1、中南大學粉末冶金研究院 曾凡浩 目目 錄錄 12.1 線性光學性能 a 基本概念和性能指標 b 應用及影響因素 12.2 非線性光學性能 a 概念和產生條件 b 應用和測試 引 言 光學材料是功能材料的重要部分。激光、光通 訊、光電一體化等。 利用材料的光學性能和各種不同的用途有關。 其中比較重要的是那些用作窗口、透鏡、棱鏡、 濾光鏡、激光器、光導纖維等的以光學性能為主 要功能的光學玻璃、晶體光學玻璃、晶體等。 有些特殊用途的光學零件，例如高溫窗口、 高溫透鏡等，需采用透明陶瓷材料透明陶瓷材料，例如成功地 應用在高壓鈉燈燈管上的透明陶瓷。因為它需要 能承受上千度的高溫，以及鈉蒸氣的腐蝕，對它

2、的主要光學性能要求是透光性。 線性光學的概念： 介質的電極化強度P與入射光波中的電 場E成簡單的線性關系。 12.1 線性光學性能 1. 基本概念 x為介質的極化率，為介質的極化率， 0位真空介電常數。位真空介電常數。 Einsten光電方程：光在傳播過程中具有 波動的特性，光能量是集中在一些叫做 光量子(簡稱光子)的粒子上產生光電效 應的光是光子流，單個光子的能量與頻 率成正比即 電磁波在真空中速度c為3108m/s。c和 真空介電常數、真空磁導率關系： 光的波粒二象性光的波粒二象性 /hchvE 00 1 c 光在介質中傳播時，其速度： 相對介電常數和相對磁導率 在討論光與材料相互作用產生

3、的反射、 透射、折射等現象時，應用光的粒子性 容易理解；討論光波在介質中的傳播、 衍射等現象時應用光的波動性方便。 rr c 1 電磁波譜電磁波譜 光從一種介質進入另一種介質，例如從 空氣進入透明介質時，一部分透過，一 部分被吸收，一部分在兩種介質的界面 上被反射，還有一部分被散射。 微觀分析，光和固體材料中原子、電子、 離子等的相互作用：電子極化電子云 和原子核電荷重心發生相對位移，導致 光的一部分能量被吸收，減小光速，產 生折射；電子能態轉變吸收能量，受 激電子回基態發射電磁波。 光與固體相互作用光與固體相互作用 2.1 2.1 折射率折射率 一、 絕對折射率 當光從真空進入較致密的材料時

4、，其速當光從真空進入較致密的材料時，其速 度降低。光在真空和材料中的速度之比度降低。光在真空和材料中的速度之比 即為材料的即為材料的絕對折射率。 c n 材料 真空 2. 性能指標 介質的介質的折射率折射率永遠為大于永遠為大于1的正數。的正數。 材料材料2相對于材料相對于材料1的的相對折射率為：為： 2 1 2 1 1 2 21 sin sin v v n n n 分別表示光在材料分別表示光在材料1和和 材料材料2種的傳播速度。種的傳播速度。 折射率折射率n1 1 折射率折射率n2 2 二、相對折射率 折射定律折射定律： n1sin1= n2sin2 光從材料光從材料1通過界面傳入材料通過界面

5、傳入材料2時，與時，與 界面法向所形成的入射角界面法向所形成的入射角 1 、折射角、折射角 2與兩種材料的折射率與兩種材料的折射率n1和和n2之間的之間的 關系為：關系為： 三、折射率的影響因素 （1 1）構成材料元素的離子半徑）構成材料元素的離子半徑 根據根據Maxwell電磁理論，光在介質中的傳播速度為：電磁理論，光在介質中的傳播速度為： 對于無機材料：對于無機材料： c v n c：真空中的光速；：真空中的光速； ：介質的介電常數；：介質的介電常數； ：介質的導磁率。：介質的導磁率。 1, 1 n 介質的折射率隨其介電常數的增大而增大。介質的折射率隨其介電常數的增大而增大。 折射率與介質

