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第四章第四章 材料的光学性能材料的光学性能4.1 光和固体的相互作用光和固体的相互作用4.2 无机材料的红外光学性能无机材料的红外光学性能4.3 材料的发光材料的发光4.4 耦合光学效应耦合光学效应材料物理与力学性能光学最新4.1 光和固体的相互作用光和固体的相互作用n光的波粒二象性光的波粒二象性爱因斯坦光电方程爱因斯坦光电方程光子源决定光的频率、波长和辐射能光子源决定光的频率、波长和辐射能原子核结构变化原子核结构变化γγ射线射线原子结构改变原子结构改变x射线、紫外、可见光射线、紫外、可见光 原子振动原子振动晶格振动晶格振动长波辐射长波辐射材料物理与力学性能光学最新材料物理与力学性能光学最新可可见见光光七七彩彩颜颜色色的的波波长长和和频频率率范范围围人眼最为敏感的光是人眼最为敏感的光是 紫 青 绿 黄 橙 红 中心波长 (nm) 频率(Hz) 波长(nm)光色 兰 黄绿光，即黄绿光，即555nm 附近附近 430 455~400 460 470~455 480 492~470 540 577~492 570 597~577 610 622~597 660 760~622 黄绿光，即黄绿光，即555nm 附近。

附近材料物理与力学性能光学最新电磁波在真空中的传播速度：电磁波在真空中的传播速度： c=3×108m/s根据麦克斯根据麦克斯韦电磁理磁理论的的 真空光速真空光速为：：当光在介质中传播时，速度为：当光在介质中传播时，速度为：粒子性粒子性波动性波动性反射、透射、折射反射、透射、折射传播衍射传播衍射光的本质是波长很短的电磁波，可分解为与传播光的本质是波长很短的电磁波，可分解为与传播方向垂直的电场和磁场两个分量方向垂直的电场和磁场两个分量材料物理与力学性能光学最新n光通过固体的现象光通过固体的现象v设设入入射射固固体体表表面面的的光光辐辐射射能能流流率率为为φ0，，透透过过、、吸吸收收和和反反射射光的光辐射能流率为光的光辐射能流率为φτ，， φA ，，φ R，则有，则有光辐射能流率：光辐射能流率：表示单位时间内通过单位面积（与光线传播表示单位时间内通过单位面积（与光线传播方向垂直）的能量方向垂直）的能量•在在固固体体材材料料中中出出现现的的光光学学现现象象是是电电磁磁辐辐射射与与固固体体材材料中的原子、离子或电子相互作用的结果料中的原子、离子或电子相互作用的结果。

•从从宏宏观观上上讲讲，，当当光光从从一一种种介介质质进进入入另另一一种种介介质质时时，，会发生光的透过、吸收和反射会发生光的透过、吸收和反射材料物理与力学性能光学最新uu电子极化电子极化电子极化电子极化Ø电磁波的分量之一是迅速变化的电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量电场分量；；Ø在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用引起个原子都发生相互作用引起电子极化电子极化，即造成电子云，即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移；与原子核的电荷中心发生相对位移；Ø所以，当光通过介质时，一部分所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时光能量被吸收，同时光速减小，后者导致折射速减小，后者导致折射光与固体相互作用的本质有两种方式：光与固体相互作用的本质有两种方式：电子极化、电子能态转变电子极化、电子能态转变材料物理与力学性能光学最新u电子能态转变电子能态转变Ø电磁波的吸收和发射包含电子从一电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能态的过程；种能态转变到另一种能态的过程；Ø材料的原子吸收了光子的能量之后材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子激发到较高可将较低能级上的电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化能级上去，电子发生的能级变化∆E E与与电磁波磁波频率有关：率有关： ∆E=hE=hνν4242Ø受激电子不可能无限长时间地保持受激电子不可能无限长时间地保持. .在激发状态，经过一个短时期后，在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电它又会衰变回基态，同时发射出电磁波，即自发辐射。

