自編教材材料的光學(xué)性能

100隨著人們對(duì)光生疏的深入，由光學(xué)材料制作的各種光學(xué)器件及的發(fā)光材料層出不窮，它們?cè)谝恍└呒夹g(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，已越來越受到人們的關(guān)注。人們已不僅僅局限于對(duì)傳統(tǒng)的可見光生疏，爭(zhēng)論的范圍已擴(kuò)大到從微波、遠(yuǎn)紅外到紫外、X射線等，因而對(duì)材料光學(xué)性能的爭(zhēng)論內(nèi)容大大豐富。用光學(xué)玻璃制作的各種鏡片人們已相當(dāng)生疏了，實(shí)際上，金屬、陶瓷、塑料等都可以作為光學(xué)材料。陶瓷、塑料和橡膠在一般狀況下對(duì)可見光不透亮，但是塑料、橡膠和半導(dǎo)體材料硅、鍺卻對(duì)紅外線透亮，且由于硅、鍺折射率大，而被用來制做紅外透鏡；陶瓷、塑料因?qū)ξ⒉ㄍ噶炼挥脕碇谱鑫⒉t中的食品器皿；金、銀對(duì)紅外線的反射力量最強(qiáng)，所以，常被用來作為紅外輻射腔內(nèi)的鍍層；質(zhì)中的折射、散射、反射和吸取等現(xiàn)象，材料的顏色、光澤等也與材料外表的光學(xué)性能有關(guān)。離子的發(fā)光粉，成倍地提高了發(fā)紅光的亮度，并能夠與藍(lán)光、綠光的發(fā)光的亮度相匹配，制做出對(duì)材料的光學(xué)性能提出了更高要求。因此，了解材料的光學(xué)性能顯得格外重要。光波照耀到一介質(zhì)上時(shí)，要發(fā)生反射、折射、吸取、散射等一系列現(xiàn)象，這既是光傳播路徑的變化，也是光能量的重安排。介質(zhì)材料的不同，這些現(xiàn)象產(chǎn)生的程度也不一樣，所以，人們依據(jù)需要，就要選擇不同的材料與光發(fā)生作用來滿足不同的要求。為此，我們需要對(duì)光與材料作用發(fā)生的各種現(xiàn)象有所了解。1光折射概念當(dāng)光依次通過兩種不同介質(zhì)時(shí)，光的行進(jìn)方向要發(fā)生轉(zhuǎn)變，如圖3-1所示，這種現(xiàn)象稱為折射。折射的實(shí)質(zhì)是由于介質(zhì)密度不同，光在其中傳播速度就不同，3-1光線在透亮介質(zhì)材料中傳播的示意圖當(dāng)光從真空進(jìn)入較致密的材料時(shí)，光的傳播速度會(huì)降低。介質(zhì)對(duì)光的折射性質(zhì)用材料的折射率n表示，光在真空中的傳播速度與在致密材料中傳播速度的比值就稱為材料確實(shí)定折射率，即v cn= 真空=v v材料 材料

(3-1)實(shí)際上，光線在兩種介質(zhì)的界面處都會(huì)發(fā)生折射和反射現(xiàn)象，也即光從一種介質(zhì)〔如空氣〕傳播到另一種介質(zhì)中時(shí)，由圖3-1可見，與界面法線所形成的入射角i、折射角r與兩種材料的折射率n n有下述關(guān)系，光的入射角為，出射角為，則物質(zhì)的折射率〔折射指數(shù)n為：1、2sini sinr” v nn 1 221 sinr sini” v n2 1

〔3-2〕式中，v、v分別為光在材料1及2中的傳播速度，n n分別為光在材料1及2確實(shí)定折射率，1 2 1、2n 2121真空和空氣的折射率相差甚微，可以統(tǒng)稱為折射率。折射率與兩種介質(zhì)的性質(zhì)和入射光的波長(zhǎng)有關(guān)。介質(zhì)的折射率n1的正數(shù)。如空氣的n=1.0003，固體氧化物n=1.3～2.7，硅酸鹽玻璃n=1.5～1.93.1列出了各種玻璃和晶體的折射率。3 82 43 823 82 43 82材料玻璃組成:平均折射率雙折射由正長(zhǎng)石(KAlSiO)組成的1.51由鈉長(zhǎng)石〔NaAlSi3O8)組成的1.49由霞石正長(zhǎng)巖組成的1.50氧化硅玻璃1.458高硼硅酸玻璃〔90%SiO2〕1.458鈉鈣硅玻璃1.51-1.52硼硅酸玻璃1.47重燧石光學(xué)玻璃1.6-1.7硫化鉀玻璃2.66晶體：四氯化硅1.412氟化鋰1.392氟化鈉1.326氟化鈣1.434剛玉〔AlO〕2 31.760.008方鎂石MgO1.74石英1.550.009尖晶石MgAlO1.72鋯英石ZrSiO41.950.055正長(zhǎng)石(KAlSiO)1.5250.007鈉長(zhǎng)石〔NaAlSiO)3 81.5290.008鈣長(zhǎng)石〔CaAlSiO〕2 2 81.5850.008硅線石〔AlO·SiO〕2 3 21.650.021莫來石〔3AlO·2SiO〕2 3 21.640.010金紅石〔TiO〕2.710.287碳化硅2.680.043氧化鉛2.61硫化鉛3.912方解石〔CaCO〕31.650.17硅3.49碲化鎘2.74硫化鎘2.50鈦酸鍶2.49鈮酸鋰2.31氧化釔1.92硒化鋅2.62鈦酸鋇2.402影響折射率的因素離子半徑4物質(zhì)分子由于產(chǎn)生極化作用引起折射，極化是有方向性的，所以材料的折射率n與材料的極ε有關(guān)，當(dāng)光的電磁場(chǎng)作用到介質(zhì)上時(shí)，介質(zhì)的原子受到外加電場(chǎng)的作用而極化，正電荷沿著電場(chǎng)方向移動(dòng)，負(fù)電荷沿著反電場(chǎng)方向移動(dòng)，這樣正負(fù)電荷的中心發(fā)生相對(duì)位移。外電場(chǎng)越強(qiáng)，原子正ε增大，因而n也隨之增大，因此，可以用大離子得到高折射率，如PbSn=3.912，用小離子得到低折射率，如SiCl4n=1.412。材料的構(gòu)造e0 0 折射率除與離子半徑有關(guān)外，還和離子的排列親熱相關(guān)。當(dāng)光通過非晶態(tài)〔無定型體〕和立方晶體時(shí)，光速不因傳播方向轉(zhuǎn)變而變化，材料只有一個(gè)折射率，稱之為均質(zhì)介質(zhì)。例如但是當(dāng)光通過除立方晶體以外的其他晶型介質(zhì)時(shí)，一般都要分為振動(dòng)方向相互垂直、傳播速度不等即雙折射是非均質(zhì)晶體的特性，這類晶體的全部光學(xué)性能都和雙折射有關(guān)。雙折射光線中，平行nn始終為一常數(shù)，因而常光折射率嚴(yán)格聽從折射定律。另一條與之垂直的光線所構(gòu)成的折射率，則隨入射線方向的轉(zhuǎn)變而變化，稱為格外光折射率n，它不遵守折射定律，隨入射光的方向而變化。當(dāng)光沿晶體光軸方向入射時(shí)，只有n存在，與光軸方向垂直入射時(shí)，ne0 0 無定形高聚物的分子鏈段呈無規(guī)分布，光速不因傳導(dǎo)方向的轉(zhuǎn)變而變化，只有一個(gè)折射率，宏觀上沒有雙折射現(xiàn)象，表現(xiàn)為光學(xué)各向同性。高分子鏈?zhǔn)歉叨炔粚?duì)稱的，在分子的軸向和橫向有不同的極化率，因而折射率也不一樣，表現(xiàn)為光的雙折射。但是，取向和結(jié)晶高聚物由于宏觀上的構(gòu)造不對(duì)稱性而將光學(xué)分解為振動(dòng)方向相互垂直、傳播方向不相等的兩條折射光線，表現(xiàn)出雙折射現(xiàn)象。所以取向高聚物可以用取向方向和垂直于取向方向的折射率之差來表征取向程度。高分子球晶在正交偏振片中因雙折射而呈現(xiàn)出消光黑十字，可由此推斷球晶的外觀外形和大小。從分子鏈的化學(xué)組成看，折射率一般按以下挨次增高OCF O2 ，

， C

CH2 ，

CCl2

CBr23.2列出了一些高聚物的折射率，可與上述規(guī)律相比照。3.2高聚物的折射率高聚物折射率高聚物折射率〔25℃，λ＝589.3nm〕〔25℃，λ＝589.3nm〕聚四氟乙烯1.3－1.41,4-異戊二烯1.519聚二甲基硅氧烷1.404聚己二酸己二酯1.534-甲基-1-戊烯1.46聚氯乙烯1.544聚醋酸乙烯酯1.467聚碳酸酯1.585聚甲醛1.48聚苯乙烯1.59聚甲基丙烯酸甲酯1.488聚對(duì)苯二甲酸乙二酯1.64聚異丁烯1.509聚二甲基對(duì)苯撐1.661聚乙烯1.51－1.54聚偏二氯乙烯1.63聚丙烯1.495－1.510聚丁二烯1.515材料所受的應(yīng)力對(duì)各向同性的材料施加拉應(yīng)力時(shí)，垂直于拉應(yīng)力方向的n大，平行于拉應(yīng)力方向的n小，單向壓縮具有相反的效果，而且折射率的變化與施加的應(yīng)力成比例，所以，不同方向折射率的差異可以用來作為測(cè)量應(yīng)力的方法。4、同質(zhì)異構(gòu)體在同質(zhì)異構(gòu)材料中，高溫時(shí)的晶型折射率較低，低溫時(shí)的晶型折射率較高。一樣化學(xué)組成的玻璃比晶體的折射率低。例如常溫下的石英玻璃，n=1.46，數(shù)值最小，石英晶體n=1.55，數(shù)值最大；高溫時(shí)的鱗石英n=1.47；方石英n=1.49。至于一般鈉鈣硅酸鹽玻璃n=1.51，比石英的折射率小。提高玻璃折射率的有效措施是摻入鉛和鋇的氧化物。例如含90%(體積)PbO的鉛玻璃n=2.1。1反射及反射系數(shù)當(dāng)光線照耀到透亮材料的平坦界面上時(shí)，除了一局部透入介質(zhì)外，還有一局部在外表發(fā)生反3-2所示。假設(shè)入射光的單位能量流為W時(shí)，則3-2光在材料界面的反射示意圖W=W′+ W〞 (3-3)式中，W′、W〞分別為單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的反射光和折射光的能量流。依據(jù)波動(dòng)理論：Ｗ∝Ａ2vS (3-4)由于反射波的傳播速度v和橫截面積S都與入射波一樣，所以，W AW (A)2 〔3-5〕式中，A′、A分別為反射波與入射波的振幅。把光波振動(dòng)分為垂直于入射面的振動(dòng)和平行于入射面的振動(dòng)，F(xiàn)resnel推導(dǎo)出(W)W (W)W //

