光学材料简介1

1、光学材料简介光学材料简介(1)(1) 1 1 Jan, 2007 高晓立高晓立 2 2 说明说明 客户的产品需求都是以图纸或指标的文字描述形式传给销售人员的，因客户的产品需求都是以图纸或指标的文字描述形式传给销售人员的，因 此销售人员必要理解图纸中的各项指标要求的定义及含义；因此在介绍此销售人员必要理解图纸中的各项指标要求的定义及含义；因此在介绍 具体产品前先给大家介绍如何认识图纸中的各个指标要求，以及我们公具体产品前先给大家介绍如何认识图纸中的各个指标要求，以及我们公 司目前所能达到的指标水平。司目前所能达到的指标水平。 3 3 1 1、材料、材料 1）这是对于每个产品图纸都应有的基本项目；

2、 2）光学零件用到的基片材料涉及光学玻璃，晶体，光学塑料，甚至于金属等； 3）常用的光学玻璃的种类： K9（H-K9,N-BK7）、LaK类（冕牌）, ZF类、F类、BaK （火石） 熔融石英、低膨胀系数玻璃、耐火玻璃、浮法玻璃， 有色玻璃：（国外：BG39、RG715等）（国内HB720、JB、CB等） 我们用的国产玻璃主要购自成都光明，进口玻璃主要购自Schott，另外，目前的熔融 石英主要购自Corning；一些国外的特殊玻璃往往是由客户提供原料； 4 4 4）除了最基本的折射率折射率，色散色散参数外，光学玻璃的其它指标要求还有： （1）光学均匀性（同一块玻璃中折射率的渐变）； （2）应

3、力双折射； （3）条纹度； （4）气泡度； （5）光吸收系数； （6）耐潮稳定性； （7）耐酸稳定性； （8）密度； （9）硬度； （10）脆性 （11）抗张，抗压强度； （12）弹性； （13）热膨胀系数； （14）导热系数； 5 5 5）所有这些指标要求，最终都体现在玻璃的分级上；在国内标准图纸中，专门有一表格描述对 玻璃主要参数的要求；一般来讲：棱镜产品用料要优于透镜；激光类产品用料要优于普通光学类 产品； 6）材料的替代：由于成本及采购时间的考虑，我们有时要进行材料的替换，此时应主要考虑 材料的物理及化学参数是否一致，例如我们经常用国产K9替代进口BK7，这两种材料的物化参数 极为一致

4、；但在材料等级方面要注意：例如对于高功率激光元件，不能用普通光学级材料代替激 光级材料；而对于玻璃支架，用气泡度级别低的替代图纸中等级高的材料风险不大；另外，在目 前热门的环保材料替换非环保材料中，玻璃折射率及色散可能是一样的，但其它特性，例如耐腐 蚀性及热膨胀系数极有可能不一样，需要注意，这会影响到加工难易及一些可靠性要求； 7）球面产品用到的玻璃材料品种最多，经常通不过我们工程评审的理由是：材料易腐蚀， 下表是我们常用国产玻璃的部分耐腐蚀参数，对于新的材料，我们可通过玻璃手册查找这些参数 ，若劣于表中级别，则可能加工困难，需征求工程人员评审意见；另一对加工影响较大的因素是 硬度：软料较难控

5、制面形，光洁度； 6 6 材料RC（s） 耐潮性 RA（s） 耐酸性 DW（粉末法） 耐水性 DA（粉末法） 耐酸性 K92121 ZF131313 ZF21312 ZF11312 LaK31313 ZK91324 BaK41233 F13121 F23221 7 7 8）常用光学晶体： 石英晶体，LN， YVO4及掺杂YVO4，KTP，YAG及掺杂YAG， BBO，LBO，TEO2 ，硅、锗，蓝宝石等等； 9）对于晶体原料的基本指标要求，与玻璃原料类似，但还有一些特殊性：例 如散射，包络，生长纹，均匀性要求是晶体材料的重要指标，激光级晶体与 普通晶体有很大区别，不能轻易用普通级替换激光级；