磁波，即自发辐射E1E2E3E4E5能量能量ν光子的能量吸收是光子的能量吸收是量子化的量子化的受激电子衰变途径受激电子衰变途径不同，自发辐射频不同，自发辐射频率不同率不同材料物理与力学性能光学最新n材料折射率及其影响因素材料折射率及其影响因素折射率：折射率：光在真空和在材料中的传播速度之比光在真空和在材料中的传播速度之比光在界面处的折射与反射光在界面处的折射与反射（（1）三线共面）三线共面（（2））界面界面入射入射反射反射折射折射材料物理与力学性能光学最新•材料的折射率反映了光在该材料中传播速材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢度的快慢•光密介质：在折射率大的介质中，光光密介质：在折射率大的介质中，光的传播速度慢；的传播速度慢；•光疏介质：在折射率小的介质中，光光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快的传播速度快•材料的折射率从本质上讲，反映了材料的材料的折射率从本质上讲，反映了材料的电磁结构（对非铁磁介质主要是电结构）在电磁结构（对非铁磁介质主要是电结构）在光波作用下的极化性质或介电特性光波作用下的极化性质或介电特性材料物理与力学性能光学最新•光波频率高，只有质量很小的光波频率高，只有质量很小的电子位移极化电子位移极化才能才能与之共振，对极化有贡献与之共振，对极化有贡献•较重的离子只能在比较缓慢的红外波段频率范围较重的离子只能在比较缓慢的红外波段频率范围内位移极化内位移极化•综合考虑维持电子在平衡位置的弹性力、振动衰综合考虑维持电子在平衡位置的弹性力、振动衰减阻力和光波电场力，可得减阻力和光波电场力，可得•复折射率复折射率材料物理与力学性能光学最新u折射率的影响因素：折射率的影响因素：非晶、立方晶体非晶、立方晶体Ø双折射双折射现象，非等轴晶系、双原子晶体、层状结构现象，非等轴晶系、双原子晶体、层状结构中，各方向极化能力不同，折射率不同，产生双折射，中，各方向极化能力不同，折射率不同，产生双折射，一般紧密排列方向上折射率大，而入射光也可分解为一般紧密排列方向上折射率大，而入射光也可分解为不同速度和方向的偏振光不同速度和方向的偏振光Ø内应力内应力：垂直于主应力方向，：垂直于主应力方向，n值大值大Ø构成材料元素的构成材料元素的离子半径离子半径越大，越易极化，光速更越大，越易极化，光速更慢，折射率增大（慢，折射率增大（PbS n=3.912 ；；SiCl4 n=1.412））Ø材料的材料的结构与晶型结构与晶型，结构宽敞的高温态比紧密的低，结构宽敞的高温态比紧密的低温态折射率小（温态折射率小（SiO2玻璃玻璃1.46，晶体，晶体1.55））材料物理与力学性能光学最新Ø入射光的入射光的波长波长色散：色散：光在介质中的传播速度（或光在介质中的传播速度（或介质的折射率）随其频率（或波长）介质的折射率）随其频率（或波长）而变化的现象。

而变化的现象考虑局部电场：考虑局部电场：折射率是频率的函数，色散即折射率随波折射率是频率的函数，色散即折射率随波长变化率长变化率Ø正常色散：光频远离共振频率，折射率正常色散：光频远离共振频率，折射率随波长减小而增大随波长减小而增大Ø异常色散：共振发生时，折射率随波长异常色散：共振发生时，折射率随波长减小而减小减小而减小主要是由于不同波长引起的极化机制不同主要是由于不同波长引起的极化机制不同材料物理与力学性能光学最新常用不同固定波长的折射率之差表示材料的色散能力常用不同固定波长的折射率之差表示材料的色散能力色散系数（色散系数（Abbé数）数）nd：氦的：氦的d谱线（谱线（587.56nm）；）；nF ：：氢的氢的F谱线（谱线（486.1nm））;nC：氢的：氢的C谱线（谱线（656.3nm））中部色散中部色散材料物理与力学性能光学最新n材料的反射系数和影响因素材料的反射系数和影响因素界面界面入射入射反射反射折射折射反射系数（吸收比很小）：反射系数（吸收比很小）：若介质若介质1 为空气，则：为空气，则：减小反射损失的措施：减小反射损失的措施：•介质表面镀增透膜：光学厚度介质表面镀增透膜：光学厚度nh为为1/4光学波长光学波长(可使反射为可使反射为0)•用折射率相近的胶粘结，减小空气界面造成的损失用折射率相近的胶粘结，减小空气界面造成的损失材料物理与力学性能光学最新n材料的透射及其影响因素材料的透射及其影响因素u金属对可见光不透明金属对可见光不透明原因：费米能级以上存在许多空能级原因：费米能级以上存在许多空能级临界厚度：大于临界厚度：大于0.1μm费米能费米能EfΔEΔE入射光子入射光子hυE费米能费米能EfΔEΔE反射光子反射光子hυE材料物理与力学性能光学最新应用：大多数金属的反射系数在应用：大多数金属的反射系数在0.9~0.95之间。

