页数：50页文件大小：1.81 MB来源： 功能材料及其应用ppt课件
本课件从光的电磁波性质出发说明材料对光的吸收、反射与透射特性，介绍透光材料的折射率、色散与内透射率，随后讲解光在光纤中的传输原理、子午光线与斜光线条件、数值孔径与光纤损耗。
光功能材料基本知识光是一种电磁波，各种电磁波的能量、波长和频率见左图。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。一、材料的光学性能
光功能材料基本知识当一束强度为I0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。
光的入射、反射、透射、吸收和强度关系：I0＝IR+IT+IA透射率T：T=IT/I0吸收率A：A=IA/I0反射率R：R=IR/I0一、材料的光学性能T+A+R=1透射率、吸收率和反射率的大小不仅与材料有关，还与光波的波长有关。
光功能材料基本知识根据透射率、吸收率和反射率之间的相对大小，材料可分为：光透明的(transparent)材料：A、R很小，可见光几乎可以全部透过。光半透明的(translucent)材料：可见光穿透比较困难。
光不透明的(opaque)材料：不能透过可见光。光的折射折射率和相对折射率折射率与材料和入射光的频率有关。一、材料的光学性能
光功能材料基本知识二、材料光学性能的本质2、光子与电子的能量转换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，与频率v有关，光子能量E=hv。
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。
光功能材料基本知识二、材料光学性能的本质2、光子与电子的能量转换对于电子来说，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。
电子和光子彼此间能量交换的这种“苛刻”条件，导致不同的材料具有完全不同的光学性能。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。
透光材料包括透可见光(波长0.39～0.76μm)、红外光(波长1～1000μm)和紫外光(波长0.01～0.4μm)的材料。一、透光材料的特征值1.透射率T透射率T为透射光强IT与入射光强I0之比T=IT/I0，也称透光率。
一、透光材料的特征值1.透射率T射入介质的光在穿过介质时被吸收一部分后，达到介质另一面的光强为:Io(1-R)e-al又被反射回介质内的光强为:IoR(1-R)e-al最后透射出介质的光强:IT＝Io(1-R)2e-al
一、透光材料的特征值2.光密度D§8.1透光材料3.内透射率θ内透射率θ所表示光线在透过介质时，只考虑吸收不考虑反射的特征值。Dr－反射修正值。光密度的物理意义：吸收(0.434αl)和反射(Dr)两部分损失之和。
吸收系数越大时，θ值就越小，材料的透光性能就不好。
一、透光材料的特征值4.平均色散系数υD透光材料中光学玻璃通常按折射率nD和平均色散系数υD两个光学常数进行分类。
平均色散系数的表示为:§8.1透光材料υD－平均色散系数，也称阿贝数；（数值越小色散现象越厉害）nF－材料对标准谱线F(λ=4861.3Å)的折射率；nC－材料对标准谱线C(λ=6562.7Å)的折射率；nD－材料对标准谱线D(λ=5892.9Å)的折射率。
nF-nC－平均色散，也称中部色散。对于玻璃，υD＞50称冕玻璃，υD＜50称火石玻璃。
二、透光材料的种类透可见光的材料常用的有玻璃和高聚物两大类。玻璃材料的优点：透射率最高(可高达98％以上)，折射率范围大(1.44～1.94)，色散系数范围大(υD=20～90)光学稳定性好，耐磨损。
