光学设计 第讲 光学材料与加工

1光学材料五邑大学应用物理与材料学院主要内容2第一节光学玻璃第三节光学塑料第一篇光学玻璃一、玻璃的定义：玻璃：一种较为透明的固体物质，在熔融时形成连续网络结构，冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料。普通玻璃化学氧化物的组成Na2O·CaO·6SiO2),主要成份是二氧化硅。广泛应用于建筑物，用来隔风透光，属于混合物

第一节普通玻璃二、玻璃的特性各向同性介稳性可逆性连续性无固定熔点第二节光学玻璃光学玻璃：用于制造光学仪器、或者透镜、棱镜、反射镜的等的玻璃材料。与普通玻璃的区别在于光学玻璃具有很高的透明度、均匀性和化学稳定性以及特定而精确的光学常数。第二节光学玻璃一、光学玻璃的分类无色光学玻璃普通光学玻璃耐辐射光学玻璃激光玻璃有色光学玻璃光学玻璃的主要参数(一)折射率我国标准规定：主折射率：指光学玻璃对钠光d（波长μm）的折射率，用nd表示；对F谱线(波长μm的蓝光)的折射率用nF表示;对C谱线(波长μm的红光)的折射率用nC表示。8色散表示光学玻璃对不同的光具有不同的折射率。色散大小用F谱线和C谱线之差表示，即nF－nC

，称作中部色散。通常度量光学玻璃的色散程度用色散系数(又称阿贝数)vd

:（二）色散系数1、组成玻璃形成体：B2O3、P2O5、SiO2、As2O3中间体：Al2O3网络外体：Na2O、K2O、CaO、BaO、PbO二、光学玻璃的主要特性二、光学玻璃的主要特性光学玻璃与普通玻璃的区别：特定和精确的光学常数物理和化学上高度均匀性高度透明性极小的内应力注重批次性第三节无色光学玻璃一、无色光学玻璃的分类1.两大系列：普通光学玻璃系列（P系列）耐辐射光学玻璃系列（N系列）冕牌玻璃（K）火石玻璃（F）折射率小（1.50-1.55）折射率大（1.53-1.85）色散系数大（55-62）色散系数小（30-45）质轻而硬、透明度好质重而软、呈淡黄色、透明度差硼酸盐玻璃加入氧化铅2.两大分类（按色散系数大小）3.18个类型：冕牌玻璃：FK、QK、K、PK、BaK、ZK、LaK、TK火石玻璃：KF、QF、F、BaF、ZBaF、ZF、LaF、ZLaF、TiF、TF4.135个牌号。各种氧化物对玻璃性质的影响名称减小增大二氧化硅相对密度、膨胀系数化学稳定性、耐温性、机械强度、粘度氧化铝析晶能力（当加2-5%时）机械强度、化学稳定性、粘度氧化硼析晶能力、粘度、膨胀系数化学稳定性、温度骤变抵抗性、折射率氧化钠、钾化学稳定性、耐温性、机械强度、结晶能力、硬度膨胀系数氧化镁析晶能力、粘度（加25%时）耐温性、化学稳定性、机械强度氧化钡化学稳定性相对密度、折射率、析晶能力氧化铅化学稳定性、硬度折射率氧化锌膨胀系数耐温性、化学稳定性、机械强度氧化钙耐温性膨胀系数、硬度、化学稳定性、机械强度、析晶能力二、耐辐射玻璃光学玻璃在吸收x射线和γ射线后，会着色、变暗甚至变得不透明，导致仪器无法正常工作。原因：光学玻璃在x射线和γ射线的作用下形成电子空穴对，这些电子空穴对与玻璃种的缺陷形成色中心；多价态金属氧化物在x射线和γ射线的作用下发生价态改变，形成吸收带。解决方案：加入Ce离子。作业：在普通光学玻璃种加入Ce离子，为什么可以抗辐射？19折射率、色散系数与标准数值的允许差值以及一致性，光学均匀性，应力双折射，条纹度，气泡度，光学吸收系数，耐辐射性能光学玻璃的主要质量指标1、折射率、色散系数与标准数值的允许差值Δnd、Δνd二、无色光学玻璃的质量指标及检测方法折射率？色散？nD------钠光谱D线(589.3nm)测量值；nd------钠光谱d线(587.6nm)测量值（国标规定）；通常说的玻璃折射率指d光的折射率波长（nm）谱线符号404.7h435.8g486.1F546.1e589.3D656.3C766.5A’类别折射率nd的允许差值00±2×10-40±3×10-41±5×10-42±7×10-43±10×10-44±20×10-4折射率与标准数值的允许差值类别色散系数νd的允许差值00±0.2%0±0.3%1±0.5%2±0.7%3±0.9%4±1.5%色散系数与标准数值的允许差值Nd＞折射率及色散系数的测量：V棱镜法（国标规定）临界角法（常用方法）2、一致性3、光学均匀性光学均匀性是指同一块玻璃中折射率的渐变。由于退火炉内各处温度不均匀所引起的。小块玻璃用鉴别率比值法测量。大块玻璃用多光束干涉仪测量。光学均匀性测试（对于小块玻璃）光学均匀性测试（对于小块玻璃）对于测量结果为1和2类，补测星点图。1：圆亮环无断裂、无尾刺、畸角和变形现象。2：变形不严重，大体保持圆环、两环间距大体相等，每个环的宽度允许变化，但不应断裂。光学均匀性（对于大块玻璃）4、玻璃应力双折射当玻璃受到外力作用，或者退火过程中由于玻璃内外温度不一致，或者退火炉内各处的炉温不一致等都会产生双折射。可分为中部应力和边缘应力。应力双折射分类应力双折射测试5、玻璃的条纹度条纹是玻璃内部折射率的局部不均匀，引起光的方向变异，主要由玻璃熔炼过程中各部分成分不同引起。最易引起条纹的玻璃是ZF类，其次为F、BaF、BaK等。玻璃的条纹度测试玻璃的条纹度分类6、玻璃的气泡度玻璃内部气泡相当于微小的透镜，引起光的散射和折射。最易引起气泡的玻璃是BaK、BaF、ZK等。气泡度检验玻璃气泡度分类(1)按最大气泡的直径分为3类(2)按气泡的总截面积分7级。级别100cm3玻璃中，直径≥0.05mm的气泡平均数(个)a00a0abcde123.3103090180(3)按气泡的数量多少分为7级7、光吸收系数

