玻璃工艺10玻璃的光学性质

1、 第十章第十章 玻璃的光学性质玻璃的光学性质 optical property 一、玻璃的折射率一、玻璃的折射率 refractive index 1. 定义定义 N=sini/sin 绝对折射率绝对折射率 n0=c0 / c c0 真空中光速真空中光速 相对折射率相对折射率 n=c1 / c c1 空气中光速空气中光速 n通常大于通常大于1，即光在玻璃中的传播速度降低。原因？，即光在玻璃中的传播速度降低。原因？ 光波为电磁波，对于玻璃是一光波为电磁波，对于玻璃是一外加交变电场外加交变电场，通过，通过 时会引起玻璃内部时会引起玻璃内部质点的极化质点的极化变形，离子偶极矩改变所变形，离子偶极矩改

2、变所 需能量来自光波，光波需能量来自光波，光波能量减小能量减小，传播速度降低。，传播速度降低。 2. 影响因素影响因素 （1）组成）组成 玻璃密度玻璃密度 越大，越大，n越大越大 离子极化率离子极化率 越大，越大，n越大越大 d M n n N i i i a 2 2 1 2 3 4 1 a 极化率极化率 N 阿佛加德罗常数阿佛加德罗常数 ni 折射率折射率 d 密密 度度 Mi 分子量分子量 Ri 分子折射度分子折射度 Vi 分子体积分子体积 K Vi Ri =a / K i V i n Ri i V Ri 1 21 Ri越大，折射率越大。越大，折射率越大。 Vi越大，折射率越小。越大，折射

3、率越小。 a.电价相同电价相同 半径大和小的折射率大。半径大和小的折射率大。 半径小的降低分子体积使密度增大；半径大的极化率大。半径小的降低分子体积使密度增大；半径大的极化率大。 b.网络生成体离子网络生成体离子 减小折射率减小折射率 不易极化，且束缚桥氧的电子云不被极化不易极化，且束缚桥氧的电子云不被极化 c.非桥氧非桥氧 量越大折射率越高量越大折射率越高 F-代代O2-降低折射率（因降低折射率（因F-的折射度的折射度2.4小于氧小于氧2.67） （2）温度）温度 t R t d t n dR 0 温度升高时温度升高时n受（受（1）随密度减小而）随密度减小而n减小（减小（2）随电子振）随电子

4、振 动频率减小而增大。所以动频率减小而增大。所以 有正负两种可能。有正负两种可能。 t n 室温至室温至100 C n/ t大于大于0（主要决定于（主要决定于 R/ t） 低温低温 d/ t起决定作用，起决定作用， n/ t小于小于0 （3）入射光波长）入射光波长 波长越长，折射率越小。波长越长，折射率越小。 3. 色散色散 定义定义：玻璃的：玻璃的n随入射光波长不同而不同的现象。随入射光波长不同而不同的现象。 正常正常色散色散 折射率随波长减小而增大，色散随光波折射率随波长减小而增大，色散随光波 波长减小而更迅速变化。波长减小而更迅速变化。 反常反常色散色散 光波波长接近于材料吸收带时折射率

5、发光波波长接近于材料吸收带时折射率发 生急剧变化，吸收带长波方向折射率高生急剧变化，吸收带长波方向折射率高 而而 短波方向折射率低。短波方向折射率低。 二、玻璃的光学常数与光学玻璃分类二、玻璃的光学常数与光学玻璃分类 1. 标准波长标准波长 不同波长下测得的折射率用不同的符号表示：不同波长下测得的折射率用不同的符号表示：nD nF nC等。等。 2. 色散表示法色散表示法 a. 平均色散平均色散 = nF nC b. 部分色散部分色散 nd nD、 nD nC、 ng nG和和 nF nC等等 c. 阿贝数阿贝数（色散倒数）（色散倒数） d. 相对部分色散相对部分色散 如如 等等 CF D n

6、n n 1 CF CD nn nn * *火石火石玻璃（玻璃（F F ）-Flint Glass-Flint Glass F F 铅钾硅酸盐系统铅钾硅酸盐系统，做凹透镜做凹透镜 轻火石轻火石QF QF 钡火石钡火石BaF BaF 火石火石F F 重钡火石重钡火石 ZBaF ZBaF 重火石重火石ZF ZF 特种火石特种火石TiFTiF 2. 光学玻璃分类光学玻璃分类 * *冕牌冕牌玻璃（玻璃（K K）-Crown Glass -Crown Glass nD1.6 ,vD50 和和 nD55 K K 含碱硼硅酸盐系统，做凸透镜含碱硼硅酸盐系统，做凸透镜 轻冕轻冕QK QK 冕冕K K 磷冕磷冕P

7、K PK 钡冕钡冕BaK BaK 重冕重冕ZKZK 无色光学玻璃无色光学玻璃 有色光学玻璃（滤光玻璃）有色光学玻璃（滤光玻璃） * *磷酸盐玻璃。对潮湿大气作用性能稳定性则较磷酸盐玻璃。对潮湿大气作用性能稳定性则较 差，根据使用场合的不同，可加以真空镀膜处理差，根据使用场合的不同，可加以真空镀膜处理 （一般使用情况不需镀膜处理）。（一般使用情况不需镀膜处理）。 *硅酸盐玻璃对潮湿大气作用性能比较稳定硅酸盐玻璃对潮湿大气作用性能比较稳定 采用硒镉着色、离子着色。采用硒镉着色、离子着色。 三、玻璃的光吸收、反射、透过三、玻璃的光吸收、反射、透过 A+R+T=1 1. 光的反射光的反射 反射率反射率