6、10）我们目前还未加工过蓝宝石，锗，这些产品订单目前靠外协供货；目前 除YVO4及部分掺杂YVO4外，其余晶体原料均为外购； 8 8 11）光学塑料： 这类产品的加工是靠模压成型，主要用于非球面透镜产品，在镀膜前还有表面 加硬等特殊处理过程，我们公司目前没有介入该种原料的生产； 12）一些反射镜（例如CO2激光器用）的基片是用金属铜等原料，这类产品我们 目前也没有涉足； 9 9 2 2、光圈、光圈N N： 1）这是所有需抛光产品都应有的指标要求（国外图纸在波前畸变项体现）； 2）定义是：光波在被检光学表面与参考表面间由干涉所形成的条纹(反映了被加 工表面与理想表面的差别大小)； 3）有几种不同

7、的表示方法： 国内习惯用光圈数（N）来表示，国外主要是用波长（）数来表示；两者关系是 ：2个光圈对应1个波长； 4）对于小的光学元件，光圈数往往是指对整个有效通光面的要求，而对于大尺寸 光学元件，往往会说明是对多大区域的要求，例如： /8 per 25mm633nm； 5）同一工件不同面积光圈数关系为：N1/N2=D1/D2 N1直径为D1的工件表面光圈数 N2直径为D2的工件表面光圈数 1010 6）光圈与光源波长的关系： 中国国家标准规定检测标准光圈数(N0)的参考波长为546.1nm (0) ，国外 一般是采用632.8nm（ZYGO等激光干涉仪就是使用该波长）；生产中若采用其 他波长（

8、）的单色光检验，得到非标准光圈数(N)，则标准光圈数和非标 准光圈数的关系是：N0/N=/0； 7）对于球面，N实际上就说明了球面曲率半径的误差： 1111 3 3、局部光圈（局部光圈（NN）：）： 1）这是所有需抛光产品都有的指标（国外图纸在波前畸变项体现） ； 2）定义是：光波在被检光学表面与参考表面间所产生的干涉条纹的不 规则度； 3）有几种不同的表示方法：国内习惯用局部光圈数（N），国外习惯 用波长 （）数；两 者关系也是2个光圈对应于1个波长； 4）局部光圈的判读比光圈的判读难，一般要靠仪器自动处理数据得到 ，通过人眼只能估测； 5）对于平面产品，我们能达到的最高水平是 /10- /

9、20（以25mm 尺寸计）；对于球面产品，我们能达到的最高水平是 /8； 1212 4 4、尺寸，尺寸公差：、尺寸，尺寸公差： 1）所有的尺寸及其关键尺寸的公差一般都会在图纸中标注； 2）由于装配需要，光学件的尺寸公差一般都是偏负公差（与之配套的机 械件，玻璃套管等一般是正公差）； 3）对于未标准公差的非主要尺寸，要关注图纸项目栏中标准的公差说明 ； 4）我们公司承诺能达到的最高尺寸公差是+/-0.02mm(对于大于50mm的尺 寸,该公差要放大)； 5）对于厚度等关键尺寸，利用NIKON测厚仪及测量显微镜可达+/-3 的 精度，利用测光程的方法可优于1（例如目前的波片，TUNNER，标准具的

10、厚 度控制）。 1313 5 5 平行度平行度： 1)对于两面平行的光学产品一般均有此要求； 2)平行度的定义是：玻璃（晶体等）平板的两个表面的平行程度； 3）对于平面产品，我们公司承诺的最好指标可小于1-2秒； 1414 平行度的计算（高度差与平行度的关系）： L lLTg 对于一个直经250mm的工件盘,若我们控制的高度差（边厚差）为0.01mm,通过上式可算出平行度约为8秒； 1515 6 6，角度公差：，角度公差： 1）这是对于棱镜，楔角片等有棱角产品的一个指标要求； 2）对于该指标，我们公司承诺的最好指标是3-5秒（需光胶上盘）； 3）对于一个多角度的产品，所有角度都是高精度要求对于

