半透明

在光學領域，透明度是允許光通過材料而不分散的物理性質。在宏觀尺度（其中所研究的尺寸大小比所討論的光子的波長大得多），光子遵循斯奈爾定律。半透明度是透明度的超集：它允許光線通過，但不一定符合斯奈爾定律；光子可以分散在兩個接口中的任何一個。換句話説，半透明介質允許光的傳輸，而透明介質不僅允許光的傳輸，而且允許圖像形成。透明度相反的特性是不透明度。透明材料看起來清晰，整體外觀為一種顏色，或任何組合，生成每種顏色的光譜。

當光線遇到材料時，它可以以幾種不同的方式與它進行交互。 這些相互作用取決於光的波長和材料的性質。 光子通過反射、吸收和透射的某種組合與物體相互作用。 一些材料，比如平板玻璃和乾淨的水，將大部分的光傳輸到它們身上，幾乎沒有反射，這種材料被稱為光學透明的。 許多液體和水溶液都是高度透明的。絕大多數液體的結構缺陷(空洞、裂紋等)和分子結構主要是光學傳輸的主要原因。

不透光的材料叫做不透明材料。許多這樣的物質有一種化學成分，其中包括被稱為吸收中心的物質。許多物質對白光頻率的吸收是有選擇性的。它們吸收特定部分的可見光譜，同時反射其他部分。不被吸收的光譜的頻率可以通過我們的物理觀測得到反映或傳播。這就是產生顏色的原因。所有頻率和波長的光的衰減是由於吸收和散射的聯合機制。

透明可以為動物們提供完美的偽裝。在光線暗淡或渾濁的海水中，這比在良好的光照下更容易。許多海洋動物，如水母，都是高度透明的。 ^[1] 

關於光的吸收，主要包括：

（1）在電子層面，光譜的紫外和可見光（UV-Vis）部分的吸收取決於電子軌道是否量化，使得它們能夠吸收特定的光（或光子）量子頻率，並且不違反選擇規則。 例如，在大多數眼鏡中，電子在與可見光相關的範圍內沒有可用的能量水平，或者如果它們這樣做，則它們違反選擇規則，意味着在純（未摻雜的）玻璃中沒有明顯的吸收，使得它們是理想的建築窗户的透明材料。

（2）在原子或分子水平上，光譜的紅外部分的物理吸收取決於原子或分子振動或化學鍵的頻率，以及選擇規則。氮和氧不是温室氣體，因為沒有分子偶極矩。

關於光的散射，最關鍵的因素是所有這些結構特徵相對於散射光波長的尺度。主要包括：

（1）晶體結構:原子或分子是否表現出晶體固體中的“長期順序”。

（2）玻璃結構:散射中心包括密度或組成的波動。

（3）微觀結構:散射中心包括內部表面，如晶粒邊界、晶體缺陷和微孔。

（4）有機材料:散射中心包括纖維和細胞結構和邊界。

物體可能不透明，因為它反射入射光或者吸收入射光。幾乎所有的固體都反映了一部分並吸收了一部分入射光。

當光落在金屬塊上時，它遇到緊密堆積在規則晶格中的原子，“原子之間的電子”隨機移動。在金屬中，大多數是非鍵合電子（或自由電子），與通常在共價鍵合或離子鍵合的非金屬（絕緣）固體中發現的鍵合電子相反。在金屬鍵中，晶體結構中的原子可能容易損失任何潛在的鍵合電子。這種離域的作用只是誇大了“電子之海”的作用。作為這些電子的結果，大多數金屬中的入射光被反射回來，這就是為什麼我們看到閃亮的金屬表面。

大多數絕緣體（或介電材料）通過離子鍵保持在一起。因此，這些材料不具有自由傳導電子，並且鍵合電子僅反射入射波的一小部分。剩餘的頻率（或波長）可以自由傳播（或傳輸）。這類材料包括所有陶瓷和眼鏡。

如果電介質材料不包含吸光劑添加劑分子（顏料，染料，着色劑），通常對可見光的光譜是透明的。電介質中的顏色中心（或染料分子或“摻雜劑”）吸收入射光的一部分。剩餘的頻率（或波長）可以自由地被反射或傳輸。這就是彩色玻璃的生產方式。

大多數液體和水溶液是高度透明的。例如，水，烹飪油，酒，空氣和天然氣都很透明。沒有結構缺陷（空隙，裂紋等）和大多數液體的分子結構主要是由於它們優異的光學傳輸。液體通過粘性流動“內部”缺陷的能力是為什麼一些纖維材料（例如紙或織物）在潤濕時增加其表觀透明度的原因之一。液體填充了許多空隙，使得材料在結構上更均勻。

在不提供入射光的散射中心的理想的無缺陷結晶（非金屬）固體中的光散射將主要是由於在有序晶格內的非諧波的任何影響。由於結晶物質的典型各向異性，包括它們的對稱性組和布拉維斯晶格，光透射將是高度定向的。例如，七種不同的晶體形式的石英二氧化硅（二氧化硅，二氧化硅）都是透明材料。

光學透明材料專注於材料對波長範圍內的入射光波的響應。通過頻率選擇性波導的引導光波傳輸涉及光纖的新興領域，以及某些玻璃組合物同時用作傳輸介質的頻率範圍（多模光纖），波長之間很少或沒有干擾。這種通過電磁（光）波傳播的能量和數據傳輸的共振模式是相對無損的。

光纖是通過全內反射過程沿其軸傳播光的圓柱形介質波導。纖維由包層包圍的芯組成。為了將光信號限制在芯中，芯的折射率必須大於包層的折射率。折射率是反映材料中光速的參數。 （折射率是真空中的光速與給定介質中的光速之比，因此真空的折射率為1.）折射率越大，光在該介質中的行進越慢。光纖的芯和包層的典型值分別為1.48和1.46。

當在緻密介質中行進的光以陡峭的角度撞擊邊界時，光將被完全反射。稱為全內反射的這種效應用於光纖中以將光限制在芯中。光線沿着纖維從邊界反覆彈跳。因為光必須以大於臨界角的角度撞擊邊界，所以只有在一定角度範圍內進入光纖的光將被傳播。角度範圍稱為光纖的接收錐。該接收錐體的尺寸是纖維芯和包層之間的折射率差異的函數。光波導用作集成光電路（例如與激光器或發光二極管）組合或作為本地和長距離光通信系統中的傳輸介質的組件。

在表面附近漂浮的許多海洋動物高度透明，給他們幾乎完美的偽裝。然而，由具有與海水不同的折射率的材料製成的物體的透明度是困難的。一些海洋動物如水母具有主要由水組成的凝膠體;它們的濃厚的mesogloea是無細胞和高度透明的。這便於使他們浮起來，但它也使他們的肌肉量大，所以他們不能快速游泳，這種形式的偽裝成為一種代價高昂的移動性權衡。明膠浮游動物的透明度在50-90%之間。 50%的透明度足以使動物對諸如鱈魚之類的捕食者不可見，深度為650米（2,130英尺）;在較淺的水域，光線更亮，捕食者可以看到更好的隱形，需要更好的透明度。例如，鱈魚可以看到在淺水中最佳照明中98%透明的獵物。因此，在更深的水域中更容易實現偽裝的足夠的透明度。出於同樣的原因，空氣透明度更難實現，但在南美洲雨林的玻璃青蛙中發現了半透明的皮膚和淡綠色四肢的一個例子。 ^[2]