A( s)2AsA( P)2AP

si2ir) 〔3-〕si2ir)ta2ir) 〔3-〕ta2ir)自然光在各個(gè)方向振動(dòng)的時(shí)機(jī)均等，可以認(rèn)為垂直于入射面的振動(dòng)和平行于入射面的振動(dòng)各占一半的能量，所以總的能量流之比為W1[si2(i)ta2i)] 〔3-8〕W 2si2(i) ta2(i)當(dāng)入射角度很小，即近乎垂直入射時(shí)sin2(i)tan2(i)(i)2sin2(i) tan2(i) (i)2

i(r1)2i

n(n21

1)21W n 1

(r1)2 21W (n211)2R 〔3-9〕21式中，R為反射系數(shù)。依據(jù)能量守恒定律W WW 1W式中，1-R為透射系數(shù)。

1R 〔3-10〕n211為空氣，可以認(rèn)為n1=1n21=n2。假設(shè)n1n2相差很大，那么界面反射損失就嚴(yán)峻；假設(shè)n1=n2，則R=0，說明在垂直入射的狀況下，幾乎沒有反射損失。例如一塊折射率n=1.5的玻璃，光反射系數(shù)為R=0.04，透過局部為1-R=0.96。假設(shè)透射光又從另一界面射入空氣，即透過兩個(gè)界面，此時(shí)透過局部為〔1-R〕2=0.922。假設(shè)連續(xù)透過x塊平板玻璃，則透過局部應(yīng)為〔1-R〕2x。所以，由很多塊玻璃組成透鏡系統(tǒng)，反射損失更可觀。為了減小這種界面損失，常常承受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)的外表是玻璃和空氣的相對(duì)折射率外，內(nèi)部各界面都是玻璃和膠的較小的相對(duì)折射率，從而大大減小了界面的反射損失。當(dāng)光線垂直入射時(shí)，玻璃外表反射光強(qiáng)約占入射光強(qiáng)的4％，高分子材料中的有機(jī)玻璃在可見光波段與一般玻璃一樣透亮，在紅外區(qū)也有相當(dāng)?shù)耐干渎?，所以它可作各種裝置的光學(xué)窗口；聚乙烯對(duì)可見光不透亮，但對(duì)遠(yuǎn)紅外光透亮，可作遠(yuǎn)紅外波段的窗口和保護(hù)膜?？隙ê穸鹊难趸X、氧化鈹陶瓷對(duì)可見光的透射率85％～90％，可作高壓鈉燈管；耐高溫的透亮陶瓷在航天領(lǐng)域也常常被用作透射窗口材料。2全反射通過第一外表進(jìn)入到介質(zhì)中的入射光并不能完全透過，除了吸取外，還要在其次外表處發(fā)生在界面的內(nèi)反射。材料的光澤是外反射、內(nèi)反射和散射的綜合表達(dá)。由于在其次外表光線由光密介質(zhì)進(jìn)入到光疏介質(zhì)中，折射角γ′恒大于入射角i′，所以可實(shí)現(xiàn)在i′90°的前提下使γ′≧90°，這時(shí)的光線完全不能透出，這種現(xiàn)象稱作全反射。更一般地，光束從折射率n較γ11大的光密介質(zhì)進(jìn)入折射率n較小的光疏介質(zhì)，即n ＞n，則折射角大于入射角，因此只要入射12 2角到達(dá)某一值時(shí)，就可以發(fā)生全反射。γ′＝90°，由折射率的定義得到全反射的臨界條件為：nsii”c

2 〔3-11〕n1依據(jù)全反射原理，只要使傳播光線對(duì)兩個(gè)外表的入射角ii”c

，它就不會(huì)穿過其次外表進(jìn)入空氣中。不同介質(zhì)的臨界角大小不一，一般玻璃對(duì)空氣的臨界角為 42°，水對(duì)空氣的臨界角為8.5°。利用全反射原理，人們制作了一種型光學(xué)元 光導(dǎo)纖維〔或稱光纖，可實(shí)現(xiàn)在維彎曲處不發(fā)生光透射損失。三材料對(duì)光的吸取1．光的吸取光是一種能量流，在光通過物質(zhì)傳播時(shí)，會(huì)引起物質(zhì)的價(jià)電子躍遷或使原子振動(dòng)，從而使光能的一局部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，?dǎo)致光能的衰減，這種現(xiàn)象稱為光的吸取。設(shè)有一塊厚度為x的平板3-3所示，光從中透過時(shí)，入射光強(qiáng)度為IIdx，0并認(rèn)為光通過此薄層時(shí)被吸取了dI。試驗(yàn)證明，dI正比于在此處的光強(qiáng)度I和薄層的厚度dx，即dI=-αIdx 〔3-12〕式中，α是物質(zhì)的吸取系數(shù)，其單位為cm-1，它是材料的特征量，與材料的性質(zhì)和光的波長(zhǎng)有關(guān)，負(fù)號(hào)表示光強(qiáng)隨x的增加而減弱。對(duì)式(3-1)積分,得dII =-αxdx

lnI

=-αx0I I 0 I000所以， I=Ie–αx (3-13)0

3-3式(3-13)稱為朗伯特定律。它說明光強(qiáng)度隨厚度的變化符合指數(shù)衰減規(guī)律。α越大、材料越厚，α差異很大，空氣的α≈10-5cm-1，玻璃的α=10-2cm-1，金屬的α則達(dá)幾萬到幾十萬，所以金屬實(shí)際上是不透亮的。2．光吸取與光波長(zhǎng)的關(guān)系未滿帶，吸取光子后即呈激發(fā)態(tài)，用不著躍遷到導(dǎo)帶即能發(fā)生碰撞而發(fā)熱。從圖3-4中可見，在電磁波譜的可見光區(qū)，金屬和半導(dǎo)體的吸取系數(shù)都是很大的，而電介質(zhì)材料，包括大多數(shù)有機(jī)材料和大多數(shù)玻璃、陶瓷等無機(jī)材料在可見光范圍內(nèi)沒有特征的選擇吸取，因此具有透亮性。究其緣由，這是由于圖3-4 金屬、半導(dǎo)體和電介質(zhì)的吸取率隨波長(zhǎng)的變化絕緣材料的價(jià)電子所處的能帶為滿帶，而光子的能量又缺乏以使價(jià)電子躍遷到導(dǎo)帶，因此在可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸取系數(shù)很小。材料的禁帶寬度時(shí)，電子吸取光子的能量就能從滿帶躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)致吸取系數(shù)在紫外光區(qū)急劇增大。此紫外吸取端的波長(zhǎng)可依據(jù)材料的禁帶寬度Eg

求得:cEg=hv=h所以， λ=

hc 〔3-14〕Egh6.63×10-34J·s，c為光速。從式中可以看出，禁帶寬度大的材料，紫外吸取端的波長(zhǎng)比較小。假設(shè)期望材料在可見光區(qū)的透過范圍大，那么，在紫外吸取端的波長(zhǎng)就要小，即禁帶寬度E要大；假設(shè)E很小，可能在g g可見區(qū)就會(huì)被吸取而不透亮。電介質(zhì)材料的E10ev左右。以NaCl為例，它的E=9.6eV，依據(jù)式〔3-14〕g g發(fā)生吸取峰的波長(zhǎng)為:hc 6.62610273108λ= = =0.129(μm)E 9.61.6021012g此波長(zhǎng)位于極遠(yuǎn)紫外區(qū)，說明對(duì)NaCl而言，要從極遠(yuǎn)的紫外光開頭對(duì)光的吸取。3-6不能使?jié)M帶電子發(fā)生躍遷，那么，此區(qū)間的吸取峰又是如何產(chǎn)生的呢？在紅外區(qū)的吸取峰是由于離子的彈性振動(dòng)與光子輻射發(fā)生諧振消耗能量所致，材料發(fā)生振動(dòng)的固有頻率由離子間結(jié)合力打算。要使諧振點(diǎn)的波長(zhǎng)盡可能遠(yuǎn)離可見光區(qū)，即吸取峰處的頻率應(yīng)盡可能小，那么，與之共振的材料熱振頻率γ就要小。此頻率γ與材料其它常數(shù)呈以下關(guān)系1 1γ2=2β(Mc

) 〔3-15〕Ma式中β是與力有關(guān)的常數(shù)，由離子間結(jié)合力打算。Mc和Ma分別為陽(yáng)離子和陰離子質(zhì)量。所以，為了有較寬的透亮頻率范圍，最好有高的電子能隙值和弱的原子間結(jié)合力以及大的離子質(zhì)量。對(duì)于高原子量的一價(jià)堿金屬鹵化物，這些條件都是最優(yōu)的。吸取還可分為選擇吸取和均勻吸取。同一物質(zhì)對(duì)各種波長(zhǎng)的光吸取程度可以不一樣，對(duì)有的透亮材料的選擇吸取使其呈不同的顏色。假設(shè)介質(zhì)在可見光范圍對(duì)各種波長(zhǎng)的吸取程度一樣，則稱為均勻吸取。在此狀況下，隨著吸取程度的增加，顏色從灰變到黑。任何物質(zhì)都有這兩種形式的吸取，只是消滅的波長(zhǎng)范圍不同而已。把能放射連續(xù)光譜的白光源〔例如鹵鎢燈〕所發(fā)的光經(jīng)過分光儀器〔例如分光光度計(jì)〕分解出單色光束，并使之相繼通過待測(cè)材料，可以測(cè)量吸取系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系，得到吸取光譜。光的散射概念材料中假設(shè)有光學(xué)性能不均勻的構(gòu)造，例如含有透亮小粒子、光性能不同的晶界相、氣孔或其它夾雜物，都會(huì)引起一局部光束偏離原來的傳播方向而向四周八方散開來，這種現(xiàn)象稱為光的散射。散射的緣由主要是光波遇到不均勻構(gòu)造產(chǎn)生的次級(jí)波，與主波方向不全都，與主波合成消滅干預(yù)現(xiàn)象，使光偏離原來的方向，從而引起散射。由于散射，光在前進(jìn)方向上的強(qiáng)度減弱了，對(duì)于相分布均勻的材料，其減弱的規(guī)律與吸取規(guī)律具有一樣的形式:I=I0

e-sx 〔3-16〕0

為光束通過厚度為xs為散射系數(shù)，與散射(質(zhì)點(diǎn))吸取定律與散射規(guī)律的式子統(tǒng)一起來，則可得到:I=Ie-(α+s)x0

〔3-17〕材料對(duì)光的散射是光與物質(zhì)相互作用的根本過程之一，當(dāng)光波的電磁場(chǎng)作用于物質(zhì)中的原子、分子等微觀粒子時(shí)將激起粒子的受迫振動(dòng)，受迫振動(dòng)的粒子就成為發(fā)光中心，向各個(gè)方向放射球面次波。由于固態(tài)中的分子排列很密集，彼此之間的集合力很強(qiáng)，各個(gè)原子、分子的受迫振動(dòng)相互關(guān)聯(lián)，合作形成共同的等相面，因而合成的次波主要沿著原來光波的方向傳播，其它方向格外微弱。通常我們把發(fā)生在光波方向上的散射歸入透射。需要指出的是，發(fā)生在光波前進(jìn)方向上的散射對(duì)介質(zhì)中的光速有打算性的影響。光的散射表現(xiàn)形式多種多樣，依據(jù)散射前后光子能量〔或光波波長(zhǎng)〕變化與否，可以分為彈性散射和非彈性散射兩大類。彈性散射光的波長(zhǎng)〔或光子能量〕在散射前后不發(fā)生變化的，稱為彈性散射。依據(jù)經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)，這個(gè)過程被看成光子和散射中心的彈性碰撞，散射結(jié)果只是把光子彈射到不同的方向上去，并沒有轉(zhuǎn)變光子的能量，散射光的強(qiáng)度Is