6、的極化現象有關。折射率與介質的極化現象有關。 介電常數介電常數 外加電場作用下，介質中的正電荷沿著電場方向移動，外加電場作用下，介質中的正電荷沿著電場方向移動， 負電荷沿著反電場方向移動，這樣正負電荷的中心發負電荷沿著反電場方向移動，這樣正負電荷的中心發 生相對位移，這種現象就是介質的極化。外加電場越生相對位移，這種現象就是介質的極化。外加電場越 強，正負電荷中心的距離越大。強，正負電荷中心的距離越大。 介質的離子半徑增大時，其介質的離子半徑增大時，其 增大，因而增大，因而n也隨之增大。也隨之增大。 大離子得到高折射率材料：大離子得到高折射率材料：PbS n=3.912 小離子得到低折射率材料

7、：小離子得到低折射率材料： SiCl4 n=1.412 （2 2）材料的結構、晶型和非晶態）材料的結構、晶型和非晶態（離子的排列）（離子的排列） 光學均質介質：非晶態（無定型體）、等軸系晶體（各向同性）光學均質介質：非晶態（無定型體）、等軸系晶體（各向同性） 光學非均質介質：等軸系晶體外的其它晶體材料光學非均質介質：等軸系晶體外的其它晶體材料 光通過時，光速不會因傳播方向的改變而變化，材料只有光通過時，光速不會因傳播方向的改變而變化，材料只有 一個折射率一個折射率 光通過時，一般都要分為振動方向相互垂直、傳播速度不光通過時，一般都要分為振動方向相互垂直、傳播速度不 等的兩個波，構成兩條折射線，

8、這種現象稱為等的兩個波，構成兩條折射線，這種現象稱為雙折射雙折射。 晶體中沿密堆積方向上具有最高的折射率。晶體中沿密堆積方向上具有最高的折射率。 是非均質晶體的特性，是材料各向異性的表現。是非均質晶體的特性，是材料各向異性的表現。 雙折射雙折射：當一束單色自然光在各向異性晶體的界面折射當一束單色自然光在各向異性晶體的界面折射 時，一般產生兩束折射光（均為線偏振光）。時，一般產生兩束折射光（均為線偏振光）。 尋常光尋常光(o光光) 非常光非常光(e光光) u 尋常光：尋常光：平行于入射面的光線的折射率平行于入射面的光線的折射率n n0 0不隨入射角的變化而不隨入射角的變化而 變化，始終為一常數，

9、服從折射定律。變化，始終為一常數，服從折射定律。 u 非常光：非常光：與尋常光垂直的光線的折射率與尋常光垂直的光線的折射率n ne e隨入射線方向的改變隨入射線方向的改變 而變化而變化, ,不服從折射定律。不服從折射定律。 不發生雙折射的特殊方不發生雙折射的特殊方 向稱為向稱為“光軸光軸”，光沿，光沿 光軸方向入射時，只有光軸方向入射時，只有 n n0 0存在；與光軸方向垂存在；與光軸方向垂 直入射時，直入射時，n ne e達到最大達到最大 值。值。 （4 4）同質異構體）同質異構體 垂直于受拉主應力方向的垂直于受拉主應力方向的n大，平行于受拉主應力方大，平行于受拉主應力方 向的向的n小。對于

10、壓應力，具有相反的效果。小。對于壓應力，具有相反的效果。 v在同質異構材料中，高溫時的晶型折射率較低，低溫時存在同質異構材料中，高溫時的晶型折射率較低，低溫時存 在的晶型折射率較高；在的晶型折射率較高； v相同化學組成的玻璃比晶體的折射率低。相同化學組成的玻璃比晶體的折射率低。 如：室溫下，如：室溫下， 石英玻璃：石英玻璃：n=1.46n=1.46 石英晶體：石英晶體：n=1.55n=1.55 （3 3）材料的內應力）材料的內應力 表1 各種玻璃和晶體的折射率 材 料 平 均 折 射 率 雙 折 射 由正長石（KalSi3O8）組成的玻璃 1.51 由鈉長石（NalSi3O8）組成的玻璃 1.

