《无机材料物理性能》第八章 光学性能（8.2）光在界面的反射和折射

82光在界面的反射和折射 介质材料可以看作许多线性谐振子的集合,在光 波场的作用下,极化的原子或分子辐射的次波与 入射光波的相互干涉决定了光在介质中的传播规 律

8.2 光在界面的反射和折射 介质材料可以看作许多线性谐振子的集合，在光 波场的作用下，极化的原子或分子辐射的次波与 入射光波的相互干涉决定了光在介质中的传播规 律

821光的反射和折射 材料的极化和磁化作用,“拖住”了电磁波的步伐 使电磁波的传播速度变慢。根据麦克斯韦电磁理论 电磁波在固体中的传播速度v与反映材料极化特性的 相对介电常数8,和磁化特性的相对磁导率μ及真空中 的光速c有如下的关系 该式反映了材料的性质对光传播的影响。对于非磁 性材料,μ≈1. 由于光的传播速度因材料而异,因此光从一种均匀 介质斜射入另一种均匀介质时,在两种介质的界面 上一般都会发生反射和折射现象

8.2.1 光的反射和折射 材料的极化和磁化作用， “拖住”了电磁波的步伐， 使电磁波的传播速度变慢。根据麦克斯韦电磁理论， 电磁波在固体中的传播速度v与反映材料极化特性的 相对介电常数r和磁化特性的相对磁导率r及真空中 的光速c有如下的关系： 该式反映了材料的性质对光传播的影响。对于非磁 性材料，r 1. 由于光的传播速度因材料而异，因此光从一种均匀 介质斜射入另一种均匀介质时，在两种介质的界面 上一般都会发生反射和折射现象。 r r c   v=

822影响折射率的因素 折射率的定义得出麦克斯韦关系式: n 该式反映了光的折射率和材料的介电常数的关系 材料的极化性质又与构成材料的原子的原子量、电 子分布情况、化学性质等微观因素有关 这些微观因素通过宏观量介电常数来影响光在材料 中的传播速度。 为了进一步说明影响介质折射率的因素,由克劳修 斯-莫索蒂方程得: n o +2 3

8.2.2影响折射率的因素 折射率的定义得出麦克斯韦关系式： r=n2 该式反映了光的折射率和材料的介电常数的关系。 材料的极化性质又与构成材料的原子的原子量、电 子分布情况、化学性质等微观因素有关。 这些微观因素通过宏观量介电常数来影响光在材料 中的传播速度。 为了进一步说明影响介质折射率的因素，由克劳修 斯-莫索蒂方程 得： PM = 2 1 r r + −   3 0 n  

该式说明单位体积中原子的数目越多, 或结构越紧密,则折射率越大 另外在讨论电子的极化时,从定性的简 化模型中导出了a。=48na3关系,由于介 质的折射率随组成固体的原子的电子极 化率的增加而增加,因此材料的折射率 随原子半径的增加而增加

该式说明单位体积中原子的数目越多， 或结构越紧密，则折射率越大。 另外在讨论电子的极化时，从定性的简 化模型中导出了e =40 a 3关系，由于介 质的折射率随组成固体的原子的电子极 化率的增加而增加，因此材料的折射率 随原子半径的增加而增加

归纳起来影响折射率n值的因素有下列几方面 (1)构成材料元素的离子半径和电子结构。 (2)材料的结构、晶型和非晶态。 (3)同质异构体。一般情况下,同质异构材料的高 温晶型原子的密堆积程度低,因此高温晶型的折射 率较低,低温晶型原子的密堆积程度高,因此其折 射率较高。 (4)外界因素对折射率的影响。材料在机械应力、 超声波、电场等的作用下,折射率会发生改变,如 有内应力存在的透明材料,垂直于受拉主应力方向 的n大,平行于受拉主应力方向的n小。这些效应分 别称为光弹性效应、声光效应、电光效应等