可用其之间可用其他材料的衬底，镀上一薄金属层作为反光镜他材料的衬底，镀上一薄金属层作为反光镜金属的颜色由其反光决定，白色全反射，有颜色则由于金属的颜色由其反光决定，白色全反射，有颜色则由于该频率光被吸收而以声子形式放热该频率光被吸收而以声子形式放热材料物理与力学性能光学最新u非金属材料的透过性非金属材料的透过性l介质吸光的一般规律介质吸光的一般规律非金属介质吸收可见光三种机制：非金属介质吸收可见光三种机制：1）电子极化）电子极化2）电子吸收光子越过禁带）电子吸收光子越过禁带入射光子入射光子hυΔEΔEE价带价带禁带禁带导带导带ΔEΔEE价带价带禁带禁带导带导带反射光子反射光子hυ可见光：可见光：1.8eV ~ 3.1eV材料物理与力学性能光学最新3）电子吸收光子进入禁带中的杂质或缺陷能级）电子吸收光子进入禁带中的杂质或缺陷能级材料物理与力学性能光学最新朗伯特定律朗伯特定律α：介：介质对光的吸收系数，光的吸收系数，cm-1α的影响因素的影响因素空气：空气：10-5cm-1，玻璃，玻璃10-2cm-1金属：金属：> 104cm-1入射波波长入射波波长可见光区，金属和半导体可可见光区，金属和半导体可跃迁，吸收多，透过性差跃迁，吸收多，透过性差离子和分子共振电子共振内层电子跃迁材料物理与力学性能光学最新吸收吸收—影响可见光透过的第一类因素影响可见光透过的第一类因素影响可见光透过的第二类因素影响可见光透过的第二类因素—散射散射光在介质中传播，遇到折射率不同的介质发生多次反射和折光在介质中传播，遇到折射率不同的介质发生多次反射和折射，且反射，且反/折射面杂乱无章，使光线偏离原来方向而向各个折射面杂乱无章，使光线偏离原来方向而向各个方向传播，透射光线变得弥散的现象称为散射方向传播，透射光线变得弥散的现象称为散射。

Ø光线通过均匀透明介质光线通过均匀透明介质(清水、玻璃清水、玻璃)时，从侧面很难看到光线时，从侧面很难看到光线Ø光线通过不均匀介质时光线通过不均匀介质时(混浊液体混浊液体)，可从侧面看到光线可从侧面看到光线က ကØ白天的上空是亮的，并且天空呈湛蓝色白天的上空是亮的，并且天空呈湛蓝色Ø旭日和夕阳呈红色旭日和夕阳呈红色产生散射的原因是光传播的介质不均匀产生散射的原因是光传播的介质不均匀l介质对光的散射介质对光的散射材料物理与力学性能光学最新光在介质内传播时，介质中的束缚电子光在介质内传播时，介质中的束缚电子(或者偶或者偶极子极子)在光波电场的作用下受迫振动发出在光波电场的作用下受迫振动发出次波次波，，这些次波与入射波具有相同的频率，次波与入射这些次波与入射波具有相同的频率，次波与入射波叠加成折射光波而射出介质波叠加成折射光波而射出介质Ø光在均匀介质中传播只能沿介质折射率确定的方向前进光在均匀介质中传播只能沿介质折射率确定的方向前进介质中偶极子发出的次波具有与入射光波相同的频率，并且介质中偶极子发出的次波具有与入射光波相同的频率，并且由于偶极子之间有一定相位关系，因而它们是由于偶极子之间有一定相位关系，因而它们是相干光相干光。

介质介质均匀时，次波相干叠加结果，只剩下遵循折射定律的光线，均匀时，次波相干叠加结果，只剩下遵循折射定律的光线，而其余方向的振动相互抵消而其余方向的振动相互抵消材料物理与力学性能光学最新 杂质所产生的次级波与主波方向不一致，并合成杂质所产生的次级波与主波方向不一致，并合成产生干涉现象，使光偏离原来的折射方向，从而引起产生干涉现象，使光偏离原来的折射方向，从而引起散射这种现象为散射这种现象为瑞利散射瑞利散射 光的散射主要是次波叠加不能在偏离折射方向光的散射主要是次波叠加不能在偏离折射方向完全抵消的结果完全抵消的结果非均匀介质非均匀介质S：散射系数：散射系数透射光强的布格尔透射光强的布格尔Bouguer定律定律散射使光在前进方向上的强度减弱散射使光在前进方向上的强度减弱材料物理与力学性能光学最新瑞利散射：散射光波长与入射光波长相等瑞利散射：散射光波长与入射光波长相等联合散射（喇曼散射）：散射强度与波长的依赖关系不明显联合散射（喇曼散射）：散射强度与波长的依赖关系不明显瑞利散射：散射光强与瑞利散射：散射光强与λ4成反比米氏散射：散射强度与波长的依赖关系不明显米氏散射：散射强度与波长的依赖关系不明显。

