光從真空射入介質(zhì)發(fā)生折射時(shí)，入射角γ的正弦值與折射角β正弦值的比值sinγ/sinβ叫做介質(zhì)的“絕對(duì)折射率”，簡(jiǎn)稱(chēng)“折射率”。它表示光在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)對(duì)光作用的一種特征。數(shù)值上，折射率也等于光在真空中的速度與光在該材料中的速度之比率。
一般而言，材料的折射率越高，入射光發(fā)生折射的能力越強(qiáng)。折射率與介質(zhì)的電磁性質(zhì)，即相對(duì)電容率和相對(duì)磁導(dǎo)率，密切相關(guān)，也與入射光的波長(zhǎng)有關(guān)。光由一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時(shí)可發(fā)生反射、折射或全反射現(xiàn)象 。
定義
光從真空射入介質(zhì)發(fā)生折射時(shí)，入射角γ的正弦值與折射角β正弦值的比值叫做介質(zhì)的“絕對(duì)折射率”，簡(jiǎn)稱(chēng)“折射率”。它表示光在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)對(duì)光作用的一種特征。數(shù)值上，折射率也等于光在真空中的速度與光在該材料中的速度之比率。
一般而言，材料的折射率越高，入射光發(fā)生折射的能力越強(qiáng)。折射率與介質(zhì)的電磁性質(zhì)，即相對(duì)電容率和相對(duì)磁導(dǎo)率，密切相關(guān)，也與入射光的波長(zhǎng)有關(guān)。光由一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時(shí)可發(fā)生反射、折射或全反射現(xiàn)象 。
公式
折射率與波長(zhǎng)的關(guān)系
同一單色光在不同介質(zhì)中傳播，頻率不變而波長(zhǎng)不同。以λ表示光在真空中的波長(zhǎng)，n表示介質(zhì)的折射率，則光在介質(zhì)中的波長(zhǎng)λ'為：
絕對(duì)折射率：
設(shè)光在某種媒質(zhì)中的速度為v，由于真空中的光速為c，所以這種媒質(zhì)的絕對(duì)折射率公式：
在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，由于光在真空中傳播的速度最大，故其它媒質(zhì)的折射率都大于1。
電磁波在等離子體中相速度可以遠(yuǎn)大于c，所以等離子體折射率小于1。
同一媒質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光，具有不同的折射率；在對(duì)可見(jiàn)光為透明的媒質(zhì)內(nèi)，折射率常隨波長(zhǎng)的減小而增大，即紅光的折射率最小，紫光的折射率最大。
通常所說(shuō)某物體的折射率數(shù)值多少（例如水為1.33，水晶為1.55，金剛石為2.42，玻璃按成分不同而為1.5～1.9），是指對(duì)鈉黃光（波長(zhǎng)）而言。
相對(duì)折射
光從介質(zhì)1射入介質(zhì)2發(fā)生折射時(shí)，入射角與折射角的正弦之比叫做介質(zhì)2相對(duì)介質(zhì)1的折射率，即“相對(duì)折射率”。因此，“絕對(duì)折射率”可以看作介質(zhì)相對(duì)真空的折射率。它是表示在兩種介質(zhì)中光速比值的物理量。
相對(duì)折射率公式：
它是光學(xué)介質(zhì)的一個(gè)基本參量，即光在真空中的速度c與在介質(zhì)中的相速度v之比。
真空的折射率等于1，兩種介質(zhì)的折射率之比稱(chēng)為相對(duì)折射率。例如，第一介質(zhì)的折射率為，第二介質(zhì)的折射率為，則稱(chēng)為第二介質(zhì)對(duì)第一介質(zhì)的相對(duì)折射率。某介質(zhì)的折射率也是該介質(zhì)對(duì)真空的相對(duì)折射率。于是折射定律可寫(xiě)成如下形式:
影響因素
兩種介質(zhì)進(jìn)行比較時(shí)，折射率較大的稱(chēng)光密介質(zhì)，折射率較小的稱(chēng)光疏介質(zhì)。
