第10章-光学材料

第10章光学材料光学材料是传输光线的材料，这些材料以折射、反射和透射的方式，改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定要求和路径传输，也可吸收或透过一定波长范围的光线而改变光线的光谱成分。10.1激光材料10.1.1激光的产生英文名：LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)“镭射”、“莱塞”中文名：1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。世界上第一台激光器的诞生，使激光技术成为一门新兴科学发展起来，在光学发展史上翻开了崭新的一页。激光的出现极大地促进了光学材料的发展，目前已有数百种新型激光工作物质。1.自发辐射与受激辐射材料中原子处于不同能量状态，一个原子吸收外界能量后由低能态跃迁到高能态的过程称为“激发”。处于高能态的原子是不稳定的，它可自发恢复到低能态，并伴随有光的发射，称为自发辐射。高能原子发生自发辐射前，受外来光子(能量为E2-E1)的刺激，可从E2跃迁到E1，同时辐射一个与外来光子同频率、同位相、同方向、同偏振态的光子，称为受激辐射。受激辐射4(a)：自发辐射处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光子；光子能量：宏观表现：发光2.材料发光与电子跃迁方式5(b)：受激(自发)吸收处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸收一个光子，跃迁到高能级态；宏观表现：光被吸收6(c)：受激辐射处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。宏观表现：光被放大7普通光源普通光源是光的自发辐射。特点：多波长、任意方向、不相干。普通光源向四面八方辐射,光线分散到4p球面度的立体角内。用一个光子去激发位于高能级的电子或离子，使之放出光子，受激发射产生的光就是激光。如果使材料中多数能发生受激辐射的原子或离子都处于激发状态，再用外界光感应，使所有处于激发状态的原子和离子几乎同时产生受激辐射而回到低能态，将发出具有强大能量密度的光束。高能激光束3.电子能态分布（1）波尔兹曼分布率根据统计力学原理，大量相同粒子(原子、离子、分子)集合处于热平衡温度下，粒子数按能级的分布服从波耳兹曼分布规律。形式：在热平衡条件下绝大部分粒子处于基态，即处于低能级上的粒子数总多于高能级上的粒子数，因而受激吸收总占优势。这叫粒子数正常分布。（2）粒子数反转要想使受激辐射占优势或者说占主导地位，就必须使N2>N1。如果借助于外界的激励，破坏粒子的热平衡分布，就可能使高能级E2的粒子数N2大于低能级E1的粒子数N1。由于它同正常分布相反，所以叫粒子数反转分布。粒子数反转分布的作用在于当外来光辐射时，受激辐射总是大于受激吸收，因而产生了光的放大信号。实验证明，许多物质给予一定激励后，能实现这种反转分布，它为激光的产生提供了基础。

10.1.2激光特点及应用1.方向性好：亮度高：由于激光的发射能力强和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高亿万倍，比太阳表面的亮度高几百亿倍。亮度是衡量一个光源质量的重要指标，若将中等强度的激光束经过会聚，可在焦点出产生几千到几万度的高温。发散角小：激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散角极小，大约为0.001rad，接近平行。1962年，人类第一次用激光照射月球，地球距离月球的距离大约为310万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。11激光能量在时间和空间上高度集中，能在极小区域产生几百万度的高温。激光加工、激光手术、激光武器等就利用了高亮度的特点。激光测距

激光切割激光打孔132.单色性好：光的颜色由光的不同波长决定，不同的颜色，是不同波长的光作用于人的视觉的不同而反映出来。激光的波长基本一致，谱线宽度很窄，颜色很纯，单色性很好。由于这个特性，激光传递信息的容量大，实现光通信。

计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性好的特点。光缆舞台效果143.相干性好：相干性是所有波的共性，但由于各种光波的品质不同，导致它们的相干性也有高低之分。普通光是自发辐射光，不会产生干涉现象。激光不同于普通光源，它是受激辐射光，具有极强的相干性，所以称为相干光。激光具有很好的相干性。普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米，激光可达几十公里。全息照相、全息存储等就利用了相干性好的特点。

