В области оптики прозрачность (также называемая прозрачностью или диафанностью ) — это физическое свойство , позволяющее свету проходить через материал без заметного рассеивания света . В макроскопическом масштабе (в котором размеры намного больше, чем длины волн рассматриваемых фотонов ) можно сказать, что фотоны следуют закону Снеллиуса . Прозрачность (также называемая полупрозрачностью или светопроницаемостью ) позволяет свету проходить, но не обязательно (опять же, в макроскопическом масштабе) следует закону Снеллиуса; фотоны могут рассеиваться на любом из двух интерфейсов или внутри, где происходит 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 чистыми, с общим внешним видом одного цвета или любой комбинации, приводящей к яркому спектру каждого цвета. Противоположным свойством полупрозрачности является непрозрачность . Другие категории визуального восприятия, связанные с восприятием регулярного или рассеянного отражения и пропускания света, были организованы в рамках концепции cesia в системе порядка с тремя переменными, включая прозрачность, полупрозрачность и непрозрачность среди вовлеченных аспектов.
Когда свет сталкивается с материалом, он может взаимодействовать с ним несколькими различными способами. 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 отражают малую его часть; такие материалы называются оптически прозрачными. Многие жидкости и водные растворы обладают высокой прозрачностью. Отсутствие структурных дефектов (пустот, трещин и т. д.) и молекулярная структура большинства жидкостей в основном отвечают за отличную оптическую передачу.
Материалы, которые не пропускают свет, называются непрозрачными . Многие такие вещества имеют химический состав , который включает то, что называется центрами поглощения . Многие вещества селективны в своем поглощении частот белого света . Они поглощают определенные части видимого спектра , отражая другие. Частоты спектра, которые не поглощаются, либо отражаются, либо передаются для нашего физического наблюдения. Это то, что приводит к появлению цвета . 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 проще сделать в слабо освещенной или мутной морской воде , чем при хорошем освещении. Многие морские животные , такие как медузы, очень прозрачны.
Что касается поглощения света, то к основным материальным соображениям относятся:
Что касается рассеяния света , наиболее критическим фактором является масштаб длины любого или всех этих структурных свойств относительно длины волны рассеиваемого света. Основные материальные соображения включают:
Диффузное отражение - Обычно, когда свет падает на поверхность (неметаллического и нестеклянного) твердого материала, он отражается во всех направлениях из-за множественных отражений от микроскопических неровностей внутри материала (например, границ зерен поликристаллического материала или границ ячеек или волокон органического материала), а также от 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, - «рассеивание света». Рассеивание света от поверхностей объектов является нашим основным механизмом физического наблюдения. [3] [4]
Рассеивание света в жидкостях и твердых телах зависит от длины волны рассеиваемого света. Поэтому возникают ограничения на пространственные масштабы видимости (при использовании белого света), зависящие от частоты световой волны и физического размера (или пространственного масштаба) центра рассеяния. Видимый свет имеет масштаб длины волны порядка половины микрометра . Рассеивающие центры (или частицы) размером до одного микрометра наблюдались непосредственно в световой микроскоп (например, броуновское движение ). [5] [6]
Оптическая прозрачность в поликристаллических материалах ограничена количеством света, рассеиваемого их микроструктурными особенностями. Рассеивание света зависит от длины волны света. Поэтому возникают ограничения пространственных масштабов видимости (используя белый свет) в зависимости от частоты световой волны и физического размера рассеивающего центра. Например, поскольку видимый свет имеет шкалу длин волн порядка микрометра, рассеивающие центры будут иметь размеры в аналогичном пространственном масштабе. Первичные рассеивающие центры в поликристаллических материалах включают микроструктурные дефекты, такие как поры и границы зерен. Помимо пор, большинство интерфейсов 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 исходном материале 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 (около 1/15 длины волны света, или примерно 600/15 = 40 нанометров ) устраняет большую часть рассеяния света, что приводит к получению полупрозрачного или даже прозрачного материала.