8、从玻璃表面反射出去的光强与入射光强之从玻璃表面反射出去的光强与入射光强之 比比 2 2 1 )( n n R 反射率决定于表面光洁度、入射光波长、反射率决定于表面光洁度、入射光波长、 入射角和折射率等。入射角和折射率等。 改变反射率常用镀膜。改变反射率常用镀膜。 2. 光透过和吸收光透过和吸收 透过率透过率 T=I/I0=(1R)2e l 光密度光密度 D=lg1/T 常用常用D表示光的吸收和反射损失。表示光的吸收和反射损失。 T取决于光波与玻璃中粒子间的作用。取决于光波与玻璃中粒子间的作用。 玻璃中自由电子玻璃中自由电子紫外光，紫外光，Si-O网络网络红外光红外光 振动频率相当。所以普通玻璃

9、对紫外、红外光不透过。振动频率相当。所以普通玻璃对紫外、红外光不透过。 氧化物系统玻璃在红外可透过氧化物系统玻璃在红外可透过6以下的光，以下的光，As2S3等等 非氧化物系统可透过更长的光波。非氧化物系统可透过更长的光波。 * 光吸收光吸收 等同吸收等同吸收 选择性吸收选择性吸收 使光强减弱使光强减弱 产生颜色产生颜色 四、玻璃的红外和紫外吸收四、玻璃的红外和紫外吸收 1. 紫外吸收紫外吸收 吸收极限吸收极限 透光曲线上吸收区与透光区间一条很陡透光曲线上吸收区与透光区间一条很陡 的分界线。的分界线。 紫外区紫外区 波长小于吸收限的光都吸收波长小于吸收限的光都吸收 波长大于吸收限的光都透过波长大

10、于吸收限的光都透过 紫外吸收机理紫外吸收机理 光子激发氧离子的电子到高能级的结果。所以光子激发氧离子的电子到高能级的结果。所以大的大的 波能量低，不能激发电子，全部透过。波能量低，不能激发电子，全部透过。 氧离子与阳离子间结合力影响紫外吸收限。氧离子与阳离子间结合力影响紫外吸收限。 Ob多，吸收限偏向短波，透紫外好；多，吸收限偏向短波，透紫外好； Onb多，吸收限偏向长波，透紫外差。多，吸收限偏向长波，透紫外差。 网络外体氧化物越多，透紫外越差。网络外体氧化物越多，透紫外越差。 Fe 2 Fe 3CeO2等氧化物能强烈吸收紫外线 等氧化物能强烈吸收紫外线 钴不吸收紫外线，在磷酸盐玻璃中与氧化镍

11、钴不吸收紫外线，在磷酸盐玻璃中与氧化镍 共用可制黑色透短波紫外线共用可制黑色透短波紫外线 石英玻璃具有优异的透紫外性，它既可以透石英玻璃具有优异的透紫外性，它既可以透 过远紫外线，又可透过可见光和近红外光谱过远紫外线，又可透过可见光和近红外光谱 紫外线防护玻璃紫外线防护玻璃 以铝硅酸盐为基本组成，掺入截紫以铝硅酸盐为基本组成，掺入截紫 外线剂外线剂CeO2制得的。制得的。 该种玻璃，具有良好的化学稳定性、该种玻璃，具有良好的化学稳定性、 耐热冲击性以及耐辐射性能。可用做隔耐热冲击性以及耐辐射性能。可用做隔 绝、滤除紫外辐照的透明材料，如防紫绝、滤除紫外辐照的透明材料，如防紫 外窗口、激光器用截

12、紫外防护隔板、有外窗口、激光器用截紫外防护隔板、有 机材料紫外老化防护等，其应用领域非机材料紫外老化防护等，其应用领域非 常广阔。常广阔。 2. 红外吸收红外吸收 机理：红外频率与玻璃中分子本征振动频率相近机理：红外频率与玻璃中分子本征振动频率相近 引起共振而产生。引起共振而产生。 M f c 2 1 f 力常数（化学键对于改变其长度的阻力）力常数（化学键对于改变其长度的阻力） M 原子量原子量 c 光速光速 氧化物玻璃只能透过近红外。铅玻璃及非氧氧化物玻璃只能透过近红外。铅玻璃及非氧 化物系统玻璃因原子量大、力学常数小，可透过化物系统玻璃因原子量大、力学常数小，可透过 波长更长的光。波长更长

13、的光。 由于稀土元素的原子量较大，因而含稀由于稀土元素的原子量较大，因而含稀 土的玻璃具有较宽的红外透射范围。土的玻璃具有较宽的红外透射范围。 红外玻璃是红外光学技术的关键材料，红外玻璃是红外光学技术的关键材料， 广泛使用在红外航空摄影、红外火炮控制系广泛使用在红外航空摄影、红外火炮控制系 统、超音速飞机、导弹、卫星和各种跟踪、统、超音速飞机、导弹、卫星和各种跟踪、 遥测和从地球到卫星或与其它星球通讯等。遥测和从地球到卫星或与其它星球通讯等。 该类玻璃重要性能是在某特定红外波段内的该类玻璃重要性能是在某特定红外波段内的 透过率、折射率和色散、受热时自辐射性能透过率、折射率和色散、受热时自辐射性能 、机械强度、硬度和化学稳定性。、机械强度、硬度和化学稳定性。 隔（吸）热玻璃： Fe2能有效吸收红外线（特别对 1064 纳米红外吸收），对可见光的高度透过，应用在 冷光灯源产品上。如：手术室冷光灯，幻灯机、投影 仪。 五、玻璃对光的散射五、玻璃对光的散射（optical scattering) 机理机理：玻璃内存在密度不均匀区域，导致光线折射多次：玻璃内存在密度不均匀区域，导致光线折射多次 而产生散