介质对入射光的散射不但与入射光波长介质对入射光的散射不但与入射光波长有关，也与散射颗粒的大小、分布、数量及有关，也与散射颗粒的大小、分布、数量及散射相与基体的相对折射率大小有关散射相与基体的相对折射率大小有关 相对折射率愈大，其散射愈严重相对折射率愈大，其散射愈严重材料物理与力学性能光学最新I0（（1-R））e-(α+S)xI0l陶瓷材料透光性的影响因素陶瓷材料透光性的影响因素设陶瓷片厚度为设陶瓷片厚度为x，入射光强度为，入射光强度为I0，陶瓷片与介，陶瓷片与介质之间的相对折射率为质之间的相对折射率为n21RI0I0（（1-R））I0R（（1-R））e-(α+S)xI0（（1-R））2e-(α+S)x材料物理与力学性能光学最新实验结果比理论计算的透射比要高实验结果比理论计算的透射比要高I0（（1-R））e-(α+S)xI0RI0I0（（1-R））I0R（（1-R））e-(α+S)x这部分光能的大小与材料的这部分光能的大小与材料的吸收系数、散射系数吸收系数、散射系数密切密切相关，也和材料表面的相关，也和材料表面的光洁度、材料厚度以及光的入光洁度、材料厚度以及光的入射角射角有关，十分复杂。

有关，十分复杂材料物理与力学性能光学最新影响透射比的因素：影响透射比的因素：1）吸收系数，不是主要因素）吸收系数，不是主要因素2））反射系数：材料的相对折射率和材料表面光洁度反射系数：材料的相对折射率和材料表面光洁度3））散射系数：散射系数：ａ、材料宏观和微观缺陷ａ、材料宏观和微观缺陷ｂ、晶粒排列方向ｂ、晶粒排列方向ｃ、气孔引起的反射损失ｃ、气孔引起的反射损失材料物理与力学性能光学最新晶粒排列方向晶粒排列方向例如：对于例如：对于α-Al2O3，，no=1.760，，ne=1.768则界面反射系数：界面反射系数：2mm厚的厚的Al2O3陶瓷，平均晶粒直径陶瓷，平均晶粒直径10μm，，则界面反射界面反射损失失0.00103另一方面，晶粒直径远大于可见光波长，故另一方面，晶粒直径远大于可见光波长，故散射也很小散射也很小结论：结论：Al2O3可以成为透明陶瓷可以成为透明陶瓷材料物理与力学性能光学最新例例2：：金红石金红石 金金红红石石晶晶体体的的n0=2.854，，ne=2.567,因因而而其其反反射射系系数数R=2.8×10-3如如材材料料厚厚度度3mm，，平平均均晶晶粒粒直直径径3μm，，则则剩剩余余光光能能只只剩剩下下(1-R)1000=0.06了了。

此此外外，，由由于于n21较较大大，，因因之之K较大，较大，S大，散射损失较大，故大，散射损失较大，故金红石瓷不透光金红石瓷不透光例例3 3：：MgOMgO，，Y Y2 2O O3 3等立方等立方晶系材料晶系材料 没没有有双双折折射射现现象象，，本本身身透透明明度度较较高高如如果果使使晶晶界界玻玻璃璃相相的的折折射射率率与与主主晶晶相相的的折折射射率率相相差差不不大大，，可可望望得得到到透透明明度度较较好的透明陶瓷材料但这是相当不容易做到的好的透明陶瓷材料但这是相当不容易做到的材料物理与力学性能光学最新气孔引起的散射损失气孔引起的散射损失①①气孔含量气孔含量 存在于晶粒之间的以及晶界玻璃相内的气孔、孔洞，从存在于晶粒之间的以及晶界玻璃相内的气孔、孔洞，从光学上讲构成了光学上讲构成了第二相第二相其折射率其折射率n n1 1可视为可视为1 1，与基体材，与基体材料之料之n n2 2相差较大，所以相对折射率相差较大，所以相对折射率n n2121= n= n2 2也较大由此引也较大由此引起的反射损失、散射损失远较杂质、不等向晶粒排列等因起的反射损失、散射损失远较杂质、不等向晶粒排列等因素引起的损失为大。

素引起的损失为大 气孔的体积含量气孔的体积含量V V越大，散射损失越大越大，散射损失越大材料物理与力学性能光学最新 例：一材料含气孔例：一材料含气孔0.2%（体积），平均（体积），平均d=4μm，试验所得，试验所得散射因子散射因子K=2～～4，则散射系数，则散射系数 如如果果此此材材料料厚厚为为3mm，，I=I0e-1.5×3 =0.011I0剩剩余余光光能能只只为为1％左右，可见气孔对透光率影响之大％左右，可见气孔对透光率影响之大 材料物理与力学性能光学最新②②气孔尺寸气孔尺寸 一一般般陶陶瓷瓷材材料料的的气气孔孔直直径径大大约约在在1 1μm m，，均均大大于于可可见见光光的的波波长长(λ=0(λ=0.3939～～0 0.7979μm)m)，，所所以以计计算算散散射射损损失失时时应应采采用用公公式式S=K×3V/4RS=K×3V/4R散射因子散射因子K K与相对折射率与相对折射率n n2121有关而气孔与陶瓷材料的相对有关而气孔与陶瓷材料的相对折射率几乎等于材料的折射率折射率几乎等于材料的折射率n n2 2，数值较大，所以，数值较大，所以K K值也较值也较大。