归纳起来影响折射率n值的因素有下列几方面： （1）构成材料元素的离子半径和电子结构。 （2）材料的结构、晶型和非晶态。 （3）同质异构体。一般情况下，同质异构材料的高 温晶型原子的密堆积程度低，因此高温晶型的折射 率较低，低温晶型原子的密堆积程度高，因此其折 射率较高。 （4）外界因素对折射率的影响。材料在机械应力、 超声波、电场等的作用下，折射率会发生改变，如 有内应力存在的透明材料，垂直于受拉主应力方向 的n大，平行于受拉主应力方向的n小。这些效应分 别称为光弹性效应、声光效应、电光效应等

在折射和反射过程中,p和两个分量的振动 是相互独立的。 为了说明反射和折射各占多少比例,通过引 入反射率和折射率的概念。这里除了光的各 分量要分别计算外7还应区别三种不同的反射 率和透射率,即振幅反(透)射率,光强反 (透)射率和能流反(透)射率。它们的定 义和相互关系列与表

在折射和反射过程中，p和s两个分量的振动 是相互独立的 。 为了说明反射和折射各占多少比例，通过引 入反射率和折射率的概念。这里除了光的各 分量要分别计算外ﾌ还应区别三种不同的反射 率和透射率，即振幅反（透）射率，光强反 （透）射率和能流反（透）射率。它们的定 义和相互关系列与表

P分量 S分量 振幅反射率 光强反射率 R 1 p R=1={r, 能流反射率 W 振幅透射率 光强透射率 18 能流透射率 coS Z H2、cOSi2 P Wip CoSt CoS Z

pp p EE r 11 = ss s EE r 11 = 2 11 | | p pp p r II R =  = 2 11 | | s ss s r II R =  = p pp p R WW =   = 11 s ss s R WW =   = 11 pp p EE t 12 = ss s EE t 12 = 2 12 22 | | p pp p t nn II T = = 2 12 22 | | p pp s t nn II T = = p pp p T ii WW 12 12 cos cos  = = s ss s T ii WW 12 12 cos cos  = = P分量 S分量 振幅反射率 光强反射率 能流反射率 振幅透射率 光强透射率 能流透射率

反射率和透射率的变化规律。 当光束正入射时,i-i2=0,有简化 n +n 2 nI t n2+n1 R.=R= P n2+ 4n.n

反射率和透射率的变化规律。 当光束正入射时，i1=i2=0，有简化 p s r n n n n r = − + − = 2 1 2 1 2 1 2 1 n n n t t p s + = =         + − = =  =  = 2 1 2 1 n n n n Rp Rs p s 2 2 1 1 2 ( ) 4 n n n n Tp Ts p s + = =  =  =

因此反射率和折射率是由两种介质 的折射率决定的,如果n1和n2相差 很大,那么界面反射损失就严重。 这意味着在光学系统中当折射率增 大时,反射损失增大

因此反射率和折射率是由两种介质 的折射率决定的，如果n1和n2相差 很大，那么界面反射损失就严重。 这意味着在光学系统中当折射率增 大时，反射损失增大

82.4介质的表面光泽 介质的表面光泽:是指材料表面光洁度非常高的 情况下的反射,反射光线具有明确的方向性, 般称之为镜面反射。 在光学材料中利用这个性能达到各种应用目的。 例如雕花玻璃器皿,含铅量高,折射率高,因而 反射率约为普通钠钙硅酸盐玻璃的两倍,达到装 饰效果, 同样,宝石的高折射率使之具有强折射和高反射 性能。玻璃纤维作为通讯的光导管时,有赖于光 束总的内反射。这是一种可变折射率的玻璃或用 涂层来实现的

8.2.4介质的表面光泽 介质的表面光泽：是指材料表面光洁度非常高的 情况下的反射，反射光线具有明确的方向性，一 般称之为镜面反射。 在光学材料中利用这个性能达到各种应用目的。 例如雕花玻璃器皿，含铅量高，折射率高，因而 反射率约为普通钠钙硅酸盐玻璃的两倍，达到装 饰效果。 同样，宝石的高折射率使之具有强折射和高反射 性能。玻璃纤维作为通讯的光导管时，有赖于光 束总的内反射。这是一种可变折射率的玻璃或用 涂层来实现的