與入射光的波長(zhǎng)λ的關(guān)系可因散射中心尺度的大小而具有不同的規(guī)律，一般有如下關(guān)系：Is

∝λ-σ式中，參量σ與散射中心尺度大小d有關(guān)。按λ與d的大小比較，彈性散射可以分為三種：廷德爾〔Tyndall〕散射當(dāng)散射中心的尺度d遠(yuǎn)大于光波的波長(zhǎng)λ時(shí)，σ→0，散射光強(qiáng)與入射光波長(zhǎng)無關(guān)。例如，粉筆灰顆粒的尺寸對(duì)全部可見光波長(zhǎng)均滿足這一條件，所以，粉筆灰對(duì)白光中全部單色成分都有一樣的散射力量，看起來是白色的。天上的白云，是由水蒸氣凝成比較大的水滴所組成的，線度也在此范圍，所以散射光也呈白色。米氏〔Mie〕散射當(dāng)散射中心尺度d與入射光波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，σ0~4之間，具體數(shù)值與散射中心尺寸有關(guān)。這個(gè)尺度范圍的粒子散射光性質(zhì)比較簡(jiǎn)單，例如存在散射光強(qiáng)度隨d/λ值的變化而波動(dòng)和在空間分布不均勻等問題。瑞利〔Rayleidl〕散射當(dāng)散射中心尺度d遠(yuǎn)小于入射光的波長(zhǎng)λ時(shí)，σ=4，即散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的4次方成反比。這一關(guān)系稱為瑞利散射定律。依據(jù)瑞利定律，微笑粒子〔d<<λ〕對(duì)波長(zhǎng)的散射不如短波有效。圖3-畫出了Is~ 的關(guān)系。據(jù)此，在可見光的短波側(cè)=400nm處，紫光的散射強(qiáng)度要比長(zhǎng)波側(cè)λ=720nm處紅光的散射強(qiáng)度大約大10倍。因此不難理解晴天早晨的太陽(yáng)為何呈鮮紅色而中午卻變成白色。由于大氣及塵埃對(duì)光譜上藍(lán)紫色的散射比紅橙色強(qiáng)，一天內(nèi)不同時(shí)刻陽(yáng)光到達(dá)觀看者所通過的大氣層厚度不同，陽(yáng)光透過大氣層越厚，藍(lán)紫色成分損失越多，因此到達(dá)觀看者的陽(yáng)光中紫藍(lán)色的比例就越少。必需指出，瑞利散射并非氣體介質(zhì)所特有。固體光學(xué)材料在制備過程中形成的氣泡、條紋、雜質(zhì)顆粒、錯(cuò)位等等都可成為散射中心，在很多狀況下，當(dāng)線度滿足a0<<的條件時(shí)，就可引起瑞利散射。人們通常依據(jù)散射光的強(qiáng)弱推斷材料光學(xué)均勻性的好壞。對(duì)各種介質(zhì)彈性光散射性質(zhì)的測(cè)量和分析，可以獵取膠體溶液、渾濁介質(zhì)、晶體和玻璃等光學(xué)材料的物理化學(xué)性質(zhì)，確定流體中散射微粒的大小和運(yùn)動(dòng)速率。利用激光在大氣中的散射可以測(cè)量大氣中懸浮微粒的密度和監(jiān)測(cè)大氣污染的程度等。圖3-5中是Na 譜線(λ=0.589μm)的光通過含有l(wèi)％(體積)D的TiO2

TiO2散射質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)折射率n =l.8，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)的直徑為:214.1d= 2(n1)=0.48(μm)時(shí)，散射系數(shù)消滅峰值，即散射最強(qiáng)。明顯，

3-5質(zhì)點(diǎn)尺寸對(duì)散射系數(shù)的影響光的波長(zhǎng)不同，最大散射系數(shù)對(duì)應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)直徑也不同。從圖3-5中可以看出，曲線由左右兩條不同外形的曲線所組成，各自有著不同的規(guī)律。假設(shè)散射質(zhì)點(diǎn)的體積濃度不變，當(dāng)d<λ時(shí)，則隨著ds也隨之增大;d>λd的增加，sd≈λ時(shí)，s達(dá)最大值。所以可依據(jù)散射中心尺寸和波長(zhǎng)的相對(duì)大小，分別用不同的散射規(guī)律進(jìn)展處理，可求出s與其他因素的關(guān)系。當(dāng)d>λ時(shí)，反射、折射引起的總體散射起主導(dǎo)作用。此時(shí)，由于散射質(zhì)點(diǎn)和基體的折射率的差異，當(dāng)光線遇到質(zhì)點(diǎn)與基體的界面時(shí)，就要產(chǎn)生界面反射和折射。由于連續(xù)的反射和折射，:S=KNπR2 〔3-18〕式中，N為單位體積內(nèi)的散射質(zhì)點(diǎn)數(shù)，R為散射質(zhì)點(diǎn)的平均半徑，K為散射因素，取決于基體與質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)折射率。當(dāng)兩者相近時(shí)，由于無界面反射，K≈0。由于N不好計(jì)算，設(shè)散射質(zhì)點(diǎn)的體積含量為V，則：4V=3πR3N 〔3-19〕3KV則(3-18)式變?yōu)椋?S= 4R

〔3-20〕故 I=Ie-3KVx/4R0由式中可見，d>λ時(shí)，R越小，Vs3-5試驗(yàn)規(guī)律。同時(shí)S隨相對(duì)折射率的增大而增大。d<1/3λ時(shí)，可近似地承受Rayleigh散射來處理，此時(shí)散射系數(shù)：2n212S=32π4R3Vλ-4

(n22)

(3-21)總之，不管在上述哪種狀況下．散射質(zhì)點(diǎn)的折射率與基體的折射率相差越大，將產(chǎn)生越嚴(yán)峻的散射。d≈λ的狀況屬于Mie論。3非彈性散射當(dāng)光束通過介質(zhì)時(shí)，入射光子與介質(zhì)發(fā)生非彈性碰撞，使散射光的波長(zhǎng)〔或頻率〕發(fā)生改3-6為散射光譜圖，圖中與入射光頻率一樣的彈性散射譜線為瑞利散射線，其兩旁布里淵散射線、拉曼散射線都為非彈性散射，且它們對(duì)稱地分布在瑞利散圖3-6 散射光譜示意圖10～102m-1量級(jí)，與瑞利線相距較近的是布里淵散射線，它們與瑞利線的頻率差可因散射介質(zhì)能級(jí)構(gòu)造的不同而在102～106m-1量級(jí)之間。在瑞利散射線低頻側(cè)的布里淵散射線、拉曼散射線又統(tǒng)稱為斯托克斯〔Stockes〕線，而在瑞利散射線高頻側(cè)的布里淵散射線、拉曼散射線統(tǒng)稱為反斯托克斯〔anti-Stockes〕線。從波動(dòng)觀點(diǎn)來看，光的非彈性散射機(jī)制是光波電磁場(chǎng)與介質(zhì)內(nèi)微觀粒子固有振動(dòng)之間的耦合，從而激發(fā)介質(zhì)微觀構(gòu)造的振動(dòng)或?qū)е抡駝?dòng)的消逝，以致散射光波頻率相應(yīng)消滅“紅移”〔頻率降低〕〔頻率增高。通常能產(chǎn)生拉曼散射的介質(zhì)多由相互束縛的正負(fù)離子所組成，正負(fù)離子的周期性振動(dòng)導(dǎo)致偶極矩的周期性變化，這種振動(dòng)偶極矩與光波電磁場(chǎng)的相互作用引起能量交換，發(fā)生光波的非彈性散射。所以，拉曼散射可以認(rèn)為是分子或點(diǎn)陣振動(dòng)的光學(xué)聲子〔光學(xué)模〔聲子〕對(duì)光波的散射。沒有振動(dòng)偶極矩的體系也可以通過光波感生極化而產(chǎn)生拉曼散射，但散射強(qiáng)度較弱。布里淵散射是點(diǎn)陣振動(dòng)引起的密度起伏或超聲波對(duì)光波的非彈性散射，也可以說是點(diǎn)陣振動(dòng)的聲學(xué)聲子〔聲學(xué)?！撑c光波之間能量交換的結(jié)果。由于聲學(xué)聲子的能量低于光學(xué)聲子的能量，所以，布里淵散射的頻移比拉曼散射小，它們緊靠在瑞利散射線的兩旁，只能用高區(qū)分率的雙單色儀的光譜儀才能區(qū)分出來。從能量觀點(diǎn)來看，拉曼散射過程可以用簡(jiǎn)潔的能級(jí)躍遷圖來說明，如圖3-7所示。圖3-7〔a〕E1〔或高能級(jí)E2〕γ0的入射光子作用時(shí)，介質(zhì)分子吸取這個(gè)光子，躍遷到某個(gè)虛能級(jí)，隨后這個(gè)虛能級(jí)上的分子便向下躍遷回到它原來的能級(jí)，放射出一個(gè)與入射光子頻率一樣的光子〔方向可能轉(zhuǎn)變3-7〔b〕表示拉曼散射的斯托克斯過程，它與瑞利散射的唯一區(qū)分是分子從虛能級(jí)向下躍遷時(shí)回到了較高能級(jí)E2，并伴隨一個(gè)光子放射，這個(gè)光子的頻率γ0與入射光子頻率相比紅移了Δγ，其數(shù)值相當(dāng)于兩個(gè)能級(jí)的能量差，即2hΔγ=E－E12

〔3-22〕圖3-7 分子散射的量子圖γ圖3-7〔c〕表示的是拉曼散的反斯托克斯過程，其特點(diǎn)是：假設(shè)介質(zhì)分子原來處于較高能級(jí)EE，并同γ2 0 1時(shí)放射了一個(gè)頻率藍(lán)移的散射光子，頻移量γ仍符合式3-2。需要說明的是，這里所說的虛能級(jí)，實(shí)際上應(yīng)當(dāng)理解為電磁場(chǎng)和介質(zhì)的共同狀態(tài)，也就是在相互作用過程中形成的復(fù)合態(tài)。但是量子力學(xué)圖像里只給出介質(zhì)的狀態(tài)，所以把共同狀態(tài)稱為虛態(tài)或虛能級(jí)。一般虛能級(jí)并不真正代表介質(zhì)體系的真實(shí)能級(jí)。試驗(yàn)覺察，當(dāng)入射光的頻率選擇到使虛能級(jí)正好與介質(zhì)的某個(gè)能級(jí)重合時(shí)，拉曼散射的強(qiáng)度會(huì)大大加強(qiáng)，這種情形稱為共振拉曼散射。此外，通過用強(qiáng)激光進(jìn)展的拉曼散射試驗(yàn)覺察，當(dāng)入射光強(qiáng)超過某閾值時(shí)，拉曼散射強(qiáng)度可以獲得增益，這時(shí)的強(qiáng)度會(huì)突然增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并且在瑞利散射線的兩側(cè)還會(huì)消滅多條等間隔分布的散射譜線，分別稱為一級(jí)、二級(jí)、……拉曼散射譜線，這種現(xiàn)象稱為受激拉曼散射，其機(jī)制類似于激光的形成。與受激拉曼散射相對(duì)應(yīng)，一般拉曼散射可稱為自發(fā)拉曼散射。布里淵散射也有類似的共振和受激過程。由于拉曼散射和布里淵散射中散射光的頻率與散射物質(zhì)的能態(tài)構(gòu)造有關(guān)已經(jīng)成為獲得固體構(gòu)造、點(diǎn)陣振動(dòng)、聲學(xué)動(dòng)力學(xué)以及分子的能級(jí)特征等信息的有效手段。此外，受激拉曼散射還為開拓的相干輻射波長(zhǎng)和可調(diào)諧相干光源開拓了的途徑。五、色散材料的折射率隨入射光的頻率的減小〔或波長(zhǎng)的增加〕而減小的性質(zhì)，稱為材料的色散。對(duì)于所考慮的任何入射光波長(zhǎng)，材料的色散為dn色散=d

