透光和导光材料

1、第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 一、透光材料的特征值一、透光材料的特征值 1. 1. 透射率透射率 T T透射率透射率T T为透射光强为透射光强I IT T 与与入入射光强射光强I I0 0 之比之比T=IT=IT T/I/I0 0，也称透光率。也称透光率。入入射光强射光强IoIo，射射入入介质介质的的光强为光强为(1-(1-R)IoR)Io，反射掉反射掉部分光强为部分光强为IoRIoR。 8.1 透光材料 第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 射入介质的光在穿过介质时射入介质的光在穿过介质时被吸收一部分后，达到介质另一被吸收一部分后，达到介质另一面的光强为面的光强为: Io

2、(1-R)e-al又被反射回介质内的光强为又被反射回介质内的光强为:IoR(1-R) e-al最后透射出介质的光强最后透射出介质的光强: IT Io(1-R)2e-al透射率透射率T T为为: :T=(1-R)T=(1-R)2 2e e-al-al 试中，试中，吸收系数吸收系数；l l介质长度。介质长度。一般取介质长度为一般取介质长度为1 1OmmOmm的值作为标准。的值作为标准。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 2. 2. 光密度光密度 D D )1lg(2434.0)1lg(2lg)1(1lg1lg2RDDalRealeRDTDrral 3. 内透射率内透射率 内透射率内透射率所

3、表示光线所表示光线在透过介质时在透过介质时，只考虑吸收只考虑吸收不考虑反射的特征值。不考虑反射的特征值。Dr为反为反射修正值。射修正值。光密度的物理意义光密度的物理意义：吸收吸收(0.434l)和反射和反射(Dr)两部分损两部分损失之和。失之和。200)1()1()1(RTeRIeRIll 吸收系数越大时吸收系数越大时，值就越小值就越小，材料的透光性材料的透光性能就能就越越不好。不好。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 4. 4. 平均色散系数平均色散系数D D 透光材料中光学玻璃通常透光材料中光学玻璃通常按折射率按折射率n nD D和平均色散系数和平均色散系数D D两个光学常数进行分

4、类。两个光学常数进行分类。 平均色散系数的表示为平均色散系数的表示为: :CFDDnnn1D D平均色散系数平均色散系数，也称也称阿贝数阿贝数；（数值越小色散现象；（数值越小色散现象越厉害）越厉害） n nF F 材 料 对 标 准 谱 线材 料 对 标 准 谱 线 F(F(=4861.3) =4861.3) 的折射率的折射率； n nC C 材 料 对 标 准 谱 线材 料 对 标 准 谱 线 C(C(=6562.7=6562.7) ) 的折射率的折射率； n nD D 材 料 对 标 准 谱 线材 料 对 标 准 谱 线 D(D(=5892.9=5892.9) ) 的折射率。的折射率。 n

5、 nF F-n-nC C平均色散平均色散，也称中也称中部色散。部色散。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 二、透光材料的种类二、透光材料的种类 透可见光的材料常用的有透可见光的材料常用的有玻璃玻璃和和高聚物高聚物两大类。两大类。1. 玻璃玻璃材料材料 玻璃材料的玻璃材料的优点：优点：透射率最高透射率最高(可高达可高达98以上以上)，折射率范围大折射率范围大(1.441.94)，色散系数范围大色散系数范围大(D= 2090)光学稳定性好，耐磨损。光学稳定性好，耐磨损。 玻璃材料的缺点玻璃材料的缺点：密度大密度大(2.276.26g/cm3)，耐冲击耐冲击强度低，加工困难，制造周期长。强度

6、低，加工困难，制造周期长。 目前玻璃是制造各种光学元件特别是高、精光学元目前玻璃是制造各种光学元件特别是高、精光学元件的主要的材料件的主要的材料，各种经过特殊加工的玻璃也广泛用于，各种经过特殊加工的玻璃也广泛用于其他用途。其他用途。 第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 2. 高聚物材料高聚物材料另一类透光材料，发展较快，主要有聚甲基丙烯酸另一类透光材料，发展较快，主要有聚甲基丙烯酸甲甲酯酯、聚苯乙烯、聚碳酸、聚苯乙烯、聚碳酸酯酯、苯乙烯丙烯、苯乙烯丙烯腈腈共聚体、聚共聚体、聚甲基异戍二烯、透明聚甲基异戍二烯、透明聚酰胺酰胺等。等。高聚物透光材料的优点高聚物透光材料的优点：重量轻重量轻、