11、加工来讲难度会 成级数增加，一般控制核心角度，再通过控制其它角度公差匹配来实现对光 束的高精度偏折； 1616 7 7，测垂：测垂： 1）这是对于产品通光面（工作面）与侧面垂直度的一个指标要求； 2）通常这里指的侧面是切割面或是磨砂面；通过磨砂达到的精度一般优于直 接切割出的精度； 3）我们承诺能达到的最好指标是3-6；一般有侧垂要求产品的侧面是用于 装配定位的，装配本身误差一般远大于3-6，因此大部分产品的侧垂要求不 会太高； 1717 8 8，塔差塔差 1） 一般指在三棱镜中，棱与其所对的光学平面间的夹角； 2）产品不同，加工中对塔差的控制能力是不同的，对于我们的主要产品， 直角棱镜及五角

12、棱镜，我们承诺能达到的最好指标是3-5； 1818 9，第一平行差，第一平行差1，第二平行差，第二平行差2 ： 1）定义是：光线从反射棱镜的入射面垂直入射，在出射前对出射面法线 的偏差；在入射面光轴截面方向的分量，称做“第一光学平行差”；在垂直于光 轴截面方向的分量，称做“第二光学平行差”； 2）现在有的棱镜图纸对各角度公差并未要求，而只是对出、入射光束的偏折 角度公差有要求（这是符合使用需求的）；在生产中需工程师去分解、匹配各角 度的公差； 3）第一光学平行差实际反映了一个棱镜产品光束经过各角度的综合角度偏差， 各角度的公差可能累加或相消，通过合理分配各角度公差，我们可以使第一光学 平行差优

13、于单个角度能达到的公差，例如五角棱镜90出射公差可达到1-2秒，优于 3-5秒的单个角度公差；对第二光学平行差影响最大的是塔差； 1919 1010，倒角：，倒角： 1）倒角定义见下图；需要注意的是个别客户的图纸中宽度不是指斜边； 2）对我们而言，倒角大多是手工完成，因此倒角的一致性是个问题； 3）我们承诺能达到的最好指标是0.25mm； 1 145 2020 1212、崩边：崩边： 1）崩边是指光学元件边缘不规则的破损；主要在流转，切割等环节造成 ； 2）我们承诺能达到的最好指标是小于0.1mm； 3)严格的崩边指标会是使成品率大幅降低，在不影响有效通光孔径的情况 下要让客户少给我们生产线过

14、于严的指标； 2121 1414、波前畸变：、波前畸变： 1）一般是指透过波前畸变，相对于单个面的面形（N及N ），此指标反 映了入射面面形，材料，出射面面形对光波的综合影响； 2）对于一些光学元件，例如PBS，还分为反射波前及透过波前； 3）我们承诺能达到的最好指标是0.1（25mm)；存在波前畸变优于单个面 形的可能，例如一个窗口片，两个面的面形较差，但变形是一样的，这会使得 两个误差相消，得到更好的综合检测结果； 4）目前我们的ZYGO配置还不能检测球面产品的这个指标； 2222 15 15 、光学表面疵病：光学表面疵病： 1）经常简称为光洁度；是指光学零件抛光面上的麻点、划痕 、擦痕、

15、开口气泡、破点及 破边等； 2） 图纸中见到的主要标准有：美军标MIL，国际标准，德标DIN3140，中国国家标准GB等 ；也有客户图纸是给出具体的点子及划痕控制尺寸大小的(客户自己制定的标准)； 3）按美军标，对于大的平面产品（50mm），我们承诺的指标是20-10，对于球面产品是 40-20；对于小的有效面积（小镜片），例如3-4mm，我们可承诺0-0； 4）加工面多的产品（例如五角棱镜），有镀膜要求的产品我们一般需降低一档指标，否 则将以牺牲成品率为代价； 2323 16 16 、粗糙度、粗糙度(Ra(Ra，RMS)RMS)： 1）这个指标在大多数激光产品中均可见到； 2）注意:：Ra，

