第二章红外光学材料的光学性质_精品文档.doc

1、第二章 红外光学材料的光学性质2.1 引言2.2反射2.3透过率和吸收系数以及和温度的关系 2.4折射指数、色散和折射指数的温度关系 2.5散射2.6 发射率2.7红外材料的微波透射性质 2.1引言红外光学材料首先要注意的是它的光学性质，然后确定该种材料所适用的光学波段，其后才能考虑它的力学、热学性质。在相同使用波段情况下，在各个材料之间进行选择，光学性质是红外光学材料最重要的基本性质。红外光学材料的光学性质是一个广泛的说法，它实际上包含的内容很多。有光的反射、理论透过率、吸收系数以及和温度的关系、透过率与温度的关系、折射指数以及折射指数的色散关系和温度关系、发射率和红外光学材料的微波介电性质

2、等等。在本章中试图对上述这些性质作尽可能详细的讨论。对于每一种材料，希望能给出具体的实验数据。2.2反射损伤 在第一章的（1-5-18）式中表示了垂直入射光通过两种不同介质（其折射指数分别为n1和n2）界面时所产生的反射和透射。 （2-2-1）在求得上式的过程中是假定介质电导率。因而光在介质中传播时没有损耗。在电导率的情况下，在界面的反射系数可表示为： （2-2-2）这里k是消光系数（参见第一章4），为吸收系数,对于红外光学材料值通常在10-110-4,因之，消光系数k的数值在410-6410-9之间。和(n-1)2， (n+1)2相比是一个非常小的量。因而，在反射率的计算中完全可以忽略。于是

3、，单面反射率通常可以表示为： （2-2-3）85这里R是垂直入射时的反射率。如果入射光是斜入射，由于光的偏振现象（s-极化和p-极化）。反射率R就变得复杂。入射角小于30时，（2-2-3）式可以用.另外，（2-2-3）式中，认为折射指数为n的介质的厚度是无穷大。因此，界面上只有一次反射。在实际的应用中，如红外窗口是有一定厚度的两面抛光的平片。在空气中，光线a（假定强度为1）垂直入射到窗口的A面，b光线是A面的反射光，其强度是（2-2-3）式所表示的R。窗口材料对红外光是透明的（虽有吸收但认为吸收很小），进入窗口内部的入射光强度为1R。这光线到达另一介面B，则会再次发生反射，其反射仍遵守（2-2

4、-3）式，只不过其强度要乘以系数(1R)。从B面反射向A面的光到达A面会再次反射，回到B面，而透射部分则迭加到在A面的反射光中。在窗口内部往复反射和透射，其强度逐次减弱，最后考虑了A面和B面的反射后总的反射率r可表示为： (2-2-4)从式（2-2-4）看出，对于两面抛光的红外光学材料，总反射rR，但是它并不是R的2倍。反射损失唯一决定于材料的折射指数。因而，理论透过率T1r也就决定于反射损失。对于每一种材料是一个确定的值。在表1中列出了一些红外光学材料的折射指数、单面反射率、双面反射率及理论透过率。图2.2表示了理论透过率和折射指数的关系。图2.2 红外材料理论透过率与折射指数关系表2.1

5、一些红外光学材料折射指数、单面反射率、双面反射率及理论透过率材料折射指数（） （）理论透过率（）石英1.54274.58.691.3Si3N42.0411.720.979.1SiC2.5619.23268AlON1.79814.885.2MgAl2O41.6986.512.587.5蓝宝石1.7126.912.987.1ZrO22.077912.32080Y2O31.952710.318.881.2La掺杂Y2O31.952710.318.881.2MgO1.6976.612.387.7CaF21.433.136.094.0MgF21.42.75.2594.75热压MgF21.3562.34.

6、595.5GaP2.9023.738.461.6GaAs3.27628.3344.1555.85CVDZnS2.201424.675.4MZnS2.201424.675.4CVDZnSe2.4016.952971CaTe2.67220.734.365.7InP3.4253046.253.7Ge4.00323652.947.1Si3.42619.546.153.9金刚石2.37616.528.471.6注：折射指数和波长有关。这里为了计算反射率和理论透过率、折射指数的色散引起的误差）的。对这种复合材料如何由透过率的测量计算吸收系数。图2.5 用于分析双层复合窗口透过率模型在图2.5表示了用于分析

7、双层复合窗口透过率模型示意图。设复合窗口是由折射率和吸收系数分别为n1,n2和1,2的两种材料复合而成。其厚度分别为d1和d2。光线垂直入射到A面，经过距离d1到达B界面，其透过率为Tb。Tb可作为的第二层的入射光。Rb是B界面上的反射率。这时可利用（2-3-4）式总的透射率T表示为： （2-3-10）这里R3，Tc是在C界面上的反射率和透射率，Tc1，依据前面的讨论，Tb和R2可用（2-3-4）和（2-3-5）式表示如下： （2-3-11） （2-3-12）把（2-3-11）和（2-3-12）代入（2-3-10）则得到复合窗口的透过率：（2-3-13）这里R1,R2和R3分别为 （2-3-14）如果第二层（或称为衬底）的吸收系数和第一层相比很小，（2-3-13）可写为：