6、吸收系数 光线通过介质时，引起介质的价电子跃迁，或使原子 振动而消耗能量。此外，介质中的价电子还可以吸收能量 而激活，当未跃迁而发出光子时，在运动中与其它分子碰 撞，电子的能量转变为分子的动能，从而造成光衰减，即 材料的光吸收。 dI=-βIdx
x dI I dx , ln x I0 I 0 I0 I
第一节 光的电磁性质
光是一种电磁波，它是电磁场周期性振动的传播形成的。 光是一种横波，其电场强度E和磁场强度H的振动方向互相垂 直。 设光的传播方向为S，则E、H、S互相垂直。 光的反应主要由光波中的电场所引起，磁场对介质的作用 远比电场要弱，所以在讨论光波时，往往只需考虑电场的作 用，而将磁场忽略。所以电场强度矢量称为“光矢量”。 偏振性是横波的特有性质。如果光波的电矢量振动只限定 在某一方向称为平面偏振光，亦称为线偏振光。电矢量在垂 直光传播方向的平面内的轨道亦呈椭圆或圆。这种光又称为 圆偏振光。光波也可以由各种振动方向的波复合而成。 如果在垂直于光传播方向的平面内电矢量振动取向机会均 等，这样的光称为“自然光”。
线性光学性能是指介质的电极化强度P与入射光波中的电场E成 线性关系：
P 0 E
其中χ为介质的极化率。线性光学特性具有以下特点： 第一： 单一频率的光入射到非吸收的透明介质时，其频率 不发生任何变化； 第二：不同频率的光入射到介质时，各光波之间不发生相互 耦合，也不产生新的频率； 第三：当两束光相遇时，如果是相干光，则产生干涉，如果 是非相干光，则只有光的叠加，即服从线性叠加原理。 线性光学性能主要应用于普通光学器件。
I=I0e-βx
光强度随介质厚度变化而不断衰减，这一规律称为 Lambert 定律。I0未初始光强，I未透射后的强度；x为材料厚度；β为吸 收系数，单位为cm-1. 透射率为T=I/I0=e-βx,一般表示为T=(1-R)2 e-βx 不同材料的吸收系数有很大不同，空气一般为 10-5cm-1；玻璃 为10-2cm-1；而金属达到几十万，所以金属实际上是不透明的。 材料对可见光的吸收强弱取决于电磁波的波长。金属对可见 光吸收强烈是因为金属中价电子处于未满带，吸收光子后为激 活态，而不用跃迁到导带，在电磁波谱的可见光区内，金属和 半导体的吸收系数都很大；对于电介质材料，吸收系数很小， 这是因为电介质中的价电子是填满的，不能吸收可见光的能量 而自由运动，而光子的能量不足以使价电子跃迁到导带，所以 这一波谱吸收系数很小。 吸收分为选择性吸收和均匀吸收。
W1/W=[(n21-1)/(n21+1)]2=R 1－R为透射系数。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。
5、全反射 当光从光密介质进入光疏介质时，折射角 r大于入射角I。 当I为某值时，r可达到90,相当于光线平行于表面传播。；对 于更大的I值，光线全部反射回光密介质。全反射的临界角为 sini临界＝1/n1 大于临界角，光线全反射，无折射能量损失。光纤通讯正 是利用这个特性。
n r ur
c n v c 3 108 m s
*光的传播伴随光能量的流动。在单位时间里流过垂直于传 播方向的单位截面积的能量称为光波的能流密度。 S=E×H 光强：能流密度的平均值。
I
c 2 E0 4
总结： 光是一种电磁波，具有横波特性。 场矢量E和H彼此正交，且与波的前进方向垂直，其振幅大 小成正比。 在光与物质相互作用时，电矢量起主导作用 光强与振幅平方成正比，沿波传播方向前进。
当角度很小时，即垂直入射时
