材料科学-材料性能与指标..ppt

从微观上分析，光子与固体材料相互作用，实际上是光子与固体材料 中的原子、离子、电子之间的相互作用，出现的二种重要结果是： (1)电子极化 电磁辐射的电场分量，在可见光频率范围内，电场分量 与传播过程中的每个原子都发生作用，引起电子极化，即造成电子云和原 子核电荷重心发生相对位移。其结果，当光线通过介质时，一部分能量被 吸收，同时光波速度被减小，导致折射产生。 (2)电子能态转变 光子被吸收和发射，都可能涉及到固体材料中电子 能态的转变。 原子吸收了光子能量之后，可能将Ei能级上的电子激发到能量更高的 Ej空能级上，电子发生的能量变化ΔE与电磁波的频率有关： ΔE=hνij 式中：h为普朗克常量，νij为入射光子的频率。 固体的光吸收 光的吸收现象 当一平行光束通过均质单相材料薄层时，由于光被吸收，其强度减少量dI和薄层厚度dx及光束强度I成正比： -dI=?Idx ?-比例系数，也称吸收系数。若入射光的初始强度为I0，经过光程长度t后，射出光强度为I，则透过率： 若考虑界面的反射，对垂直入射光的透光率是： 离子晶体的禁带宽度大约为几个电子伏特，相当于紫外光区的能量，纯净的理想离子晶体对可见区和红外区的辐射，都不发生吸收，是透明的； 当更高能量的辐射（如紫外光）照射离子晶体时，价带中的电子可被激发越过禁带进入导带，发生光的吸收，故离子晶体在紫外区是不透明的； 与电子由价带到导带的跃迁相关的光吸收，称为基础吸收或本征吸收 一些碱金属卤化物薄膜的吸收光谱在临近基础吸收带的长波长一侧，还存在一系列很强的吸收谱带，这种吸收与电子从价带向稍低于导带底处的能级跃迁有关。 除了基础吸收和激子吸收外，绝缘体在可见光和红外光区可发生杂质和缺陷吸收，以及由离子晶体振动产生的残留吸收光谱，如图所示。 ◆影响材料的折射率的因素 (1)构成材料元素的离子半径 　　　　　　　　　n≈εr1/2 　当电磁辐射作用到介质上时，其原子受到电磁辐射的电场作用，使原子的正、负电荷重心发生相对位移，正是电磁辐射与原子的相互作用，使光子速度减弱。由此可以推论，大离子可以构成高折射率的材料，如PbS，其n=3.912；而小离子可以构成低折射率的材料，如SiCl4，其n＝1.412 (2)材料的结构、晶型 （双折射现象） 折射率不仅与构成材料的离子半径有关，还与它们在晶胞中的排列有关。根据光线通过材料的表现，把介质分为均质介质和非均质介质。非晶态(无定型体)和立方晶体结构，当光线通过时光速不因入射方向而改变，故材料只有一个折射率，此乃为均质介质。 （3）材料存在的内应力  有内应力的透明材料，垂直于主应力方向的n值大，平行于主应力方向的n值小。 （4）同质异构体 在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存在的晶型 折射率较高。例如：常温下的石英玻璃n＝1．46，常温下的石英晶体， n＝ 1.55；高温时，鳞石英n＝1.47，方石英n=1.49。可见常温下的石 英晶体n最大。 （5）波长的影响（色散） 材料的折射率还与入射光的波长有关，总 是随着波长的增加而减小，这种性质称之为色 散。其数值大小为： 色散＝dn/dλ n值可以由色散曲线来确定 自然光透过单片透镜，色 散使像的周围环绕了一圈色带， 成像不清晰，称为色差。克服 的方法是用不同牌号的光学玻 璃，分别磨成凸透镜和凹透镜 复合镜头，以消除色差，这被 称之为消色差镜头。 3.材料反射系数及其影响因素 一束光从介质l(折射率为n′)穿过界面进入介质2（折射为n)出现一 次反射当入射光线垂直或接近垂直于介质界面时，其反射系数为 R=[（n21－1）/( n2l+1)]2，n21= n′/n 如果光介质1是空气，则 R=[（n－1）/(n+1)]2 　 　显然，如果两种介质折射率相差很大，因此反射损失相当大，透过 系数只有(1－R)。若两种介质折射率相同，则R=0。垂直入射时，光透 过几乎没有损失。光透过的界面越多，且材料的折射率相差越大，界面 反射就越严重。由于陶瓷等材料的折射率较空气的大，所以反射损失较 严重。 1. 发光概述 固体中的原子或离子由于电磁辐射（紫外光、可见光、红外光、X射线、?射线等）的照射，或由于其它外界作用激发，跃迁到激发状态; 处于激发状态的原子或离子返回到基态，同时将一部分能量以光辐射的形式发射出来，若发射的是可见光或近红外光，这时固体就表现为发光现象.与热辐射发光相区别，称这种发光为冷光。 按外界激发的能源不同，可分为光致发光、场致发光（或电致发光）、阴极射线发光等。 发光颜色 固体发出不同波长的光就产生不同的发光颜色 固体的发光光谱（发射光谱）