透明性と半透明性

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ダイクロイックフィルターは、光学的に透明な材料を使用して作成されます。

分野では光学透明性(別名pellucidity又はdiaphaneity)である物理的性質の光は、光のかなりの散乱せずに材料を通過することを可能にします。巨視的スケール(寸法が問題光子の波長よりもはるかに大きいもの)では、光子はスネルの法則に従っていると言えます透明性半透明性または半透明性とも呼ばれます)光の通過を許可しますが、必ずしも(巨視的スケールで)スネルの法則に従うとは限りません。光子は、2つの界面のいずれかで散乱するか、屈折率が変化する内部で散乱する可能性があります。言い換えれば、半透明の材料は、異なる屈折率を持つコンポーネントで構成されています。透明な素材は、均一な屈折率を持つコンポーネントで構成されています。[1]透明な素材は透明に見え、全体的に1つの色、または任意の組み合わせで、すべての色の鮮やかなスペクトルが得られます。半透明の反対の特性は不透明度です。

光が物質に遭遇すると、いくつかの異なる方法で物質と相互作用する可能性があります。これらの相互作用は、光波長と材料の性質に依存します。光子は、反射、吸収、透過の何らかの組み合わせによってオブジェクトと相互作用します。板ガラスやきれいななどの一部の材料は、それらに当たる光の多くを透過し、ほとんど反射しません。このような材料は、光学的に透明と呼ばれます。多くの液体や水溶液は非常に透明です。ほとんどの液体の構造欠陥(ボイド、クラックなど)と分子構造がないことが、優れた光透過率の主な原因です。

光を透過しない材料不透明と呼ばれます。そのような物質の多くは、吸収中心と呼ばれるものを含む化学組成持っています。多くの物質は、白色光周波数の吸収において選択的です。それらは可視スペクトルの特定の部分を吸収し、他の部分を反射します。吸収されないスペクトルの周波数は、物理的観測のために反射または送信されます。これがを生み出すものです。すべての周波数と波長の光の減衰は、吸収と散乱の複合メカニズムによるものです。[2]

透明性は、それを達成できる動物にほぼ完璧なカモフラージュ提供することができますこれは、薄暗いまたは濁った海水では、良好な照明よりも簡単です。クラゲなど多くの海洋動物は透明度が高いです。

1.不透明度、2。半透明度、3。透明度の比較。各パネルの後ろには星があります。

語源

  • 中英語後期:古フランス語から、中世ラテン語の透明性-「輝く」から、ラテン語のトランスジェンダーから、トランスジェンダーから「+パレレ」が現れる。[要出典]
  • 16世紀後半(ラテン語の意味で):ラテン語の半透明-「輝く」から、動詞translucereから、trans-「から「+ lucer」から輝く」。[要出典]
  • 中英語後期のオパケ、ラテン語のオパカスから「暗くなった」。現在のスペル(19世紀以前はまれ)は、フランス語の形式の影響を受けています。[要出典]

はじめに

光の吸収に関して、主な材料の考慮事項は次のとおりです。

  • 電子レベルでは、スペクトル紫外および可視(UV-Vis)部分での吸収は、特定の光(または光子)の量子吸収できるように電子軌道が離間(または「量子化」)されているかどうかによって異なります。頻度、および選択規則に違反していません。たとえば、ほとんどのガラスでは、電子は可視光に関連する範囲内で利用可能なエネルギーレベルを超えていないか、存在する場合は選択規則に違反します。つまり、純粋な(ドープされていない)ガラスには感知できるほどの吸収がないため、理想的です。建物の窓用の透明な素材。
  • 原子レベルまたは分子レベルでは、スペクトルの赤外線部分での物理的吸収は、原子または分子の振動または化学結合周波数、および選択規則に依存します分子双極子モーメントがないため、窒素と酸素は温室効果ガスではありません

散乱に関して、最も重要な要素は、散乱される光の波長に対するこれらの構造的特徴のいずれかまたはすべての長さスケールです。主な重要な考慮事項は次のとおりです。

  • 結晶構造:原子または分子が結晶性固体で証明される「長距離秩序」を示すかどうか。
  • ガラス構造:散乱中心には、密度または組成の変動が含まれます。
  • 微細構造:散乱中心には、粒界、結晶学的欠陥、微細孔などの内面が含まれます。
  • 有機材料:散乱中心には、ファイバーとセルの構造と境界が含まれます。
拡散反射の一般的なメカニズム