〔3-23〕3-8波長(zhǎng)的折射率來表達(dá)，而不是去確定完整的色散曲線。如光學(xué)玻璃或晶體材料的折射率測(cè)定均使n，用其描述材料的色散。最常用的數(shù)值是倒數(shù)相對(duì)色散，即色散系數(shù)pn 1γ= D

〔3-24〕n nF C式中n、n和n分別是以鈉的D譜線5893、氫的F譜線〔4861A0〕和C譜線(6563A0)D F C為光源，測(cè)得的折射率。描述光學(xué)玻璃的色散還用平均色散〔=n-n。F c由于光學(xué)玻璃或多或少都具有色散現(xiàn)象，因而使用這種材料制成的單片透鏡圖圖3-8晶體和玻璃的色散成像不夠清楚，在自然光的透過下，在像的四周圍繞了一圈色帶。抑制的方法是用不同牌號(hào)的光學(xué)玻璃，分別磨成凸透鏡和凹透鏡組成復(fù)合鏡頭，來消退色差，這叫做消色差鏡頭。色散的緣由可承受阻尼受迫振子的模型解釋。介質(zhì)原子的電構(gòu)造可以被看做是正負(fù)電荷之間由一根無形的彈簧束縛在一起的振子，在光波電磁場(chǎng)的作用下，正負(fù)電荷發(fā)生相反方向的位移，并跟隨光波頻率作受迫振動(dòng)。光波引起介質(zhì)中束縛電荷受迫振動(dòng)的同時(shí)，受迫振動(dòng)的振子〔束縛電荷〕又可以作為的電磁波波源，向外放射“電磁次波〔或稱散射波。在固體材料中這種散射中心的密度很高，多個(gè)振子波的相互干預(yù)使得次波只沿原來入射光波的方向前進(jìn)。依據(jù)波的疊加原理，次波和入射光波疊加的結(jié)果使合成波的位相與入射波不同。由于光速是等位相狀態(tài)的傳播速度，次波的疊加轉(zhuǎn)變了波的位相，也就轉(zhuǎn)變了光波的速度，而次波的位相就是振子受迫振動(dòng)的位相，它既與光波電矢量振動(dòng)的頻率有關(guān)，又和振子固有頻率有關(guān)。因此介質(zhì)中的光速與光波頻率〔波長(zhǎng)〕有關(guān)，同時(shí)與材料的固有振動(dòng)頻率有關(guān)，而材料的折射率反映了光在材料中的傳播速度，所以材料的折射率與入射光的頻率有關(guān)。透光性〔1〕透光性概念材料可以使光透過的性能稱為透光性，透光性是個(gè)綜合指標(biāo)，即光能通過材料后，剩余光能所占的百分比。光的能量(強(qiáng)度)可以用照度來表示。I0

的光束垂直地入射到一介質(zhì)外表，由于介質(zhì)外表與空間介質(zhì)之間存在相對(duì)折射率n ，因而在外表上有反射損失①:21

n 1L=RI

= (n211)2I

〔3-25〕① 0 021透進(jìn)材料中的光強(qiáng)度為I(1-R)，這一局部光能穿過厚度為x的材料后，又消耗于吸取損失②和散0射損失③。到達(dá)材料的另一外表時(shí)，光強(qiáng)度剩下 I(1-R)e-(α+s)x。再經(jīng)過外表反射，一局部0光能反射進(jìn)材料內(nèi)部，其數(shù)量為：L=IR(1-R)e-(α+s)x④ 0另一局部光能透過界面至空間，其光強(qiáng)度為:

〔3-26〕I=I(1-R)20

〔3-27〕明顯，I/I0才是真正的透光率。固然I中還有一局部光能未包括，這就是L④反射回去的光，再經(jīng)兩個(gè)內(nèi)外表二、三次反射之后，從外表透出的光能。這局部光能明顯與材料的吸取系數(shù)、散射系數(shù)有親熱關(guān)系，也和材料厚度以及光束入射角有關(guān)。假設(shè)考慮這局部透出的光，將會(huì)使整個(gè)透光率提高。試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果往往偏高就是這個(gè)緣由?！?〕影響材料透光性的因素。材料透光性主要受材料的吸取系數(shù)、反射系數(shù)及散射系數(shù)影響，其中吸取系數(shù)與材料的性質(zhì)親熱相關(guān)，金屬材料因吸取系數(shù)太大而不透光，陶瓷、玻璃和大多數(shù)高分子介電材料，吸取系數(shù)在可見光范圍內(nèi)是比較低的，在影響透光性因素中不占主要地位；反射損失與折射率、外表粗糙度有關(guān)，我們?cè)诮缑娣瓷渚植考?xì)述；對(duì)于無機(jī)材料及高分子材料，它們都是多晶多相體系，內(nèi)含雜質(zhì)、氣孔、晶界、微裂紋等缺陷．光通過這類材料時(shí)，會(huì)遇到一系列的阻礙，所以它們不象純晶體、玻璃體那樣透光，大多數(shù)看上去是不透亮的，這主要是受散射因素影響。所以散射系數(shù)是影響材料透光率的主要因素，下面著重分析影響材料散射系數(shù)的因素①宏觀及顯微缺陷材料中的夾雜物、摻雜、晶界等對(duì)光的折射性能與主晶相不同，因而在不均勻界面上形成相對(duì)折射率。此值越大則界面上反射系數(shù)越大，散射因子也越大，因而散射系數(shù)變大。②晶粒排列方向引起晶界處的反射及散射損失3-9所示為一個(gè)典型的不同晶粒取向的雙折射引起的晶界損失。圖中兩個(gè)相鄰晶粒的光軸相互垂直，設(shè)光線沿左晶粒的光軸方向射入，則在左晶粒中只存在常光3-9雙折射晶體在晶粒界面產(chǎn)生連續(xù)的反射和折射折射率n。右晶粒的光軸垂直于左晶粒的光軸，也就垂直于晶界處的入射光。由于此晶體有雙折0nnn與右晶粒的n0 e 0 0nn。=1，R0，無反射損失，但左晶粒的n。與右晶粒的n相對(duì)折射率n。/nl，此值導(dǎo)0 e e致反射和散射損失。例如，α-AlO晶體的n=1.760，n=1.768，假設(shè)相鄰晶粒的光軸相互垂直，則晶界面的反23 0 e射系數(shù)n 1 2R=(n211)2=[(1.768/1.760-1)/(1.768/1.760+1)]21

=5.14×10-62mm10μm200的局部為〔1-R〕200=0.99897，損失并不大。從散射損失來分析，n21≈1，所以K≈0，S=KV/R≈0,散射損失也很小。所以，Al2O3陶瓷可用來制作透亮燈管。而金紅石晶體的n0=2.854，ne=2.567，因而其反射系數(shù)R=2.8×10-3。假設(shè)材料厚度3mm，晶粒3μm1000〔1-R〕1000=0.06n21較大，KS所以，假設(shè)使晶界玻璃相與主晶相折射率相差不大，就可望得到透光性較好的透亮陶瓷材料。但這是相當(dāng)不簡(jiǎn)潔做到的。多晶體陶瓷的透光率遠(yuǎn)不如同成分的玻璃大，由于相對(duì)來說，玻璃內(nèi)MgO，YO等材料，沒有雙折23射現(xiàn)象，透亮度較高。③氣孔引起的散射損失存在于晶粒之間以及晶界玻璃相內(nèi)的氣孔，從光學(xué)上講構(gòu)成了其次相，其折射率n可視為1l，與基體材料之n相差較大，所以相對(duì)折射率n=n也較大。由此引起的反射損失、散射損失遠(yuǎn)2 21 2較雜質(zhì)、不等向晶粒排列等因索引起的損失為大。例如，仍以α-AlO陶瓷一材料氣孔體積分?jǐn)?shù)23為0.2%，d=4μm，試驗(yàn)測(cè)得散射因子K=2～4,因氣孔直徑大于可見光的波長(zhǎng)(λ=0.39～0.79μm3-2，即3KV 320.002S 1.5(mm1)4R 40.002x=3mmI=Ie-1.5×3=0.011I1%左右?？梢姎饪讓?duì)透光率影響很0 0大。d=0.01μm0.63d<λ/3，所以散射損失可用公式〔3-21〕計(jì)算，即S324R3V4(

n21)2)n22324(0.0050.001)30.0063 1.7621 ( )2

0.0032(mm)1(0.60.001)4 1.7622假設(shè)材料厚度x=2mmI=Ie-0.0032×2=0.994I,散射損失不大，仍是透光性材料。0 0可見，氣孔的大小對(duì)散射影響也很大?？梢猿惺苷婵崭蓧撼尚偷褥o壓工藝消退較大的氣孔，減小氣孔對(duì)光的散射?！?〕提高無機(jī)材料透光性的措施①提高原材料純度為提高材料透光性，材料純度應(yīng)盡可能高。由于在材料中雜質(zhì)形成的異相，其折射率與基體不同，等于在基體中形成分散的散射中心，使S提高。雜質(zhì)的顆粒大小影響到s的數(shù)值，尤其當(dāng)其尺度與光的波長(zhǎng)相近時(shí)，S到達(dá)峰值。所以雜質(zhì)濃度以及與基體之間的相對(duì)折射率都會(huì)影響到散射系數(shù)的大小。α均不得消滅峰值。這是由于不同波長(zhǎng)的光，對(duì)材料及雜質(zhì)的α值均有顯著影響。特別是在紫外波段，吸取率有一峰值，所以，要求材料及雜質(zhì)具有盡可能大的禁帶寬度Eg．這樣可使吸取峰處光的波長(zhǎng)盡可能短一些，因而不受吸取影響的光的頻帶寬度可放寬。②摻加外加劑外表看起來，摻加主成分以外的其它成分，如上所述，似乎會(huì)影響材料的透光率，但是，這里摻加的外加劑目的是降低材料的氣孔率，特別是降低材料燒成時(shí)的閉孔(大尺寸的閉孔稱為孔洞)，正如前面分析的那樣，氣孔對(duì)材料透光性的影響程度遠(yuǎn)大于雜質(zhì)等其它構(gòu)造因素。成瓷或這些小氣孔雖然對(duì)材料強(qiáng)度無多大影響，但對(duì)其光學(xué)性能特別是透光率影響頗大。R．L．Coble提出在Al2O3中參加少量MgOMgO·Al2O3尖晶石，一方面，在燒結(jié)后期阻礙Al203晶粒的快速長(zhǎng)大；另一方面，又使氣泡有充分時(shí)間逸出，從而使透亮度增大。MgO雖有排解氣孔的作用，但摻得過多也會(huì)引起透光率下降。適宜的摻量一般約為Al2O30.05—0.5％。A1O陶瓷的透光性，近年來，除了參加MgOYOLa0

