1/2.
（2）
由于电子极化影响介电常数，而光在介质中传播的速 度与介电常数ε 有关,所以电子极化对光学性能有很大影 响。
光具有波动和微粒二重性，当考虑光与电子之间的能 量转换时，把光当成粒子来看待，称为光子。光子是 最早发现的构成物质的基本粒子之一。光子所具有的 能量不是连续的，而是与其频率v 有关。 当电子与光子间发生能量转换时，或是吸收一个光子 的能量，或是发射出一个光子，而不能只交换一部分 光子的能量； 对于电子来说，从光子处吸收的能量或给光子的能量 也不是任意的，而是要刚好等于材料中电子可能存在 的能级的能量差。正是由于它们彼此间能量交换的这 种“苛刻”条件，所以不同的材料具有完全不同的光 学性能。
磷光材料一般由二部分组成：基体和激活剂。 磷光材料一般由二部分组成：基体和激活剂。基 体常是金属硫化物， CaS,BaS,ZnS,CdS等 体常是金属硫化物，如CaS,BaS,ZnS,CdS等; 激活剂 主要是金属,根据不同的基体, 激活剂有所不同( 主要是金属,根据不同的基体, 激活剂有所不同(表317) 发光激发源也可以有多种，如电子激发、 17)。发光激发源也可以有多种，如电子激发、紫外 线激发、 射线激发和红外激发。 线激发、X射线激发和红外激发。发光的颜色也可以 选择。 选择。另外对于磷光材料使用上还要考虑其与附着材 料的结合强度及适当的余辉时间。 料的结合强度及适当的余辉时间。余辉时间指的是发 光后其强度降到原强度的1/10所需时间, 1/10所需时间 光后其强度降到原强度的1/10所需时间,在雷达上就 要求使用长余辉材料。 要求使用长余辉材料。 在此特别要指出的是许多材料加热到高温后也能 发光， 发光，这是由于电子被热激发到较高能级后回到正常 能级发射光子，这种现象称之为热辐射 热辐射。 能级发射光子，这种现象称之为热辐射。热辐射材料 的颜色随温度变化， 的颜色随温度变化，这也就是炼钢工人根据钢水颜色 估计钢水温度的原理所在。 估计钢水温度的原理所在。
2.激 光
普通物理中已经讲过,激光较普通光具有三个突出特 点:①方向性好,亮度高;②单色性好;③相干性好。正 是由于这些特点,激光在现代生活中发挥着越来越大的 作用,如激光通讯、激光加工、激光手术、激光光盘等 （具体可见知识博览中录相）。实际上，激光也是材 料发光性能的表现。为什么激光有这些优点呢？这还 得从材料的电子结构谈起。
影响材料透光性的结构因素有如下三方面： ◇ 材料的宏观及显微缺陷
材料中的夹杂物、掺杂、 材料中的夹杂物、掺杂、晶界等对光的折射性能与主 晶相不同，二相间的折射率相差越大，散射越严重，透光 晶相不同，二相间的折射率相差越大，散射越严重， 性越不好； 性越不好；
◇ 晶粒取向的影响
一般的材料均为多晶体,且各个晶粒的排列取向是随机 一般的材料均为多晶体, 另外，对于晶体来讲，沿不同的晶向， 的。另外，对于晶体来讲，沿不同的晶向，光学性质是不 同的。因此，当沿着某个方向有一束光线照射时， 同的。因此，当沿着某个方向有一束光线照射时，在不同 晶粒中产生的折射是不一样的，在晶界处还有内反射， 晶粒中产生的折射是不一样的，在晶界处还有内反射，这 些都影响材料的透光性。 些都影响材料的透光性。
其次，分析一些绝缘体的透光性， 其次，分析一些绝缘体的透光性，这与材料内部产生的散 散射， 射有关。所谓散射 射有关。所谓散射，指的是光在传播中遇到不均匀结构时 偏离原来的方向，主要是由反射、折射引起的。 偏离原来的方向，主要是由反射、折射引起的。若光线射 到一理想的平面上，则反射光线具有确定的方向， 到一理想的平面上，则反射光线具有确定的方向，称之为 镜反射；若光线是照射到了一个粗糙不平的表面， 镜反射；若光线是照射到了一个粗糙不平的表面，则在局 部位置上入射角的实际大小并不一样， 部位置上入射角的实际大小并不一样，因而反射光的方向 也不一致，形成了漫反射。 也不一致，形成了漫反射。
。
吸收后
吸收前 受激吸收
二、各种材料的光学性质 1.金 属 1.金
在金属中,因为价带与导带是重叠的,它们之间没有禁带, 所以不管入射光子的能量是多大(即不管什么频率的光)，电 子都可以吸收它而跃迁到一个新的能态上去。因此，对于各 种光、金属都能吸收，所以金属是不透明的。按说，金属吸 收了可见光的全部光子，金属应呈黑色。但实际上我们看到 铝是银白色的，纯铜是紫红色的，金子是黄色的，等等。这 是因为当金属中的电子吸收了光子的能量跃迁到导带中高能 级时，它们处于不稳定状态，立刻又回落到能量较低的稳定 态，同时发射出与入射光子相同波长的光子束，这就是反射 光。大部分金属反射光的能力都很强，反射率在0.90-0.95之 间。金属本身的颜色是由反射光的波长决定的。
荧光灯工作原理：
汞蒸气和惰性气体的混合气体中的放电作用， 使得大部分电能转变成汞谱线的单色光的辐射， 这种辐射激发了涂在放电管壁上的荧光剂，造 成在可见光范围的宽频带发射。
1.发光材料 发光材料 磷光材料最重要的应用是显示和照明。电视 机荧光屏内表面就涂有这种材料。磷光材料延 迟发光的时间是可以人为控制的。电视屏幕所 用磷光材料的延迟发光时间就不能太长，否则 就会有重影，影响收视效果。
第四章 材料的光学性能
材料学院： 材料学院：李嘉
济南大学材料学院
内 容 提 要
一、材料的光学性能 二、光学性能的本质 三、各种材料的光学性能 四、光功能材料
济南大学材料学院
一、材料的光学性能
光是一种电磁波。材料的光学性能是指材料对电磁波辐射、 特别是对可见光的反应，主要是用材料对电磁波的吸收， 反射和透射特性来衡量。如当一定强度的光入射到玻璃中 时，在材料的表面会发生光的反射，另外光也会透过玻璃， 常常透过的光的强度小于入射强度，这往往是由于玻璃会 吸收一部分光。 固体材料光学性能的本质涉及电磁波与材料中原子、离子 或电子的相互作用，其中最重要的二点是电子极化和电子 的能量转换。
光吸收和反射： 光吸收和反射：当光子的能量给了电子，光被材料吸收；
当受光激发的电子回落到低能级放出光子，光被材料反射。
原子吸收外来光子能量 hν , 并从低能级 E1 跃迁 这个过程称为光吸收. 到高能级 E2 , 且 E2 − E = hν , 这个过程称为光吸收 1
E2 E1
.