折射率與介質(zhì)的電磁性質(zhì)密切相關(guān)。根據(jù)電磁理論,折射率和介質(zhì)的相對(duì)電容率和相對(duì)磁導(dǎo)率相關(guān)，也與波長(zhǎng)有關(guān)，后者稱(chēng)色散現(xiàn)象。手冊(cè)中提供的折射率數(shù)據(jù)是對(duì)某一特定波長(zhǎng)而言的（通常是對(duì)鈉黃光，波長(zhǎng)為5893埃）。氣體折射率還與溫度和壓強(qiáng)有關(guān)。空氣折射率對(duì)各種波長(zhǎng)的光都非常接近于1，例如空氣在20℃，760毫米汞高時(shí)的折射率為1.00027。在工程光學(xué)中常把空氣折射率當(dāng)作1，而其他介質(zhì)的折射率就是對(duì)空氣的相對(duì)折射率。折射率還與穿過(guò)介質(zhì)界面的光的強(qiáng)度、全反射的臨界角等物理量有關(guān)。光在吸收光的材料中的傳播可以用負(fù)折射率來(lái)描述，其中虛部表示衰減，實(shí)部表示折射。折射率適用于描述整個(gè)電磁波譜的電磁波在介質(zhì)中的傳播。
介電常數(shù)
根據(jù)詹姆斯·麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，光在介質(zhì)中的傳播速度應(yīng)為。由此可得：。其中，μ為介質(zhì)的導(dǎo)磁率，c為真空中的光速，ε為介質(zhì)的介電常數(shù)，在無(wú)機(jī)化合物材料這樣的電介質(zhì)中，≈1，故有 。說(shuō)明介質(zhì)的折射率隨其介電常數(shù)的增大而增大。而介電常數(shù)則與介質(zhì)極化有關(guān)。由于電磁輻射和原子的電子體系的相互作用，光波被減速了。
當(dāng)離子半徑增大時(shí)，其介電常數(shù)也增大，因而n也隨之增大。因此，可以用大離子得到高折射率的材料。如pbs的，用小離子得到低折射率的材料，如氯化硅的。
介質(zhì)材料
折射率還和離子的排列密切相關(guān)，各向同性的材料，如非晶態(tài)（無(wú)定型體）和立方晶體時(shí)，只有一個(gè)折射率。而光進(jìn)入非均質(zhì)介質(zhì)時(shí)，一般都要分為振動(dòng)方向相互垂直、傳播速度不等的兩個(gè)波，它們分別有兩條折射光線(xiàn)，構(gòu)成所謂的雙折射。這兩條折射光線(xiàn)，平行于入射面的光線(xiàn)的折射率，稱(chēng)為常光折射率，不論入射光的入射角如何變化，它始終為一常數(shù)，服從折射定律。另一條垂直于入射面的光線(xiàn)所構(gòu)成的折射率，隨入射光的方向而變化，稱(chēng)為非常光折射率，它不遵守折射定律。當(dāng)光沿晶體光軸方向入射時(shí)，只有存在，與光軸方向垂直入射時(shí)，達(dá)最大值，此值為材料的特性。
綜上所述，沿著晶體密堆積程度較大的方向較大。
材料內(nèi)應(yīng)力
有內(nèi)應(yīng)力的透明材料，垂直于受拉主應(yīng)力方向的n較大，平行于受拉主應(yīng)力方向的n較小。總體來(lái)說(shuō)，材料中粒子越致密，折射率越大。
同質(zhì)異構(gòu)體
在同質(zhì)異構(gòu)材料中，高溫時(shí)的晶型折射率較低，低溫時(shí)存在的晶型折射率較高。例如，常溫下，石英玻璃的，石英晶體的；高溫時(shí)的鱗石英的；方石英的，至于說(shuō)普通鈉鈣硅酸鹽玻璃的，它比石英的折射率小。提高玻璃折射率的有效措施是摻入鉛和的氧化物。例如，含90%(體積)氧化鉛的鉛玻璃。
負(fù)折射率
