2024年5月13日发(作者：王羡)
材料的光学性能
利用材料的光学性能和各种不同的用途有关。其中比较重要的是那些用作窗口、透镜、
棱镜、滤光镜、激光器、光导纤维等的以光学性能为主要功能的光学玻璃、晶体等。有些特
殊用途的光学零件，例如高温窗口、高温透镜等，不宜采用玻璃材料，需采用透明陶瓷材料，
例如成功地应用在高压钠灯灯管上的透明陶瓷。因为它需要能承受上千度的高温，以及钠蒸
气的腐蚀，对它的主要光学性能要求是透光性。
§4．1 光通过介质的现象
一.折射 1.折射率的定义
1）定义
光是具有一定波长的电磁波，光的折射可理解为光在介质中传播速度的降低而产生的（以真
空中的光速为基础）。
当光从真空进入较致密的材料时，其速度是降低的。
定义为：光在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率：
n=v真空/v材料=c/v材料 (4.1)
2）绝对折射率与相对折射率
（1）绝对折射率
材料相对于真空中的折射率称为绝对折射率，即式(4.1)，一般将真空中的折射率定为1。（2）
相对折射率
由于在实际工作中使用绝对折射率不方便，因此使用相对折射率的概念。
相对于空气的折射率称为相对折射率：
n′=va/v材料
（3）绝对折射率与相对折射率的关系
∵n= c/v材料 则 v材料= c/ n
又∵空气的绝对折射率为：na= c/va ，则va= c/ na
∴
因此，n=na·n′=1.00023 n′
由此可知，通常情况下，采用相对折射率来代替绝对折射率，是可行的。
2．两种材料间的相对折射率
如果光从材料1，通过界面传入材料2时，与界面法向所形成的入射角i1、折射角i2
与两种材料的折射率n1和n2现有下述关系:
(4.2)式中：v1及v2分别表示光在材料l及2中的传播速度，n21
为材料2相对于材料l的相对折射率。
介质的折射率永远是大于l的正数。如空气的n =1．0003，固体氧化物n=1．3-2．7，硅酸
盐玻璃n=1．5-1．9。
3．影响折射率的因素
不同组成、不同结构的介质的折射率是不同的。影响n值的因素有下列四方面：
1）构成材料元素的离子半径
（1）折射率n与极化率的关系
由于光是一种电磁波，所以根据马克斯威尔电磁波理论，光在介质中的传播速度应为:
(4.3)式中：c为真空中的光速，ε为介质的介电常数，μ为介质的导磁
率。根据(4．1)式和(4．3)式可得
（4.4）
由于在无机材料这样的电介质中，μ=1，ε≠l
∴ （4.5）
亦即介质的折射率随介质的介电常数ε的增大而增大。ε与介质的极化现象有关。
（2）极化率与离子半径的关系
由于材料内部有着各种带电的质点，如离子、离子团和电子，而光是一种电磁波。对于材料
而言，光波是一个外加的交变电场，因此，当光通过材料时，必然引起内部质点的极化（变
形），在可见光范围内，这种变化表现为离子或核外电子云的变形，而且，随着光波电场的
交变，电子云也反复来回变形。如下图
当光的电磁幅射作用到介质上时，介质的原子受到外加电场的作用而极化，正电荷沿着电场
方向移动，负电荷沿着反电场方向移动，这样正负电荷的中心发生相对位移。外电场越强，
原子正负电荷中心距离愈大。由于电磁幅射和原子的电子体系的相互作用，光波被减速了。
在本书的第六章中，将论证介质材料的离子半径与介电常数的关系，当离子半径增大时，其
ε增大，因而n也随之增大。因此，可以用大离子得到高折射率的材料，如PbS的n=3．912，
用小离子得到低折射率的材料，如SiCl4的n=1．412。
2）材料的结构、晶型和非晶态
折射率除与离子半径有关外，还和离子的排列密切相关。
（1）均质介质（各向同性的材料）
如非晶态(无定型体)和立方晶体材料，当光通过时，光速不因传播方向改变而变化，材料只
有一个折射率。
（2）非均匀介质（除立方晶体以外的其他晶型，都是非均质介质）
光进入非均质介质时，一般会产生双折射现象。
双折射：当一束光通过一个介质时，分为振动方向相互垂直、传播速度不等的两个波，它们
分别构成两条折射光线的现象。
双折射是非均质晶体的特性，这类晶体的所有光学性能都和双折射有关。
①常光折射率n0
上述两条折射光线中，平行于入射面的光线的折射率称为常光折射率。
常光折射率的特性：不论入射光的入射角如何变化，n0始终为一常数，因而常光折射率严
格服从折射定律。
②非常光折射率n e
与入射面垂直的光线的折射率，称为非常光折射率。
非常光折射率的特性：它不遵守折射定律，随入射光的方向而变化。
所以当光沿晶体光轴方向入射时，只有n0存在，与光轴方向垂直入射时，n e达最大值，
此值是为材料特性。石英的n0=1．543，n e=1．552；方解石的n0=1．658，n e=1．486；
刚玉的n0=1．760，n e=1．768。总之，沿着晶体密堆积程度较大的方向n e较大。
3）材料所受的内应力
有内应力的透明材料，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。因此
产生双折射。
测定材料中内应力的大小，常采用测定双折射的光程差的大小。
4）同质异构体
以SiO2为例
①石英晶体
在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存在的晶型折射率较高（n与密度d
成正变化关系，密度越大，光在材料中的传播速度越慢， n越大）。
常温下的石英晶体，n =1．55，数值最大；高温时的鳞石英，n =1．47；方石英，n =l·49。