拡散反射-一般に、光に当たる面(非金属と、ガラス状非)固体材料は、それが起因する微細な凹凸によって多重反射に全方向に跳ね返り内部の材料(例えば、結晶粒界材料、またはセルまたはファイバー有機材料の境界)、およびそれが粗い場合はその表面によって。拡散反射は通常、全方向性の反射角度によって特徴付けられます。肉眼で見えるオブジェクトのほとんどは、拡散反射によって識別されます。このタイプの反射に一般的に使用される別の用語は、「光散乱」です。物体の表面からの光散乱は、私たちの物理的観察の主要なメカニズムです。[3] [4]

液体および固体での光散乱は、散乱する光の波長に依存します。したがって、光波の周波数と散乱中心の物理的寸法(または空間スケール)に応じて、(白色光を使用した)可視性の空間スケールに制限が生じます。可視光の波長スケールは0.5マイクロメートル程度です。1マイクロメートルほどの小さな散乱中心(または粒子)が光学顕微鏡で直接観察されています(例:ブラウン運動)。[5] [6]

透明セラミック

多結晶材料の光学的透明度は、それらの微細構造の特徴によって散乱される光の量によって制限されます。光の散乱は、光の波長に依存します。したがって、光波の周波数と散乱中心の物理的寸法に応じて、(白色光を使用した)可視性の空間スケールに制限が生じます。たとえば、可視光の波長スケールはマイクロメートルのオーダーであるため、散乱中心の寸法は同様の空間スケールになります。多結晶材料の一次散乱中心には、細孔や粒界などの微細構造欠陥が含まれます。細孔に加えて、典型的な金属またはセラミックの物体のほとんどの界面は、粒界の形をしています。結晶秩序の小さな領域を分離します。散乱中心(または粒界)のサイズが、散乱される光の波長のサイズよりも小さくなると、散乱はそれほど大きくは発生しなくなります。

多結晶材料(金属およびセラミック)の形成において、結晶粒のサイズは、主に、物体の形成(またはプレス)中に原材料に存在する結晶粒子のサイズによって決定されます。さらに、粒界のサイズは粒子サイズに直接比例します。したがって、元の粒子サイズを可視光の波長(光の波長の約1/15または約600/15 = 40 ナノメートル)よりも大幅に小さくすると、光散乱の多くが排除され、半透明または透明な材料になります。

半透明のセラミックアルミナを通る光透過のコンピュータモデリングは、粒界の近くに閉じ込められた微細な細孔が一次散乱中心として機能することを示しています。高品質の光伝送(理論密度の99.99%)を実現するには、気孔率の体積分率を1%未満に減らす必要がありました。この目標は、ゾルゲル化学およびナノテクノロジーの方法に含まれる新しい化学処理方法を使用して、世界中の研究所および研究施設で容易に達成され、十分に実証されています[7]

被写体の構造を強調するために使用されている素材の半透明性

透明セラミックは、高エネルギーレーザー、透明な装甲窓、熱探知ミサイル用のノーズコーン、非破壊試験用の放射線検出器、高エネルギー物理学、宇宙探査、セキュリティ、医療画像アプリケーションへの応用に関心を寄せています。透明セラミック製の大型レーザー素子は、比較的低コストで製造できます。これらのコンポーネントは、内部応力や固有の複屈折がなく、比較的大きなドーピングレベルまたは最適化されたカスタム設計のドーピングプロファイルを可能にします。これにより、セラミックレーザー素子は高エネルギーレーザーにとって特に重要になります。

透明パネル製品の開発には、家庭用の窓や天窓に使用できる高強度で耐衝撃性のある材料など、他の潜在的な高度な用途があります。おそらくもっと重要なのは、壁やその他の用途で全体的な強度が向上することです。特に、地震や風にさらされる場所で見られる高せん断条件の場合はそうです。機械的特性の期待される改善が裏付けられた場合、窓領域が実際に壁のせん断抵抗に寄与する場合、今日の建築基準法のガラス領域に見られる従来の制限はすぐに時代遅れになる可能性があります。

