Прозрачность и полупрозрачность

Дихроичные фильтры создаются с использованием оптически прозрачных материалов.

В области оптики , прозрачность (также называемый pellucidity или diaphaneity ) является физическим свойством , чтобы позволить свету проходить через материал без заметного рассеяния света. В макроскопическом масштабе (где исследуемые размеры намного больше, чем длина волны рассматриваемых фотонов ), можно сказать, что фотоны подчиняются закону Снеллиуса . Полупрозрачность (также называемая полупрозрачностью или полупрозрачностью).) пропускает свет, но не обязательно (опять же, в макроскопическом масштабе) подчиняется закону Снеллиуса; фотоны могут рассеиваться на любой из двух границ раздела или внутри, где есть изменение показателя преломления . Другими словами, полупрозрачный материал состоит из компонентов с разными показателями преломления. Прозрачный материал состоит из компонентов с однородным показателем преломления. ^[1] Прозрачные материалы кажутся прозрачными, с общим видом одного цвета или любой комбинации, ведущей к яркому спектру всех цветов. Противоположное свойство полупрозрачности - непрозрачность .

Когда свет встречается с материалом, он может взаимодействовать с ним по-разному. Эти взаимодействия зависят от длины волны света и природы материала. Фотоны взаимодействуют с объектом посредством некоторой комбинации отражения, поглощения и пропускания. Некоторые материалы, такие как листовое стекло и чистая вода , пропускают большую часть падающего на них света и мало его отражают; такие материалы называются оптически прозрачными. Многие жидкости и водные растворы очень прозрачны. Отсутствие структурных дефектов (пустот, трещин и т. Д.) И молекулярная структура большинства жидкостей в основном ответственны за отличное оптическое пропускание.

Материалы, не пропускающие свет, называются непрозрачными . Многие такие вещества имеют химический состав, который включает так называемые абсорбционные центры. Многие вещества избирательно поглощают частоты белого света . Они поглощают одни части видимого спектра , отражая другие. Частоты спектра, которые не поглощаются, либо отражаются, либо передаются для нашего физического наблюдения. Вот что дает начало цвету . Ослабление света всех частот и длин волн происходит из-за комбинированных механизмов поглощения и рассеяния . ^[2]

Прозрачность может обеспечить почти идеальную маскировку для животных, способных ее достичь. Это легче сделать в тускло освещенной или мутной морской воде, чем при хорошем освещении. Многие морские животные, например медузы , очень прозрачны.

Сравнение 1. непрозрачности, 2. полупрозрачности и 3. прозрачности; за каждой панелью - звезда.

Этимология [ править ]

• поздний среднеанглийский: от старофранцузского, от средневекового латинского - «прозрачный» - «сияющий», от латинского - «прозрачный», от транс - «через» + parere «проявляться».
• конец 16 века (в латинском смысле): от латинского translucent - «сиять насквозь», от глагола translucere, от trans- «через» + lucere «сиять».
• поздне-среднеанглийский opake, от латинского opacus «затемненный». На нынешнее написание (редко встречающееся до XIX века) повлияла французская форма.

Введение [ править ]

Что касается поглощения света, то необходимо учитывать следующие факторы:

• На электронном уровне поглощение в ультрафиолетовой и видимой (УФ-видимой) частях спектра зависит от того , разнесены ли электронные орбитали (или «квантованы») так, чтобы они могли поглощать квант света (или фотон ) определенного частота , и не нарушает правил отбора . Например, в большинстве стекол электроны не имеют доступных уровней энергии над ними в диапазоне, связанном с видимым светом, или, если они есть, они нарушают правила отбора, что означает отсутствие заметного поглощения в чистых (нелегированных) стеклах, что делает их идеальными. прозрачные материалы для окон в зданиях.
• На атомном или молекулярном уровне физическое поглощение в инфракрасной части спектра зависит от частот атомных или молекулярных колебаний или химических связей , а также от правил отбора . Азот и кислород не являются парниковыми газами, потому что у них нет молекулярного дипольного момента .