等外加23 23 23劑。這些氧化物溶于尖晶石中，形成固溶體。依據(jù)Lorentz-Lorenz公式，離子半徑越大的元素，電子位移極化率越大，因而折射率也越大。上述氧化物中，Mg2+0．65Y3+的為0.93La3的為l.15MgO及A203(1.72)偏離了Al2O3和MgO將Y2O3固溶于尖晶石后，將使尖晶石的折射率接近于主晶相的折射率(1.76),從而削減了晶界的界面反射和散射。③工藝措施一般，實(shí)行熱壓法要比一般燒結(jié)法更便于排解氣孔，因而是獲得透亮陶瓷較為有效的工藝，熱等靜壓法效果更好。幾年前，有人承受熱鍛法使陶瓷織構(gòu)化，從而改善其性能。這種方法就是使得晶粒定向排列，結(jié)果大多數(shù)晶粒的光軸趨于平行，這樣在同一個(gè)方向上，晶粒之間的折射率就變得全都了，從而削減了界面反射。用熱鍛法制得的Al203陶瓷是相當(dāng)透亮的。界面反射和光澤〔1〕鏡反射和漫反射光的鏡反射是指光照耀在光滑度格外高的材料外表時(shí)，反射光線具有明確的方向性，我們把這種反射稱之為鏡反射，前面所述的光的反射就是這種狀況。利用這共性能材料可到達(dá)各種光學(xué)應(yīng)用目的，例如雕花玻璃器皿，含鉛量高，折射率高，因而反射率約為一般鈉鈣硅酸鹽玻璃的兩倍，到達(dá)裝飾效果。同樣，寶石的高折射率使之具有強(qiáng)折射和高反射性能。玻璃纖維作為通訊的光導(dǎo)管時(shí)，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(shí)現(xiàn)的。有的光學(xué)應(yīng)用中，期望得到強(qiáng)折射和低反射相結(jié)合的玻璃產(chǎn)品。這可以在鏡片上涂一層折射率為中等、厚度為光波長(zhǎng)1／4的涂層來實(shí)現(xiàn)。所指光的波長(zhǎng)可承受可見光譜的中部波長(zhǎng)(即0.60μm左右)。這樣，當(dāng)光線射至帶有涂層的玻璃上時(shí)，其一次反射波剛好被涂層與玻璃接觸平面反射的大小相等、位相相反的二次反射波所抵消。在大多數(shù)顯微鏡和很多其他光學(xué)系統(tǒng)中都承受這種涂層的物鏡。同樣的系統(tǒng)被用來制作“不行見”的窗戶。反之，光照耀在粗糙的材料外表時(shí)，反射線沒有方向性的，3-10反射的緣由是由于材料外表租糙，在局部地方的入射角參差不一，反射光的方向也各不一樣，致使總的反射能量分散在各個(gè)方向上，形成漫反射。材料外表越粗糙，鏡反射所占的能量分?jǐn)?shù)越小?！?)光澤要對(duì)光澤下個(gè)準(zhǔn)確的定義是困難的，但它與鏡反射和漫反射的比例親熱相關(guān)。爭(zhēng)論覺察外表光澤與反射影象的清楚度和完整性，亦即與鏡反射光帶的寬度和它的強(qiáng)度有親熱的關(guān)系，這些因素主要由折射率和外表光滑度打算。為了獲得高的外表光澤，需要承受鉛基的釉或搪 (a)釉或搪瓷(b)毛玻璃或瓷體瓷組分，燒到足夠高的溫度，使釉鋪展而形成 圖3-10鏡反射和漫反射完整的光滑外表。在這過程中，通常由于晶體形成時(shí)會(huì)造成外表粗糙、外表起伏或者氣泡爆裂造成凹坑，使獲得高光澤的釉和搪瓷帶來肯定的困難。相反，為了減小外表光澤，可以承受低折射率玻璃或增加外表粗糙度，例如承受研磨或噴砂的方法，外表化學(xué)腐蝕的方法以及由懸浮液、溶液或者氣相沉積一層細(xì)粒材料的方法產(chǎn)生粗糙外表。不透亮性〔乳濁〕和半透亮性不透亮性陶瓷坯體有氣孔，而且色澤不均勻，顏色較深，缺乏光澤，因此常用釉加以掩蓋。釉的主體為玻璃相，有較高的外表光澤和不透亮性。搪瓷琺瑯也施不透亮以掩蓋底層的鐵皮，假設(shè)釉透亮，底層的鐵皮就要顯露出來。乳白玻璃也是利用光的散射效果，使光線嚴(yán)峻，釉、搪瓷、乳白玻璃和瓷器的外觀和用途在很大程度上取決于它們的反射和透射性能。圖3-12所示為釉或搪瓷以及和掩蓋力量，就要求光在到達(dá)具有不同光學(xué)特性的底層之前被漫反射掉。這可以通過在基質(zhì)玻璃中引入其次相粒子〔乳濁劑〕來到達(dá)。為了有高的半透亮性，光應(yīng)當(dāng)被散射。透射的光是集中開的，但是大局部入射光應(yīng)當(dāng)透射過去而不是被漫反射掉。正如前面所述，打算總散射系數(shù)從而影響兩相系統(tǒng)乳濁度的主要因素是其次相顆粒尺寸、相對(duì)折射率以及其次相顆粒的體積百分比。為了得到最大的散射效果，顆粒及基體材料的折射率數(shù)值應(yīng)當(dāng)有較大的差異，顆粒尺寸應(yīng)當(dāng)和入射波長(zhǎng)大約相等，并且顆粒的體積分?jǐn)?shù)要高。乳濁劑的成分1.49～1.65劑，加進(jìn)玻璃內(nèi)的乳濁劑必需具有和上述數(shù)值顯著不同的折射率。此外，乳濁劑還必需能夠在硅酸鹽玻璃基體中形成小顆粒，不與玻璃相起反響。乳濁劑是在熔制時(shí)形成的惰性產(chǎn)物，或者是在冷卻或再加熱時(shí)從熔體中結(jié)晶出來的。后者是常常使用的，是獲得所期望顆粒尺寸的最有效方法。釉、搪瓷和玻璃中常用的乳濁劑及其平均折射率見表3.3，由此表可以看出，最有效的乳濁劑是TiO，由于它能夠成核并結(jié)晶成格外細(xì)的24242225 4 41322523223.3適用于硅酸鹽玻璃介質(zhì)〔n=1.5〕的乳濁劑玻乳濁劑 nn/n分散晶 玻惰性添加物：SnO 1.99-2.0921.38ZrSiO 1.941.30ZrO 2.13-2.201.47ZnS 2.41.6TiO 2.50-2.901.8熔制反響的惰性產(chǎn)物：氣孔 1.00.67AsOCaSbOF 2.21.47玻璃中成核、結(jié)晶成的：NaF 1.320.87CaF 1.430.93CaTiSiO 1.91.27ZrO 2.21.47CaTiO 2.351.57TiO(銳鈦礦) 2.521.68TiO〔金紅石〕 2.761.84表3.3中所列的乳濁劑大都是折射率顯著高于玻璃折射率的晶體，氟化物的折射率較低，磷灰石的折射率與玻璃的相近，它們須與其它乳濁劑合用才有較好的乳濁效果。由于它們?cè)诓Ａе械娜闈釞C(jī)理有些不同，其中所含的氟或磷酐有促進(jìn)其它晶體在玻璃中析出的作用，因而顯示乳濁效果。含鋅的釉也有到達(dá)較好乳濁效果的，可能是析出了鋅鋁尖晶石的晶粒。但需留意的是，含鋅化合物在釉中溶解度高，即使有乳濁作用，燒成溫度范圍也是窄的。TiO2下，會(huì)使釉著色。但在搪瓷中，TiO卻是良好的乳濁劑。由于燒搪瓷的溫度僅為973—1073K2溫范圍，不會(huì)消滅變色狀況，因而在搪瓷工業(yè)中TiO2

是一種有良好遮蓋力量的乳濁劑。SbO在釉和玻璃中有較大的溶解度，一般也不用作為它們的乳濁劑，但卻是搪瓷的主要乳濁25劑之一，CeO也是良好的乳濁劑，效果很好，但由于稀有而昂貴，2限制了它的推廣使用。ZnS在高溫時(shí)易溶于玻璃中，降溫時(shí)從玻璃中析出微小的ZnS結(jié)晶而具乳濁效果，在某些乳白玻璃中常有使用。Sn02同組成的釉中，含量肯定的SnO能保證良好的乳濁效果，其缺點(diǎn)是燒成時(shí)如遇復(fù)原氣氛，則會(huì)還2原成Sn0而溶于釉中，乳濁效果消逝，并且比較稀有，價(jià)格較貴，使得它的應(yīng)用受到肯定限制。近年較深入地爭(zhēng)論了鋯化合物乳濁劑，推廣使用效果很好。它的優(yōu)點(diǎn)是乳濁效果穩(wěn)定，不受氣氛影響。通常使用自然的鋯英石(ZrSiOZrO4 2乳濁機(jī)理入射光被反射、吸取和透射所占的分?jǐn)?shù)取決于釉層的厚度、釉的散射和吸取特性。對(duì)于無限m∞有光吸取的釉層，m=1。吸取系數(shù)大的材料，其反射率低。好的乳濁劑必需具有低的吸取系數(shù)，∞亦即在微觀尺度上，具有良好的透射特性。m打算于吸取系數(shù)和散射系數(shù)之比：∞m=1+α/S-〔α∞