現在入手可能な赤外線透明材料は、通常、光学性能、機械的強度、および価格の間でトレードオフを示します。たとえば、サファイア(結晶性アルミナ)は非常に強力ですが、高価であり、3〜5マイクロメートルの中赤外線範囲全体で完全な透明性を欠いています。イットリアは3〜5マイクロメートルで完全に透明ですが、高性能の航空宇宙用途に十分な強度、硬度、および耐熱衝撃性に欠けています。当然のことながら、イットリウムアルミニウムガーネット(YAG)の形のこれら2つの材料の組み合わせは、この分野でトップパフォーマーの1つです。

固体中の光の吸収

光が物体に当たると、通常、単一の周波数(または波長)だけでなく、多くの周波数があります。オブジェクトは、特定の周波数の光を選択的に吸収、反射、または透過する傾向があります。つまり、1つのオブジェクトが緑色の光を反射し、他のすべての可視光の周波数を吸収する場合があります。別のオブジェクトは、可視光の他のすべての周波数を吸収しながら、青色光を選択的に透過する場合があります。可視光が物体と相互作用する方法は、光の周波数、物体内の原子性質、そして多くの場合、物体の原子内の電子の性質に依存します。

一部のマテリアルでは、それらに当たる光の多くが反射されずにマテリアルを透過します。それらを通る光波の透過を可能にする材料は、光学的に透明と呼ばれます。化学的に純粋な(ドープされていない)窓ガラスときれいな川や湧き水は、この典型的な例です。

光波周波数の透過を許可しない材料は不透明と呼ばれます。そのような物質は、吸収中心と呼ばれるものを含む化学組成を有する可能性がある。ほとんどの材料は、光周波数の吸収が選択的な材料で構成されています。したがって、それらは可視スペクトルの特定の部分のみを吸収します。吸収されないスペクトルの周波数は、反射されるか、物理的な観測のために送信されます。スペクトルの可視部分では、これが色を生じさせるものです。[8] [9]

吸収中心は、私たちの周りの特定の波長の可視光の出現に大きく関与しています。より長い(0.7マイクロメートル)波長からより短い(0.4マイクロメートル)波長への移行:赤、オレンジ、黄色、緑、青(ROYGB)はすべて、特定の光波周波数(または波長)。選択的な光波吸収のメカニズムは次のとおりです。

  • 電子:原子内の電子エネルギーレベルの遷移(例:顔料)。これらの遷移は、通常、スペクトルの紫外線(UV)および/または可視部分にあります。
  • 振動:原子/分子の振動モードでの共振これらの遷移は通常、スペクトルの赤外線部分にあります。

UV-Vis:電子遷移

電子吸収では、入射光波の周波数は、物質を構成する原子内の電子のエネルギーレベルまたはその近くにあります。この場合、電子は光波のエネルギーを吸収してエネルギー状態を増加させ、原子核から外殻または軌道に向かって外側に移動することがよくあります。

特定の物質の分子を作るために結合する原子には、いくつかの電子が含まれています(周期表の原子番号Zで示されます)。すべての光波は電磁起源であることを思い出してください。したがって、物質中の負に帯電した電子と接触すると、それらは強く影響を受けます。場合には、光子(光エネルギーの個々のパケット)に接触価電子原子の、いくつかのものの一つは、と発生しますことができます。

  • 分子は光子を吸収し、エネルギーの一部は発光蛍光リンによって失われる可能性があります
  • 分子は光子を吸収し、その結果、反射または散乱が発生します。
  • 分子は光子のエネルギーを吸収できず、光子はその経路を進み続けます。これにより、伝達が発生します(他の吸収メカニズムがアクティブでない場合)。

ほとんどの場合、オブジェクトに当たる光に起こるのは上記の組み合わせです。さまざまな材料の状態は、吸収できるエネルギーの範囲が異なります。たとえば、ほとんどのメガネは紫外線(UV)を遮断します。何が起こるかというと、ガラスの中の電子は、可視光スペクトルの光子の弱いエネルギーを無視しながら、UV範囲の光子のエネルギーを吸収します。しかしUV透過性であり、したがって紫外線の高い透過を可能にする特別なタイプのホウケイ酸ガラスまたは石英のような既存の特別なガラスタイプもあります

