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* * 第四章 材料的光学性能 光的本性 光与固体介质的相互作用 材料的光发射 第四章 材料的光学性能 第一节 光的本质 对光本质的认识: 牛顿 光是粒子流 惠更斯 光是一种波 麦克斯韦 光是一种电磁波 普朗克 光量子假说 爱因斯坦 波粒二象性 4.1.1 光是电磁波 第四章 材料的光学性能 第一节 光的本质 光是一种电磁波,它是电磁场周期性振动的传播所形成的。 线偏振光波中电振动、磁振动及光传播的方向 第四章 材料的光学性能 第一节 光的本质 光波的传播速度: 光波在不同介质中的传播速度不同,然而光振动的频率不变,因此相同频率的光波在不同介质中可有不同的波长。 电磁波在介质中的速度: 式中c为电磁波在真空中的速度 εr μr 分别为介质中的介电常数和磁导率 第四章 材料的光学性能 第一节 光的本质 4.1.2 光波的干涉和衍射 干涉和衍射是波动的基本特性。 双缝干涉示意图 第四章 材料的光学性能 第一节 光的本质 4.1.3 波粒二象性 爱因斯坦的光电效应方程把光的粒子性和波动性联系起来,即 光的频率、波长和辐射能都是由光子源决定的。 第四章 材料的光学性能 第二节 光与固体介质的相互作用 设入射到材料表面的光辐射能流率为φ0,透过、吸收、反射和散射的光辐射能流率分别为φT、 φA、 φR、 φσ。则 两边除以φ0得: T为透射系数;α为吸收系数;R为反射系数;σ称为散射系数 第四章 材料的光学性能 第二节 光与固体介质的相互作用 第四章 材料的光学性能 第二节 光与固体介质的相互作用 微观上,光子与固体材料中的原子、离子、电子之间的相互作用主要表现在以下两个方面: (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。 (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。 折射 第四章 材料的光学性能 第二节 光与固体介质的相互作用 孤立原子吸收光子后电子态转变示意图 第四章 材料的光学性能 第二节 光与固体介质的相互作用 4.2.1 材料折射率及影响因素 光的反射与折射 材料的折射率: 第四章 材料的光学性能 第二节 光与固体介质的相互作用 影响材料折射率的因素: 构成材料元素的离子半径 材料的折射率随介电常数增大而增大,而介电常数与介质的极化有关。 大离子可以构成高折射率的材料,小离子可以构成低折射率的材料 第四章 材料的光学性能 第二节 光与固体介质的相互作用 双折射现象 双折射: 均质介质 非均质介质 当光束通过各向异性介质表面时,折射光会分成两束沿着不同的方向传播,这种由一束入射光折射后分成两束的现象称为双折射。 通过改变入射光束的方向,可以找到在晶体中存 在一些特殊的方向,沿着这些方向传播的光并不发生双折射,这些特殊的方向称为晶体的光轴。 2)材料的结构、晶型 第四章 材料的光学性能 第二节 光与固体介质的相互作用 材料存在的内应力 同质异构体 入射波的波长 介质中光速(折射率)随波长改变的现象称为色散。 介质的折射率随着波长的增加而减小.其数值大小为: 外部因素 第四章 材料的光学性能 第二节 光与固体介质的相互作用 4.2.2 材料的反射率及影响因素 当入射光线垂直或接近垂直于介质界面时,其反射率为: R 两种介质的折射率差别越大,反射率也越大 介质的反射率与波长有关,因此同一材料对不同波长有不同的反射率 第四章 材料的光学性能 第二节 光与固体介质的相互作用 光的全反射和光导纤维: 光的全反射 光在光导纤维中的传播 第四章 材料的光学性能 第二节 光与固体介质的相互作用 4.2.3材料的透射及影响因素 一、金属的光透过性质 第四章 材料的光学性能 第二节 光与固体介质的相互作用 二、非金属材料的光透过性质 1、介质吸收光的一般规律 非金属材料对可见光的吸收有三种机理: 电子极化,但只有光的频率与电子极化时间的倒数处于同一数量级时,由此引起的吸收才变得比较重要; 电子受激吸收光子而越过禁带; 电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级而吸收光子。 2、影响介质吸收光的因素 第四章 材料的光学性能 第二节 光与固体介质的相互作用 非金属材料吸收光子后电子能态的变化 (1)介质的电子能带结构: 第四章 材料的光学性能 第二节 光与固体介质的相互作用 介电材料吸收光子后电子能态的变化 第四章 材料的光学性能 第二节 光与固体介质的相互作用 (2)光要穿过的介质厚度(光程): 设入射光的强度为I0。那么经过x厚度的介质。其光强度将下降。可以证明,光的强度
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