第八章 透光与导光材料

光功能材料基本知识光是一种电磁波，各种电磁波的能量、波长和频率见左图。材料的光学性能是指材料对电磁波辐射、特别是对可见光的反应，主要是用材料对电磁波的吸收、反射和透射特性来衡量。一、材料的光学性能光功能材料基本知识当一束强度为I0的光入射到玻璃中时，在材料的表面会发生光的反射，另外光也会透过玻璃，常常透过的光的强度小于入射强度，这往往是由于玻璃会吸收一部分光。光的入射、反射、透射、吸收和强度关系：I0＝IR+

IT+

IA透射率T：T=IT/I0吸收率A：A=IA/I0反射率R：R=IR/I0一、材料的光学性能T+A+R=1透射率、吸收率和反射率的大小不仅与材料有关，还与光波的波长有关。光功能材料基本知识根据透射率、吸收率和反射率之间的相对大小，材料可分为：光透明的(transparent)材料：A、R很小，可见光几乎可以全部透过。光半透明的(translucent)材料：可见光穿透比较困难。光不透明的(opaque)材料：不能透过可见光。光的折射折射率和相对折射率折射率与材料和入射光的频率有关。

一、材料的光学性能光功能材料基本知识固体材料的透射、吸收和反射等光学性能的本质涉及电磁波与材料中原子、离子或电子的相互作用，最重要的二点是电子极化和电子的能量转换。1、电子极化二、材料光学性能的本质电子极化影响介电常数，折射率与介电常数有关，反射率与反射界面二侧介质的折射率有关，所以电子极化对光学性能有很大影响。2、光子与电子的能量转换光具有波动和微粒二重性，当考虑光与电子之间的能量转换时，光当成粒子，称为光子。光功能材料基本知识二、材料光学性能的本质2、光子与电子的能量转换光子是最早发现的构成物质的基本粒子之一。光子所具有的能量不是连续的，与频率v有关，光子能量E=hv。当电子与光子间发生能量转换时，或是吸收一个光子的能量，或是发射出一个光子，而不能只交换一部分光子的能量。光功能材料基本知识二、材料光学性能的本质2、光子与电子的能量转换对于电子来说，从光子处吸收的能量或给光子的能量也不是任意的，而是要刚好等于材料中电子可能存在的能级的能量差。电子和光子彼此间能量交换的这种“苛刻”条件，导致不同的材料具有完全不同的光学性能。当光子的能量给了电子，光被材料吸收；当受光激发的电子回落到低能级放出光子，光被材料反射。第八章透光和导光材料

透光材料包括透可见光(波长0.39～0.76μm)、红外光(波长1～1000μm)和紫外光(波长0.01～0.4μm)的材料。一、透光材料的特征值

1.透射率

T

透射率T为透射光强IT

与入射光强I0

之比T=IT/I0，也称透光率。§8.1透光材料

入射光强Io，射入介质的光强为(1-R)Io，反射掉部分光强为IoR。第八章透光和导光材料

一、透光材料的特征值

1.透射率

T

射入介质的光在穿过介质时被吸收一部分后，达到介质另一面的光强为:

Io(1-R)e-al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:

IT

＝Io(1-R)2e-al§8.1透光材料

透射率T为:T=(1-R)2e-al

α吸收系数；l介质长度。一般取介质长度为1Omm的值作为标准。第八章透光和导光材料

一、透光材料的特征值

2.光密度D

§8.1透光材料

3.内透射率θ

内透射率θ所表示光线在透过介质时，只考虑吸收不考虑反射的特征值。Dr－反射修正值。光密度的物理意义：吸收(0.434αl)和反射(Dr)两部分损失之和。

吸收系数越大时，θ值就越小，材料的透光性能就不好。第八章透光和导光材料

一、透光材料的特征值

4.平均色散系数υD

透光材料中光学玻璃通常按折射率nD和平均色散系数υD两个光学常数进行分类。

平均色散系数的表示为:§8.1透光材料

υD－平均色散系数，也称阿贝数；（数值越小色散现象越厉害）nF－材料对标准谱线F(λ=4861.3Å)的折射率；

nC－材料对标准谱线C(λ=6562.7Å)的折射率；

nD－材料对标准谱线D(λ=5892.9Å)的折射率。nF-nC－平均色散，也称中部色散。对于玻璃，υD＞50称冕玻璃，υD＜50称火石玻璃。第八章透光和导光材料