玻璃材料的缺点：密度大(2.27～6.26g/cm3)，耐冲击强度低，加工困难，制造周期长。目前，玻璃仍是制造各种光学元件特别是高、精光学元件的最主要的材料。
二、透光材料的种类高聚物材料：另一类透光材料，发展较快，主要有聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、苯乙烯丙烯腈共聚体、聚甲基异戍二烯、透明聚酰胺等。
高聚物材料材料的透射率已达到90％左右，有的原来透射率不太高的树脂如PVC也已经制出透射率达到90％的产品。不仅已用于眼镜和低档照相机上，而且已逐步应用于显微镜、天文望远镜、夜视仪、制导系统、测距机等各种中高档光学仪器上。
二、透光材料的种类高聚物透光材料的优点：重量轻(密度为0.83～1.46g/cm3)、成本低、制造工艺简单、不易破碎，可用来制作各种透镜、棱镜、非球面镜、反射镜等各种光学元件。
透光高聚物的缺点：折射率范围窄，热胀系数、双折射和色散大，耐热、耐磨、硬度、耐湿和抗化学性能差。
二、透光材料的种类（一）透光高聚物的新品种1.高折射率高聚物透光材料(1)溴取代芳香族聚合物(2)含重金属的单体聚合物(3)含苯环的单体(4)含硫的聚合物(5)含磷聚合物高折射率的聚合物，特别是密度较低的，其色散往往较大。
二、透光材料的种类3.低双折射透光高聚物透光高聚物的双折射来源于高聚物加工成形时的取向所产生的折射率各向异性。4.耐热的透光高聚物在透光聚合物分子中引入耐热单体、大的侧基和提高交联度都可以提高其耐热性。
5.硬度高的透光高聚物提高透光高聚物的硬度的主要方法是提高交联度。交联型含有氨基甲酸酯官能团树脂的铅笔硬度可达5H～9H。但交联太高，刚性也增大。
二、透光材料的种类（二）透光玻璃的新品种1.透紫外玻璃光学石英玻璃是透紫外线最好的材料，它在紫外波段有很好的透过性能。紫外透过限180nm。
透紫外黑色玻璃对400～700nm的可见光是不透明的，对300～400nm的紫外光有很高的透射率，国外称这种玻璃为伍德氏玻璃。钠钙硅透短波紫外玻璃能透过254nm的短波紫外线，是制作热阴极低压汞灯的理想管壁材料。
钠钙透紫外玻璃允许透过280～35Onm以上的中波紫外线，不能透过28Onm以下的对人体有害的短波紫外线。
二、透光材料的种类（二）透光玻璃的新品种1.透紫外玻璃除此之外，许多碱卤化合物晶体和碱土-卤化物晶体在紫外区域也有较好的透过性能，但由于这些晶体的物理化学，性能大多不如光学石英玻璃稳定，制备工艺也比较复杂，真正能够在紫外光谱分析仪上代替光学石英作分光棱镜的晶体材料为数很少。
2.水合玻璃和梯度折射率光学材料在透光材料的开发研究中，值得提出的是水合玻璃和梯度折射率光学材料。
二、透光材料的种类（二）透光玻璃的新品种2.水合玻璃和梯度折射率光学材料水合玻璃由于不易控制其含水量尚未实际应用。梯度折射率光学材料可用玻璃、高分子和晶体制成。材料的折射率可沿轴向、径向、球向三个方向之一而变化。
光纤材料：光通信中用于传播光信息的光学纤维所用的材料，又称为光波导纤维材料。光通讯可能是未来重要的通讯方式，通讯用光纤材料成为当今最引人注目的新型光传输材料，并得到了日益广泛的应用。
一、光在光纤中传输基本原理4、子午光线和斜光线光学纤维具有均匀的芯子(半径为r，折射率为n1)和均匀的包层(折射率为n2，n2＜n1)。通过这种纤维的光线有子午光线和斜光线两种。
子午光线：在一个平面内弯曲行进的光线，在一个周期内和光学纤维的中心轴相交两次。作为子午光线行进的条件
一、光在光纤中传输的基本原理5、数值孔径NA光学纤维的数值孔径NA定义为
二、光纤材料特征值1、传输损耗Q传输损耗指光在纤维中传输途中的损耗，表示为：Q=10log(I2/I1)(dB/km)I1－入射光强；I2－出射光强；Q－传输损耗(dB/km)。