16、RMS这两个虽都指粗糙度，但两者的计算方法并不一样，看图时要注意； 其中RMS是指算术均方根偏差值； 3）以RMS计，我们目前的最好水平是：手抛晶体0.3-0.5nm；平面0.5-0.8nm；球面1- 1.2nm； 该指标的检测平台刚刚搭建好，工艺改善也正在进行，因此我们水平正在提升；目前以该指标的检测平台刚刚搭建好，工艺改善也正在进行，因此我们水平正在提升；目前以 小于小于0.5nm0.5nm作为承诺极限。作为承诺极限。 2424 17 17 、有效通光孔径：有效通光孔径： 1）有几种不同的表示方法： （1）面积的百分比； （2）直径的百分比； （3）有的图纸直接标注尺寸范围； 2）目前该指

17、标主要取决于镀膜的挡边大小及崩边，倒角影响； 3）我们镀膜挡边最小可控制到小于0.5mm；对于一些小产品，我们通过侧 面夹持或镀后切小可达到理论上的百分之百通光（剩下的影响是崩边及倒角大小 了）,这种作法在一些大尺寸产品上也有采用； 2525 1818、相位延迟，延迟精度：相位延迟，延迟精度： 1）这是对于波片类产品的两个指标要求； 2）我们公司可提供系列/8，/4，/2相位延迟的波片，对于波片产品，原则上我们所有 订单都有工艺能力接下来（除非是客户不合原理的要求）； 3）对于通讯波段波片，我们可提供优于/600延迟精度要求的产品（理论上可达/1000 ） ；对于可见光波段波片，我们可提供优于

18、/300精度的波片，采取一些特殊测试方法，一些激光 波长波片可达/500；对于消色差波片，延迟精度较之单点波片要差一些，通讯波段波片最好能 达到 /300，其它波段的在/100至 /300之间； 4)同样延迟精度要求的波片，短波长较长波长难控制，在评审是应留意； 2626 1919、曲率半径曲率半径r r，焦距，焦距f f及其公差：及其公差： 1）这是对于球面产品的两个指标要求； 2） 曲率半径r的实际公差主要取决于球径仪的精度，我们公司可承诺的最高指标公差是+/- 0.2%； 3 ）焦距f的实际公差主要取决于曲率半径r的精度，以及透镜厚度与材料（理论上影响焦距的 主要因子是材料折射率及曲率半

19、径）；我们公司可承诺的最高指标公差也是+/-0.2%； 从以往经 历来看：只要材料没有混料，曲率半径r的精度没有问题，检测没失误，该指标完全可通过理论 计算来得到保证； 对于圆球产品（特殊球面产品），还有一个球形度（对于圆球产品（特殊球面产品），还有一个球形度（SphericitySphericity）指标，它实际上描述了）指标，它实际上描述了 一个球一个球“圆不圆圆不圆”，我们公司承诺的指标是，我们公司承诺的指标是0.6m0.6m； 2727 20 20 、偏心：偏心： 1）这是对于球面产品的一个指标要求； 偏心有以下几种不同的表示方法： （1）面倾角：光学表面定心顶点处的法线与基准轴的夹角

20、（单位是)； （2）偏心差c：透镜几何轴与光轴在透镜中心处的偏离量（单位是mm）； （3）球心偏a：透镜光学表面的曲率中心对基准轴的偏离量（单位是mm）； 这几个参数的图示及相互转化关系如下： 2828 2929 我们目前仪器能检测的指标是偏心差c，而大多数图纸标注的指标是角度偏差， 这需要我们转换：我们偏心仪的分辩率是0.01mm（靠人眼估的极限在0.005 mm），因此透镜焦距不同，其能控制的角度偏差不一样，我们产品目录中都标 为3精度是不准确的；例如一个焦距为100mm的K9透镜，按偏心差0.01mm代入上 式计算，得到的偏心约是0.6；当焦距为10mm时，偏心则约是6了； 3030 2