二、透光材料的种类

透可见光的材料常用的有玻璃和高聚物两大类。

玻璃材料的优点：透射率最高(可高达98％以上)，折射率范围大(1.44～1.94)，色散系数范围大(υD=20～90)光学稳定性好，耐磨损。

玻璃材料的缺点：密度大(2.27～6.26g/cm3)，耐冲击强度低，加工困难，制造周期长。

目前，玻璃仍是制造各种光学元件特别是高、精光学元件的最主要的材料。

§8.1透光材料

第八章透光和导光材料

二、透光材料的种类

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甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、苯乙烯丙烯腈共聚体、聚甲基异戍二烯、透明聚酰胺等。高聚物材料材料的透射率已达到90％左右，有的原来透射率不太高的树脂如PVC也已经制出透射率达到90％的产品。不仅已用于眼镜和低档照相机上，而且已逐步应用于显微镜、天文望远镜、夜视仪、制导系统、测距机等各种中高档光学仪器上。§8.1透光材料

第八章透光和导光材料

二、透光材料的种类

高聚物透光材料的优点：重量轻(密度为0.83～1.46g/cm3)、成本低、制造工艺简单、不易破碎，可用来制作各种透镜、棱镜、非球面镜、反射镜等各种光学元件。透光高聚物的缺点：折射率范围窄，热胀系数、双折射和色散大，耐热、耐磨、硬度、耐湿和抗化学性能差。§8.1透光材料

第八章透光和导光材料

二、透光材料的种类

（一）透光高聚物的新品种

1.高折射率高聚物透光材料

(1)溴取代芳香族聚合物(2)含重金属的单体聚合物(3)含苯环的单体(4)含硫的聚合物(5)含磷聚合物高折射率的聚合物，特别是密度较低的，其色散往往较大。§8.1透光材料

2.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，且具有良好的色散性、耐热性和耐腐蚀性。第八章透光和导光材料

二、透光材料的种类

3.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折射率各向异性。4.耐热的透光高聚物

在透光聚合物分子中引入耐热单体、大的侧基和提高交联度都可以提高其耐热性。5.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。交联型含有氨基甲酸酯官能团树脂的铅笔硬度可达5H～9H。但交联太高，刚性也增大。§8.1透光材料

第八章透光和导光材料

二、透光材料的种类

6.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。常用单体MMA、HEMA、乙烯基吡咯烷酮等。如聚N-乙烯基吡咯烷酮-MMA-VAE-EMA的吸水率达87％。（二）透光玻璃的新品种1.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，包括有光学石英玻璃、透紫外黑色玻璃、钠钙硅透短波紫外玻璃以及钠钙透紫外玻璃等。§8.1透光材料

第八章透光和导光材料

二、透光材料的种类

（二）透光玻璃的新品种1.透紫外玻璃光学石英玻璃是透紫外线最好的材料，它在紫外波段有很好的透过性能。紫外透过限180nm。透紫外黑色玻璃对400～700nm的可见光是不透明的，对300～400nm的紫外光有很高的透射率，国外称这种玻璃为伍德氏玻璃。钠钙硅透短波紫外玻璃能透过254nm的短波紫外线，是制作热阴极低压汞灯的理想管壁材料。钠钙透紫外玻璃允许透过280～35Onm以上的中波紫外线，不能透过28Onm以下的对人体有害的短波紫外线。§8.1透光材料

第八章透光和导光材料

二、透光材料的种类

（二）透光玻璃的新品种1.透紫外玻璃

除此之外，许多碱卤化合物晶体和碱土-卤化物晶体在紫外区域也有较好的透过性能，但由于这些晶体的物理化学，性能大多不如光学石英玻璃稳定，制备工艺也比较复杂，真正能够在紫外光谱分析仪上代替光学石英作分光棱镜的晶体材料为数很少。2.水合玻璃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光学材料。§8.1透光材料