气孔尺寸小，散射损失较小气孔尺寸小，散射损失较小 假如上例中只剩下平均假如上例中只剩下平均d=0d=0．．OlOlμm m的微小气孔，的微小气孔，情况就有根本的变化情况就有根本的变化 此时，此时，A12O3陶瓷的平均陶瓷的平均d<λ/3(λ设为可见光的波长设为可见光的波长)，，符合瑞利散射条件此时，即使气孔体积含量高达符合瑞利散射条件此时，即使气孔体积含量高达0.63％，％，陶瓷也是透光的陶瓷也是透光的 材料物理与力学性能光学最新提高材料透光性的措施提高材料透光性的措施 1）提高原材料纯度）提高原材料纯度 2）掺加外加剂）掺加外加剂 目的：是降低材料的气孔率，特别是降低材料烧成时的闭孔目的：是降低材料的气孔率，特别是降低材料烧成时的闭孔增加增加A1A12 20 03 3陶瓷透明性的陶瓷透明性的常用外加剂常用外加剂 MgO MgO ，，Y Y2 2O O3 3，，LaLa2 2O O3 3外加剂本身也是杂质，掺多了也会影响透光性外加剂本身也是杂质，掺多了也会影响透光性 3））工艺措旋工艺措旋Ø排除气孔排除气孔Ø使晶粒定向排列使晶粒定向排列材料物理与力学性能光学最新l透明材料的颜色和着色原理透明材料的颜色和着色原理1）透明材料的颜色）透明材料的颜色蓝宝石蓝宝石红宝石红宝石无色无色红色红色 蓝宝石是三氧化二铝蓝宝石是三氧化二铝单晶单晶，在整个可见光范围内，光，在整个可见光范围内，光的波长分布很均匀，因此是无色的。

的波长分布很均匀，因此是无色的 红宝石是在这种单晶氧化物加入少量的红宝石是在这种单晶氧化物加入少量的Cr2O3在单晶氧化铝禁带中引进了晶氧化铝禁带中引进了Cr3+的杂质能级的杂质能级，造成了不同于蓝，造成了不同于蓝宝石的选择性吸收，即对波长约为宝石的选择性吸收，即对波长约为0.4μm的蓝紫色光和波的蓝紫色光和波长约为长约为0.6μm的黄绿光有强烈的选择性吸收，而非吸收光的黄绿光有强烈的选择性吸收，而非吸收光和重新发射的光波决定了其呈红色和重新发射的光波决定了其呈红色材料物理与力学性能光学最新Ø电子受激跃迁导致电子受激跃迁导致(选择选择)吸收Ø电子从激发态回到低能态时，重新发射出光电子从激发态回到低能态时，重新发射出光子，其波长并不一定与吸收光的波长相同子，其波长并不一定与吸收光的波长相同Ø透射光的波长分布是非吸收光波和重新发射透射光的波长分布是非吸收光波和重新发射的光波的混合波的光波的混合波Ø透明材料的颜色是由混合波的颜色决定的透明材料的颜色是由混合波的颜色决定的透明材料颜色产生机制透明材料颜色产生机制上述光与物质的相互作用在可见光范围内产生才能有上述光与物质的相互作用在可见光范围内产生才能有颜色，否则为无色。

颜色，否则为无色材料物理与力学性能光学最新2）无机非金属材料的）无机非金属材料的着色着色颜料颜料有两大类：分子有两大类：分子(离子离子)着色剂和胶态着色剂着色剂和胶态着色剂 显色机制就是由于着色剂对光的选择性吸收而引起的选显色机制就是由于着色剂对光的选择性吸收而引起的选择性反射或选择性透射，从而显现特定的颜色择性反射或选择性透射，从而显现特定的颜色①①离子着色离子着色 根根据据材材料料中中离离子子的的光光吸吸收收，，价价态态等等与与电电子子层层结结构构的的关系，可把常见离子大致划分为四种类型关系，可把常见离子大致划分为四种类型材料物理与力学性能光学最新1 1）惰性气体阳离子）惰性气体阳离子其电子层结构与周期表中邻近的惰性气体相似其电子层结构与周期表中邻近的惰性气体相似 这这一一类类离离子子中中的的电电子子自自旋旋总总和和等等于于零零量量子子力力学学表表明明，，这这类类离离子子中中电电子子状状态态比比较较稳稳定定，，因因此此需需要要较较大大的的能能量量才才能能激激发发电电子子进进上上层层轨轨道道，，可可见见光光的的能能量量不不足足以以使使其其激激发发，，这这就就需需要要吸吸收收波波长长较较短短的的量量子子来来激激发发外外层层电电子子，，因因而而造造成成了了紫紫外外区区的的选选择择性性吸吸收收，，对对可可见见光光则则无无影影响响，，因因此此往往往是无色的。