したがって、材料が照射されると、光の個々の光子が原子の価電子をより高い電子エネルギーレベルに遷移させることができますその過程で光子が破壊され、吸収された放射エネルギーが電位エネルギーに変換されます。次に、吸収されたエネルギーにいくつかのことが起こる可能性があります。それは、放射エネルギーとして電子によって再放出され(この場合、全体的な効果は実際には光の散乱です)、残りの材料に放散されます(つまり、熱に変換されます)。)、または電子を原子から解放することができます(光電効果およびコンプトン効果のように)。

赤外線:ボンドストレッチ

結晶性固体の通常の振動モード

運動の機械的エネルギーを凝縮物質に蓄積するための主要な物理的メカニズムは、または熱エネルギーによるものです。熱エネルギーは運動エネルギーとして現れます。したがって、熱は原子および分子レベルでの運動です。結晶性物質の主な運動モード振動です。任意の原子は、いくつかの周りに振動する平均値や平均位置をその最も近い隣人に囲まれた結晶構造、内。この2次元の振動は、時計の振り子の振動相当します。対称的に前後に揺れますいくつかの平均または平均(垂直)位置について。原子や分子の振動周波数は、10回のオーダーで平均化することができる12 サイクル毎秒テラヘルツ波)。

与えられた周波数の光波が同じまたは(共鳴)振動周波数を持つ粒子で材料に当たると、それらの粒子は光波のエネルギーを吸収し、それを振動運動の熱エネルギーに変換します。原子や分子が異なれば固有振動数も異なるため、赤外線の固有振動数(またはスペクトルの一部)を選択的に吸収します。光波の周波数が物体の振動の固有共振周波数と一致しないため、光波の反射と透過が発生します。これらの周波数の赤外光が物体に当たると、エネルギーが反射または透過します。

オブジェクトが透明な場合、光波は材料の大部分を介して隣接する原子に渡され、オブジェクトの反対側に再放出されます。光の波のような周波数をすると言われている送信します[10] [11]

絶縁体の透明度

オブジェクトは、入射光を反射するため、または入射光を吸収するため、透明でない場合があります。ほとんどすべての固体は、一部を反射し、入射光の一部を吸収します。

光が金属のブロックに当たると、規則的な格子に密に詰め込まれた原子と、原子間をランダムに移動する「電子の海に遭遇します。[12]金属では、これらのほとんどは、共有結合またはイオン結合した非金属(絶縁)固体に通常見られる結合電子とは対照的に、非結合電子(または自由電子)です。金属結合では、潜在的な結合電子は結晶構造の原子によって簡単に失われる可能性があります。この非局在化の効果は、単に「電子の海」の効果を誇張することです。これらの電子の結果として、金属に入射する光のほとんどが反射して戻ってきます。そのため、光沢のある金属表面が見えます。

ほとんどの絶縁体(または誘電体)は、イオン結合によって結合されています。したがって、これらの材料には自由伝導電子がなく、結合電子は入射波のごく一部しか反射しません。残りの周波数(または波長)は自由に伝搬(または送信)できます。このクラスの材料には、すべてのセラミックガラスが含まれます

誘電体材料に光吸収性添加剤分子(顔料、染料、着色剤)が含まれていない場合、通常、可視光のスペクトルに対して透明です。誘電体の色中心(または色素分子、または「ドーパント」)は、入射光の一部を吸収します。残りの周波数(または波長)は自由に反射または透過できます。これが着色ガラスの製造方法です。

ほとんどの液体と水溶液は非常に透明です。たとえば、水、食用油、消毒用アルコール、空気、天然ガスはすべて透明です。ほとんどの液体の構造欠陥(ボイド、クラックなど)と分子構造がないことが、主にそれらの優れた光透過率の原因です。粘性流を介して内部欠陥を「修復」する液体の能力は、一部の繊維状材料(紙や布など)が濡れたときに見かけの透明度を高める理由の1つです。液体は多数の空隙を埋め、材料をより構造的に均質にします。[要出典]