|Q|越大，光信息传播的距离就越短；|Q|越小，光信息传播的距离就越远。传输损耗Q值是衡量光学纤维通信介质质量好坏的一个最重要的指标。
二、光纤材料特征值2、传输带宽传输带宽是影响信息传输能力的一个重要因素。在光纤通信中，以光脉冲方式进行传输，信息通过调制方式加到光频载波上。载波光按信息要求调制成一个光脉冲，光脉冲的调制频率愈高，传输的信息容量愈大。
影响传输带宽的两方面主要因素：（1）光脉波形冲畸变和展宽经输送的光脉冲(方波窄脉冲)传输一段距离后发生畸变和展宽(成钟形的方波脉冲)，展宽的结果使光脉冲波型重叠，结果分辨不出所携带的信息。
二、光纤材料特征值2、传输带宽影响传输带宽的两方面主要因素：（1）光脉波形冲畸变和展宽（2）色散光学纤维的传输带宽受到材料色散、模式色散和构造色散的限制，不能无限制地增高光脉冲的调制频率，提高传输的信息容量。
材料色散：介质的折射率是波长的函数，不同波长的光在介质中的折射率不一样。模式色散：不同模式的光脉冲在光学纤维中传播速度不同所产生的传输时间差。
二、光纤材料特征值2、传输带宽影响传输带宽的两方面主要因素：（1）光脉波形冲畸变和展宽（2）色散构造色散：由光纤结构上的原因引起的光传播速度的变化。在多模光纤中，限制传输带宽主要因素是模式色散。在单模光纤中，影响传输带宽主要因素是材料色散。
三、光纤材料的种类（2）多组分氧化物玻璃光纤多组分氧化物玻璃光纤由Na2O、B2O3、SiO2、CaO、TiO2等成分组成。这类材料熔点低，制作设备简单，可以制成几十千米的长纤维，因其损耗较大(4～7dB/km)，通信上极少采用。
但此类光纤易做到大数值孔径(NA可达0.5)，比光源或光检测器的耦合效率高，可用于对损耗要求不那么苛刻的传感器领域内。
三、光纤材料的种类（3）非氧化物玻璃光纤非氧化物玻璃光纤包括卤化物玻璃光纤、硫族化合物玻璃光纤和硫卤化合物玻璃光纤。
非氧化物玻璃光纤所含的阴离子，如F-、Cl-、S2-和Se-2都比O2-原子量大，比氧化物玻璃光纤透红外性能好，窗口波长长，理论损耗也小。非氧化物玻璃光纤组分和性能可调范围大，制备工艺也不复杂。
三、光纤材料的种类（3）非氧化物玻璃光纤卤化物玻璃光纤目前可能实用的是氟化物玻璃光纤，其中以氟锆酸盐玻璃光纤为代表，目前长度为110m的此类光纤的最低损耗为0.65dB/km（2.59μm)。
硫族化合物玻璃光纤主要的是硫或硒和砷或镓的化合物系统。如As40S60的损耗2.44μm波长时为35dB/km，而在5.3μm波长时可达到200dB/km，这类硫化物玻璃光纤在波长为1～6μm范围内损耗均较低。
三、光纤材料的种类（3）非氧化物玻璃光纤硫族化合物玻璃光纤主要的是硫或硒和砷或镓的化合物系统。硒化物透光范围可以移到9μm，加人碲后，可以移至11μm，如Ge22Se20Te58玻璃光纤10.6μm处损耗约1000dB/km。
硫卤化合物玻璃光纤可分为二类：一类是原子量较低的硫和氯为主要成分；另一类是原子量较高的碲、硒、溴和碘为主要成分。
三、光纤材料的种类（3）非氧化物玻璃光纤硫卤化合物玻璃光纤有更好的透红外性能，如Te3Se4I3在8～11μm波段有较低的损耗，在10.6μm处损耗已达4800dB/km，其CO2激光抗损能力达40KW/cm2。
非氧化物玻璃光纤的红外透光性好，在超远距离通信、高功率激光传输、纤维激光器和光纤传感器方面将有广泛的应用前景。
三、光纤材料的种类（4）晶体光纤晶体光纤是由晶体材料制成的，主要有YAG(Y3Al5O12)系、YAP(YAlO3)系、Al2O3系、LN(LiNb2O3)系、LBO(LiB3O5)系、BSO(Bi12SiO20)系和卤化物系等晶体光纤。
晶体光纤主要优点：具有更宽的红外波段窗口和其器件与普通光纤间的耦合性能好。石英光纤的工作波段为0.85μm和1.30μm，目前达到的损耗已接近其极限值，降低的空间已很小。