Что касается рассеяния света , наиболее важным фактором является масштаб длины любой или всех этих структурных особенностей по отношению к длине волны рассеиваемого света. Основные соображения по материалам включают:

• Кристаллическая структура: демонстрируют ли атомы или молекулы «дальний порядок», присущий кристаллическим твердым телам.
• Стекловидная структура: центры рассеяния включают колебания плотности или состава.
• Микроструктура : центры рассеяния включают внутренние поверхности, такие как границы зерен, кристаллографические дефекты и микроскопические поры.
• Органические материалы: центры рассеяния включают структуры и границы волокон и ячеек.

Диффузное отражение - В общем случае , когда свет попадет на поверхность (Неметаллический и не стекловидный) твердый материал, он отскакивает во всех направлениях из - за многократные отражения с помощью микроскопических неровностей внутри материала (например, границ зерен в виде поликристаллического материал, или ячейка, или волокнограницы органического материала), а также по его поверхности, если она шероховатая. Диффузное отражение обычно характеризуется всенаправленными углами отражения. Большинство объектов, видимых невооруженным глазом, идентифицируются посредством диффузного отражения. Другой термин, обычно используемый для этого типа отражения, - «рассеяние света». Рассеяние света от поверхностей объектов - наш основной механизм физического наблюдения. ^{[3] [4]}

Рассеяние света в жидкостях и твердых телах зависит от длины волны рассеиваемого света. Таким образом, возникают ограничения на пространственные масштабы видимости (с использованием белого света) в зависимости от частоты световой волны и физического размера (или пространственного масштаба) центра рассеяния. Видимый свет имеет шкалу длин волн порядка половины микрометра . Центры рассеяния (или частицы) размером до одного микрометра наблюдались непосредственно в световом микроскопе (например, броуновское движение ). ^{[5] [6]}

Прозрачная керамика [ править ]

Оптическая прозрачность поликристаллических материалов ограничена количеством света, который рассеивается из-за их микроструктурных особенностей. Рассеяние света зависит от длины волны света. Таким образом, возникают ограничения на пространственные масштабы видимости (с использованием белого света) в зависимости от частоты световой волны и физического размера рассеивающего центра. Например, поскольку видимый свет имеет шкалу длин волн порядка микрометра, центры рассеяния будут иметь размеры в аналогичном пространственном масштабе. Первичные центры рассеяния в поликристаллических материалах включают дефекты микроструктуры, такие как поры и границы зерен. Помимо пор, большинство границ раздела в типичном металлическом или керамическом объекте имеют форму границ зерен.которые разделяют крошечные области кристаллического порядка. Когда размер рассеивающего центра (или границы зерен) уменьшается ниже размера длины волны рассеиваемого света, рассеяние больше не происходит в какой-либо значительной степени.

При формировании поликристаллических материалов (металлов и керамики) размер кристаллических зерен в значительной степени определяется размером кристаллических частиц, присутствующих в сырье во время формирования (или прессования) объекта. Более того, размер границ зерен напрямую зависит от размера частиц. Таким образом, уменьшение исходного размера частиц значительно ниже длины волны видимого света (примерно 1/15 длины волны света или примерно 600/15 = 40  нанометров ) устраняет большую часть светорассеяния, что приводит к полупрозрачному или даже прозрачному материалу.

Компьютерное моделирование пропускания света через полупрозрачный керамический оксид алюминия показало, что микроскопические поры, захваченные вблизи границ зерен, действуют как первичные центры рассеяния. Объемная доля пористости должна быть уменьшена ниже 1% для высококачественной оптической передачи (99,99% от теоретической плотности). Эта цель была легко достигнута и широко продемонстрирована в лабораториях и исследовательских центрах по всему миру с использованием новых методов химической обработки, включая методы золь-гель химии и нанотехнологии . ^[7]

Прозрачная керамика вызвала интерес к своим приложениям для высокоэнергетических лазеров, прозрачных бронированных окон, носовых конусов для ракет с тепловым наведением, детекторов излучения для неразрушающего контроля, физики высоких энергий, исследования космоса, безопасности и медицинских изображений. Большие лазерные элементы из прозрачной керамики можно производить по относительно невысокой цене. Эти компоненты не подвержены внутреннему напряжению или внутреннему двулучепреломлению и допускают относительно высокие уровни легирования или оптимизированные профили легирования, разработанные специально для них. Это делает керамические лазерные элементы особенно важными для высокоэнергетических лазеров.