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 была быть снижена ниже 1% для высококачественной оптической передачи (99,99 процентов от теоретической плотности). Эта цель была легко достигнута и наглядно продемонстрирована в лабораториях и исследовательских учреждениях по всему миру с использованием новых методов химической обработки, охватываемых методами золь-гель химии и нанотехнологии . [7]
Прозрачная керамика вызвала интерес в своих применениях для высокоэнергетических лазеров, прозрачных бронированных окон, носовых обтекателей для ракет с тепловым наведением, детекторов излучения для неразрушающего контроля, физики высоких энергий, исследования космоса, безопасности и медицинских изображений. Большие лазерные элементы, изготовленные из прозрачной керамики, могут быть изготовлены по относительно низкой цене. Эти компоненты не имеют внутреннего напряжения или собственного двулучепреломления и допускают относительно большие уровни легирования или оптимизированные специально разработанные профили легирования. Это делает керамические лазерные элементы особенно важными для высокоэнергетических лазеров.
Разработка прозрачных панельных изделий будет иметь другие потенциальные передовые применения, включая высокопрочные, ударопрочные материалы, которые могут использоваться для внутренних окон и световых люков. Возможно, более важным является то, что стены и другие применения будут иметь улучшенную общую прочность, особенно для условий высокого сдвига, встречающихся при высоких сейсмических и ветровых воздействиях. Если ожидаемые улучшения механических свойств подтвердятся, традиционные ограничения, наблюдаемые в площадях остекления в современных строительных нормах, могут быстро устареть, если площадь окна фактически способствует сдвиговому сопротивлению стены.
В настоящее время доступные инфракрасно-прозрачные материалы обычно демонстрируют компромисс между оптическими характеристиками, механической прочностью и ценой. Например, сапфир (кристаллический оксид алюминия ) очень прочен, но он дорогой и не обладает полной прозрачностью во всем диапазоне 3–5 микрометров среднего инфракрасного диапазона. Иттрия полностью прозрачен от 3 до 5 микрометров, но не обладает достаточной прочностью, твердостью и стойкостью к тепловому удару для высокопроизводительных аэрокосмических приложений. Комбинация этих двух материалов в форме иттрий-алюминиевого граната (YAG) является одним из лучших материалов в этой области. [ необходима цитата ]
Когда свет падает на объект, он обычно имеет не одну частоту (или длину волны), а много. Объекты имеют тенденцию избирательно поглощать, отражать или пропускать свет определенных частот. То есть, один объект может отражать зеленый свет, поглощая все другие частоты видимого света. Другой объект может избирательно пропускать синий свет, поглощая все другие частоты видимого света. Способ, которым видимый свет взаимодействует с объектом, зависит от частоты света, природы атомов в объекте и часто от природы электронов в атомах объекта .
Некоторые материалы пропускают большую часть падающего на них света, не отражаясь. Материалы, пропускающие световые волны, называются оптически прозрачными. Химически чистое (нелегированное) оконное стекло и чистая речная или родниковая вода являются яркими примерами этого.
Материалы, которые не пропускают никаких частот световых волн, называются непрозрачными . Такие вещества могут иметь химический состав, включающий то, что называется центрами поглощения. Большинство материалов состоят из материалов, которые селективны в поглощении световых частот. Таким образом, они поглощают только определенные части видимого спектра. Частоты спектра, которые не поглощаются, либо отражаются обратно, либо передаются для нашего физического наблюдения. В видимой части спектра это то, что порождает цвет. [8] [9]
Центры поглощения в значительной степени ответственны за появление определенных длин волн видимого света вокруг нас. Переходя от более длинных (0,7 микрометра) к более коротким (0,4 микрометра) длинам волн: красный, оранжевый, желтый, зеленый и синий (ROYGB) могут быть идентифицированы нашими чувствами в появлении цвета посредством избирательного поглощения определенных частот световых волн (или длин волн). Механизмы избирательного поглощения световых волн включают:
При электронном поглощении частота входящей световой волны находится на уровне или около энергетических уровней электронов внутри атомов, составляющих вещество. В этом случае электроны будут поглощать энергию световой волны и увеличивать свое энергетическое состояние, часто перемещаясь наружу от ядра атома во внешнюю оболочку или орбиталь .