負(fù)折射率，即介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)，該問(wèn)題是近年來(lái)國(guó)際上非常活躍的一個(gè)研究領(lǐng)域。當(dāng)電磁波在負(fù)折射率材料中傳播時(shí)，電場(chǎng)E、磁場(chǎng)B和波矢k三者構(gòu)成左手螺旋關(guān)系，因而負(fù)折射率材料又稱(chēng)為左手性材料(left-handed?materials)。1968年，Veselago首次在理論設(shè)想了左手性材料。在1996年與1999年P(guān)endry分別指出可以用細(xì)金屬導(dǎo)線(xiàn)及有縫諧振環(huán)陣列構(gòu)造介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ同時(shí)為負(fù)的人工媒質(zhì)。2001年，Smith等人沿用Pendry的方法，構(gòu)造出了介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的人工媒質(zhì)，并首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到了微波波段的電磁波通過(guò)這種人工媒質(zhì)與空氣的交界面時(shí)發(fā)生的負(fù)折射現(xiàn)象。盡管初期人們對(duì)Smith等人的實(shí)驗(yàn)有許多爭(zhēng)論，但2003年以來(lái)更為仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)均證實(shí)了負(fù)折射現(xiàn)象。
產(chǎn)生負(fù)折射率現(xiàn)象有兩類(lèi)材料。一類(lèi)材料是由于局域共振機(jī)制導(dǎo)致介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)，既材料具有有效的負(fù)折射率。這類(lèi)材料又被稱(chēng)為特異材料（Metamaterials）。Smith等人的有縫諧振環(huán)陣列就屬于特異材料。但是有縫諧振環(huán)陣列結(jié)構(gòu)具有較大的損耗和較窄的負(fù)折射帶寬，在應(yīng)用中會(huì)受到許多限制。另一類(lèi)材料是光子晶體，其本身并不具有有效的負(fù)折射率，但在某些特殊情況下光子能帶的復(fù)雜色散關(guān)系會(huì)導(dǎo)致負(fù)折射現(xiàn)象。在光子晶體中，電磁波在周期結(jié)構(gòu)中的Bragg散射機(jī)制起著主要作用。盡管局域共振機(jī)制和非局域的Bragg散射機(jī)制都會(huì)產(chǎn)生負(fù)折射現(xiàn)象，但兩種機(jī)制各有特點(diǎn)。對(duì)于Bragg機(jī)制，人們已經(jīng)了解得較為清楚，通過(guò)合適的光子晶體結(jié)構(gòu)選取以及光子能帶設(shè)計(jì)，可以得到所需的負(fù)折射通帶。但Bragg機(jī)制要求周期結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)要與能隙的電磁波波長(zhǎng)相比擬，對(duì)微波波段將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過(guò)大從而限制器件應(yīng)用。另外，由于Bragg機(jī)制的非局域性，它對(duì)周期性結(jié)構(gòu)的不完整性（如存在結(jié)構(gòu)無(wú)序和缺陷）較為敏感。與Bragg機(jī)制相反，局域共振機(jī)制不要求周期結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)要與能隙的電磁波波長(zhǎng)相比擬，而且對(duì)無(wú)序和缺陷不敏感。但目前人們對(duì)利用局域共振機(jī)制設(shè)計(jì)負(fù)折射率材料的一些關(guān)鍵問(wèn)題了解不夠，例如如何增大負(fù)折射通帶帶寬、減小損耗等。提出另一種制備特異材料的方法，該方法利用在微波傳輸線(xiàn)中周期性加載集總電感電容共振單元來(lái)實(shí)現(xiàn)有效負(fù)折射率。與Smith等人的有縫諧振環(huán)陣列結(jié)構(gòu)比較，周期性集總電感-電容共振結(jié)構(gòu)不僅具有較小的損耗和較寬的負(fù)折射帶寬，而且容易實(shí)現(xiàn)外場(chǎng)調(diào)控。