〔3-28〕也就是說，釉層的反射同等程度地由吸取系數(shù)和散射系數(shù)所打算。但是，在實(shí)際的釉、搪瓷的應(yīng)用中，釉層厚度是有限的。釉層底部與基底材料的界面，也會(huì)有反射上來的光線增加到總反射率中去。用高的反射率、厚的釉層和高的散射系數(shù)或它們的某些結(jié)合，可以得到良好的乳濁效果。改善乳濁性能的工藝措施①制成熔塊釉釉和琺瑯都是把原料細(xì)磨成漿，施于制品上入窯煅燒的。制做琺瑯時(shí)，先把絕大局部原料熔融淬冷，再濕磨成瑯漿。釉也有先把局部原料制成熔塊，再配其它生料濕磨成釉漿，這稱為熔塊釉。但也有全用生料的生料釉，乳濁釉漿制備方法不同，乳濁效果差異很大。熔塊釉析出的小晶粒的大小與光波波長(zhǎng)接近，散射猛烈，田而有更良好的乳濁效果。搪瓷制品由于燒成溫度低，所用原料根本上事先熔融淬冷后磨細(xì)，因而保證乳濁劑粒子絕大局部都是從熔體中析出的微小顆粒，從而獲得良好的乳濁效果。②乳濁釉的燒成制度973K開頭到l573K溫度區(qū)間，以l00K／小時(shí)的速度均勻升溫，且每上升50K取一次試樣，再均勻冷卻，覺察釉的乳濁程度隨著溫度上升而增加，到肯定溫度后到達(dá)最大，以后又下降，最終變成透亮。假設(shè)將細(xì)磨的釉粉填充于瓷舟中，放在溫度873-1573K的梯溫電爐中煅燒，所得結(jié)果與上相仿。瓷舟中部乳923K開頭，釉粉燒結(jié)成塊，用電子顯微鏡可以觀察到微小的晶核，甚至在約900K的未燒結(jié)釉粉中也可以找到這種晶核。將已覺察了晶核的燒結(jié)釉塊或未燒結(jié)的釉粉置于乳濁最適宜的溫度下，保溫一段時(shí)間，就能到達(dá)很好的乳濁效果。而經(jīng)過高溫完全熔透的那局部釉塊，即使放在最適宜的乳濁溫度下保溫長(zhǎng)時(shí)間，也只是在外表有少量結(jié)晶，釉失去光澤，沒有明顯的乳濁效果。以上說明白晶核簡(jiǎn)潔在兩相界面生成，在熔體內(nèi)部析出相當(dāng)困難。沒有晶核的存在，即使外界條件再好也不能生長(zhǎng)出導(dǎo)致顯著乳濁效果的晶粒。釉料是經(jīng)過細(xì)磨成漿，施于器物外表再焙燒的，因而顆粒與空氣充分接觸，有許很多多的界面，大大有利于晶核的生成，所以有顯著的乳濁效果。半透亮性散射所引起的漫反射以外，入射光中漫透射的分?jǐn)?shù)對(duì)于材料的半透亮性起著打算作用。對(duì)于乳白玻璃來說，最好是具有明顯的散射而吸取最小，這樣就會(huì)有最大的漫透射。最好的方法是在選種玻璃中摻入和基質(zhì)材料的折射率相近的NaF和CaF2。這兩種乳濁劑的主要作用不是乳濁劑本身的析出，而是起礦化作用，促使其它晶體從熔體中析出。從而獲得良好的乳濁效果。單相氧化物陶瓷的半透亮性是它的質(zhì)量標(biāo)志。在這類陶瓷中存在的氣孔往往具有固定的尺寸，因而半透亮性幾乎只取決于氣孔的含量。對(duì)于含有小氣孔率的高密度單相陶瓷，半透亮度是衡量殘留氣孔率的一種敏感的尺度，因而也是瓷品的一種良好的質(zhì)量標(biāo)志。一些重要的工藝瓷，像骨質(zhì)瓷和硬瓷，半透亮性是主要的鑒定指標(biāo)。通常構(gòu)成瓷體的相是折射率接近1.5的玻璃、莫來石和石英。在致密的?；傻娘@微組織中，細(xì)針狀莫來石結(jié)晶消滅在具有較大的石英晶體的玻璃基體之中。這種石英晶體是未溶解的或局部溶解的。因此雖然莫來石的晶粒尺寸是在微米級(jí)范圍，但石英的晶粒尺寸要大得多。由于晶粒尺寸和折射率的差異，莫來石在陶瓷體內(nèi)對(duì)于散射和降低半透亮性起著主要的作用。因此提高半透亮性的主要方法是增加玻璃含量，削減莫來石的量。提高長(zhǎng)石對(duì)粘土的比例可實(shí)現(xiàn)此要求。如前所述，氣孔在瓷體中的存在會(huì)降低半透亮性。只有把制品燒到足夠的溫度，使粘土顆粒間的孔隙形成的細(xì)孔完全排解，致密化過程得以充分進(jìn)展，才能得到半透亮的瓷件。材料的顏色無色透亮的；配位高分子因金屬離子配位鍵的電子躍遷能量恰好在可見光頻率范圍內(nèi)，故對(duì)光波遇到不均勻構(gòu)造產(chǎn)生的次級(jí)波與主波方向不全都時(shí)，會(huì)與主波合成產(chǎn)生干預(yù)現(xiàn)象，使光線偏離原來的方向而引起散射現(xiàn)象，減弱投射光的強(qiáng)度。光散射使材料透亮性下降而呈現(xiàn)出乳白色。聚合物的顏色通常主要還是通過參加顏料、染料來實(shí)現(xiàn)的，或是由于含有某些雜質(zhì)所引起的。對(duì)于非晶高聚物，假設(shè)參加具有相容性的染料，則得到透亮的有色材料；假設(shè)參加不相容的顏料，則得到不透亮的有色材料。非晶高聚物的透亮性與聚合物和染料等其他添加劑的相容性有關(guān)。熱力學(xué)相容的共混體系，或熱力學(xué)不相容但有較高程度的相容性以致于微相尺寸小于光波波長(zhǎng)的共混物，具有透亮性；而微相尺寸大于光波波長(zhǎng)的不相容共混物發(fā)生光散射，而使其呈乳白色，不具有透亮性。因此，依據(jù)簡(jiǎn)潔的透亮性觀看可對(duì)共混物的相容性作出推斷。硅酸鹽工業(yè)中，有色陶瓷、玻璃、搪瓷、水泥主要也是參加顏料，如玻璃工業(yè)中的彩色玻璃和物理脫色劑，搪瓷上用的彩色琺瑯罩粉和水泥生產(chǎn)中的彩色水泥。陶瓷使用顏料的范圍最廣，色釉、色料和色坯中都要使用顏料，低溫顏料顏色豐富，高溫顏料由于高溫下穩(wěn)定的著色化合物不太多．故顏色比較單調(diào)。引起選擇性反射和透射，從而呈現(xiàn)出多種顏色。假設(shè)對(duì)全部波長(zhǎng)的光線都有很強(qiáng)的吸取，即均勻吸取，材料則呈現(xiàn)灰色乃至黑色。顏料的著色劑陶瓷坯釉中起著色作用的有著色化合物(簡(jiǎn)潔離子著色或復(fù)合離子著色)、膠體粒子。其顯色的緣由是由于著色劑對(duì)光的選擇性吸取而引起選擇性反射或選擇性透射，從而顯現(xiàn)顏色。從本質(zhì)上說，某種物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸取，是吸取了連續(xù)光譜中特定波長(zhǎng)的光量子，以激發(fā)吸取物質(zhì)本身原子的電子躍遷。固然，在固體狀態(tài)下，由于原子的相互作用、能級(jí)分裂，放射光譜譜線變寬。同樣道理，吸取光譜的譜線也要加寬，成為吸取帶或有較寬的吸取區(qū)域。這樣，剩下的就是較窄的(即色調(diào)較純的)反射或透射光。①分子著色劑在分子著色劑中，主要起作用的是本身可著色的簡(jiǎn)潔離子，或是通過復(fù)合著色的復(fù)合離子。對(duì)子簡(jiǎn)潔離子來說，當(dāng)外層電子是惰性氣體型或銅型時(shí)，本身比較穩(wěn)定，因此需要較大的能量才能激發(fā)電子進(jìn)入上層軌道，這就需要吸取波長(zhǎng)較短的量子來激發(fā)外層電子，因而造成了紫外區(qū)的選擇性吸取，對(duì)可見光則無影響，因此往往是無色的。過渡元素的次外層有未成對(duì)的d電子，鑭系元素的第三外層含未成對(duì)的f電子，它們較不穩(wěn)定，能量較高，只需較少的能量即可激發(fā)，故能選擇吸取可見光，從而呈現(xiàn)不同的顏色。常見的著色劑中，過渡元素Co2+，吸取橙、黃和局部綠光，呈帶紫的藍(lán)色；Cu2+吸取紅、橙、黃及紫光，讓藍(lán)、綠光通過；Cr2+著黃色；Cr3+吸取橙、黃著成明媚的紫色。錒系與鑭系一樣，系放射性元素，如鈾U6+，吸取紫、藍(lán)光，著成帶綠螢光的黃綠色。復(fù)合離子如其中有顯色的簡(jiǎn)潔離子則會(huì)顯色，如全為無色離子，但相互作用猛烈，產(chǎn)生較大的極化，也會(huì)由于軌道變形，而激發(fā)吸取可見光。如V5+，Cr6+，Mn7+，O2-均無色，但VO-顯黃3色，CrO2-呈黃色，MnO-顯紫色。4 4化合物的顏色多取決于離子的顏色，離子有色則化合物必定有色。通常為使高溫色料(如釉下彩料等)的顏色穩(wěn)定，一般都先將顯色離子合成到人造礦物中去。最常見的是形成尖晶石形式A0·BO，這里AB23把發(fā)色離子固溶進(jìn)去而制成陶瓷高溫色料的。②膠態(tài)著色劑膠態(tài)著色劑最常見的有膠體金(紅)、銀(黃)、銅(紅)以及硫硒化鎘等幾種。但金屬與非金屬腔體粒子有完全不同的表現(xiàn)，金屬膠體粒子的吸取光譜或者說呈現(xiàn)的色調(diào)，打算于粒子的大小，而非金屬膠體粒子則主要打算于它的化學(xué)組成，粒子尺寸的影響很小。以金屬膠態(tài)著色劑著色的玻璃或釉，它的色調(diào)打算于腔體粒子的大小，而顏色的深淺則打算于粒子的濃度。但在非金屬膠態(tài)溶液，如金屬硫化物中，則顆粒尺寸增大對(duì)顏色的影響甚小，而當(dāng)粒子尺寸到達(dá)100nm或以上時(shí)，溶液開頭混濁，但顏色仍舊不變。在玻璃中的狀況也完全一樣，最好的例子就是以硫硒化鎘膠體著色的著名的硒紅寶石，總能得到色調(diào)一樣、顏色明媚的大紅玻璃，但當(dāng)顆粒的尺寸增大至100nm或以上時(shí)，玻璃開頭失去透亮。通常含膠態(tài)著色劑的玻璃要在較低的溫度下，以肯定的制度進(jìn)展熱處理顯色．以形成所需要的大小和數(shù)量的膠體粒子，才能消滅預(yù)期的顏色。假設(shè)冷卻太快，則制品將是無色的，必需經(jīng)過再一次的熱處理，方能顯現(xiàn)出應(yīng)有的顏色。陶瓷的色調(diào)陶瓷坯釉、色料等的顏色，除主要打算于高溫下形成的著色化合物的顏色外，參加的某些無色化合物如Zn0，Al0等對(duì)色調(diào)的轉(zhuǎn)變也有作用。燒成溫度的凹凸，特別是氣氛的影響，關(guān)系更23大。某些色料應(yīng)在規(guī)定的氣氛下才能產(chǎn)生指定的色調(diào)，否則將變成另外的顏色。如鈞紅釉是我國(guó)制品，絢麗斑斕，異彩多姿，其裝飾效果反而超過原來單純的紅色。溫度的凹凸，對(duì)顏料所顯顏色的色調(diào)影響不大，但與濃淡、深淺則直接有關(guān)。通常制品只有在正燒的條件下才能得到預(yù)期的顏色效果，生燒往往顏色淺淡，而過燒則顏色昏暗。成套餐具、成套彩色衛(wèi)生潔具、錦磚等產(chǎn)品消滅的色差，往往是燒成時(shí)的溫差引起的，這種色差會(huì)影響配套。2060年月消滅了一種嶄的光源：激光。這種光的顏色極為單純，放射方向單一，輻射能量在空間和時(shí)間上高度集中，因而可以到達(dá)比太陽(yáng)強(qiáng)1010倍的亮度。激光器為科學(xué)爭(zhēng)論和計(jì)激光之所以具有傳統(tǒng)光源無法比較的優(yōu)越性，其根本關(guān)鍵在于它利用了材料的受激輻射。已經(jīng)知道，材料的光吸取和光放射都是光和物質(zhì)相互作用的根本過程。20世紀(jì)初愛因斯坦在爭(zhēng)論“黑體輻射能量分布”這一當(dāng)時(shí)的物理學(xué)難題時(shí)曾提出，光與物質(zhì)的相互作用中除了光吸取和光放射外，還有第三個(gè)根本過程，即受激輻射，并據(jù)此推導(dǎo)出黑體輻射的能量分布公式，合理的解釋了試驗(yàn)規(guī)律。為了與受激輻射相區(qū)分，把光放射稱為自發(fā)輻射。下面對(duì)愛因斯坦關(guān)于黑體輻射的理論要點(diǎn)進(jìn)展簡(jiǎn)要介紹。E和E3-11所示。1 23-11光與物質(zhì)相互作用的三個(gè)根本過程放射一個(gè)光子，其能量為：hE E2 1

〔3-29〕各個(gè)原子放射的自發(fā)輻射光子，除了能量〔頻率〕受上式限制外，其放射方向和偏振態(tài)都是NE的原子密度，則在單位體積內(nèi)單位時(shí)間發(fā)生自發(fā)輻射2 2的原子數(shù)〔dN