11、49 由霞石正長巖組成的玻璃 1.50 氧化硅玻璃 1.458 硼硅酸玻璃 1.47 硫化鉀玻璃 2.66 四氯化硅晶體 1.412 氟化鋰晶體 1.392 氟化鈉晶體 1.326 氟化鈣晶體 1.434 鋯英石 ZnSiO4 1.95 0.055 正長石 KalSi3O8 1.525 0.007 鈉長石 NaAlSi3O8 1.529 0.008 鈣長石 CaAl2Si2O8 1.585 0.008 硅線石 Al2O3SiO2 1.65 0.021 莫來石 3Al2O32SiO2 1.64 0.010 2.22.2：色散色散 材料的折射率材料的折射率n隨入射光的頻率的減小（或波隨入射光的頻率

12、的減?。ɑ虿?長的增加）而減小的性質，稱為折射率的色散。長的增加）而減小的性質，稱為折射率的色散。 色散色散= ，幾種材料的色散見圖，幾種材料的色散見圖12.1。 色散值可以直接由圖確定。常用的色散系數色散值可以直接由圖確定。常用的色散系數 為為 式中式中 nD 、nF 和和nC 分別為以鈉的分別為以鈉的D譜線，譜線， 氫的氫的F譜線和譜線和C譜線（譜線（5893、4861和和6563） 為光源，測得的折射率。為光源，測得的折射率。 d dn CF D nn n v 1 圖12.1 晶體和玻璃的色散 2.3 2.3 反射反射 當光線由介質1入射到介質2時，光 在介質面上分成了反射光和折射光，所

13、 圖11.2所示。 圖12.2 光的反射 反射系數R 1R為透射系數 由上式可知，在垂直入射的情況下，光在 界面上的反射的多少取決于兩種介質的 相對折射率n21; 假設透過x個界面，則透過部分(1-R)x,反射 損失很大； 采取措施:折射率相近的的膠粘合，減小n21， 減小界面反射損失； R n n W W 2 21 21 1 1 當光線從光密介質進入光疏介質中時，折射角 r大于入射角i，當i為某個值時，r可達90， 相當于光線平行于表面傳播，對于任意更大的 i值，光線全部向內反射回到光密介質內。其 臨界角為： 典型應用：光纖通訊 假設n=1.5，臨界角約為42o。 ni/1sin 臨界 2.

14、4 2.4 全反射全反射 光線通過介質時，引起介質的價電子躍遷或 使原子振動而消耗能量，此外，介質中的價 電子還可能吸收光子能量而激發，當尚未退 激而發出光子時，在運動中與其他分子碰撞， 電子的能量轉化成分子的動能，從而造成光 能的衰減，即材料對光的吸收。 2.5 2.5 吸收系數吸收系數 x eII 0 Lambert定律： 吸收系數： xInIInI/ 0 吸收分選擇性吸收和 均勻吸收。 選擇性吸收即對某 些波長的光的吸收不 一樣。 一切介質都是選擇 性吸收介質。 圖12.3 不同材料對光的吸 收率和入射光波長的關系 光波遇到不均勻結 構產生與主波方向不 一致的次級波，與主 波合成出現干涉

15、現象， 使光偏離原來的方向， 從而引起散射。其減 弱規律為： sx eII 0 2.6 2.6 散射散射 S:散射系數 和質點尺寸有關 圖12.4 質點尺寸對散射 系數的影響 透光性 概念：材料可以使光透 過的性質。透光性是個 綜合指標，即光通過介 質材料后剩余光能所占 的百分比，光的能量可 以用照度表示。 光學玻璃、顯示屏等 3. 線性光學性能影響因素及應用 3.1 3.1 透光材料透光材料 圖12.5 光透過介質時的吸 收和損失 表面反射損失吸收損失散射損失反射損失： 穿出光強： xS eRII )(2 0 )1 ( 上述分析表明，影響材料透光性的因素 主要是材料的吸收系數、反射系數及散

16、射系數其中吸收系數與材料的性質密 切相關。 散射系數是影響材料透光性的主要因素， 相同條件下比吸收系數大許多倍，表現 在以下幾個方面： (1)材料的宏觀及顯微缺陷 夾雜摻雜 (2)雙折射的影響 (3)氣孔引起的散射損失 常用的透光晶體常用的透光晶體 當光的反射是指材料表面光潔度 非常高的情況下的反射，反射光 線具有明確的方向性，一般稱之 為鏡反射。 陶瓷中大多數表面并不是十分 光滑的，因此當光照射到粗糙 不平的材料表面上時，發生相 當的漫反射，其原因是材料表 面粗糙，在局部地方的入射角 參差不一，反射光的方向也各 式各樣。材料表面愈粗糙，鏡 反射所占的能量分數愈小。 光澤度與鏡反射和漫反射的相