②石英玻璃
2024年5月13日发(作者：王羡)
材料的光学性能
利用材料的光学性能和各种不同的用途有关。其中比较重要的是那些用作窗口、透镜、
棱镜、滤光镜、激光器、光导纤维等的以光学性能为主要功能的光学玻璃、晶体等。有些特
殊用途的光学零件，例如高温窗口、高温透镜等，不宜采用玻璃材料，需采用透明陶瓷材料，
例如成功地应用在高压钠灯灯管上的透明陶瓷。因为它需要能承受上千度的高温，以及钠蒸
气的腐蚀，对它的主要光学性能要求是透光性。
§4．1 光通过介质的现象
一.折射 1.折射率的定义
1）定义
光是具有一定波长的电磁波，光的折射可理解为光在介质中传播速度的降低而产生的（以真
空中的光速为基础）。
当光从真空进入较致密的材料时，其速度是降低的。
定义为：光在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率：
n=v真空/v材料=c/v材料 (4.1)
2）绝对折射率与相对折射率
（1）绝对折射率
材料相对于真空中的折射率称为绝对折射率，即式(4.1)，一般将真空中的折射率定为1。（2）
相对折射率
由于在实际工作中使用绝对折射率不方便，因此使用相对折射率的概念。
相对于空气的折射率称为相对折射率：
n′=va/v材料
（3）绝对折射率与相对折射率的关系
∵n= c/v材料 则 v材料= c/ n
又∵空气的绝对折射率为：na= c/va ，则va= c/ na
∴
因此，n=na·n′=1.00023 n′
由此可知，通常情况下，采用相对折射率来代替绝对折射率，是可行的。
2．两种材料间的相对折射率
如果光从材料1，通过界面传入材料2时，与界面法向所形成的入射角i1、折射角i2
与两种材料的折射率n1和n2现有下述关系:
(4.2)式中：v1及v2分别表示光在材料l及2中的传播速度，n21
为材料2相对于材料l的相对折射率。
介质的折射率永远是大于l的正数。如空气的n =1．0003，固体氧化物n=1．3-2．7，硅酸
盐玻璃n=1．5-1．9。
3．影响折射率的因素
不同组成、不同结构的介质的折射率是不同的。影响n值的因素有下列四方面：
1）构成材料元素的离子半径
（1）折射率n与极化率的关系
由于光是一种电磁波，所以根据马克斯威尔电磁波理论，光在介质中的传播速度应为:
(4.3)式中：c为真空中的光速，ε为介质的介电常数，μ为介质的导磁
率。根据(4．1)式和(4．3)式可得
（4.4）
由于在无机材料这样的电介质中，μ=1，ε≠l
∴ （4.5）
亦即介质的折射率随介质的介电常数ε的增大而增大。ε与介质的极化现象有关。
（2）极化率与离子半径的关系
由于材料内部有着各种带电的质点，如离子、离子团和电子，而光是一种电磁波。对于材料
而言，光波是一个外加的交变电场，因此，当光通过材料时，必然引起内部质点的极化（变
形），在可见光范围内，这种变化表现为离子或核外电子云的变形，而且，随着光波电场的
交变，电子云也反复来回变形。如下图
当光的电磁幅射作用到介质上时，介质的原子受到外加电场的作用而极化，正电荷沿着电场
方向移动，负电荷沿着反电场方向移动，这样正负电荷的中心发生相对位移。外电场越强，
原子正负电荷中心距离愈大。由于电磁幅射和原子的电子体系的相互作用，光波被减速了。
在本书的第六章中，将论证介质材料的离子半径与介电常数的关系，当离子半径增大时，其
ε增大，因而n也随之增大。因此，可以用大离子得到高折射率的材料，如PbS的n=3．912，
用小离子得到低折射率的材料，如SiCl4的n=1．412。
2）材料的结构、晶型和非晶态
折射率除与离子半径有关外，还和离子的排列密切相关。
（1）均质介质（各向同性的材料）
如非晶态(无定型体)和立方晶体材料，当光通过时，光速不因传播方向改变而变化，材料只
有一个折射率。
（2）非均匀介质（除立方晶体以外的其他晶型，都是非均质介质）
光进入非均质介质时，一般会产生双折射现象。
双折射：当一束光通过一个介质时，分为振动方向相互垂直、传播速度不等的两个波，它们
分别构成两条折射光线的现象。
双折射是非均质晶体的特性，这类晶体的所有光学性能都和双折射有关。
①常光折射率n0
上述两条折射光线中，平行于入射面的光线的折射率称为常光折射率。
常光折射率的特性：不论入射光的入射角如何变化，n0始终为一常数，因而常光折射率严
格服从折射定律。
②非常光折射率n e
与入射面垂直的光线的折射率，称为非常光折射率。
非常光折射率的特性：它不遵守折射定律，随入射光的方向而变化。
所以当光沿晶体光轴方向入射时，只有n0存在，与光轴方向垂直入射时，n e达最大值，
此值是为材料特性。石英的n0=1．543，n e=1．552；方解石的n0=1．658，n e=1．486；
刚玉的n0=1．760，n e=1．768。总之，沿着晶体密堆积程度较大的方向n e较大。
3）材料所受的内应力
有内应力的透明材料，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。因此
产生双折射。
测定材料中内应力的大小，常采用测定双折射的光程差的大小。
4）同质异构体
以SiO2为例
①石英晶体
在同质异构材料中，高温时的晶型折射率较低，低温时存在的晶型折射率较高（n与密度d
成正变化关系，密度越大，光在材料中的传播速度越慢， n越大）。
常温下的石英晶体，n =1．55，数值最大；高温时的鳞石英，n =1．47；方石英，n =l·49。
②石英玻璃