7、成本低、制造工成本低、制造工艺简单、不易破碎。艺简单、不易破碎。高聚物透光材料高聚物透光材料的的缺点缺点：折射率范围窄，热胀系数折射率范围窄，热胀系数、双折射和色散大双折射和色散大，耐热、耐磨、硬度、耐湿和抗化学性耐热、耐磨、硬度、耐湿和抗化学性能差。能差。高聚物材料材料的透射率已达到高聚物材料材料的透射率已达到90左右左右，有的原有的原来透射率不太高的树脂也已经制出透射率达到来透射率不太高的树脂也已经制出透射率达到90的产的产品品，正正逐步应用于各种光学仪器逐步应用于各种光学仪器以及其他用途以及其他用途上。上。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 二、透光材料的二、透光材料的应用举例应

8、用举例1.1.钢化玻璃钢化玻璃优点：优点：第一是强度较之普通玻璃提第一是强度较之普通玻璃提高数倍，抗弯。第二是使用安全，其高数倍，抗弯。第二是使用安全，其承载能力增大改善了易碎性质，即使承载能力增大改善了易碎性质，即使钢化玻璃破坏也呈无锐角的小碎片，钢化玻璃破坏也呈无锐角的小碎片，对人体的伤害极大地降低了。且一般对人体的伤害极大地降低了。且一般可承受可承受250250度以上的温差变化，对防度以上的温差变化，对防止热炸裂有明显的效果。止热炸裂有明显的效果。平钢化、弯钢化玻璃属于安全玻璃。平钢化、弯钢化玻璃属于安全玻璃。广泛应用于高层建筑门窗、玻璃幕墙广泛应用于高层建筑门窗、玻璃幕墙、室内隔断玻璃

9、、采光顶棚、观光电、室内隔断玻璃、采光顶棚、观光电梯通道、家具、玻璃护栏等。梯通道、家具、玻璃护栏等。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 钢化玻璃的缺点：钢化玻璃的缺点：1 .1 .钢化后的玻璃不能再进行切割和加工，钢化后的玻璃不能再进行切割和加工，只能在钢化前就对玻璃进行加工至需要的只能在钢化前就对玻璃进行加工至需要的形状，再进行钢化处理。形状，再进行钢化处理。2 .2 .钢化玻璃强度虽然比普通玻璃强，但是钢化玻璃强度虽然比普通玻璃强，但是钢化玻璃有自爆（自己破裂）的可能性，钢化玻璃有自爆（自己破裂）的可能性，普通玻璃不存在自爆的可能性。普通玻璃不存在自爆的可能性。3 .3 .钢化玻

10、璃的表面会存在凹凸不平的现象钢化玻璃的表面会存在凹凸不平的现象（风斑），有轻微的厚度变薄。（风斑），有轻微的厚度变薄。4.4.通过钢化炉（物理钢化）后的建筑用的平板玻璃，一般都通过钢化炉（物理钢化）后的建筑用的平板玻璃，一般都会有变形，变形程度由设备与技术人员工艺决定。在一定程会有变形，变形程度由设备与技术人员工艺决定。在一定程度上，影响了装饰效果。度上，影响了装饰效果。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 2.2.聚甲基丙烯酸甲酯（聚甲基丙烯酸甲酯（ PMMAPMMA）又叫有机玻璃，俗称亚克力。有极好的透光性又叫有机玻璃，俗称亚克力。有极好的透光性能，机械强度较高，有一定的耐热耐寒性，

11、耐能，机械强度较高，有一定的耐热耐寒性，耐腐蚀，绝缘性能良好，尺寸稳定，易于成型，腐蚀，绝缘性能良好，尺寸稳定，易于成型，可作要求有一定强度的透明结构件，广泛应用可作要求有一定强度的透明结构件，广泛应用于门窗、灯箱、铭牌等，且正常使用对人体几于门窗、灯箱、铭牌等，且正常使用对人体几乎没有危害，所以也用于制作各种生活用品，乎没有危害，所以也用于制作各种生活用品，如家具、卫浴设备、工艺品。它的缺点是质地如家具、卫浴设备、工艺品。它的缺点是质地较脆，易溶于有机溶剂，表面硬度不够，容易较脆，易溶于有机溶剂，表面硬度不够，容易擦毛。擦毛。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 3.3.防弹玻璃防弹玻

12、璃防弹玻璃是由玻璃防弹玻璃是由玻璃透光材料或高聚物透光材料或高聚物透光塑料经特殊加透光塑料经特殊加工得到的一种复合工得到的一种复合型材料。它具有普型材料。它具有普通玻璃的外观和传通玻璃的外观和传送光的行为，对小送光的行为，对小型武器的射击可以型武器的射击可以提供一定的保护，提供一定的保护，根据用途有的防弹根据用途有的防弹玻璃还具备防爆功玻璃还具备防爆功能的。能的。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 二、二、比较新的比较新的透光材料透光材料（一）（一）透光透光高高聚物聚物1. 1. 高折射率高聚物透光材料高折射率高聚物透光材料高折射率的聚合物高折射率的聚合物，特别是密度较低的，其色散往往