Разработка продуктов из прозрачных панелей будет иметь другие потенциальные передовые области применения, включая высокопрочные, ударопрочные материалы, которые можно использовать для внутренних окон и световых люков. Возможно, более важным является то, что стены и другие сооружения будут иметь улучшенную общую прочность, особенно в условиях сильного сдвига, характерного для высоких сейсмических и ветровых воздействий. Если ожидаемые улучшения механических свойств подтвердятся, традиционные ограничения, наблюдаемые в области остекления в сегодняшних строительных нормах и правилах, могут быстро устареть, если площадь окна действительно способствует сопротивлению стены сдвигу.

Доступные в настоящее время прозрачные для инфракрасного излучения материалы обычно демонстрируют компромисс между оптическими характеристиками, механической прочностью и ценой. Например, сапфир (кристаллический оксид алюминия ) очень прочен, но он дорог и не обладает полной прозрачностью в диапазоне 3-5 микрометров в среднем инфракрасном диапазоне. Иттрий полностью прозрачен от 3 до 5 микрометров, но не обладает достаточной прочностью, твердостью и стойкостью к тепловому удару для высокоэффективных аэрокосмических применений. Неудивительно, что комбинация этих двух материалов в виде иттрий-алюминиевого граната (YAG) является одним из лучших в этой области.

Поглощение света твердыми телами [ править ]

Когда свет падает на объект, он обычно имеет не одну частоту (или длину волны), а множество. Объекты имеют тенденцию выборочно поглощать, отражать или пропускать свет определенных частот. То есть один объект может отражать зеленый свет, поглощая все остальные частоты видимого света. Другой объект может выборочно пропускать синий свет, поглощая все другие частоты видимого света. Способ взаимодействия видимого света с объектом зависит от частоты света, природы атомов в объекте и часто от природы электронов в атомах объекта.

Некоторые материалы позволяют большей части падающего на них света проходить через материал без отражения. Материалы, которые позволяют передавать через них световые волны, называются оптически прозрачными. Химически чистое (нелегированное) оконное стекло и чистая речная или родниковая вода являются яркими примерами этого.

Материалы, которые не пропускают световые волны любой частоты, называются непрозрачными . Такие вещества могут иметь химический состав, который включает так называемые абсорбционные центры. Большинство материалов состоит из материалов, избирательно поглощающих световые частоты. Таким образом, они поглощают только определенные части видимого спектра. Частоты спектра, которые не поглощаются, либо отражаются, либо передаются для нашего физического наблюдения. В видимой части спектра это то, что дает начало цвету. ^{[8] [9]}

Центры поглощения в значительной степени ответственны за появление определенных длин волн видимого света вокруг нас. Переход от более длинных (0,7 микрометра) к более коротким (0,4 микрометра) длинам волн: красный, оранжевый, желтый, зеленый и синий (ROYGB) - все это может быть идентифицировано нашими органами чувств по внешнему виду цвета путем избирательного поглощения определенных частот световых волн (или длины волн). К механизмам избирательного поглощения световых волн относятся:

• Электронные: переходы уровней энергии электронов в атоме (например, пигменты ). Эти переходы обычно находятся в ультрафиолетовой (УФ) и / или видимой частях спектра.
• Колебательный: резонанс в колебательных модах атомов / молекул . Эти переходы обычно находятся в инфракрасной части спектра.

UV-Vis: электронные переходы [ править ]

При электронном поглощении частота входящей световой волны равна или близка к энергетическим уровням электронов внутри атомов, составляющих вещество. В этом случае электроны будут поглощать энергию световой волны и увеличивать свое энергетическое состояние, часто перемещаясь из ядра атома во внешнюю оболочку или орбиталь .