21、121、光轴角度，定向精度：、光轴角度，定向精度： 1）这是对于晶体产品的两个指标要求； 2）光轴定向精度取决于定向仪的精度及员工操作水平；目前我们承诺的精度是0.1；当 在两个方向都按此公差要求时，实际很难达到，鉴于该误差对于产品的 实际使用效果影响不大，一般客户也无检测能力，因此我们不用过于追究；生产中主要要避 免光轴弄混； 3131 2222、镀膜要求：、镀膜要求： 1）任何镀膜指标至少要包括三个要素，一是波长，二是能量幅值（透过率或反射率，吸收，散射），三是入射角度；我们可通过 一个镀膜曲线描绘出对镀膜的要求； 2）透过率，剩余反射率，吸收，散射是关于能量方面的指标； 3）S光，P光方

22、面的指标是关于偏振状态的要求；对于这类产品，往往有一个消光比的要求； 4）膜层的牢固度，环镜可靠性的要求往往体现在要符合一个指定的标准； 5）主要薄膜种类有： （1）增透膜（AR）：又分为单点（窄带）增透膜和宽带增透膜；我们 能达到的最好指标是： 窄带：R0.05%1525-1625nm； 宽带： R99.9%1525-1625nm； 宽带： R99.8%1270-1620nm； 对于金属膜高反，其反射率及波长范围基本由其材料特性所决定，我们主要关 注的是膜层牢固度及环境可靠性，内反金属膜由于可在外表面保护（喷漆等）， 这类订单一般都敢接，外反的要慎重，需镀膜工程师拍板； （3）部分反射膜或分

23、光膜（PR）：又可大致分为单点（窄带）和宽带，介质和 金属，胶合型和平板型；对于全介质分光膜，我们能达到的最好指标是： 窄带：R=X%+/-0.3%1525-1625nm； 金属分光膜存在较大的吸收，在评审时要注意，其一个好处是在可见光波段不 产生色差，目视仪器的分光膜基本是金属型的； 3333 两种特殊的分光膜： A：PBS：主要指标是消光比（即S光，P光分开的程度），该指标越大 越好，也越难镀制；我们能达到的最好指标是： 可见光单点及通讯波段（C Band或L Band）：消光比大于30DB （即1000：1）； B：N-PBS：与PBS相反，出射光中S，P光的比例与入射光中S，P光的比例

24、 越接尽越好；对于45入射，我们目前还未开发全介质膜系，金属膜系存在总 量约10%的吸收，S，P光的差值在5%以内；对于22.5入射的五角，目前我们能 镀出国内领先的S，P光的差值在3%以内的全介质产品； （4）滤光膜：又可大致分为 长波通，短波通，带通滤光片，实际上是类似介质 高反膜的产品，但膜系更复杂，层数也可能更多；在带通滤光片中，目前我们自 己不生产窄带干涉滤光片；对于长波通，短波通滤光片，在截止波段，目前我们 能达到的最好指标是：T 0.05%，在透过波段，剩余反射率R85% (面电阻约几十千）； B：防水膜：我们未涉足； C：金刚石膜：耐摩擦，耐高温；我们未涉足； D：光盘存储的光

25、致变膜：我们未涉足； 3535 图纸中的薄膜表示符号：图纸中的薄膜表示符号： 3636 2323、抗激光损伤阈值：抗激光损伤阈值： 1）用于激光系统的光学元件大多有这项要求； 2）它的检测完全靠实际功率的激光照射，目前我们这项检测基本没做； 3）注意：脉冲激光和连续激光，偏振光与非偏振关的耐受值差别很大，必需清楚检测激光 的模式； 4）影响抗激光损伤阈值大小的主要因素有：薄膜，粗糙度，光洁度； 5）下表是一家国外公司部分产品的抗激光损伤值，供参考；在无检测条件下，我们可以按 对应的类似品种的指标打个大的折扣（例如20%）来评估； 6）注意激光光斑的面积！ 3737 Coating Type T