在負(fù)折射率材料中，電磁波的相速度（波矢方向）與群速度（波印廷向量方向）的傳播方向相反，很多物理現(xiàn)象，諸如斯涅耳折射、多普勒頻移、切侖科夫輻射、甚至光壓等都要倒逆過(guò)來(lái)。突破衍射極限的平面成像是負(fù)折射率材料的一個(gè)重要應(yīng)用，這方面的研究引起人們極大興趣。由于負(fù)折射材料在基礎(chǔ)研究及應(yīng)用方面的重要意義，它被美國(guó)《科學(xué)》雜志列為2003年十大重大突破之一。有關(guān)負(fù)折射率材料的研究目前正在從深度和廣度兩個(gè)不同的層面迅速展開(kāi)，許多新奇的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不斷出現(xiàn)。
實(shí)驗(yàn)測(cè)定
介質(zhì)的折射率通常由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，有多種測(cè)量方法。對(duì)固體介質(zhì)，常用最小偏向角法或自準(zhǔn)直法，或通過(guò)邁克爾遜干涉儀利用等厚干涉的原理測(cè)出；液體介質(zhì)常用臨界角法（阿貝折射儀）；氣體介質(zhì)則用精密度更高的干涉法（瑞利干涉儀）。測(cè)量方法如下：
偏向角法
對(duì)于一個(gè)頂角為θ、折射率為n待測(cè)的棱鏡，將它放在空氣中。當(dāng)棱鏡第一表面的入射角等于在第二表面的折射角i折射率測(cè)量時(shí)，偏向角達(dá)到最小值，則用測(cè)角儀測(cè)定和θ，便可算出n。
用精度不低于1角秒的大型精密測(cè)角儀，采用最小偏向角法測(cè)定固體光學(xué)材料的折射率，可獲得的測(cè)量精度，是各種測(cè)量方法中精度較高的一種。
自準(zhǔn)直法
圖2在測(cè)角儀上也可采用自準(zhǔn)直法測(cè)量材料的折射率。如圖2所示，光線(xiàn)在棱鏡前表面的入射角為i，如果折射光線(xiàn)OC剛好垂直于棱鏡后表面BD，則反射后的光路COS與入射光路SOC重合，稱(chēng)為自準(zhǔn)直光路。由圖2所示幾何關(guān)系知道，此時(shí)光線(xiàn)在前表面的折射角f與棱鏡頂角θ相等，因此根據(jù)折射定律，
測(cè)出i和θ，即可求得n。
在測(cè)角儀上通過(guò)觀察和調(diào)整來(lái)建立最小偏向角光路或者自準(zhǔn)直光路，不僅麻煩，且有主觀誤差，多年來(lái)，中國(guó)在數(shù)字式測(cè)角儀的基礎(chǔ)上研制了全自動(dòng)折射儀，在這種儀器上用最小偏向角法或自準(zhǔn)直法測(cè)折射率時(shí)能自動(dòng)尋的，測(cè)量結(jié)果也能自動(dòng)處理。測(cè)定波長(zhǎng)范圍可擴(kuò)展到紫外和紅外(0.2～15μm)。
臨界角法
圖3由折射定律知道折射角不會(huì)超過(guò)具有代表性的儀器是阿貝折射儀。圖3表示折射率n待測(cè)的液體試樣涂布在該儀器兩塊棱鏡的接觸面間（測(cè)固體試樣時(shí)不需要進(jìn)光棱鏡）。標(biāo)準(zhǔn)棱鏡本身的折射率已知為，在的條件下，光線(xiàn)折射進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)棱鏡。光線(xiàn)入射角不會(huì)超過(guò)90°，由折射定律知道折射角不會(huì)超過(guò) 90°。
因此在儀器視場(chǎng)中看到與折射率測(cè)量對(duì)應(yīng)的明暗分界線(xiàn)，根據(jù)明暗分界線(xiàn)位置的變化便可確定n值。假如光線(xiàn)逆行，則 折射率測(cè)量正好是發(fā)生全反射的臨界角，因此稱(chēng)為臨界角法。
阿貝折射儀的光學(xué)系統(tǒng)見(jiàn)圖4。在度盤(pán)上根據(jù)有關(guān)公式標(biāo)出一系列n值，當(dāng)分劃板的叉絲中心對(duì)準(zhǔn)明暗分界線(xiàn)時(shí)，可直接由度盤(pán)讀出被測(cè)試樣的n值，使用很方便。阿米奇棱鏡用來(lái)消除分界線(xiàn)上的色散現(xiàn)象，因此，雖然采用白光而不用單色光源，仍能得到無(wú)色而清晰的明暗分界線(xiàn)。阿貝折射儀的折射率測(cè)量范圍為1.3～1.7，精度。
列表
材質(zhì)顏色折射率列表?