Атомы, которые соединяются вместе, чтобы молекулы любого конкретного вещества содержали определенное количество электронов (заданное атомным номером Z в периодической таблице ). Напомним, что все световые волны имеют электромагнитное происхождение. Таким образом, на них сильно влияет контакт с отрицательно заряженными электронами в веществе. Когда фотоны (отдельные пакеты световой энергии) вступают в контакт с валентными электронами атома, может произойти одно из нескольких событий:

• Молекула поглощает фотон, часть энергии может быть потеряна из-за люминесценции , флуоресценции и фосфоресценции .
• Молекула поглощает фотон, что приводит к отражению или рассеянию.
• Молекула не может поглотить энергию фотона, и фотон продолжает свой путь. Это приводит к передаче (при условии, что другие механизмы поглощения не активны).

В большинстве случаев со светом, падающим на объект, происходит комбинация вышеперечисленного. Состояния в разных материалах различаются диапазоном энергии, которую они могут поглощать. Например, большинство очков блокируют ультрафиолетовый (УФ) свет. Происходит то, что электроны в стекле поглощают энергию фотонов в УФ-диапазоне, игнорируя более слабую энергию фотонов в видимом спектре света. Но существуют также специальные типы стекла , такие как специальные типы боросиликатного стекла или кварца, которые проницаемы для ультрафиолета и, таким образом, обеспечивают высокую передачу ультрафиолетового света.

Таким образом, когда материал освещается, отдельные фотоны света могут заставить валентные электроны атома перейти на более высокий электронный энергетический уровень . При этом фотон разрушается, а поглощенная лучистая энергия преобразуется в электрическую потенциальную энергию. Тогда с поглощенной энергией может произойти несколько вещей: она может быть повторно испущена электроном в виде лучистой энергии (в этом случае общий эффект фактически представляет собой рассеяние света), рассеянной на остальной материал (т.е. преобразованной в тепло. ), либо электрон может быть освобожден от атома (как в фотоэлектрическом и комптоновском эффектах).

Инфракрасный: растяжение связи [ править ]

Первичный физический механизм хранения механической энергии движения в конденсированном веществе - это тепло или тепловая энергия . Тепловая энергия проявляется как энергия движения. Таким образом, тепло - это движение на атомном и молекулярном уровнях. Основной способ движения кристаллических веществ - это вибрация . Любой данный атом будет колебаться вокруг некоторого среднего или среднего положения в кристаллической структуре в окружении своих ближайших соседей. Эта вибрация в двух измерениях эквивалентна колебанию маятника часов. Он симметрично раскачивается вперед и назадо каком-то среднем или среднем (вертикальном) положении. Частоты колебаний атомов и молекул в среднем могут составлять порядка 10 ¹² циклов в секунду ( терагерцовое излучение ).

Когда световая волна заданной частоты ударяет в материал с частицами, имеющими такую ​​же или (резонансную) частоту колебаний, эти частицы поглощают энергию световой волны и преобразуют ее в тепловую энергию колебательного движения. Поскольку разные атомы и молекулы имеют разные собственные частоты колебаний, они избирательно поглощают разные частоты (или части спектра) инфракрасного света. Отражение и передача световых волн происходит потому, что частоты световых волн не соответствуют естественным резонансным частотам вибрации объектов. Когда инфракрасный свет этих частот попадает на объект, энергия отражается или передается.

Если объект прозрачен, световые волны передаются соседним атомам через массу материала и повторно излучаются на противоположной стороне объекта. Говорят, что такие частоты световых волн передаются . ^{[10] [11]}

Прозрачность в изоляторах [ править ]

Объект может быть непрозрачным либо потому, что он отражает падающий свет, либо потому, что он поглощает падающий свет. Почти все твердые тела отражают часть и поглощают часть падающего света.

Когда свет падает на металлический блок , он встречает атомы, плотно упакованные в регулярную решетку, и « море электронов », беспорядочно перемещающееся между атомами. ^[12] В металлах большинство из них представляют собой несвязывающие электроны (или свободные электроны), в отличие от связывающих электронов, обычно обнаруживаемых в неметаллических (изолирующих) твердых телах с ковалентными или ионными связями. В металлической связи любые потенциальные связывающие электроны могут быть легко потеряны атомами в кристаллической структуре. Эффект этой делокализации просто преувеличивает эффект «моря электронов». В результате этих электронов большая часть падающего света в металлы отражается обратно, поэтому мы видим блестящую металлическую поверхность.