入射光の散乱中心を提供しない理想的な欠陥のない結晶性(非金属)固体での光散乱は、主に秩序化された格子内の非調和性の影響によるものです。対称群ブラベ格子を含む結晶性物質の典型的な異方性により、光の透過は非常に指向性が高くなります。たとえば石英シリカの7つの異なる結晶二酸化ケイ素、SiO 2)は、すべて透明で透明な材料です。[13]

光導波路

マルチモード光ファイバーを介した光の伝搬
マルチモード光ファイバーでの光の全反射を示す、アクリルロッドを跳ね返るレーザービーム

光学的に透明な材料は、ある範囲の波長の入射光波に対する材料の応答に焦点を合わせています。周波数選択性導波路を介した誘導光波伝送には、光ファイバーの新たな分野と、競合する波長間干渉ほとんどまたはまったくない、ある範囲の周波数の伝送媒体として同時に機能する特定のガラス状組成物の能力マルチモード光ファイバー)が含まれます。周波数。電磁(光)波伝搬を介したエネルギーおよびデータ伝送のこの共振モードは、比較的無損失です。[要出典]

光ファイバは、全反射のプロセスによってその軸に沿って光を伝送する円筒形の誘電体導波路です。ファイバはクラッド層で囲まれたコアで構成されています。光信号をコアに閉じ込めるには、コアの屈折率がクラッド屈折率よりも大きくなければなりません。屈折率は光速を反映するパラメータです材料で。 (屈折率は、特定の媒体内の光の速度に対する真空中の光の速度の比率です。したがって、真空の屈折率は1です。)屈折率が大きいほど、光はその媒体内をゆっくりと移動します。光ファイバのコアとクラッドの一般的な値は、それぞれ1.48と1.46です。[要出典]

高密度の媒体を進む光が急な角度で境界に当たると、光は完全に反射されます。全反射と呼ばれるこの効果は、光ファイバで光をコアに閉じ込めるために使用されます。光は、境界から前後に跳ね返るファイバーに沿って移動します。光は臨界角よりも大きい角度で境界に当たる必要があるため、特定の角度範囲内でファイバに入射する光のみが伝搬されます。この角度の範囲は、ファイバーのアクセプタンスコーンと呼ばれます。このアクセプタンスコーンのサイズは、ファイバのコアとクラッドの間の屈折率の差の関数です。光導 波路集積光回路のコンポーネントとして(たとえば、レーザーまたは発光ダイオード、LEDと組み合わせて)、またはローカルおよび長距離光通信システムの伝送媒体として使用されます。[要出典]

減衰のメカニズム

ZBLANとシリカファイバーによる光の減衰

伝送損失としても知られる光ファイバーの減衰、伝送媒体を通過する距離に対する光ビーム(または信号)の強度の低下です。光ファイバーの減衰係数は、最新の光伝送媒体の透明度が非常に高いため、通常、媒体全体でdB / kmの単位を使用します。媒体は通常、入射光ビームを内部に閉じ込めるシリカガラスのファイバーです。減衰は、長距離にわたる信号の送信を制限する重要な要素です。光ファイバでは、主な減衰源は、構造の乱れと組成の変動による分子レベルの不規則性からの散乱レイリー散乱[14]です。ガラス構造これと同じ現象が、赤外線ミサイルドームの透明度を制限する要因の1つと見なされています[要出典]さらなる減衰は、ファイバコアおよび内部クラッド内の金属や水イオンなどの残留材料によって吸収された光によって引き起こされます。曲げ、スプライス、コネクタ、またはその他の外力による光漏れは、減衰を引き起こすその他の要因です。[15] [16]