金屬? 顏色/RGB? 漫射?鏡面?反射?凹凸%
鋁箔 180，180，180/?32?/?90?/?65?/?8
鋁箔（純）180，180，180/?50?/45?/?35?/?15
鋁220，223，227/?35?/?25?/?40?/?15
磨亮的鋁220，223，227/?35?/?65?/?50?/?12
黃銅191，173，111/?40?/?40?/?40?/?20
磨亮的黃銅194，173，111/?40?/?65?/?50?/?10
鍍鉻合金150，150，150/?40?/?40?/?25?/?35
鍍鉻合金2220，230，240/?25?/?30?/?50?/?20
鍍鉻鋁220，230，240/?15?/?60?/?70?/?10
鍍鉻塑膠220，230，240/?15?/?60?/?85?/?10
鍍鉻鋼220，230，240/?15?/?60?/?40?/?5
純鉻220，230，240/?15?/?60?/?65?/?5
銅186，110，64/?45?/?40?/?65?/?10
18K金234，199，135/?45?/?40?/?45?/?10
24K金218，178，115/?35?/?40?/?65?/?10
未精煉的金255，180，66/?35?/?40?/?15?/?25
黃金242，192，86/?45?/?40?/?25?/?10
石墨87，33，77/?42?/?90?/?15?/?10
鐵118，119，120/?35/?50?/?25?/?20
鉛錫銻合金250，250，250/?30?/?40?/?15?/?10
銀233，233，216/?15?/?90?/?45?/?15
鈉250，250，250/?50?/?90?/?25?/?10
廢白鐵罐229，223，206/?30?/?40?/?45/?30
不銹鋼128，128，126/?40?/?50?/?35?/?20
磨亮的不銹鋼220，220，220/?35?/?50?/?25?/?35
錫220，223，227/50?/?90?/?35?/?20
材質(zhì) 顏色/RGB? 漫射?鏡面?反射?凹凸%
凈化瓶 27,108,131/90?/60?/5?/?20
泡沫橡膠54,53,53/95?/30?/3?/?90
合成材料20,20,20/80?/30?/5?/?20
合成材料(粗糙)25,25,25?/60?/40?/5?/?20
合成材料(光滑)38,38,38?/60?/30?/10?/?10
合成材料(純)25,25,25?/92?/40?/15?/?30
橡膠20,20,20/80?/30?/5?/?10
塑料(60&透明)63,108,86?/90?/90?/35?/?10
塑料(高光澤)20,20,20?/70?/90?/15?/?5
塑料(硬而亮)20,20,20?/80?/80?/10?/?15
塑料(糖衣)200,10,10?/80?/30?/5?/?10
塑料(巧克力色)67,40,18?/90?/30?/5?/?15
橡膠30,30,30?/30?/20?/0?/?50
橡膠紐扣150,150,150/60?/20?/0?/?30
乙烯樹(shù)脂45,45,45?/60?/40?/15?/?30
光源K
燭焰1500
家用白織燈2500-3000
100瓦鎢絲燈2950
1000瓦鎢絲燈3000
500瓦透影燈2865
500瓦鎢絲燈3175
琥伯閃光信號(hào)燈3200
R32反射鏡泛光燈3200
鋯制的濃狐光燈3200
1,2,4號(hào)泛光燈3400
反射鏡泛光燈3400
暖色白熒光燈3500
冷色白熒光燈4500
白晝的泛光燈4800
白焰碳弧燈5000
M2B閃光信號(hào)燈5100
正午的日光5400
夏季的直射日光5800
10點(diǎn)至15點(diǎn)的直射日光6000
白晝的熒光燈6500
正午晴空的日光6500