/dt〕|

〔等于自發(fā)輻射的光子數(shù)〕與高能級(jí)的原子數(shù)N

成正比，故：2 sp

〔dN/dt〕|＝－A N

2〔3-30〕2 sp 21 2式中，系數(shù)A 稱為自發(fā)輻射躍遷系數(shù)，也稱為自發(fā)輻射系數(shù)。因此A 即為沒有輻射場(chǎng)存在時(shí)21 21從高能級(jí)向低能級(jí)的躍遷系數(shù)。它僅與原子的性質(zhì)有關(guān)，而與是否存在輻射場(chǎng)無關(guān)。負(fù)號(hào)說明自發(fā)輻射導(dǎo)致N隨時(shí)間削減。2hE2

E的光子趨近它時(shí)，原子則可能吸取一個(gè)光1子并躍遷到高能級(jí)。由于這個(gè)吸取過程只有存在適當(dāng)頻率的外來光子時(shí)才會(huì)發(fā)生，故可稱為受激吸取。單位體積內(nèi)單位時(shí)間發(fā)生受激吸取的原子數(shù)〔dN

/dt〕|1

〔等于被吸取的光子數(shù)，不但與低能級(jí)的原子密度N1

成正比，還和輻射場(chǎng)的能量密度ρ(υ,T)成正比，所以有〔dN/dt〕|＝－B ρ(γ,T)N

〔3-31〕1 sp 12 1式中，B12

為受激吸取系數(shù)，B

ρ(γ,T)則為受激吸取幾率。吸取結(jié)果導(dǎo)致高能級(jí)原子數(shù)增加，故12〔dN/dt〕|＝－〔dN/dt〕|

〔3-32〕2 sp 1 sp受激輻射過程是，當(dāng)一個(gè)能量滿足hE2

EE1

的原子時(shí)，入射的光子誘導(dǎo)高能級(jí)原子放射一個(gè)和自己性質(zhì)完全一樣的光子來。換句話說，受激輻射的光子和入射光子具有一樣的頻率、方向和偏振狀態(tài)。受激輻射是受激吸取的逆過程，它的發(fā)生使高能級(jí)的原子數(shù)削減。單位體積內(nèi)單位時(shí)間發(fā)生受激輻射的原子數(shù)〔dN

(等于受激輻射產(chǎn)生的光子數(shù))應(yīng)與高能級(jí)的原子數(shù)N2

2 sp及輻射場(chǎng)能量密度ρ(γ,T)成正比，即〔dN/dt〕|＝－B ρ(γ,T)N

〔3-33〕2 sp 21 2式中，B21

為受激輻射系數(shù)，而B

ρ(γ,T)為受激輻射幾率。21〔包括自發(fā)輻射和受激輻射等于吸取的光子數(shù)時(shí)，才能保持輻射場(chǎng)的能量密度不變，因此[A21+B ρ(γ,T)]N=B ρ(γ,T)N

〔3-34〕21 2 12 1與此同時(shí)，熱平衡條件下，原子密度按能量的分布應(yīng)滿足波爾茲曼分布定律N2N1

g1hkT 〔3-3〕式中，kB為波爾茲曼常數(shù)，g1g2分別為高、低能級(jí)的簡(jiǎn)并度。由式〔3-34〕和式〔3-35〕可求得輻射場(chǎng)能量密度(,T)

A /B21

〔3-36〕gB h11 12ekgB2 21這個(gè)結(jié)果和黑體輻射的普朗克定律的形式全都，反映試驗(yàn)定律的普朗克公式形式為(,T)

c3

1h1ekT

〔3-37〕比較式〔3-36〕和式〔3-37〕可以得到A21B21

8h3c3

〔3-38〕gB1 12

gB2

〔3-39〕這就是著名的三個(gè)愛因斯坦系數(shù)A 、B 和B 的關(guān)系式。21 21 12輻射概念，以清楚的物理圖像解釋了黑體輻射的規(guī)律。在近半個(gè)世紀(jì)以后，人們才制造出第一臺(tái)激光器，真正觀看到了受激輻射。為什么人們長(zhǎng)期沒有觀看到受激輻射的存在呢？這是由于通常人們所接觸到的體系都是熱平衡體系或接近熱平衡的體系。依據(jù)波爾茲曼分布公式，能量差在光頻波段的兩個(gè)能級(jí)中，高能級(jí)的原子密度總是遠(yuǎn)小于低能級(jí)的原子密度，而受激輻射所產(chǎn)生的光子數(shù)與受激吸取的光子數(shù)之比等于高、低能級(jí)粒子數(shù)之比，所以受激輻射微乎其微，以至于長(zhǎng)期沒有被覺察。通過計(jì)算也可以證明，與自發(fā)輻射相比，在熱平衡條件下，受激輻射也完全可以無視。怎樣才能使受激輻射占主導(dǎo)地位呢？關(guān)鍵在于設(shè)法突破波爾茲曼分布，使高能級(jí)的粒子數(shù)大于低能級(jí)的粒子數(shù)，這個(gè)條然，在高、低能級(jí)均無簡(jiǎn)并的狀況下，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)即要求N2>N1。在熱平衡條件下，光波通過物質(zhì)體系時(shí)總是或多或少的被吸取，因而越來越弱，但實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的體系卻恰恰相反。由于受激輻射放出的光子數(shù)多于被吸取的光子數(shù)，輻射場(chǎng)將越來越強(qiáng)。換句話說，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)具有對(duì)光的放大作用，稱為“激活介質(zhì)”l呈指數(shù)衰減II0el由于一般介質(zhì)的吸取系數(shù)α為正數(shù)，所以I≤I0。對(duì)于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)介質(zhì)而言，吸取系數(shù)為負(fù)數(shù)。g=-α，gIIegl0

〔3-40〕故有可能I≥I0。所以，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)又稱為“負(fù)吸取介質(zhì)”或“增益介質(zhì)”，即對(duì)光波有放大作用的介質(zhì)。由于受激輻射光子的性質(zhì)與入射光子完全一樣，激活介質(zhì)放大的結(jié)果，就增益介質(zhì)可以是固體〔晶體、玻璃、氣體〔原子氣體、離子氣體或分子氣體〕和液體。要使一般介質(zhì)變成激活介質(zhì)，必需進(jìn)展有效的鼓勵(lì)，把低能級(jí)的粒子盡可能多的激發(fā)到高能級(jí)。鼓勵(lì)方式依據(jù)介質(zhì)種類的不同而異，包括：氣體放電鼓勵(lì)、電子束鼓勵(lì)、強(qiáng)光鼓勵(lì)、載流子注入、化學(xué)鼓勵(lì)、氣體動(dòng)力學(xué)鼓勵(lì)、核能鼓勵(lì)和激光鼓勵(lì)等。形成激光的鼓勵(lì)方式可能與材料光放射所承受的方式類似，但要求的鼓勵(lì)強(qiáng)度不同，一般發(fā)光并不要求到達(dá)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。振態(tài)上集中起來。光學(xué)諧振腔就是發(fā)揮這一作用的部件，諧振腔通常由放置在激活介質(zhì)兩端的兩面反射鏡所構(gòu)成，反射鏡的內(nèi)外表鍍有對(duì)特定波長(zhǎng)具有高反射率的介質(zhì)膜或金屬膜。諧振腔通常起四個(gè)作用：供給光的正反響為了使光強(qiáng)不斷被放大，讓肯定波長(zhǎng)的自發(fā)輻射光在兩個(gè)反射鏡之間來回反射并反復(fù)通過激活介質(zhì)，以誘發(fā)受激輻射。由激活介質(zhì)和光學(xué)諧振腔組成的器件稱為受激輻射的光放大器。諧振腔有多種形式的構(gòu)造，例如可由兩個(gè)平面反射鏡、兩個(gè)凹面反射鏡或一平一凹兩反射鏡相向放置而構(gòu)成等等。兩凹鏡曲率中心重合的諧振腔稱為“共心腔”，兩凹鏡焦點(diǎn)重合的則稱為“共焦鏡”，這些構(gòu)造的諧振腔內(nèi)相向傳播的兩列光波可以形成駐波，故屬于“駐波腔以由幾個(gè)反射鏡按肯定光路排列起來，使光波在排列而成的閉合回路中循行，這屬于“行波腔限制或選擇光束的方向由于只有那些根本上沿著鏡面法線方向運(yùn)行的光束，才會(huì)被鏡面反射回來而經(jīng)激活介質(zhì)反復(fù)放大形成強(qiáng)光束，而其他方向的光波都會(huì)很快逸出腔外，不能積存到很高的強(qiáng)度，所以說，諧振腔限制了激光束的方向。選擇光的模式和振蕩頻率被諧振腔來回反射的光束彼此疊加起來，將形成光強(qiáng)在空間的穩(wěn)定分布?？梢杂泻芏喾N穩(wěn)定可以同相位疊加而得到加強(qiáng)，并形成駐波形式的穩(wěn)定分布。因此，不同的模式分別對(duì)應(yīng)于不同的頻率。這種駐波的頻率滿足： qc 〔3-41〕q 2d式中，d為反射鏡的間距，c為光速，q為縱模指數(shù)〔104～106數(shù)量級(jí)。一般諧振腔內(nèi)可有多個(gè)縱模滿足上述條件，相鄰縱模的頻率間隔為c/2d。諧振腔的橫模是光波電磁場(chǎng)在腔內(nèi)來回傳播損耗最少而得以保存的橫向分布穩(wěn)定形式3-12將輸出激光束經(jīng)擴(kuò)束后投射到屏幕上來觀看這些把戲。圖中每個(gè)光斑把戲的下方注明白橫模的記號(hào)，TEM表示橫向電磁場(chǎng)〔光波為橫波。對(duì)于方形鏡，下標(biāo)代表光強(qiáng)分布在xy兩個(gè)方向上的節(jié)點(diǎn)〔光強(qiáng)為零〕數(shù)；對(duì)于圓形鏡，則代表光強(qiáng)分布在徑向和角向的節(jié)點(diǎn)數(shù)。假設(shè)使用一組數(shù)字m，n，q統(tǒng)一表示橫模和縱模，則激光的模式可標(biāo)記為TEM

。mnq圖 共焦腔的橫模光強(qiáng)分布將腔內(nèi)激光束的一局部耦合到腔外作為輸出光束，供給人們使用。為此，通常兩面反射鏡中總有一面的反射率選得稍低，使得在反射時(shí)有一局部透射到腔外，而另一面則具有盡可能高的反100％反射。四激光振蕩條件1 激光器經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓膭?lì)后是否能產(chǎn)生激光振蕩，取決于鼓勵(lì)過程中對(duì)光強(qiáng)的增益和損耗兩個(gè)因素。一方面，激活介質(zhì)的光放大作用對(duì)肯定的波長(zhǎng)有增益作用，另一方面，介質(zhì)的散射和吸收會(huì)造成光的損耗。反射鏡的反射率缺乏100％〔有肯定透射〕對(duì)腔內(nèi)光波也是一種損耗。明顯，僅當(dāng)增益超過損耗時(shí)才會(huì)實(shí)現(xiàn)激光振蕩。因此，可以綜合考慮這兩方面的因素，給出一個(gè)實(shí)現(xiàn)激R和R1 0距〔即諧振腔長(zhǎng)〕l3-13所示。由于增益作用，從鏡面2動(dòng)身強(qiáng)度為I0

的光波通過激活介質(zhì)一次鼓勵(lì)后光強(qiáng)就變?yōu)?