1cm厚的光学玻璃所吸收的白光光通量与进入该玻璃的白光光通量之比。玻璃透射率测试装置三、光学玻璃的化学稳定性玻璃抵抗潮湿空气、水、酸、碱、盐的侵蚀能力。1、耐水性(耐潮稳定性)

水和水蒸气对玻璃具有侵蚀作用（玻璃的水解反应）；空气中的二氧化碳也能溶解在水中，生成少量碳酸，碳酸虽然为弱酸，但能于硅酸盐起化学反应，从而加剧玻璃的腐蚀。耐水性测试及分类测试条件：70±1℃；RH=100%；一周1级:浊度值≤BaK7的浊度值，无水斑；2级:浊度值≤BaK7的浊度值，有水斑；3级:浊度值＜ZK9的浊度值；4级:浊度值＞ZK9的浊度值。浊度H=(TA-TB)/TA2、耐酸性

酸对玻璃的腐蚀主要是发生了Na+和H+的交换，生成易溶解的盐类，使玻璃的溶解加速。3、耐碱性

碱性溶液中的OH-离子会对玻璃中的硅原子产生破坏，使硅氧键断裂，玻璃腐蚀严重。四、光学玻璃的其他性能密度硬度脆性抗张强度(3.0-8)×106Pa、抗压强度(5.0-20)×108Pa弹性热性能线热膨胀系数导热系数转变温度退火温度折射率温度系数第四节有色光学玻璃一、种类及光谱特性（一）截止型玻璃（硒镉着色玻璃）着色剂：半导体化合物CdSe、CdS特征：一个宽的高透过区和一个高吸收区，在两者之间有一个过渡区，此外光谱透过率的变化是异常迅速的；其光谱特性是吸收短波，透过长波区。品种：HB、JB、CB（二）选择吸收玻璃（离子着色玻璃）离子着色—利用过渡金属和二价铜稀土元素等离子对光谱区的吸收作用制成的玻璃。着色剂：Co、Ni、Cu、Mn、Cr、Ti、Mo、U等的氧化物。特征：对某一光谱区有显著的“拦截”或“透明”，即对某一波段吸收多一些，而对另一波段透过多一些。种类：ZWB、ZB、QB、LB、HWB，FB、BB（三）中性玻璃特征：在可见光区域内能比较均匀地降低光源的光强度，而不改变其光谱成分。牌号：AB1、AB2、AB3、…、AB10有色光学玻璃的特点和用途玻璃种类着色剂特点用途硒镉玻璃胶体CdSe,CdS宽的高透射、高反射区；（截止滤光片型）截止滤光片或与薄膜组合应用。黄、橙、红色滤光片。离子着色选择吸收玻璃Co,Ni,Cu,Mn,Cr,Ti,Mo,U等氧化物具有一定的通带（阻带）；（带通带阻滤光片型）多用于光源；紫、蓝、绿滤光片中性玻璃在可见区内均匀改变光强度；（均匀衰减型）中性滤光片或衰减片第五节特种光学玻璃一、光学石英玻璃优良的光谱特性耐高温和热膨胀系数小化学稳定性好机械性能好各种光学石英玻璃所能达到的最高类别

JGS-1

JGS-2

JGS-3生产方法合成CVD气炼电熔

气泡类别

0

2

2

双折射

1-2

1-2

1-2

颗粒结构

1

2

2

条纹

1-2

1-2

2

均匀性

1-2

2

2

荧光

1

2

2

防辐射性能不变色轻微变色变色其在可见光的透过率均大于90%第四篇光学塑料光学塑料非球面元件光盘读出光学系统的变迁一、组成主要成分：高分子聚合物—树脂。添加增强剂、增塑剂、稳定剂和润滑剂来改善性能。光学塑料分为热塑性和热固型光学塑料。二、光学塑料的主要特性（一）优点相对密度小耐冲击强度高透红外、紫外性能好耐温度骤变能力强易成型、成本低（二）主要缺点热膨胀系数高，吸水性大耐磨性差光学常数选择范围有限难以达到很高的面形精度存在双折射PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）—王冕塑料、有机玻璃、雅克利PS（聚苯乙烯）—火石塑料PC（聚碳酸酯）ADC或CR39（烯丙基二甘醇硝酸酯）环氧光学塑料三、几种常用光学塑料名称折射率基本特性工作温度PMMA有机玻璃1.49~1.5176PS聚苯乙烯1.58~1.6便宜，着色力强，易于成型。与PMMA组合构成消色差系统。用于低温环境93PC聚碳酸酯1.585~1