课件：材料的光学性质.ppt

Company Logo 通过改变入射光束的方向，可以找到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。光轴所标志的是一定的方向，而不限于一条具体的直线。 单轴晶体：只有一个光轴。 双轴晶体：具有两个光轴。 Company Logo 2. 双折射现象的解释 在介质中的光波是入射波与介质中振子（原子、分子、离子等微观粒子的抽象概念）受迫振动所发射的次波的合成波。合成波的频率与入射光波相同，但其位相却因受到振子固有振动频率的制约而滞后。因此，波合成的结果使介质中的光束比真空中慢。位相滞后的程度与振子固有频率和入射光波频率的差值有关，因此介质中的光速又与入射光的频率（或波长）有关。 Company Logo 晶体结构的各向异性决定了晶体中振子固有振动的各向异性，所以，一般认为晶体中的振子，在三个独立的空间方向上有不同的固有振动频率。 Company Logo 介质的光散射 1. 散射与其他光学现象的关系 光在通过气体、液体、固体等介质时，遇到烟尘、微粒、悬浮液滴或者结构不均匀的微小区域，都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来，这种现象称为光的散射。 Company Logo 光的散射导致原来传播方向上光强的减弱。（光在均匀介质中的吸收符合朗伯特定律）同时计及各种散射因素，光强随传播距离的减弱仍符合指数衰减规律，只是比单一吸收时衰减得更快，关系为： Company Logo 散射系数与散射（质点）的大小、数量以及散射质点与基体的相对折射率等因素有关。当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。 Company Logo 光的波长不同时散射系数达最大时的质点直径也有所变化。 若散射质点的体积浓度不变，当dλ时，则随着d的增加，散射系数也随之增大；当dλ时，则随着d的增加，散射系数反而减小；当d≈λ时，散射系数达最大值。 Company Logo 材料对光的散射是光与物质相互作用的基本过程之一。原则上，当光波的电磁场作用于物质中具有电结构的原子、分子等微观粒子时将激起粒子的受迫振动，这些受迫振动就会成为发光中心，向各个方向发射球面次波。 与散射现象不同，光的衍射是由个别不均匀的介质小区域（如小孔、狭缝、小障碍物等）所形成的，这些区域的尺度一般可与光的波长相比拟。由于介质分子的振动产生次波并叠加，使所形成的波面上出现不同强度分布的衍射特性。一般空气中微粒的散射是由大量排列无序的小区集合形成的，因此散射波在总体上观察不到衍射现象。 Company Logo 光的散射现象有多种多样的表现。然而，根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，可以区分为弹性散射和非弹性散射两大类。与弹性散射相比，通常非弹性散射要弱几个数量级。 Company Logo 2. 弹性散射 散射前后，光的波长（或光子能量）不发生变化的散射称为弹性散射。从经典力学的观点，这个过程被看成光子和散射中心的弹性碰撞。散射结果只是把光子碰到不同的方向上去，并没有改变光子的能量。 弹性散射的规律除了波长（或频率）不变之外，散射光的强度与波长的关系可因散射中心尺度的大小而具有不同的规律。 参量σ与散射中心尺度大小a0有关。按a0与λ的大小比较，弹性散射可分为三种情况。 Company Logo （1）廷德尔（Tyndall）散射 当a0远远大于λ时，σ趋于0，即当散射中心的尺度远大于光波的波长时，散射光强与入射光波长无关。 （2）米氏（Mie)散射 当a0～λ时，即散射中心尺度与入射光波长可以比拟时，σ在0～4之间，具体数值与散射中心尺寸有关。 Company Logo （3）瑞利(Rayleidl)散射 当a0远小于λ时，σ=4，即当散射中心的线度远小于入射光的波长时，散射强度与波长的4次方成正比。 此为瑞利散射定律。 Company Logo Company Logo 瑞利散射并非气体介质所特有。固体光学材料在制备过程中形成的气泡、条纹、杂质颗粒、位错等等都可成为散射中心，在许多情况下，当线度满足a0远小于λ的条件，也可引起瑞利散射。 人们通过根据散射光的强弱判断材料光学均匀性的好坏。对各种介质弹性光散射性质的测量和分析，可以获取胶体溶液、浑浊介质、晶体和玻璃等光学材料的物理化学性质，确定流体中散射微粒的大小和运动速率。利用激光在大气中的散射可以测量大气中悬浮微粒的密度和监测大气污染的程度等。 激光粒度分析仪