13、较大。特别是密度较低的，其色散往往较大。 2. 2.低折射率高聚物透光材料低折射率高聚物透光材料 含氟的透光聚合物折射率是透光高聚物中最低的，且具有良好含氟的透光聚合物折射率是透光高聚物中最低的，且具有良好的色散性、耐热性和耐腐蚀性。的色散性、耐热性和耐腐蚀性。3. 3. 低双折射透光高聚物低双折射透光高聚物 透光高聚物的双折射来源于高聚物加工成形时的取向所产生的透光高聚物的双折射来源于高聚物加工成形时的取向所产生的折射率各向异性。折射率各向异性。4. 4. 耐热的透光高聚物耐热的透光高聚物 在透光聚合物分子中引在透光聚合物分子中引入入耐热单体、大的侧基和提高交联度都耐热单体、大的侧基和提高交

14、联度都可以提高其耐热性可以提高其耐热性。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 5. 硬度高的透光高聚物硬度高的透光高聚物 提高透光高聚物的硬度的主要方法是提高交联度。交联型含有氨提高透光高聚物的硬度的主要方法是提高交联度。交联型含有氨基甲酸基甲酸酯酯官能团树脂的铅笔硬度可达官能团树脂的铅笔硬度可达 5H9H。但交联太高但交联太高，刚性也增刚性也增大大。 6. 高吸水率透光高聚物高吸水率透光高聚物 随着隐形眼镜等接触透镜的实用化，要求高吸水率透光聚合物。随着隐形眼镜等接触透镜的实用化，要求高吸水率透光聚合物。常用单体常用单体MMAMMA、HEMAHEMA、乙烯基乙烯基吡吡咯咯烷酮烷酮等等。

15、（二）（二）透光透光玻璃玻璃1. 透紫外玻璃透紫外玻璃透紫外玻璃仍是应用最普遍的透紫外光学材料，包括有光学石英透紫外玻璃仍是应用最普遍的透紫外光学材料，包括有光学石英玻璃、透紫外黑色玻璃玻璃、透紫外黑色玻璃、钠钠钙硅透短波紫外玻璃以及钙硅透短波紫外玻璃以及钠钠钙透紫外玻璃钙透紫外玻璃等。等。2. 水合水合玻璃玻璃和梯度折射率光学材料和梯度折射率光学材料 在透光材料的开发研究中，值得提出的是水合玻璃和梯度折射率在透光材料的开发研究中，值得提出的是水合玻璃和梯度折射率光学材料。光学材料。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 光纤材料光纤材料：光通信中用于传播光信息的光学纤维所用的材料，光通信

16、中用于传播光信息的光学纤维所用的材料，又称为光波导纤维材料。光通讯可能是未来重要的通讯方式又称为光波导纤维材料。光通讯可能是未来重要的通讯方式，通讯通讯用光纤材料成为当今最引人注目的新型光传输材料，并得到了日益用光纤材料成为当今最引人注目的新型光传输材料，并得到了日益广泛的应用。广泛的应用。8.2 光纤材料 一、光在光纤中传输的基本原理一、光在光纤中传输的基本原理 1、全反射现象全反射现象 光的全内反射现象光的全内反射现象是一切光纤的是一切光纤的工作基础。工作基础。折射率折射率n1n2，入入射角射角1临界临界角角0。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 2、光在光纤中传播原理光在光纤中传

17、播原理光学纤维中光的传送是利用光光学纤维中光的传送是利用光的全反射原理。的全反射原理。 入入射光束以大于射光束以大于0的的角度角度入入射到芯子与包层的射到芯子与包层的界面上，光线在界面上发界面上，光线在界面上发生全反射，在芯中以锯齿生全反射，在芯中以锯齿状路径曲折前进，不会穿状路径曲折前进，不会穿出包层，避免光在传播时出包层，避免光在传播时的折射损耗。的折射损耗。3、传输模式传输模式 光在纤维中传输有一定的传输模光在纤维中传输有一定的传输模式式。具有一定频率具有一定频率、一定的偏振一定的偏振状态和传播方向的光波状态和传播方向的光波，叫做光，叫做光波的一种模式。波的一种模式。 单模光纤单模光纤：