全息摄影亦称：“全息照相”，一种利用波的干涉记录被摄物体反射（或透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技术。全息摄影是通过一束参考光和被摄物体上反射的光叠加在感光片上产生干涉条纹而成。全息摄影不仅记录被摄物体反射光波的振幅（强度），而且还记录反射光波的相对相位，因此得到的照片显得更加立体。16其它应用—激光医疗、美容整形激光打印机10.1.3固体激光材料激光系统最重要的是激光工作物质，分为固体、液体和气体激光工作物质。固体激光器是最重要的一种，不但激活离子密度大，振荡频带宽，能产生谱线窄的光脉冲，而且具有良好的机械性能和稳定的化学性能。固体激光器绝大部分激光晶体是含激活离子的荧光晶体，按照晶体组成可分为掺杂型激光晶体和自激活激光晶体两类，前者占现有激光晶体的绝大部分。掺杂型激光晶体由激活离子和基质晶体组成。1.激活离子：过渡族金属离子、三价稀土离子、二价稀土离子等。Nd3+激光阈值极低，可实现连续运转，已成为晶体激光器中最重要、应用最广的激活离子。掺杂激光晶体发射的激光束金属激活离子离子Ti4+V2+Cr3+Mn2+Fe3+Co2+Ni2+Cu2+3d壳层电子数1335671010离子半径/nm0.0670.0790.0620.0650.0640.0650.0690.096离子Pr3+Nd3+Sm4+Eu3+Dy4+Ho3+Er3+Tm4+Yb3+4f壳层电子数2356910111213离子半径/nm0.1140.1120.1090.1070.1030.1020.1000.0990.09102.基质晶体：氧化物和复合氧化物晶体具有熔点高、硬度大，物理化学性能稳定，掺入三价激活离子不需电荷补偿等特点，是应用最广的一类基质晶体，如Al2O3、Y2O3、La2O3、Gd2O3、Y3Al5O12(YAG)、Gd3Al5O12(GAG)、Y3Ga5O12(YGG)等。Al2O3、YAG等氧化物晶体已获得广泛的应用。还有一些氟化物晶体、含氧金属酸化物晶体。3.典型的激光材料：掺杂型激光晶体有稀土激活离子和过渡族激活离子两大类，前者以掺Nd钇铝石榴石(Nd3+：YAG)为代表，后者以红宝石(Cr3+：Al2O3)为代表。红宝石是在晶体氧化铝(Al2O3)中掺入少量的Cr2O3，由Cr3+部分取代Al3+而成，激活离子Cr3+。晶体颜色为淡红色，它是刚玉的一种。能级结构：铬失去的三个电子跃迁形成高能级电子，在光的激发下可受激发射而发光。红宝石激光器发射的波长为可见红光，很容易进行探测和定量测量，在激光器的基础研究、强光光学研究、激光光谱研究、激光全息技术、激光雷达与测距方面有广泛应用。红宝石激光器Nd：YAG激光器阈值比红宝石低，增益系数大，重复率可达每秒几百次，每次输出功率可达百兆瓦以上，用于军用激光测距和制导用激光照明等领域。这种激光器是唯一能在常温下连续工作，且具有较大功率的激光器。Nd：YAG激光器4.半导体激光材料受激辐射的激发方式主要有三种：光辐照、电子轰击和向p-n结注入电子，其中p-n结注入电子是半导体产生激光的重要方式。半导体激光器是固体激光器中重要的一类，又称激光二级管，它是利用少数载流子注入产生受激发射的器件。原理：半导体器件p-n结二极管，在电流正向流动时会引起激光振荡二极管引起激光振荡的三个条件:具有合适的能级分布的激光物质，光转换效率高，要求直接带隙；阈值电流：足够浓度的载流子；谐振器：二极管的两个侧面作为反射镜。半导体激光器的常用结构：双异质结优点：减小阈值电流，在室温下连续工作。制备方法：用带隙和折射率不同的两种材料在适当的基片上外延生长而成。常用材料GaAs、AlAs，晶格常数相差仅0.14%，消除结面缺陷。三明治夹层结构：p型的GaAs夹在GaAlAs之间，GaAlAs一个p型，一个n型。GaAlAs比GaAs有高的带隙，可借助高带隙界面位垒把电子限制在激活区内。电子及其产生的光被限制在激活区内，大大减少器件中的电流密度，可允许器件在较高的温度下工作，体积小、效率高、运行简单、价廉。GaAlAsGaAs半导体激光器的基本结构10.2光纤材料10.2.1光纤材料发展历程简介从1776年发明电话到20世纪的60年代末，通信线路是铜制导线。我国采用的10管同轴电缆加上金属护套，质量达4吨/公里，有色金属的消耗实在是太大。1929年和1930年，美国的哈纳尔和德国的拉姆先后拉制出石英光纤且用于光线和图像的短距离传输。此时的光纤波导的理论和应用技术进展相当缓慢，主要原因是当时光纤损耗太大，达到几百甚至一千多分贝/公里，这种光纤对通信是毫无用处的。世界光纤之父：高锟