往是无色的电子层结构惰性阳离子1s2He（氦）Li+，Be2+，B3+，C4+1s22s22p6Ne（氖）Na+,Mg2+,Al3+,Si4+1s22s22p63s23p6Ar（氩）K+,Ca2+,Sc3+,Ti4+1s22s22p63s23p63d104s24p6Kr（氪）Rb+,Sr2+,Y3+,Zr4+1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6Xe（氙）Cr+,Ba2+,La3+,材料物理与力学性能光学最新2）过渡金属离子）过渡金属离子 过过渡渡元元素素的的次次外外层层有有未未成成对对的的d电电子子，，即即具具有有dxs0p0或或d10s0p0结结构构的的离离子子，，外外层层电电子子充充满满，，次次外外层层不不饱饱和和其其中中x=1-5或或6-9时时，，在在3d亚亚层层上上都都有有未未配配对对的的电电子子，，所所以以不不稳稳定定电电子子跃跃迁迁所所需需要要的的能能量量Eg较较小小，，可可见见光光谱谱范范围围内内的的能能量量足足够够，，故故显显色色当当x=5时时，，半半充充满满，，色色弱；弱；x=0，，10，全空，或全充满时，无色全空，或全充满时，无色。

材料物理与力学性能光学最新3 3）稀土元素（镧系元素））稀土元素（镧系元素） 镧镧系系元元素素的的第第三三外外层层含含未未成成对对的的f f电电子子，，即即具具有有f fx xd d0 0s s0 0p p0 0结结构构，，在在4f4f层层有有未未充充满满（（即即不不配配对对））的的电电子子，，所所以以也也是是着着色色离离子子它它们们较较不不稳稳定定，，能能量量较较高高，，需需要要较少的能量即可激发，故能较少的能量即可激发，故能选择吸收可见光选择吸收可见光4）外层具有）外层具有18或或18+2电子的阳离子电子的阳离子 这这类类离离子子极极化化率率大大，，但但从从电电子子分分布布来来看看，，每每个个轨轨道道上上也也都都有有两两个个电电子子，，所所以以相相对对较较稳稳定定，，但但不不及及惰惰性性气气体体型型离离子子它它们们的的特特点点是是极极化化率率大大，，变变价价，，所所以以本本身身不不着着色色但但其其化化合合物物在在近近紫紫外外的的光光谱谱上上有有所所吸吸收收这这种种离离子子易被还原，如易被还原，如Au，，Ag，，Cu化合物的颜色多取决于离子的颜色，离子有色则化合物必然有色。

化合物的颜色多取决于离子的颜色，离子有色则化合物必然有色材料物理与力学性能光学最新② ② 胶体着色胶体着色 胶体着色分为金属胶体着色和非金属胶体着色胶体着色分为金属胶体着色和非金属胶体着色1 1）金属胶体着色）金属胶体着色 着色特点：在材料中形成一定大小的胶体粒子，着色特点：在材料中形成一定大小的胶体粒子，对光产生散射的结果对光产生散射的结果所以与胶体粒子的大小、数量和形状有关所以与胶体粒子的大小、数量和形状有关胶体着色的着色剂最常见的有胶体金胶体着色的着色剂最常见的有胶体金( (红红) )、银、银( (黄黄) )、铜、铜( (红红) )材料物理与力学性能光学最新有人以胶态金的水溶液作试验，结果表明：有人以胶态金的水溶液作试验，结果表明：d<20nmd<20nm时，溶液逐渐变成接近金盐溶液的弱黄色；时，溶液逐渐变成接近金盐溶液的弱黄色；d≈20—50nmd≈20—50nm时，是强烈的红色这是最好的粒度；时，是强烈的红色这是最好的粒度；d≈50d≈50—100nm100nm时，则依次从红变到紫红再变到蓝色；时，则依次从红变到紫红再变到蓝色；d≈100—150nmd≈100—150nm时，透射呈蓝色，反射呈棕色，已接近金的颜时，透射呈蓝色，反射呈棕色，已接近金的颜色。