17、對 含量密切相關。主要由折射率和 表面光潔度決定。 3.2 3.2 光澤度光澤度 圖12.6 光鏡面反射與漫反射 (a) 釉或搪瓷 (b) 毛玻璃或瓷體 高度乳濁（不透明性）： 要求光在達到具有不同光學特性底層 之前被漫反射掉。建筑陶瓷中加入第二 相粒子乳濁劑(TiO2、SnO2、ZrSiO4)。 對乳濁劑的要求是：不能和玻璃相反應、 體積分數高、尺寸和入射光波長相當、 相對折射率n21大。 3.3 3.3 不透明性和半透明不透明性和半透明 半透明性 乳白玻璃和半透明瓷器及釉的一個重要 光學性質是半透明性，即除了由玻璃內 部散射所引起的漫反射以外，入射光中 漫透射的分數對于材料的半透明性起著

18、決定作用。對于乳白玻璃最好是具有明 顯的散射而吸收最小，這樣就會有最大 的漫透射。最好的方法是在這種玻璃中 摻入和基質材料的折射率相近的NaF和 CaF2。減少散射，增加漫透射。 單相氧化物陶瓷的半透明性是它的質量標 志，在這類陶瓷中存在的氣孔往往具有固 定的尺寸，因而半透明性幾乎只取決于氣 孔的含量。 獲得半透明體的方法： (1) 降低氣孔的含量，使物體致密化，減少 散射。 (2)細化晶粒尺寸，在微米級范圍。 (3)調整各個相的折射率使之有好的匹配。 電子受激躍遷造成吸收，但回到基態發射 光子，波長不一定等于吸收光波長，透明 材料的顏色是有混合波的顏色決定。 例如：藍寶石(單晶Al2O3)無

19、色，紅寶石 (摻Cr2O3)是引入Cr3雜質能級，造成選 擇性吸收波長0.4m的藍紫光和波長 0.6m的黃綠光，顯紅色。 著色除了解光譜對應外，還注意亮度、色 調和飽和度。陶瓷材料的著色由于著色劑 選擇性吸收引起的反射透射從而顯色。 3.4 3.4 透明材料的著色透明材料的著色 透明尖晶石陶瓷透明尖晶石陶瓷(MgAl2O4)應用在光學、電子、結 構方面，如：可見到中紅外透明窗口和頭罩、裝甲 材料、各種高溫高壓以及腐蝕性環境下的設備觀察 窗口、瓦斯探測器窗口、高溫鍋爐水位計、高溫高 壓設備的觀測窗口、商品條碼掃描儀窗口、井下探 測用的傳感器、各種護目鏡片、陶瓷鹵燈。 透明尖晶石陶瓷透明尖晶石陶瓷

20、 (1) 熒光材料：熒光燈、陰極射線管、熒光 屏、計數器、發光二極管(LED)等。常用 激發源有：電子、X射線、紫外線等 (2) 偏光材料：液晶顯示應用的偏振片(PVA 聚乙烯醇) (3) 電光與聲光材料：外加電場引起材料折 射率或者光吸收變化叫電光；如鐵電的電 控雙折射；聲波引起材料彈性變形，從而 導致折射率隨時間空間周期變化叫聲光； 如光調制器。 3.5 3.5 其它線性光學性能應用的材料其它線性光學性能應用的材料 熒光和磷光熒光和磷光 電子受到激發，能級躍遷，返回基態時 發射光子，如果光子波長在可見光范圍 內(能量在1.8-3.1eV)，產生發光現象， 與熱輻射發光想區別，成為冷發光。

21、冷發光分為熒光和磷光。發光時間區別。 前者10-8s內。后者發光時間長些，如雷 達掃描顯示器的熒光劑Zn2SiO4，激活劑 是Mn，發射波長530nm黃綠光，余輝時 間2.4510-2s。 一些磷光材料一些磷光材料 電子激發： 彩電用ZnS:Ag (藍) ZnS:Cu/Al (黃綠) Y2O3:Eu (紅)。 紫外線激發： 熒光燈BaMg2Al16O17:Eu (藍) LaPO4:Ce (黃綠) Y2O3:Eu (紅)。 X射線激發： 感光紙CaWO4 (藍) Gd2O2:Tb (綠) 非線性光學的發展和激光技術密切相關。非線性光學的發展和激光技術密切相關。 激光的歷史已有激光的歷史已有100