第八章透光和导光材料

二、透光材料的种类

（二）透光玻璃的新品种2.水合玻璃和梯度折射率光学材料

水合玻璃由于不易控制其含水量尚未实际应用。

梯度折射率光学材料可用玻璃、高分子和晶体制成。材料的折射率可沿轴向、径向、球向三个方向之一而变化。§8.1透光材料

为了提高透光材料的透射率，往往在其表面涂上一层增透膜。单层膜材料的折射率小于被涂材料。

常用的材料有MgF2、SiO3、Al2O3、Ti02、SiO2和有机硅(钛)化合物等，取决于镀膜方法和膜的层数。

镀膜方法有：真空蒸镀、化学镀、激光镀和离子镀。膜层有：单、双和三层。第八章透光和导光材料

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，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。§8.2光纤材料

一、光在光纤中传输的基本原理

1、全反射现象

光的全内反射现象是一切光纤的工作基础。折射率n1＞n2，入射角φ1＞临界角φ0。第八章透光和导光材料

一、光在光纤中传输的基本原理

2、光在光纤中传播原理光学纤维中光的传送是利用光的全反射原理。§8.2光纤材料

入射光束以大于φ0的角度入射到芯子与包层的界面上，光线在界面上发生全反射，在芯中以锯齿状路径曲折前进，不会穿出包层，避免光在传播时的折射损耗。

光纤材料按结构分类：（1）包层型：折射率在皮和芯界面上呈突跃变化。（2）自聚焦型：折射率随半径呈梯度指数变化。第八章透光和导光材料

一、光在光纤中传输的基本原理

3、传输模式

光在纤维中传输有一定的传输模式。（1）一种模式或波型

具有一定频率、一定的偏振状态和传播方向的光波。传输模式是光学纤维最基本的传输特性之一。（2）光纤按传输模式分类

单模光纤：一种光学纤维只允许传输一个模式的光波。

多模光纤：一种光纤允许同时传输多个模式的光波。

§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

一、光在光纤中传输基本原理

4、子午光线和斜光线

光学纤维具有均匀的芯子(半径为r，折射率为n1)和均匀的包层(折射率为n2，n2＜n1)。

通过这种纤维的光线有子午光线和斜光线两种。

子午光线：在一个平面内弯曲行进的光线，在一个周期内和光学纤维的中心轴相交两次。

作为子午光线行进的条件：§8.2光纤材料

斜光线：不通过光学纤维的中心轴的光线。第八章透光和导光材料

一、光在光纤中传输的基本原理

5、数值孔径NA光学纤维的数值孔径NA定义为:§8.2光纤材料

根据子午光线行进的条件，NA值越大，φ0可以越大，因而有较多的光线进入芯子。

但NA太大时，对单模传输不利，因为它易激发光的高次模传播方式。

第八章透光和导光材料

二、光纤材料特征值

1、传输损耗Q传输损耗指光在纤维中传输途中的损耗，表示为：Q=10log(I2/I1)(dB/km)

I1－入射光强；I2－出射光强；Q－传输损耗(dB/km)。|Q|越大，光信息传播的距离就越短；|Q|越小，光信息传播的距离就越远。

传输损耗Q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。§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

二、光纤材料特征值

1、传输损耗Q

形成光学纤维传播损耗的机理有吸收损耗、本征散射和波导散射三种。（1）吸收损耗

吸收损耗是一个重要的损耗，又可分本征吸收、杂质吸收和

OH-离子吸收。本征吸收：物质的固有吸收，是组分原子振动产生的吸收，位于8～12μm的红外区域和一个紫外波段。杂质吸收：主要有

Cu2+、V3+、Cs3+、Mn3+、Fe2+、C02+

和Ni2+

等杂质，它的吸收峰位于可见和红外区域。§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

二、光纤材料特征值

1、传输损耗Q（1）吸收损耗OH-离子吸收：一种重要的杂质吸收损耗。在熔融石英玻璃中，OH-的吸收带位于0.5～1.Oμm波段，OH-的基本吸收峰位于2.7μm附近。（2）本征散射