カモフラージュとして

このAurelialabiataクラゲのような外洋の多くの動物は、ほとんど透明です。

表面近くに浮かぶ多くの海洋動物は透明度が高く、ほぼ完璧なカモフラージュを提供します。[17]しかしながら、海水とは屈折率が異なる材料で作られた物体では、透明性は困難ですクラゲなどの一部の海洋動物は、主に水で構成されるゼラチン状の体を持っています。それらの厚い間充ゲルは無細胞で非常に透明です。これは便利なことに浮力を与えますが、筋肉量に対しても大きくなるため、速く泳ぐことができず、この形式のカモフラージュは機動性とのコストのかかるトレードオフになります。[17]ゼラチン状プランクトン動物は50から90パーセント透明です。 50%の透明度は、650メートル(2,130フィート)の深さのタラなどの捕食者から動物を見えなくするのに十分です。光が明るく、捕食者がよく見える浅い水域での不可視性には、より優れた透明性が必要です。たとえば、タラは浅瀬の最適な照明で98%透明な獲物を見ることができます。したがって、カモフラージュのための十分な透明性は、より深い海域でより簡単に達成されます。[17]同じ理由で、空気中の透明性を達成することはさらに困難ですが、部分的な例は、半透明の皮膚と淡い緑がかった手足を持つ南アメリカの熱帯雨林のアマガエルモドキ見られ ます。[18]中央アメリカのいくつかの種のクリアウィング(ithomiine)蝶、および多くのトンボとその仲間の昆虫も、ほとんど透明な翼を持っています。これは、捕食者からある程度保護する保護色の一種です。[要出典]

も参照してください

参考文献

  1. ^ トーマス、SM(1999年10月21日)。「物質が透明であるかどうかを決定するものは何ですか?」サイエンティフィックアメリカン
  2. ^ Fox、M。(2002)。固体の光学的性質オックスフォード大学出版局。
  3. ^ Kerker、M。(1969)。光の散乱アカデミック、ニューヨーク。
  4. ^ マンデリシュタム、LI(1926)。「不均一な媒体による光散乱」。Zh。ラス。フィズキム。Ova58:381。
  5. ^ van de Hulst、HC(1981)。小粒子による光散乱ニューヨーク:ドーバー。ISBN 0-486-64228-3
  6. ^ Bohren、CF&Huffmann、DR(1983)。小粒子による光の吸収と散乱ニューヨーク:ワイリー。
  7. ^ 山下、I。; etal。(2008)。「透明セラミック」。混雑する。セラム。Soc91(3):813 DOI10.1111 / j.1551-2916.2007.02202.x
  8. ^ Simmons、J。&Potter、KS(2000)。光学材料アカデミックプレス。
  9. ^ Uhlmann、DR; etal。(1991)。ガラスの光学特性アメル。セラム。Soc。
  10. ^ Gunzler、H。&Gremlich、H。(2002)IR分光法:はじめにワイリー。
  11. ^ Stuart、B。(2004)。赤外分光法:基礎と応用ワイリー。
  12. ^ モット、NF&ジョーンズ、H 金属および合金の特性の理論クラレンドンプレス、オックスフォード(1936)ドーバー出版(1958)。
  13. ^ Griffin、A。(1968)。「流体力学的領域の結晶からのブリルアン光散乱」。牧師Mod。物理学40(1):167 Bibcode1968RvMP ... 40..167G土井10.1103 /RevModPhys.40.167
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  15. ^ スミス、RG(1972)。「誘導ラマン散乱およびブリルアン散乱によって決定された低損失光ファイバの光パワー処理能力」。Appl。Opt11(11):2489–94。Bibcode1972ApOpt..11.2489S土井10.1364 /AO.11.002489PMID 20119362 
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  18. ^ Naish、D。「緑の骨のアマガエルモドキ、サルのカエル、歯のないヒキガエル」テトラポッド動物学scienceblogs.com。2012年11月11日にオリジナルからアーカイブされました取得した14年2月2013

さらに読む

  • 連続媒体の電気力学、ランダウ、LD、リフシッツ。EM and Pitaevskii、LP、(Pergamon Press、Oxford、1984)
  • レーザー光散乱:基本原理と実践Chu、B.、2ndEdn。(アカデミックプレス、ニューヨーク1992)
  • Solid State Laser Engineering、W。Koechner(Springer-Verlag、ニューヨーク、1999年)
  • 化学物理学入門、JCスレーター(McGraw-Hill、ニューヨーク、1939年)
  • 現代の固体理論、F。ザイツ、(McGraw-Hill、ニューヨーク、1940年)
  • ガラス質状態の現代的側面、JDMacKenzie、Ed。(バターワース、ロンドン、1960年)

外部リンク