪瓷鏡面反射和漫反射第55頁/共70頁毛玻璃或瓷體鏡面反射和漫反射第56頁/共70頁2

光澤

對光澤下個精確的定義很困難，但它與鏡反射和漫反射的相對含量密切相關(guān)。表面光澤與反射影象的清晰度和完整性，即與鏡反射光帶的寬度和它的強度有密切的關(guān)系。這些因素主要由折射率和表面光潔度決定。

光澤是物體表面定向選擇反射的性質(zhì)

第57頁/共70頁獲得高的表面光澤，需要采用鉛基的釉或搪瓷組分，燒到足夠高的溫度，使釉鋪展形成完整的光滑表面。減少表面光澤，可以采用低折射率玻璃相或增加表面粗糙度

第58頁/共70頁一、材料光澤度檢測光學(xué)性能檢測1光澤度的定義光澤是物體表面定向選擇反射的性質(zhì)，表現(xiàn)于在表面上呈現(xiàn)不同的亮斑或形成重疊于表面的物體的像。光澤度是物體受光照時表面反射光的能力，通常以試樣在鏡面（正反射）方向的相對于標(biāo)準(zhǔn)表面的反射率乘以100來表示，即第59頁/共70頁

G=100R/Ro

式中：R—試樣表面的反射率%；

Ro—標(biāo)準(zhǔn)板的反射率。以拋光完善的黑玻璃作為參照標(biāo)準(zhǔn)板，其鈉D射線的折射率為1.567，對于每一個幾何光學(xué)條件的鏡向光澤度定標(biāo)為100光澤度單位。第60頁/共70頁2測試原理

１光軸；2光源；3透鏡：4試樣；5光圈；

6受光器光圈；７受光器；8光源影像儀器的測量頭由發(fā)射器和接受器組成。發(fā)射器由白熾光源和一組透鏡組成，它產(chǎn)生一定要求的入射光束。接受器由透鏡和光敏元件組成，用于接受從樣品表面反射回來的錐體光束。第61頁/共70頁第62頁/共70頁式中的n是材料表面的折射率。這樣，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)光澤板的折射率和確定的入射角，就可計算標(biāo)準(zhǔn)板的鏡面反射率。將這個值定為100個光澤單位，在光澤度計的刻度盤上刻出，就可對待測試樣進(jìn)行測定。第63頁/共70頁二、材料白度檢測1．白度的定義白度是指物體對白色光的反射能力。它是以45°角度照射到物體試件平面上的白光反射強度（I）對于以同樣角度投射于化學(xué)純BaSO4標(biāo)準(zhǔn)板的白光所反射的強度（I0）之百分比表示。

白度WB=I/I0×100%第64頁/共70頁2．測試原理

白度儀測定R457白度，測量系統(tǒng)有效光譜特征：主峰波長為457nm，半寬度55nm。儀器利用光電效應(yīng)原理，采用雙光路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，測量試樣表面漫反射的幅亮度與同一幅射條件下完全漫反射的幅亮度之比，來達(dá)到白度的測量目的。第65頁/共70頁1．光源2．聚光透鏡3．濾光器4．樣品5．濾光片6．測量光電池7．補償光電池8．射管9．濾色鏡低功率的鎢鹵素?zé)?作為光源，入射光射到