本征散射是物质散射中最重要的，又称为瑞利散射。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，与波长的四次方成反比。这种损耗随波长的增加而很快减小。§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

二、光纤材料特征值

1、传输损耗Q（2）本征散射另外，掺杂不均匀(如扩散不均匀)也能引起散射，产生损耗。（3）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，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。

§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

二、光纤材料特征值

2、传输带宽

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，以光脉冲方式进行传输，信息通过调制方式加到光频载波上。载波光按信息要求调制成一个光脉冲，光脉冲的调制频率愈高，传输的信息容量愈大。影响传输带宽的两方面主要因素：（1）光脉波形冲畸变和展宽

经输送的光脉冲(方波窄脉冲)传输一段距离后发生畸变和展宽(成钟形的方波脉冲)，展宽的结果使光脉冲波型重叠，结果分辨不出所携带的信息。§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

二、光纤材料特征值

2、传输带宽

影响传输带宽的两方面主要因素：（1）光脉波形冲畸变和展宽（2）色散

光学纤维的传输带宽受到材料色散、模式色散和构造色散的限制，不能无限制地增高光脉冲的调制频率，提高传输的信息容量。

材料色散：介质的折射率是波长的函数，不同波长的光在介质中的折射率不一样。

模式色散：不同模式的光脉冲在光学纤维中传播速度不同所产生的传输时间差。§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

二、光纤材料特征值

2、传输带宽

影响传输带宽的两方面主要因素：（1）光脉波形冲畸变和展宽（2）色散

构造色散：由光纤结构上的原因引起的光传播速度的变化。

在多模光纤中，限制传输带宽主要因素是模式色散。

在单模光纤中，影响传输带宽主要因素是材料色散。3、模式分布和数值孔径§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

三、光纤材料的种类

光纤的种类很多，分类方法也多种多样。1、按芯和包层的折射率分类按芯和包层的折射率分布可分为阶跃型、梯度(渐变)型、色散移位型和色散平坦型。（1）阶跃型光纤

阶跃型光纤由折射率为nl的均匀芯和折射率为n2＜nl的包层构成，径向折射率呈阶跃型分布。

§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

三、光纤材料的种类

（2）梯度型光纤梯度型光纤的折射率从轴心沿径向呈梯度减少，折射率分布一般呈抛物线。（3）色散位移型光纤

色散位移光纤型是把零色散的波长位移到最低损耗窗口波长，如一般石英光纤零色散波长为

l.30μm，而最低损耗窗口却为1.55μm，此时损耗最低为0.14dB/km，但色散却达到20ps/km·nm。§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

三、光纤材料的种类

（3）色散位移型光纤如改变其折射率分布，作成色散位移型光纤，零色散可移至1.55μm处，此时损耗仍在0.17dB/km以下。

（4）色散平坦型光纤

色散平坦型光纤是使某个波长范围内的色散都处于一个平坦的低值。如色散平坦单模光纤的几种折射率分布可使1.3～1.6μm波段的色散小于2ps/km·nm。§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

三、光纤材料的种类2、按传输模式分类

按传输模式不同，可分为单模光纤和多模光纤。3、按光纤材料的组分分类

按光纤材料的组分分可分为石英光纤、多组分氧化物玻璃光纤、非氧化物玻璃光纤、晶体光纤和高聚物光纤。（1）石英光纤石英光纤是以SiO2

为主成分，添加GeO2、P2O5、B2O3等物质制成的。目前，通信用光纤都是高SiO2

玻璃光纤。这类材料主要优点是损耗小于0.5dB/km，传输距离可达30公里，而且失真小。石英光纤是长距离光通信的主要材料。

§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

三、光纤材料的种类（2）多组分氧化物玻璃光纤

多组分氧化物玻璃光纤由Na2O、B2O3、SiO2、CaO、TiO2等成分组成。

这类材料熔点低，制作设备简单，可以制成几十千米的长纤维，因其损耗较大(4～7dB/km)，通信上极少采用。

但此类光纤易做到大数值孔径(NA可达0.5)，比光源或光检测器的耦合效率高，可用于对损耗要求不那么苛刻的传感器领域内。§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