Большинство изоляторов (или диэлектрических материалов) удерживаются вместе ионными связями . Таким образом, эти материалы не имеют свободных электронов проводимости , а связывающие электроны отражают только небольшую часть падающей волны. Остальные частоты (или длины волн) могут свободно распространяться (или передаваться). К этому классу материалов относится вся керамика и стекло .

Если диэлектрический материал не содержит молекул светопоглощающих добавок (пигментов, красителей, красителей), он обычно прозрачен для спектра видимого света. Цветовые центры (или молекулы красителя, или «легирующие примеси») в диэлектрике поглощают часть падающего света. Остальные частоты (или длины волн) могут свободно отражаться или передаваться. Так производится цветное стекло.

Большинство жидкостей и водных растворов очень прозрачны. Например, вода, растительное масло, медицинский спирт, воздух и природный газ чисты. Отсутствие структурных дефектов (пустот, трещин и т. Д.) И молекулярная структура большинства жидкостей в первую очередь ответственны за их превосходное оптическое пропускание. Способность жидкостей «залечивать» внутренние дефекты за счет вязкого течения является одной из причин, почему некоторые волокнистые материалы (например, бумага или ткань) увеличивают свою видимую прозрачность при намокании. Жидкость заполняет многочисленные пустоты, делая материал более однородным по структуре. ^{[ необходима цитата ]}

Рассеяние света в идеальном бездефектном кристаллическом (неметаллическом) твердом теле, не имеющем центров рассеяния для падающего света, будет в первую очередь связано с любыми эффектами ангармонизма в упорядоченной решетке. Свет передачи будет очень Направленный в связи с типичной анизотропии кристаллических веществ, которая включает в свою группу симметрии и Браве решетку . Например, все семь различных кристаллических форм кварцевого кремнезема ( диоксид кремния , SiO ₂ ) представляют собой прозрачные прозрачные материалы . ^[13]

Оптические волноводы [ править ]

Оптически прозрачные материалы фокусируются на реакции материала на падающие световые волны в диапазоне длин волн. Управляемая передача световых волн через частотно-селективные волноводы включает в себя развивающуюся область волоконной оптики и способность определенных стекловидных композиций действовать в качестве среды передачи для диапазона частот одновременно ( многомодовое оптическое волокно ) с незначительной интерференцией или без интерференции между конкурирующими длинами волн или частоты. Этот резонансный режим передачи энергии и данных посредством распространения электромагнитных (световых) волн относительно без потерь.

Оптическое волокно представляет собой цилиндрический диэлектрический волновод, пропускающий свет вдоль своей оси в процессе полного внутреннего отражения . Волокно состоит из сердцевины, окруженной слоем оболочки . Чтобы ограничить оптический сигнал в сердечнике, показатель преломления сердечника должен быть больше, чем у оболочки. Показатель преломления - это параметр, отражающий скорость света.в материале. (Показатель преломления - это отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде. Следовательно, показатель преломления вакуума равен 1.) Чем больше показатель преломления, тем медленнее свет распространяется в этой среде. Типичные значения для сердцевины и оболочки оптического волокна составляют 1,48 и 1,46 соответственно.

Когда свет, движущийся в плотной среде, попадает в границу под крутым углом, он полностью отражается. Этот эффект, называемый полным внутренним отражением , используется в оптических волокнах для ограничения света в сердцевине. Свет распространяется по волокну, отражаясь от границы взад и вперед. Поскольку свет должен падать на границу под углом, превышающим критический угол , будет распространяться только свет, который входит в волокно в определенном диапазоне углов. Этот диапазон углов называется приемным конусом волокна. Размер этого приемного конуса зависит от разницы показателей преломления между сердцевиной и оболочкой волокна. Оптические волноводыиспользуются в качестве компонентов в интегральных оптических схемах (например, в сочетании с лазерами или светодиодами , светодиодами) или в качестве среды передачи в локальных и дальних оптических системах связи .