I eglI 〔3-42〕1 0其中=β，βα為介質(zhì)的損耗系數(shù)〔包括吸取和散射，圖3-13 激光振蕩條件ggl1，則有近似式：gllnI1I0

I1I0I0

I 〔3-43〕I0由此可知，gl代表每次光波通過介質(zhì)后光強(qiáng)增加的百分比，稱為“單程增益1反射，強(qiáng)度變?yōu)椋?/p>

I ReglI2 1 0

〔3-44〕1這里反射鏡的損耗已經(jīng)反映在R中了。接著光波再次通過激活介質(zhì)，其光強(qiáng)變成：1I32反射，光強(qiáng)為：

eglReglI1 0

〔3-45〕I R4 2

eglReglI1

〔3-46〕明顯，激光振蕩器要求在完成腔內(nèi)一個(gè)來回周期的運(yùn)行之后，光強(qiáng)大于動(dòng)身時(shí)的值，至少不小于I≥I，這樣，我們就得到激光振蕩的閥值條件：4 0RRe2gl1 〔3-47〕2 11 R=R=1g=01 β＝α 〔3-49〕因此，閥值條件代表增益和損耗相抵的條件。必需指出，激活介質(zhì)的增益系數(shù)與介質(zhì)內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的水平有關(guān)。因此，不難理解閥值條件對(duì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)水平有一個(gè)根本要求，其數(shù)值可以進(jìn)展計(jì)算。綜上所述，為了產(chǎn)生激光，必需選擇增益系數(shù)超過肯定閥值的激活介質(zhì)合下，使沿腔軸〔鏡面法線〕方向傳播的光線不斷增加，并成為顏色極單純〔特定模式、方向性極好、能量密度極高的激光束。從輸出反射鏡透射出來的光束就是人們可以利用的激光。而最初引起受激輻射的光子，其實(shí)就是介質(zhì)自發(fā)輻射光子中朝腔軸方向放射的那些光子。紅外線同可見光一樣在本質(zhì)上都是電磁波，它的波長(zhǎng)范圍很寬〔0.7μm～1000μm〕,按波長(zhǎng)又0.7～1m,中紅外15～5,遠(yuǎn)紅外50～100m。紅外線同樣具有波粒二象性，遵守光的反射定律和折射定律，在肯定條件下也會(huì)發(fā)生干預(yù)和衍社效應(yīng)。很低的透亮波段，如1μm～1.1μm，1.6μm～1.75μm，2.1μm～2.4μm，3.4μm～4.2μm等波段，大80%以上；8μm～12μm60%～70%。這些特點(diǎn)使的紅外線在軍事、工程技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)上得到很多應(yīng)用。二紅外材料的性能紅外材料應(yīng)具有對(duì)不同波長(zhǎng)紅外線的透過率、折射率和色散，固然，材料的強(qiáng)度和硬度、抗腐蝕和防潮解力量、密度、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、比熱等在紅外光學(xué)器件〔如透鏡、棱鏡、濾光片和整流罩等〕的制備和使用中也是需要考慮的。λs取決于電子吸取，即引起電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶的光吸取。因而，一般說來，短波截止波長(zhǎng)大致相當(dāng)于該晶體禁帶寬度能量對(duì)應(yīng)的光頻率。其長(zhǎng)波透射限λl主要取決于聲子吸取，即晶格振動(dòng)吸取，它可以是一次諧波振動(dòng)吸取，也可以是高次諧波振動(dòng)吸取。聲子吸取和晶體構(gòu)造、構(gòu)成晶體元素的平均分子量及化學(xué)鍵特性有關(guān)。在晶體構(gòu)造類型一樣的狀況下，平均分子量越大，則聲子吸取消滅的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，材料的紅外透射長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)λl也越長(zhǎng)。動(dòng)，高次諧波吸取也較弱，因而是一類透過率較高、透射波段也較寬的優(yōu)秀的紅外光學(xué)材料，使用也較為普遍。率越大，反射損失也越高。其次，對(duì)于不同的用途，對(duì)折射率有不同的要求。例如，對(duì)于制造窗口和整流罩的光學(xué)材料，為了削減反射損失，要求折射率低一些；而用于制造高放大率、寬視場(chǎng)角光學(xué)系統(tǒng)中的棱鏡、透鏡及其他光學(xué)部件的材料則要求折射率要高一些。有時(shí)為了消色差或其他象差，不但需要使用不同折射率的材料作為復(fù)合透鏡，而且對(duì)色散也有肯定要求。作為分光光度計(jì)中色散元件的棱鏡，它的性能直接與材料的折射率和色散有關(guān)。除了透過率、折射率和色散外，材料的力學(xué)性能、抗腐蝕、防潮解等性能對(duì)于一個(gè)好的光學(xué)器件也是格外重要的。比方，氯化鈉晶體雖然是很好的紅外光學(xué)材料，但卻簡(jiǎn)潔潮解，不宜在野外使用；鍺也是很好的紅外光學(xué)材料，但當(dāng)溫度上升時(shí)，透過率顯著下降，而且它比較脆，軟化溫度也太低，因此用作整流罩是不適宜的。同樣，雖然金剛石的各種性能都很優(yōu)異，可是它不能做成大尺寸的器件，而且價(jià)格過于昂貴，所以很少有人用它來作實(shí)際的光學(xué)材料。此外，要格外留意的是材料受熱時(shí)的子輻射特性，為了避開探測(cè)器中消滅假信號(hào)，受熱材料在工作波段內(nèi)的子輻射應(yīng)當(dāng)很小，這在搜尋跟蹤系統(tǒng)中尤其要引起重視。在探測(cè)器的響應(yīng)波段內(nèi)窗口必需有很高的透過率〔因此要求吸取率和反射率要很低很好的透過從目標(biāo)來的輻射，而自身輻射卻很小。對(duì)于制冷探測(cè)器，窗口必需要能很好的與玻璃一般窗口要暴露在空氣中，因此，它應(yīng)當(dāng)不怕潮，化學(xué)穩(wěn)定性要好，較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不發(fā)霉、發(fā)毛，否則由于散射等影響將使透過率降低。另外，窗口材料應(yīng)當(dāng)易于加工和切割成各種外形。為了減同時(shí)，窗口一般較薄，材料應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。對(duì)整流罩材料的要求是在探測(cè)器響應(yīng)波段內(nèi)，整流罩必需有很高的透過率，自輻射應(yīng)很小，以免產(chǎn)生假信號(hào)。有些材料在室溫有很好的透過率，但高溫時(shí)，由于自由載流子吸取增加，透過特性顯著惡化〔例如鍺，這種材料就不能作整流罩，由于整流罩是安裝在飛機(jī)、、飛船等高速飛行體的光學(xué)系統(tǒng)的前部。由于空氣動(dòng)力加熱，整流罩的溫度是很高的，因此，要求整流罩的熔點(diǎn)、軟化溫度要高，并且材料的熱穩(wěn)定性要好，要能經(jīng)受得住熱沖擊。整流罩的硬度要大，這樣，一方面有利于加工、研磨和拋光，另一方面不致于被飛揚(yáng)的塵土和沙石所擦傷。由于整流罩是暴露在空氣中，因此化學(xué)穩(wěn)定性要好，要能防止大氣中的鹽溶液或腐蝕性氣體的腐蝕，并且不怕潮解。應(yīng)當(dāng)特別指出的一點(diǎn)是：一般的窗口尺寸較小，而整流罩的尺寸往往較大〔直徑幾十毫米到幾百毫米，并且折射率要連續(xù)，以免發(fā)生散射。因此，常常要求整流罩用單晶或折射率在晶粒間界沒有突變的均勻的多晶制成。整流罩的曲率往往很大，因此要有足夠的強(qiáng)度，以便于加工、裝配，并能經(jīng)受住震驚和氣浪。窗口材料差不多。不過，對(duì)熱膨脹系數(shù)的要求，只有在浸沒透鏡中才是很重要的，由于假使探測(cè)器制冷，假設(shè)熱膨脹系數(shù)匹配不好，浸沒透鏡和探測(cè)器可能脫開，使反射損失增加。對(duì)棱鏡材料的一個(gè)突出要求是它的透射波段要寬，色散要大。過率，這是它的優(yōu)點(diǎn)。但是高分子材料構(gòu)造簡(jiǎn)單，分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)吸取帶以及晶格振動(dòng)吸取帶正好在中紅外波段，因此中紅外波段塑料的透過率很低，并且塑料的軟化溫度較低，強(qiáng)度不高，只能在較低溫度下作窗口和保護(hù)膜等用途，少數(shù)塑料可作透鏡，但不能作整流罩。塑料的用途主要在遠(yuǎn)紅外區(qū)域，中近紅外使用較少。最常用的塑料是有機(jī)玻璃，即聚甲基丙烯酸甲酯，它透可見光和近紅外，常用作保護(hù)膜、增透膜和窗口材料。聚乙烯不透可見光，但遠(yuǎn)紅外的透過率很高，是一種常溫下使用的遠(yuǎn)紅外光學(xué)材料。3-14聚丙烯和ZnSe的透過率曲線3-14為聚丙烯在15~21微米波段的透過率，并與未鍍?cè)鐾改さ臒釅篫nSe作了比較。在17～21微米波段內(nèi)，聚丙烯的透過率是不錯(cuò)的，因此它常常用來作為這一波段的高真空紅外裝置〔或充氣裝置〕的窗口，能經(jīng)受6個(gè)大氣壓而不變形。聚四氟乙烯是另一種常用的塑料，其近、中、遠(yuǎn)紅外透過特性如圖3-153-16所示，可以看出，它有很高的遠(yuǎn)紅外透過率，在很薄時(shí)，也有相當(dāng)好的近紅外和中紅外透過率。它不溶于水，耐腐蝕，使用溫度從－269～260℃，廣泛用作保護(hù)膜材料和遠(yuǎn)紅外光學(xué)材料。3-15聚四氟乙烯近、中紅外透過率曲線3-16聚四氟乙烯遠(yuǎn)紅外透過率曲線發(fā)光是一種物體把吸取的能量不經(jīng)過熱的階段，直接轉(zhuǎn)換為特征輻射的現(xiàn)象，顏色、強(qiáng)度和其發(fā)光時(shí)間小于10-8s,磷光是指激發(fā)停頓后發(fā)出的光，其發(fā)光時(shí)間大于10-8s。但現(xiàn)在熒光、磷光的時(shí)間界限已不是很顯著。光放射主要受其中的雜質(zhì)影響，甚至低濃度的雜質(zhì)即可起到激活劑的作用。半導(dǎo)體、絕緣體、有機(jī)物和生物中都有不同形式的發(fā)光。熒光材料廣泛地用在熒光燈、陰級(jí)射線管及電視的熒光屏以及閃耀計(jì)數(shù)器中。涂有熒光劑的熒光燈其工作原理是，由于在汞蒸氣和(2537輻射激發(fā)了涂在放電管壁上的熒光劑，造成在可見光范圍的寬頻帶放射。用于陰極射線管時(shí)，熒光劑的激發(fā)是由電子束供給的，在彩色電視應(yīng)用中，對(duì)應(yīng)于每一種原色的頻率范圍的放射，采用例如用于雷達(dá)掃描顯示器的熒光劑是ZnSiO,激活劑用Mn，放射波長(zhǎng)為530nm的黃綠色光，其衰2 4lO2.45×10-2秒。激光材料是由基質(zhì)和激活離子組成，基質(zhì)的作用主要是為激活離子〔發(fā)光中心〕供給一個(gè)合Al2O3Y3Al5O15YAlO3、BaF、SrF、YLiF等；作為發(fā)光中心的