陰天的光線(xiàn)6800～7000
來(lái)自灰蒙天空的光線(xiàn)7500～8400
來(lái)自晴朗藍(lán)天的光線(xiàn)10000～20000
在水域上空的晴朗藍(lán)天20000～27000
材質(zhì)折射率
真空1.0000
玻璃
空氣1.0003
液態(tài)二氧化碳1.2000
冰1.3090
水1.3333
丙1.3600
乙醇1.3600
糖溶液（30%）1.3800
酒精1.3900
螢石1.4340
融化的石英1.4600
光攝入寶石后有2-3個(gè)折射率
Calspar?2?1.4860
糖溶液（80%）1.4900
玻璃1.5000
玻璃，鋅冠1.5170
玻璃，冠1.5200
氯化鈉1.5300
三棱鏡1.6435
聚苯乙烯1.5500
石英21.5530
氯化鈉
綠寶石1.5700
輕燧石玻璃1.5750
青金石，雜青金石1.6100
黃玉1.6100
二硫化碳1.6300
石英11.6440
氯化鈉（食鹽）21.6440
重火石玻璃1.6500
鉆石
Calspar2?1.6600
二碘甲烷1.7400
紅寶石1.7700
藍(lán)寶石1.7700
超重火石玻璃1.8900
水晶1.544～1.553
氯氧化鉍2.15
鉆石2.4170
三氧化二鉻2.7050
非晶質(zhì)2.2920
碘晶體3.3400
巧克力15.5.088.29.0255.223.2207040
紅塑料48.0.0255.0.0255.255.25510068
全反射
光由相對(duì)光密介質(zhì)射向相對(duì)光疏介質(zhì)，且入射角大于等于臨界角C，即可發(fā)生全反射。臨界角即使折射角等于90°時(shí)的入射角。
根據(jù)折射定律，。
因?yàn)榭諝獾恼凵渎蕁=1,所以由某介質(zhì)向空氣入射則簡(jiǎn)化為n=1/sinC。
光色散
對(duì)于不同的波長(zhǎng)，介質(zhì)的折射率n(λ)也不同，這叫做光色散。折射率與波長(zhǎng)或者頻率的關(guān)系稱(chēng)為光的色散關(guān)系。常用的折射率有：
n（d）是介質(zhì)在方和菲光譜d（氦黃線(xiàn)587.56nm）的折射率。
n（F）是介質(zhì)在方和菲光譜F（氫藍(lán)線(xiàn)486.1nm）的折射率。
n（C）是介質(zhì)在方和菲光譜C（氫紅線(xiàn)656.3nm）的折射率。
n（e）是介質(zhì)在方和菲光譜e（汞綠線(xiàn)546.07nm）的折射率。
測(cè)定意義
折射率是物質(zhì)的一種物理性質(zhì)。它是食品生產(chǎn)中常用的工藝控制指標(biāo)，通過(guò)測(cè)定液態(tài)食品的折射率。可以鑒別食品的組成，確定食品的濃度，判斷食品的純凈程度及品質(zhì)。蔗糖溶液的折射率隨濃度增大而升高。通過(guò)測(cè)定折射率可以確定糖液的濃度及飲料、糖水罐頭等食品的糖度，還可以測(cè)定以糖為主要成分的果汁、蜂蜜等食品的可溶性固形物的含量。
各種油脂具有其一定的脂肪酸構(gòu)成，每種脂肪酸均有其特定的折射率。含碳數(shù)目相同時(shí)不飽和脂肪酸的折射率比飽和脂肪酸的折射率大得多；不飽和脂肪酸分子量越大，折射率也越大；酸度高的油脂折射率低。因此測(cè)定折射率可以鑒別油脂的組成和品質(zhì)。
正常情況下，某些液態(tài)食品的折射率有一定的范圍，如正常牛乳乳清的折射率在1.34199—1.34275之間。當(dāng)這些液態(tài)食品因摻雜、濃度改變或品種改變等原因而引起食品的品質(zhì)發(fā)生了變化時(shí)，折射率常常會(huì)發(fā)生變化。所以測(cè)定折射率可以初步判斷某些食品是否正常。如牛乳摻水，其乳清折射率降低，故測(cè)定牛乳乳清的折射率即可了解α-乳糖的含量，判斷牛乳是否摻水。
參考資料 >