三、光纤材料的种类（4）晶体光纤为了实现超远距离通信，必须使光纤在更长波长的红外窗口波段工作，这样才能得到更低的损耗。因此，研究红外光纤已成为当今光纤研究的主要方向。非氧化物玻璃光纤和晶体光纤以及重金属氧化物光纤都属于红外光纤的类型。
红外光纤的最低理论损耗可达到10-2～10-4dB/km。实际上目前尚未做到，其降低空间很大。
三、光纤材料的种类（4）高聚物光纤高聚物光纤一般是以较高折射率的高聚物透光材料为芯材，以较低折射率的高聚物为皮层。
1964年美杜邦公司研制了商品名为Crofon的PMMA系光纤，1984年日三菱公司研制了EskaExtra商品名的PMMA和自系光纤，损耗为125dB/km(567nm)。
以后日本电信电话公司又研制了损耗为55dB/km(567nm)，而氧化PMMA系光纤损耗可达20dB/km(68Onm)。
三、光纤材料的种类（4）高聚物光纤高聚物光纤和石英光纤相比，损耗大，频带窄，但口径大，数值孔径大，可挠性好，加工方便，价格低，易连接。在短距离传输时，有一定的优势。
对于短距离传输如200m以下，目前高聚物光纤损耗可满足要求，但传输距离大于500m时，要求损耗要小于50dB/km，工业化生产的PMMA光纤不易达到，氘化PMMA光纤的传输距离可超过1km，但价格较贵。
另外，高聚物光纤的耐热性和容量也必须提高。
三、光纤材料的种类（4）高聚物光纤采用梯度折射率内芯是提高其容量的一个主要方向。日本研制的梯度型高聚物光纤传输容量大，损耗为300dB/km。
PMMA光纤细化成5～10μm粗，再集合几百至几万根光纤组成光纤束，数值孔径NA为0.5，损耗为500dB/km，而传输容量可增大很多。
为适应不同用途的需要，还开发了许多特种光纤，如保偏光纤、稀土掺杂光纤、涂层光纤、双芯光纤和紫外与辐射敏感光纤等。
四、光纤材料的应用光纤用途很多。
利用其透光性好，直径可调(几到几百微米)，可挠性好而制成各种规格的光纤传光束和传像束，用来改变光线的传输方向，移动光源的三维位置；用来改变图像(或光源)的形状、大小和亮度；还可以解决光通量从发射源到接收器之间的复杂传输通道问题。
利用光学纤维面板可以传递图像、移动像面等特性，可以用作电子光学器件中的端窗和级间耦合元件，对改善系统的性能、简化系统的结构，提供了一种有效的新技术。
四、光纤材料的应用光学纤维在光学系统中可以用于光学纤维潜望镜、自准直系统、平像场器、光学纤维换向器等方面，在光电系统中主要用于像增强器、X射线像增强器、阴极射线管和变像管等。在医学上利用光纤可制作内窥镜和“光刀”，用于诊断和手术。
光学纤维可用于传感技术，做成各种光纤传感器，如光纤声、光纤磁、光纤温度、光纤网络和光纤辐射类型传感器。
四、光纤材料的应用光学纤维还可做成光纤转换器，用于高空侦察系统和星光摄谱系统等方面。光纤通信是光纤的重要应用领域。光纤通信具有通信容量大，抗干扰，保密性好，重量轻、抗潮湿和抗腐蚀等优点。
坦克潜望镜M60A1车体用铸造部件和锻造车底板焊接而成，分为前部驾驶舱、中部战斗舱和后部动力舱3个舱，驾驶员前面装有3具M27前视潜望镜，舱盖中央支架上可装1具M24主动红外潜望镜用于夜间驾驶，目前M24潜望镜已改换成AN/VVS-2微光潜望镜。
内窥镜与电子胃镜类似，是一种带有微型摄像头的器械，腹腔镜手术就是利用腹腔镜及其相关器械进行的手术：使用冷光源提供照明，将腹腔镜镜头（直径为3～10mm）插入腹腔内，运用数字摄像技术使腹腔镜镜头拍摄到的图像通过光导纤维传导至后级信号处理系统，并且实时显示在专用监视器上。
然后医生通过监视器屏幕上所显示患者器官不同角度的图像，对病人的病情进行分析判断，并且运用特殊的腹腔镜器械进行手术。
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