n 21 1 2 sin 2 (i r ) tan2 (i r ) (i r ) 2 (i / r 1) 2 ( ) 2 2 2 2 n21 1 sin (i r ) tan (i r ) (i r ) (i / r 1)
二、线性光学性能的应用及影响因素 1、透光性
材料可以使光透过的特性称为材料的透光性。当光透光厚度 为x的介质时，各种光能损失为：
I1为透进材料中的强度，I1=I0(1-R) R=[(n21-1)/(n21+1)]2 进入材料后的光能消耗于吸收损失和散射损失， 到达材料表面的光强为I0(1-R)e-(β+S)x,一部分再次反射到 材料内部；另一部分则传到右空间，其强度为 I4=I0(1-R)2 e-(β+S)x . I4/I0才是真正的透光率。由于反射光还有第二第三次反射，依 然有部分光强通过表面，因此，考虑这部分透光，将会使总透 光率提高。 影响材料透光率的因素主要有材料的吸收系数、反射系数 及散射系数、吸收系数与材料的性质密切相关；反射系数与相 对折射率有关，也与表面粗糙度有关；散射系数则与杂质、气 孔、晶界和微裂纹有关，光线通过时会遇到一系列阻碍。散射 系数是影响材料透光性的主要因素，表现为以下几个方面：
(W1 / W ) ( A1s / As ) 2 sin 2 (i r ) / sin 2 (i r ) (W1 / W ) // ( A1 p / A p ) 2 tan2 (i r ) / tan2 (i r )
自然光在各个方向振动机会均等，可以认为一半能量属于入 射面平行的振动，另一半属于同入射面，所以总能流之比为： W1/W=1/2[sin2(i-r)/sin2(i+r)+tan2(i-r)/tan2(i+r)]
4、反射和反射系数 当光由介质1入射到介质2时，光在界面上分成了反射光和 入射光。设入射光的单位能量为W时：W=W1+W2 W1和W2分别为单位时间通过单位面积的反射光和折射光的 能量流。根据波动理论：
W A 2 vS
由于反射波的传播速度和横截面积S都与入射波相同，所 以W1/W=(A1/A)2 A1和A分别为反射波和入射波的振幅。当把光波振动分为 垂直于入射面的振动和平行于入射面的振动，根据 Fresnel定 律得到：
一、线性光学性能的基本参数 1、折射率 当光线依次通过两种不同介质时，光的行进方向发生改 变，称为“折射”。折射现象的实质是由于介质密度不同， 光通过时，传播速度不同。介质对光的折射性质用折射率 n 表示。光从真空进入介质材料时，速度降低，二者速度之 比为材料的绝对折射率。 n=ν真空/ν介质＝c/ν介质。 如果光是从材料1通过材料2，则入射角i、折射角r与两 种材料的折射率n1和n2的关系为：
7、散射 当光遇到不均匀结构时产生与主波方向不一致的次级波，与 主波合成出现干涉现象，使光偏离原来传播方向，从而引起散 射。例如含有较小粒子的透明介质、光性能不同的晶界相、气 孔或夹杂物，都会引起一部分光束散射，从而减弱光束强度， 减弱规律为I=I0e-Sx,S为散射系数。 质点的尺寸对散射系数有很大影响，当光的波长等于散射质 点直径时，出现散射的峰值。 光的波长不同时散射系数达到最大时的直径也不同。 Dmax＝ 4.1λ[2π(n-1)] 若散射质点的体积分数不变，当d<λ,则随d的增加，散射系 数S也随之增大；当d>λ时，则随d的增加，S反而减小，d~λ时， 达到最大值。 当d>λ，反射折射引起的总体散射起主导作用，此时，由于 散射质点和基体折射率的差别，当光线碰到质点与基体的界面 时，就要产生界面反射和折射，由于连续的反射和折射，总的 效果相当于光线被散射了。