18、一种光纤只允许传一种光纤只允许传输一个模式的光波输一个模式的光波。 多模光纤多模光纤：一种光纤允许同时一种光纤允许同时传输多个模式的光波。传输多个模式的光波。 第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 4、子午光线和斜光线子午光线和斜光线光纤具有均匀的芯子光纤具有均匀的芯子（半径半径r，折射率折射率n1）和）和均匀的包层均匀的包层（折折射率射率n2，且且n2n1）。通过通过光纤光纤的光线有子午光线和的光线有子午光线和斜光线两种。斜光线两种。子午光线子午光线：在一个平面内弯曲在一个平面内弯曲行进的光线行进的光线，在一个周期内和在一个周期内和光学纤维的中心轴相交两次光学纤维的中心轴相交两次。斜光

19、线斜光线：不通过光学纤维的中不通过光学纤维的中心轴的光线。心轴的光线。22210sinnn 作为子午光线行进的条件作为子午光线行进的条件：第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 5 5、数值孔径数值孔径NA NA 光学纤维的数值孔径光学纤维的数值孔径NANA定义为定义为: :2221nnNA 根据子午光线行进的条件根据子午光线行进的条件，NA NA 值越大，值越大，0 0可以越大，可以越大，因而有较多的光线进因而有较多的光线进入入芯子。芯子。 但但NANA太大时太大时，对单模传输不利，因为它易激发光的高次对单模传输不利，因为它易激发光的高次模传播方式。模传播方式。 第八章第八章 透光和导光

20、材料透光和导光材料 二、光纤材料特征值二、光纤材料特征值 1、传输损耗传输损耗 Q传输损耗指光在纤维中传输途中的损耗传输损耗指光在纤维中传输途中的损耗，表示表示为为：Q=10log(I2/I1) (dB/km) I1入入射光强射光强；I2出射光强出射光强；Q传输损耗传输损耗 (dB/km)。 |Q|越大越大，光信息传播的距离就越短光信息传播的距离就越短；|Q|越小越小，光信光信息传播的距离就越远。息传播的距离就越远。 传输损耗传输损耗Q值是衡量光学纤维通信介质质量好坏的一值是衡量光学纤维通信介质质量好坏的一个最重要的指标。个最重要的指标。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 形成光学纤维

21、传播损耗的机理有形成光学纤维传播损耗的机理有吸收损耗、本征散射吸收损耗、本征散射、波导散射波导散射三种。三种。（1）吸收损耗吸收损耗 吸收损耗吸收损耗是是指光纤本身或杂质粒子对光的吸收带来的损耗指光纤本身或杂质粒子对光的吸收带来的损耗，又，又细细可可分为分为本征吸收本征吸收、杂质吸收和杂质吸收和 OH- 离子吸收离子吸收。（2 2）本征散射本征散射本征散射又称为瑞利散射本征散射又称为瑞利散射。由玻璃熔制过程造成的密度不均匀而由玻璃熔制过程造成的密度不均匀而产生的折射率不均匀所引起的散射产生的折射率不均匀所引起的散射，这种损耗随波长的增加而很快减这种损耗随波长的增加而很快减小。另外小。另外，制作

22、中，制作中掺杂掺杂粒子粒子不均匀也能引起散射不均匀也能引起散射，产生损耗。产生损耗。（3 3）波导散射波导散射波导散射是由波导的结构缺陷产生的，如波导芯的直径有起伏，波导散射是由波导的结构缺陷产生的，如波导芯的直径有起伏，界面粗糙界面粗糙，凹凸不平，就会引起传导模的附加损耗，即波导散射损耗。凹凸不平，就会引起传导模的附加损耗，即波导散射损耗。 第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 2 2、传输带宽传输带宽 传输带宽是影响信息传输能力的一个重要因素。传输带宽是影响信息传输能力的一个重要因素。在光纤通信中在光纤通信中，以光脉冲方式进行传输，光脉冲的调制频率愈高，传以光脉冲方式进行传输，光脉冲的调制频率愈高，传输的信息容量愈大。输的信息容量愈大。影响传输带宽影响传输带宽的两方面主要因素：的两方面主要因素：（1 1）光光脉波形冲脉波形冲畸变和展宽畸变和展宽 经输送的光脉冲传输一段距离后发生畸变和展宽经输送的光脉冲传输一段距离后发生畸变和展宽( (从从方波窄脉冲方波窄脉冲变变为为钟形的方波脉冲钟形的方波脉冲) )，展宽的结果使光脉冲波型重叠，结果分辨不出展宽的结果使光脉冲波型重叠，结果分辨不出所携带的信息。所携带的信息。（2 2）色