Атомы, которые связываются вместе, чтобы сделать молекулы любого конкретного вещества, содержат некоторое количество электронов (заданное атомным номером Z в периодической таблице ). Вспомним, что все световые волны имеют электромагнитное происхождение. Таким образом, они сильно подвержены влиянию при контакте с отрицательно заряженными электронами в веществе. Когда фотоны (отдельные пакеты световой энергии) контактируют с валентными электронами атома, может и будет происходить одно из нескольких событий:
В большинстве случаев это комбинация вышеперечисленного, что происходит со светом, который попадает на объект. Состояния в разных материалах различаются по диапазону энергии, которую они могут поглощать. Большинство стекол, например, 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 стекол , такие как специальные типы боросиликатного стекла или кварца, которые пропускают УФ-излучение 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 . Фотон разрушается в процессе, а поглощенная лучистая энергия преобразуется в электрическую потенциальную энергию. Затем 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), рассеяна в остальной части материала (т. е. преобразована в тепло ), или электрон может быть освобожден от атома (как в фотоэлектрических эффектах и эффектах Комптона ).
.gif/1280px-1D_normal_modes_(280_kB).gif)
Основной 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 режим движения в кристаллических веществах — вибрация . Любой данный атом будет вибрировать вокруг некоторого среднего положения внутри кристаллической структуры, окруженный своими ближайшими соседями. Эта вибрация в двух измерениях эквивалентна колебанию маятника часов. Он качается вперед и назад симметрично вокруг некоторого среднего (вертикального) положения. Атомные и молекулярные частоты колебаний могут составлять в среднем порядка 10 12 циклов в секунду ( терагерцовое излучение ).
Когда световая волна заданной частоты попадает на материал с частицами, имеющими одинаковые или (резонансные) частоты колебаний, эти частицы будут поглощать энергию световой волны и преобразовывать ее в тепловую энергию колебательного движения. Поскольку разные атомы и молекулы имеют разные собственные частоты колебаний, они будут избирательно поглощать разные частоты (или части спектра) инфракрасного света. Отражение и передача световых волн происходят из-за того, что частоты световых волн не соответствуют естественным резонансным частотам колебаний объектов. Когда инфракрасный свет этих частот попадает на объект, энергия отражается или передается.
Если объект прозрачен, то световые волны передаются соседним атомам через объем материала и переизлучаются на противоположной стороне объекта. Такие частоты световых волн называются переданными. [10] [11]
Объект может быть непрозрачным либо потому, что он отражает входящий свет, либо потому, что он поглощает входящий свет. Почти все твердые тела отражают часть и поглощают часть входящего света.
Когда свет падает на кусок металла , он сталкивается с атомами, которые плотно упакованы в регулярную решетку , и « морем электронов », хаотично движущимся между атомами. [12] В металлах большинство из них являются несвязывающими электронами (или свободными электронами), в отличие от связывающих электронов, которые обычно встречаются в ковалентно связанных или ионно связанных неметаллических (изолирующих) твердых телах. В металлической связи любые потенциальные связывающие электроны могут быть легко потеряны атомами в кристаллической структуре. Эффект этой делокализации заключается просто в преувеличении эффекта «моря электронов». В результате этих электронов большая часть входящего света в металлах 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 малую часть падающей волны. Остальные частоты (или длины волн) могут свободно распространяться (или передаваться). Этот класс материалов включает всю керамику и стекла .
Если диэлектрический материал не содержит светопоглощающих добавочных молекул (пигментов, красителей, красителей), он обычно прозрачен для спектра видимого света. Цветовые центры (или молекулы красителя, или « легирующие добавки ») в диэлектрике поглощают часть входящего света. Остальные частоты (или длины волн) могут свободно отражаться или передаваться. Так получается цветное стекло.