22、多年。遠在多年。遠在1893年，在波爾多一所年，在波爾多一所 中學任教的物理教師布盧什就已經指出，兩面靠近和平行中學任教的物理教師布盧什就已經指出，兩面靠近和平行 鏡子之間反射的黃鈉光線隨著兩面鏡子之間距離的變化而鏡子之間反射的黃鈉光線隨著兩面鏡子之間距離的變化而 變化。他雖然不能解釋這一點，但為未來發明激光發現了變化。他雖然不能解釋這一點，但為未來發明激光發現了 一個極為重要的現象。一個極為重要的現象。 1917年愛因斯坦提出年愛因斯坦提出“受激輻射受激輻射”的概念，奠定了激光的概念，奠定了激光 的理論基礎。的理論基礎。1958年美國貝爾實驗室科學家肖洛和湯斯發年美國貝爾實驗室科學家肖洛和湯

23、斯發 現了一種奇怪的現象：當他們將閃光燈泡所發射的光照在現了一種奇怪的現象：當他們將閃光燈泡所發射的光照在 一種稀土晶體上時，晶體的分子會發出鮮艷的、始終會聚一種稀土晶體上時，晶體的分子會發出鮮艷的、始終會聚 在一起的強光。由此他們提出了在一起的強光。由此他們提出了“激光原理激光原理”，受激輻射，受激輻射 可以得到一種單色性、亮度又很高的新型光源。同年發表可以得到一種單色性、亮度又很高的新型光源。同年發表 關于激光器的經典論文，奠定了激光發展的基礎關于激光器的經典論文，奠定了激光發展的基礎 (獲得獲得 1964年諾貝爾物理獎年諾貝爾物理獎) 。1960年，美國人梅曼年，美國人梅曼(T. H.

24、Maiman)發明了世界上第一臺紅寶石激光器。梅曼利用紅發明了世界上第一臺紅寶石激光器。梅曼利用紅 寶石晶體做發光材料，用發光度很高的脈沖氙燈做激發光寶石晶體做發光材料，用發光度很高的脈沖氙燈做激發光 源，獲得了人類有史以來的第一束激光。源，獲得了人類有史以來的第一束激光。1965年，第一臺年，第一臺 可產生大功率激光的器件可產生大功率激光的器件-二氧化碳激光器誕生。二氧化碳激光器誕生。1967年，年， 第一臺射線激光器研制成功。第一臺射線激光器研制成功。1997年，美國麻省理工學年，美國麻省理工學 院的研究人員研制出第一臺原子激光器。院的研究人員研制出第一臺原子激光器。 12.2 非線性光學

25、性能 西奧多梅曼(Theodore Maiman), 19272007 在激光作用下介質的電極化強度與入射 光場強的關系為一般的冪級數關系，即 非線性光學現象有光學諧波、光學和頻與差頻、光學參量放大與振蕩、非線性光學現象有光學諧波、光學和頻與差頻、光學參量放大與振蕩、 光束自聚焦、受激光散射、雙光子吸收、多光子吸收、多光子電離、多光光束自聚焦、受激光散射、雙光子吸收、多光子吸收、多光子電離、多光 子熒光、位相復共軛、光學雙穩態、受激喇曼散射、受激布里淵散射、受子熒光、位相復共軛、光學雙穩態、受激喇曼散射、受激布里淵散射、受 激瑞利散射等。激瑞利散射等。 非線性光學不僅從理論上豐富了人們對光與物質相互作用的認識，而且非線性光學不僅從理論上豐富了人們對光與物質相互作用的認識，而且 已經得到廣泛的實際應用。例如，光倍頻、光參量振蕩、受激喇曼散射已已經得到廣泛的實際應用。例如，光倍頻、光參量振蕩、受激喇曼散射已 成為產生新頻率相干輻射的一種有效方法；利用非線性飽和吸收已制成染成為產生新頻率相干輻射的一種有效方法；利用非線性飽和吸收已制成染 料料Q開關和被動鎖模元件。此外開關和被動鎖模元件。此外,它在激光光譜學、同位素分離、光