三、光纤材料的种类（3）非氧化物玻璃光纤

非氧化物玻璃光纤包括卤化物玻璃光纤、硫族化合物玻璃光纤和硫卤化合物玻璃光纤。

非氧化物玻璃光纤所含的阴离子，如F-、Cl-、S2-和Se-2都比O2-原子量大，比氧化物玻璃光纤透红外性能好，窗口波长长，理论损耗也小。

非氧化物玻璃光纤组分和性能可调范围大，制备工艺也不复杂。§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

三、光纤材料的种类（3）非氧化物玻璃光纤

卤化物玻璃光纤目前可能实用的是氟化物玻璃光纤，其中以氟锆酸盐玻璃光纤为代表，目前长度为110m的此类光纤的最低损耗为0.65dB/km（2.59μm)。

硫族化合物玻璃光纤主要的是硫或硒和砷或镓的化合物系统。

如As40S60的损耗2.44μm波长时为35dB/km，而在5.3μm波长时可达到200dB/km，这类硫化物玻璃光纤在波长为1～6μm范围内损耗均较低。

§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

三、光纤材料的种类（3）非氧化物玻璃光纤

硫族化合物玻璃光纤主要的是硫或硒和砷或镓的化合物系统。硒化物透光范围可以移到9μm，加人碲后，可以移至11μm，如Ge22Se20Te58玻璃光纤10.6μm处损耗约1000dB/km。

硫卤化合物玻璃光纤可分为二类：一类是原子量较低的硫和氯为主要成分；另一类是原子量较高的碲、硒、溴和碘为主要成分。§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

三、光纤材料的种类（3）非氧化物玻璃光纤

硫卤化合物玻璃光纤有更好的透红外性能，如Te3Se4I3在8～11μm波段有较低的损耗，在10.6μm处损耗已达4800dB/km，其CO2激光抗损能力达40KW/cm2。

非氧化物玻璃光纤的红外透光性好，在超远距离通信、高功率激光传输、纤维激光器和光纤传感器方面将有广泛的应用前景。§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

三、光纤材料的种类（4）晶体光纤

晶体光纤是由晶体材料制成的，主要有YAG(Y3Al5O12)系、YAP(YAlO3)系、Al2O3系、LN(LiNb2O3)系、LBO(LiB3O5)系、BSO(Bi12SiO20)系和卤化物系等晶体光纤。晶体光纤主要优点：具有更宽的红外波段窗口和其器件与普通光纤间的耦合性能好。石英光纤的工作波段为0.85μm和1.30μm，目前达到的损耗已接近其极限值，降低的空间已很小。§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

三、光纤材料的种类（4）晶体光纤为了实现超远距离通信，必须使光纤在更长波长的红外窗口波段工作，这样才能得到更低的损耗。因此，研究红外光纤已成为当今光纤研究的主要方向。非氧化物玻璃光纤和晶体光纤以及重金属氧化物光纤都属于红外光纤的类型。红外光纤的最低理论损耗可达到10-2～10-4dB/km。实际上目前尚未做到，其降低空间很大。

§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

三、光纤材料的种类（4）高聚物光纤高聚物光纤一般是以较高折射率的高聚物透光材料为芯材，以较低折射率的高聚物为皮层。1964年美杜邦公司研制了商品名为Crofon的PMMA系光纤，1984年日三菱公司研制了EskaExtra商品名的PMMA和自系光纤，损耗为125dB/km(567nm)。以后日本电信电话公司又研制了损耗为55dB/km(567nm)，而氧化PMMA系光纤损耗可达20dB/km(68Onm)。§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

三、光纤材料的种类（4）高聚物光纤

高聚物光纤和石英光纤相比，损耗大，频带窄，但口径大，数值孔径大，可挠性好，加工方便，价格低，易连接。

在短距离传输时，有一定的优势。对于短距离传输如200m以下，目前高聚物光纤损耗可满足要求，但传输距离大于500m时，要求损耗要小于50dB/km，工业化生产的PMMA光纤不易达到，氘化PMMA光纤的传输距离可超过1km，但价格较贵。另外，高聚物光纤的耐热性和容量也必须提高。§8.2光纤材料

第八章透光和导光材料

三、光纤材料的种