hν
E2 E1
.
图4-3 (1) 非金属的本征吸收
非金属的杂质 图4-3 (2)非金属的杂质吸收 非金属的杂
各种材料的光学性质
非金属
许多非金属材料有美丽的颜色，如红宝石就是亮红色 的，这颜色的产生与材料的吸收特性密切相关。红宝石化 学组成是 Al2O3+(0.5-2%)Cr2O3 ，Cr2O3加入后，部分Al3+ 被Cr3+代替，这样就在透明的Al2O3很宽的禁带中引入了杂 质能级，使Al2O3的吸收情况发生了变化（图4-4）,表现出 对兰光和黄光有特别强的吸收能力,因而只有红光可以透 过，就呈现出亮红色。
E2
.
hν
发光前
E2 E1
。
E1
.
发光后
hν hν
受激辐射的光 放大示意图
1、相干光：两束满足相干条件的光称为相干光， 相干条件（Coherent Condition）： 这两束光在相遇区域：①振动方向相同； ②振动频率相同； ③相位相同或相位差保持恒定 那么在两束光相遇的区域内就会产生干涉现象。 2、相干光的获得 （1）普通光源的发光机理 当原子中大量的原子（分子）受外来激励而处于激发状态。处于激发状态的原子是不稳定 的，它要自发地向低能级状态跃迁，并同时向外辐射电磁波。当这种电磁波的波长在可见 光范围内时，即为可见光。原子的每一次跃迁时间很短（10－8 s）。由于一次发光的持 续时间极短，所以每个原子每一次发光只能发出频率一定、振动方向一定而长度有限的一 个波列。由于原子发光的无规则性，同一个原子先后发出的波列之间，以及不同原子发出 的波列之间都没有固定的相位关系，且振动方向与频率也不尽相同，着就决定了两个独立 的普通光源发出的光不是相干光，因而不能产生干涉现象。 （2）获得相干光源的两种方法 a原理： 将同一光源上同一点或极小区域（可视为点光源）发出的一束光分成两束，让它们经过不 同的传播路径后，再使它们相遇，这时，这一对由同一光束分出来的光的频率和振动方向 相同，在相遇点的相位差也是恒定的，因而是相干光。
受激辐射 的电子,会在外来光子 会在外来光子(其频率 原子中处于高能级 E2 的电子 会在外来光子 其频率 跃迁, 恰好满足 hν = E2 − E )的诱发下向低能级 E1跃迁 并发 1 的诱发下向低能级 出与外来光子一样特征的光子, 这叫受激辐射. 出与外来光子一样特征的光子 这叫受激辐射 由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光 由受激辐射得到的放大了的光是相干光 称之为激光. 称之为激光
图4-4
红宝石吸收谱
若掺杂用的是其他离子，由于它们所处的杂质能级 不同，就可以呈现出不同的颜色，如Co2+，吸收橙色， 黄色和部分绿光，呈现出带紫的兰色；Cu2+吸收红、橙、 黄、紫，能透过绿、兰色，这种对某种波长的光吸收率 很高，而对另外一些波长的光吸收率很低的现象称为选 择吸收。可见，透明材料的选择吸收使其呈现不同的颜 色。如果材料在可见光范围对各种波长的吸收程度相同， 则称为均匀吸收，在这种情况下，随着吸收程度的增加， 颜色从灰色变到黑色。
可见光 射线 名称 无线电波 红外线 紫外线 X射线 宇宙射线
频率/HZ 频率
105
1010
1015 3×10-7 ×
1020
1025
波长/M 波长
3×103 ×
3×10-2 ×
× -17 3×10-12 3×10 ×
红
橙 黄
电 磁 波 谱
绿
青蓝 紫
光在介质中的折射即是电磁波在介质中的传播过程， 一般认为电磁波在无限大各向同性绝缘介质中的速度 为v=(εμ)-1/2，因此介质的折射率为： n=(εrμr)1/2 . （1） 这里ε和εr分别是介电常数和相对介电常数，μ和 μr分别是磁导率和相对磁导率，它们均为实数。大多 数介质有μr ≈1, 因此：n≈εr