Большинство жидкостей и водных растворов обладают высокой прозрачностью. Например, вода, растительное масло, спирт для растирания, воздух и природный газ являются прозрачными. Отсутствие структурных дефектов (пустот, трещин и т. д.) и молекулярная структура большинства жидкостей в основном отвечают за их превосходную оптическую передачу. Способность жидкостей «лечить» внутренние дефекты посредством вязкого течения является одной из причин, по которой некоторые волокнистые материалы (например, бумага или ткань) увеличивают свою кажущуюся прозрачность при смачивании. Жидкость заполняет многочисленные пустоты, делая материал более структурно однородным. [ необходима цитата ]
Рассеивание света в идеальном кристаллическом (неметаллическом) твердом теле без дефектов, которое не обеспечивает рассеивающих центров для входящего света, будет обусловлено в первую очередь любыми эффектами ангармонизма в упорядоченной решетке. Пропускание света будет высоконаправленным из -за типичной анизотропии кристаллических веществ, которая включает их группу симметрии и решетку Браве . Например, семь различных кристаллических форм кварцевого кремнезема ( диоксид кремния , SiO 2 ) являются чистыми, прозрачными материалами . [13]
Оптически прозрачные материалы фокусируются на реакции материала на входящие световые волны в диапазоне длин волн. Направляемая передача световых волн через частотно-селективные волноводы включает в себя развивающуюся область волоконной оптики и способность определенных стеклообразных композиций действовать как передающая среда для диапазона частот одновременно ( многомодовое оптическое волокно ) с небольшими или нулевыми помехами между конкурирующими длинами волн или частотами. Этот резонансный режим передачи энергии и данных посредством распространения электромагнитных (световых) волн является относительно без потерь. [ необходима цитата ]
Оптическое волокно представляет собой цилиндрический диэлектрический волновод, который передает свет вдоль своей оси посредством процесса полного внутреннего отражения . Волокно состоит из сердцевины , окруженной слоем оболочки . Чтобы ограничить оптический сигнал в сердцевине, показатель преломления сердцевины 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. Таким образом, 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. [ необходима цитата ]
Когда свет, движущийся в плотной среде, попадает на границу под крутым углом, свет будет полностью отражен. Этот эффект, называемый полным внутренним отражением , используется в оптических волокнах для ограничения света в сердцевине. Свет распространяется по волокну, отражаясь взад и вперед от границы. Поскольку свет должен падать на границу под углом, большим критического угла , будет распространяться только тот свет, который попадает в волокно в определенном диапазоне углов. Этот диапазон углов называется приемным конусом волокна. Размер этого приемного конуса является функцией разности показателей преломления между сердцевиной и оболочкой волокна. Оптические волноводы используются 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. [ необходима цитата ]
Затухание в волоконной оптике , также известное как потеря передачи , представляет собой уменьшение интенсивности светового луча (или сигнала) по отношению к расстоянию, пройденному через среду передачи. Это важный фактор, ограничивающий передачу сигнала на большие расстояния. 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 волокно из кварцевого стекла , которое ограничивает падающий световой луч внутри.
В оптических волокнах основным источником затухания является рассеяние от неоднородностей молекулярного уровня, называемое рэлеевским рассеянием [15] , вызванное структурным беспорядком и композиционными флуктуациями структуры стекла . Это же явление рассматривается как один из ограничивающих факторов прозрачности куполов инфракрасных ракет. [16] Дальнейшее затухание вызвано светом, поглощаемым остаточными материалами, такими как металлы или ионы воды, внутри сердцевины волокна и внутренней оболочки. Утечка света из-за изгибов, сращиваний, соединителей или других внешних сил являются другими факторами, приводящими к затуханию. При высоких оптических мощностях рассеяние также может быть вызвано нелинейными оптическими процессами в волокне. [17]
Многие морские животные, плавающие вблизи поверхности, очень прозрачны, что дает им почти идеальную маскировку . [18] Однако прозрачность затруднительна для тел, сделанных из материалов, которые имеют другие показатели преломления, чем морская вода. Некоторые морские животные, такие как медузы, имеют студенистые тела, состоящие в основном из воды; их толстая мезоглея бесклеточная и очень прозрачная. Это удобно делает их плавучими , но это также делает их большими для их мышечной массы, поэтому они не могут быстро плавать, что делает эту форму маскировки дорогостоящим компромиссом с мобильностью. [18] Студенистые планктонные животные прозрачны на 50–90 процентов. Прозрачности в 50 процентов достаточно, чтобы сделать животное невидимым для хищника, такого как треска, на глубине 650 метров (2130 футов); лучшая прозрачность требуется для невидимости на мелководье, где свет ярче, и хищники могут лучше видеть. Например, треска может видеть добычу, которая прозрачна на 98 процентов при оптимальном освещении на мелководье. Поэтому достаточная прозрачность для маскировки достигается легче в более глубоких водах. [18] По той же причине прозрачность в воздухе достигается еще труднее, но частичный пример можно найти у стеклянных лягушек из южноамериканских дождевых лесов, у которых полупрозрачная кожа и бледно-зеленоватые конечности. [19] Несколько видов бабочек-чистокрылок ( ithomiine ) из Центральной Америки, а также многие стрекозы и родственные им насекомые также имеют крылья, которые в основном прозрачны, форма криптиса , которая обеспечивает некоторую защиту от хищников. [ необходима цитата ]