说明这时已形成晶态金的颗粒说明这时已形成晶态金的颗粒 因因此此，，以以金金属属胶胶态态着着色色剂剂着着色色的的玻玻璃璃或或釉釉，，它它的的色色调调决决定定于胶体粒子的大小，而颜色的深浅则决定于粒子的浓度于胶体粒子的大小，而颜色的深浅则决定于粒子的浓度材料物理与力学性能光学最新2）非金属胶体着色）非金属胶体着色最著名的是硫硒化镉着色最著名的是硫硒化镉着色 这类着色的特点是颜色纯，有特殊的光吸收，无这类着色的特点是颜色纯，有特殊的光吸收，无吸收峰，而是连续的吸收区和透过区吸收峰，而是连续的吸收区和透过区 其颜色与其颜色与CdS/CdSeCdS/CdSe比例有关，即主要决定于它的化学比例有关，即主要决定于它的化学组成，而晶体大小的影响不大组成，而晶体大小的影响不大 如果晶粒（尺寸达到如果晶粒（尺寸达到100nm100nm或以上时）太大则开始混浊，或以上时）太大则开始混浊，但颜色不变，颗粒过大时，则失透但颜色不变，颗粒过大时，则失透 在在玻玻璃璃中中的的情情况况也也完完全全相相同同，，最最好好的的例例子子就就是是以以硫硫硒硒化化镉镉胶胶体体着着色色的的著著名名的的硒硒红红宝宝石石，，总总能能得得到到色色调调相相同同、、颜颜色色鲜鲜艳艳的的大大红红玻玻璃璃。

但但当当颗颗粒粒的的尺尺寸寸增增大大至至100nm100nm或或以以上上时时，，玻璃开始失去透明玻璃开始失去透明材料物理与力学性能光学最新硫硒化镉硫硒化镉五氧化二钽五氧化二钽材料物理与力学性能光学最新4.2 无机材料的红外光学性能无机材料的红外光学性能1800年，赫胥尔发现红外光谱区年，赫胥尔发现红外光谱区 二次世界大战，红外定位仪和红外夜视仪二次世界大战，红外定位仪和红外夜视仪应用应用：（：（1）辐射测量和光辐射测量）辐射测量和光辐射测量 （（2）对能量辐射物的跟踪）对能量辐射物的跟踪 （（3）红外成像）红外成像 （（4）通信和遥控）通信和遥控 除非炽热物体，每种处于除非炽热物体，每种处于0K以上的物体均发射特征电磁以上的物体均发射特征电磁波辐射，并主要位于电磁波谱的红外区域波辐射，并主要位于电磁波谱的红外区域材料物理与力学性能光学最新光学系统光学系统探测器探测器制冷机制冷机电子线路电子线路显示器显示器伺服机伺服机红外搜索跟踪系统框图红外搜索跟踪系统框图探测器– 视网膜它把接收到的红外辐射转换成人们便于测量和观察的电能、热能等形式。

光学系统--用来接收外来红外辐射，进行光学过程处理，透过、折射、吸收等均由仪器设计的光学系统完成材料物理与力学性能光学最新n红外透过材料红外透过材料红外波段红外波段 0.7~20μm材料特点：材料特点：（（1）折射率低）折射率低（（2）散射和吸收系数小）散射和吸收系数小（（3）自辐射小，避免假信号）自辐射小，避免假信号（（4）物理化学性质稳定）物理化学性质稳定（（5）热导率高）热导率高实用材料：玻璃、晶体、透明陶瓷、实用材料：玻璃、晶体、透明陶瓷、 塑料塑料红外透过材料的基本要求：红外透过材料的基本要求：က က （（1））透过率要高（透过率要高（50%））က က （（2））透过的短波限要低透过的短波限要低က က （（3））频带要宽频带要宽材料物理与力学性能光学最新u玻璃玻璃优点：光学均匀性好，易加工成型，成本低优点：光学均匀性好，易加工成型，成本低缺点：透过波长较短，使用温度低于缺点：透过波长较短，使用温度低于500℃℃氧化物玻璃透过波长不超过氧化物玻璃透过波长不超过7μm材料物理与力学性能光学最新u晶体晶体优点：透过长波限较大，折射率和色散范围也较大，熔优点：透过长波限较大，折射率和色散范围也较大，熔点高，热稳定好，具有双折射效应。

点高，热稳定好，具有双折射效应缺点：缺点：制备晶体生长较慢；不易长成大尺寸；价格贵；制备晶体生长较慢；不易长成大尺寸；价格贵；折射率和色散范围较大折射率和色散范围较大材料物理与力学性能光学最新硫化物单晶体硫化物单晶体ZnS、、ZnSe 为很好的红外透过材料；为很好的红外透过材料；工程上常用的是多晶体工程上常用的是多晶体ZnS 和和ZnSe；；制备方法：制备方法：က က 热压：硬度和强度高热压：硬度和强度高က က 化学气相沉积：吸收很小，折射率均匀度很高，所化学气相沉积：吸收很小，折射率均匀度很高，所以可用于做以可用于做CO2 激光窗口激光窗口材料物理与力学性能光学最新u红外透明陶瓷和金刚石红外透明陶瓷和金刚石Al2O3透明陶瓷可透过红外与可见光，熔点高，成本低透明陶瓷可透过红外与可见光，熔点高，成本低蓝宝石高速导弹首选的中红外透过材料蓝宝石高速导弹首选的中红外透过材料稀土金属氧化物光学各向同性，散射小稀土金属氧化物光学各向同性，散射小材料物理与力学性能光学最新 金刚石：金刚石：金刚石是最理想的红外透过材料1）带宽）带宽 0.23 μm ~200 μm，，10.6 μm处的吸收系数处的吸收系数0.03cm-1。