Механизмы затухания [ править ]

Затухание в волоконной оптике , также известное как потеря передачи, - это уменьшение интенсивности светового луча (или сигнала) по сравнению с расстоянием, пройденным через среду передачи. Коэффициенты затухания в волоконной оптике обычно используют единицы дБ / км через среду из-за очень высокого качества прозрачности современных оптических сред передачи. Среда обычно представляет собой стекловолокно из кварцевого стекла, которое ограничивает падающий луч света внутрь. Затухание - важный фактор, ограничивающий передачу сигнала на большие расстояния. В оптических волокнах основным источником затухания является рассеяние на неоднородностях молекулярного уровня ( рэлеевское рассеяние ) ^[14] из-за структурного беспорядка и флуктуаций составастеклянная конструкция . Это же явление рассматривается как один из ограничивающих факторов прозрачности инфракрасных ракетных куполов ^{[ необходима цитата ]} . Дальнейшее затухание вызывается светом, поглощаемым остаточными материалами, такими как металлы или ионы воды, внутри сердцевины волокна и внутренней оболочки. Другими факторами, приводящими к затуханию, являются утечка света из-за изгиба, стыков, соединителей или других внешних сил. ^{[15] [16]}

Как камуфляж [ править ]

Многие морские животные, которые плавают у поверхности, очень прозрачны, что дает им почти идеальный камуфляж . ^[17] Однако прозрачность тел, сделанных из материалов, которые имеют другие показатели преломления, чем у морской воды, затруднена . У некоторых морских животных, таких как медузы, есть студенистые тела, состоящие в основном из воды; их толстая мезоглоя бесклеточная и очень прозрачная. Это удобно делает их плавучими , но также увеличивает их мышечную массу, поэтому они не могут быстро плавать, что делает эту форму маскировки дорогостоящим компромиссом с мобильностью. ^[17] Желатиновый планктонпрозрачность животных составляет от 50 до 90 процентов. 50-процентной прозрачности достаточно, чтобы сделать животное невидимым для хищника, такого как треска, на глубине 650 метров (2130 футов); Лучшая прозрачность необходима для невидимости на мелководье, где свет ярче и хищники видят лучше. Например, треска может видеть добычу, которая на 98% прозрачна при оптимальном освещении на мелководье. Следовательно, на более глубоких водах легче достичь достаточной прозрачности для маскировки. ^[17] По той же причине еще труднее добиться прозрачности воздуха, но частичный пример можно найти в стеклянных лягушках тропических лесов Южной Америки, у которых полупрозрачная кожа и бледно-зеленоватые конечности. ^[18]Некоторые центральноамериканские виды яснокрылых ( итоминских ) бабочек, а также многие стрекозы и родственные им насекомые также имеют крылья, которые в большинстве своем прозрачные, форма крипсиса , обеспечивающая некоторую защиту от хищников.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Электродинамика сплошных сред , Ландау Л.Д., Лифшиц. Е.М., Питаевский Л.П. (Pergamon Press, Oxford, 1984).
• Рассеяние лазерного света: основные принципы и практика Чу, Б., 2-е изд. (Academic Press, Нью-Йорк, 1992).
• Твердотельная лазерная техника , W. Koechner (Springer-Verlag, New York, 1999).
• Введение в химическую физику , Дж. К. Слейтер (McGraw-Hill, Нью-Йорк, 1939).
• Современная теория твердого тела , Ф. Зейтц (McGraw-Hill, Нью-Йорк, 1940).
• Современные аспекты стекловидного тела , JDMacKenzie, Ed. (Баттервортс, Лондон, 1960 г.)

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме прозрачности .

Викискладе есть медиафайлы, связанные с прозрачными носителями .

• Устойчивость к ультрафиолетовому излучению
• Свойства света
• УФ-видимое поглощение
• ИК-спектроскопия
• Рассеяние Бриллюэна
• Прозрачная керамика
• Пуленепробиваемые стекла
• Прозрачная броня ALON
• Свойства оптических материалов
• Что делает стекло прозрачным?
• Рассеяние Бриллюэна в оптическом волокне
• Тепловое ИК-излучение и наведение ракет