第五章 材料光学性能
光学材料是功能材料中的重要组成部分，尤其是激光技术 出现后，光通讯及光机电一体化技术得到飞速发展，对材料的 光学性能提出了更广的要求。本章简要介绍材料的折射、色散、 反射、吸收、散射等线性光学性能的基本概念，线性光学材料 性能在材料中的应用及影响因素；非线性光学性能产生的条件、 结构与性能的关系。 第一节 光的电磁性质 了解光作为一种电磁波谱的特点。 第二节 光的波粒二象性 了解光作为一种电磁波具有波粒二相性。波动性表现为干涉、 衍射现象；粒子性表现为光子具有能量与动量。 第三节 线性光学性能 掌握反射和反射率；折射和折射率；双折射、全反射；光的 吸收本质；光的散射。了解线性光学材料的应用，荧光材料和 激光材料。 第四节 非线性光学性能 理解非线性光学性能的特点，表征、机理；了解它的应用。 （共6个学时）
E E0 cos(2t 0 )
v vT f
f
光波在不同介质中的传播速度不同，而光振动的频率不变。 相同频率的光在不同的介质中有不同的波长。 电磁波在介质中的速度为

C
c r ur
1 0 u0
0 u0 r ur 分别为介质和真空中的介电常数和磁导率。
1）材料的宏观和微观结构 材料的夹杂物、掺杂、晶界等对光的折射性能与主晶相 不同，从而形成相对折射率n21,此值越大，则界面的反射系数 越大，散射因子越大，散射系数也越大。 2）晶粒排列方向的影响 如果不是各向同性的材料则存在双折射问题，与晶轴成 不同角度，折射率不同。对于多晶材料，晶粒的不同取向均产 生反射和散射损失。 3）气孔引起的损失 存在于晶粒之间以及晶界玻璃相的气孔，从光学上相当 于第二相，折射率为1，引起的损失较杂质、不等向晶粒排列 等因素： 牛顿认为：光是由光源飞出的粒子流，解释了反射和折射 定律，但不能解释干涉和衍射 惠更斯认为：光是一种波，能够发生干涉和衍射现象 1860年：麦克斯韦创立了电磁波理论，认为电是一种电磁 波即可以直线传播，又能够发生干涉和衍射现象。 在研究光与物质相互作用（光电效应），波动说遇到了新 的困难。 1900年，普朗克提出了光的量子性，并解释了黑体辐射。 1905年，爱因斯坦完善了光的量子理论，解释了光电效应 问题。 1924年德布罗意创立了物质波假说。波动性和粒子性统一 了起来了。 1927年：锹拉克提出了电磁场的量子化理论。 二、光的波动性 光的波动性表现在它有干涉、衍射，偏振等特性。
n21=n2/n1=ν1/ν2=sini/sinr
式中ν1及ν2为光在材料1及材料2中的传播速度；n1和n2分 别为材料1和材料2的绝对折射率；n21为材料2相对材料1的 相对折射率。
空气的折射率为1.0003，介质的折射率总大于1，固体氧化 物的折射率为1.3 ~2.7，玻璃的折射率为1.5~1.9。 折射率n与介质的极化现象有关。离子的极化率越大， n也 越大，大离子得到高的折射率；晶体中沿密堆方向上具有最 高的折射率；在同质异构材料中，高温时的晶型的折射率较 低，低温时的折射率高；相同化学组成的玻璃比晶型的折射 率低；对各向同性的材料施加应力时，垂直于应力方向折射 率增加，而沿应力方向的折射率变小。 2、色散及色散系数 材料的折射率随入射光波长的增加而减少的现象称为材料 的色散。材料的色散表示为： 色散＝dn/dλ。实用的测量色散的方法是固定波长时的折 射率来测量的，而不是去确定完整的色散曲线。色散系数 γ=(nd-1)/(nf-nc) nd、nf和nc分别为钠的D谱线、氢的F谱线和C谱线(5893、 4861和6563Ǻ)测得的折射率。