2）生产工艺：微波等离子体辅助化学汽相沉积（）生产工艺：微波等离子体辅助化学汽相沉积（MPCVD））（（3）应用：）应用：a、多色谱光学材料、多色谱光学材料 b、高速飞行器探测系统的光学材料、高速飞行器探测系统的光学材料 c、大功率、大功率CO2激光器窗口激光器窗口 d、低介电损耗、低介电损耗材料物理与力学性能光学最新n红外探测材料红外探测材料无选择辐射探测器材料无选择辐射探测器材料：热释电材料：热释电材料 超导材料超导材料 光声材料光声材料选择性辐射探测器材料：选择性辐射探测器材料：外光电效应材料外光电效应材料 内光电效应材料内光电效应材料 光生伏打效应光生伏打效应 光磁效应光磁效应材料物理与力学性能光学最新外光电效应外光电效应逸出功逸出功红限红限应用于应用于光电发射探测器光电发射探测器，光电流与入射辐射功率成正比，光电流与入射辐射功率成正比材料物理与力学性能光学最新hνhqhν内光电效应：内光电效应：产生的载流子留在材料内部，而不逸出材料引起材料电导率变化。

光敏材料：光导、光伏和光磁电效应光敏材料：光导、光伏和光磁电效应自由电子效应自由电子效应电子电子—空穴效应空穴效应材料物理与力学性能光学最新半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，因而导致材料电导率增大载流子浓度的增大，因而导致材料电导率增大(电阻减小电阻减小)，这种现象称为，这种现象称为光电导效应光电导效应光电导探测器光电导探测器材料物理与力学性能光学最新光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴，并在空间分开而产生电位差的中光生电子和空穴，并在空间分开而产生电位差的现象即将光能转化成电能即将光能转化成电能光伏探测器光伏探测器材料物理与力学性能光学最新放在磁场内的均匀半导体材料受到光照射时，若磁放在磁场内的均匀半导体材料受到光照射时，若磁场垂直于场垂直于xoy平面，洛伦兹力把扩散电子和空穴偏转平面，洛伦兹力把扩散电子和空穴偏转到相反方向，导致电子和空穴在垂直于光照方向和到相反方向，导致电子和空穴在垂直于光照方向和磁场方向的半导体的两端面分别积累，产生光磁电磁场方向的半导体的两端面分别积累，产生光磁电场，对应的电动势被称为场，对应的电动势被称为光磁电电动势光磁电电动势。

光磁电效应光磁电效应材料物理与力学性能光学最新u光子型红外探测器碲镉汞（光子型红外探测器碲镉汞（HgCdTe））直接带隙半导体直接带隙半导体特点：特点：1）带隙随成分线性变化）带隙随成分线性变化2）工作波长范围宽）工作波长范围宽2 μm ~20μm仅次于仅次于Si、、GaAs之后排列第三位最重要的半导体材料之后排列第三位最重要的半导体材料材料物理与力学性能光学最新4 ））易于表面钝化易于表面钝化5 ））制造技术要求严格，成份难于控制均匀制造技术要求严格，成份难于控制均匀6 ））必须在低温下工作必须在低温下工作7 ））材料纯度要求高，材料纯度要求高，99.9999%以上3）电子迁移率高）电子迁移率高材料物理与力学性能光学最新n 热探测器材料热探测器材料工作原理基于以下三种物理效应：工作原理基于以下三种物理效应： 热敏电阻效应热敏电阻效应 热电效应热电效应 热释电效应热释电效应材料物理与力学性能光学最新热释电探测器材料与光电导材料比较优点： 可以工作在室温，而不需要复杂的冷却装置；က 工作频带宽而平坦；က 成本低。

缺点： 探测率低材料物理与力学性能光学最新热释电材料：热释电材料： （（SrBa））Nb2O6 Pb1.02（（Zr0.59Fe0.2Nb0.2Ti0.02））0.994U0.006O3 LiTaO3 选热释电系数选热释电系数p 大的材料；大的材料；选择室温下选择室温下dPs/dT大的材料大的材料热释电材料选择热释电材料选择材料物理与力学性能光学最新。