26、est Wavelengt h Plulse Duration or CW Repetition Incident Angle Polarizatio n Conditions Laser Durability Laser Mode Al+MgF2532nm10ns20Hz45P polarized0.25J/cm2or19.8MW/cm2TEM00 Al+MgF2514nmCW-45 Linearly polarized 35.8kW/cm2TEM00 500高反514nmCW-45 Linearly polarized 160.4kW/cm2- 532高反532nm10ns20Hz45P

27、polarized5.3J/cm2or424MW/cm2TEM00 1064高反1064nm10ns20Hz45P polarized19.0J/cm2or1524MW/cm2TEM00 532一反一透532nm10ns20Hz45P polarized4.1J/cm2or329MW/cm2TEM00 1064一反一透1064nm10ns20Hz45P polarized17J/cm2or1362MW/cm2TEM00 550分光(1:1)532nm10ns20Hz45P polarized2.1J/cm2or170MW/cm2TEM00 1064分光(1:1)1064nm10ns20Hz45

28、P polarized17.8J/cm2or1426MW/cm2TEM00 PBS-532532nm10ns20Hz0 Circularly polarized 0.3J/cm2TEM00 AR Coat (400 to 700nm) 532nm10ns20Hz0 Linearly polarized 7.4J/cm2or588MW/cm2TEM00 AR Coat (1064nm)1064nm10ns20Hz0 Linearly polarized 5.1J/cm2or406MW/cm2TEM00 3838 2424、胶合要求：胶合要求： 1）主要有胶合（使用胶水），光胶，深化光胶等； 2）

29、对于普通胶合产品，图纸中一般会指定胶水型号，我们不能轻易替换； 3）对于胶合产品，时常有附带胶合牢固度及可靠性要求；光胶可靠性与生产过 程控制关系很大，经常会有一个剪切力测试要求； 4）胶水及光胶层对界面的剩余反射有影响，另外胶水层对整个元件的偏心及光 路偏折有影响（胶层厚度不匀），在审图时要留意； 3939 2525、插（插（ILIL）、回（）、回（RLRL）损、）损、PDLPDL等指标：等指标： 1）这是对于通讯类产品的一个要求； 2）对于光学产品，面形，偏心，光洁度，特别是镀膜指标决定了插（IL）、回（RL）损的 大小，这两个指标异常可以肯定是前面那些光学指标出了问题；而PDL异常则主要

30、与镀膜有关； 3）从以往订单图纸来看，插（IL）、回（RL）损这两项指标未对工程指标评审产生过影响 ； 4）仅考虑镀膜剩余反射率对IL的影响：IL=-10LOG（1-R）；按此计算，单面剩 余反射率小于0.25%的窗口片，光线经过整个元件后的IL仅为0.022dB； 4040 2626、FSRFSR及其公差要求：及其公差要求： 1）这是对于标准具产品的一个指标要求；它是标准具产品的核心指标； 2）我们公司目前达到过的最高FSR公差记录是+/-0.001G（室温），一般可达+/-0.005G， 小于+/-0.02G的公差已是我们的普通指标； 3）要求较高的产品还有温漂要求，这个参数主要与材料的膨

31、胀系数有关， 另外，温度造成材料折射率的变化，膜层质量也对这个参数有影响；检测上我们目前能控 制的波长精度可在30pm以内； 4141 2727、光密度（光密度（ODOD）：）： 1）这是对于中性密度片产品的一个主要指标，实际上代表了透过率 ；两者关系是： OD=-LOG（T），其中OD为光密度，T为透过率； 2）中性密度片有两种实现方法，一是选用吸收玻璃，通过厚度精确 控制透过率，该类型产品的一个缺点是不耐高功率激光，另一是通过镀 金属膜，控制透过率来实现； 4242 2828、标记：（光轴标记，镀膜面标记，楔角标记等等）：标记：（光轴标记，镀膜面标记，楔角标记等等）： 1）目前标记的方法主要有：用笔打点或画箭头标记；倒角标记；用划 片机切角，切槽标记等； 2）用笔打点标记