1966年，高锟博士发表了著名的论文“光频介质纤维表面波导”，明确提出通过改进制备工艺，减少原材料杂质，可使石英光纤的损耗大大下降，并有可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤。261970年，美国的康宁玻璃公司（CorningGlassCo.）率先将高锟博士的科学预言变为现实，研制出在0.63210µm波长下损耗为20dB/km的石英光纤，取得了重要的技术突破。在短短几十年时间里，光纤的损耗已由1000dB/km下降到0.16dB/km，致使光纤通信在世界范围内形成一个充满活力的新兴产业。2720世纪100年代中期，全世界范围内的光纤通信开始走向实用化。石英玻璃光纤的质量为27克/公里。原料廉价，传输损耗小，不受外界电磁干扰，保密性强。1993年后，全球范围信息高速公路的建设。到2000年，世界光纤的年产量达到6000万公里以上，而已经铺设的光纤总长度到达2亿公里以上。正好印证了电子到光电子的跨越。光纤的出现带动了集成光学的发展。28目前，用户对带宽的理解和要求已经不同于以往。以前宽带服务提供商提供ADSL接入时向用户承诺最高可以达到2M、1M或者512Kbit/s的带宽，实际上远远达不到这个要求。电信服务承诺的概念被扭曲了，现在宽带用户逐渐成熟了，他们对这种承诺已经不接受，要求有光纤接入等新的技术来保证带宽。国内房地产建设市场的旺盛也给光纤接入注入了活力。我国每年新建房产上亿平方米，在新楼盘的建设中必然有接入网络的建设问题，而光接入显然是首选的接入技术。目前，我国光通信网络无论是网络规模，还是设备先进程度或技术应用水平，均达到了与世界先进水平同步的程度。从产业整体看，光通信领域已是我国高科技与世界一流水平距离最近的领域，完全达到与世界潮流同步。10.2.2光纤的基本概念及原理光纤是光导纤维的简称。光纤是以光脉冲的形式来传输信号，材质以玻璃或有机玻璃为主的网络传输介质。

当光由光密介质出射至光疏介质时（n1﹥n2，θ1﹤θ2）（a）折射角大于入射角：（b）临界状态：（c）全反射：入射角大于临界时，30光通信正是利用了全反射原理，当光的注入角满足一定条件时，光便能在光纤(光波导)内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。包层n2纤芯n1光纤中心轴线090-0包层n2空气n01结论：光纤传光的原理是光的全反射；只有当入射进光纤芯子中的光与光纤轴线交角小于一定值时，光线才能被耦合进入光纤传播；无论光源发射功率有多大，只有2θi0张角之内的光功率能被光纤接受传播。10.2.3光纤的结构涂层包层纤芯高石英玻璃有损耗石英玻璃一次被覆层（变性硅）硅树脂二次被覆层（尼龙）10.2.4光纤通信的主要特性1.光纤通信的优点：（1）光纤的容量大光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统，其载波—光波具有很高的频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信容量。（2）损耗低、中继距离长目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长区的损耗可低到0.110dB/km，比已知的其他通信线路的损耗都低得多，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其它介质构成的系统长得多。如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长(＞2μm)，光纤的理论损耗系数可以下降到10-3～10-5dB/km，此时光纤通信的中继距离可达数千、甚至数万公里。（3）抗电磁干扰能力强我们知道，电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能在电气化铁路附近铺设。（4）保密性能好对通信系统的重要要求之一是保密性好。然而，随着科学技术的发展，电通信方式很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近(甚至几公里以外)设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。更不用去说无线通信方式。（5）体积小，重量轻。（6）化学性能稳定。（7）节省有色金属和原材料。2.光纤通信的缺点：事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点。（1）不可过分弯曲；（2）光纤连接困难；（3）分路、耦合困难；（4）抗拉强度低、光纤怕水。3.光纤损耗（1）光纤材料的吸收与散射损耗；（2）光纤的弯曲辐射损耗；（3）光纤的连接；（4）耦合损耗。10.2.5光纤分类1.按纤芯折射率分布不同：n2n1n2n1n2n12a2arr=ar=0单模阶跃折射率光纤多模阶跃折射率光纤多模梯度折射率光纤剖面折射率分布可传播模式纤芯尺寸光耦合难度相对折射率差损耗单模光纤只可传输一种模式，最低价模式较小，约2~12µm难小：＝(n1-n2)/n1

＝0.0005~0.01小多模光纤可传输多种模式较粗，典型尺寸为50µm易大：＝0.01~0.02大按制造材料分类：石英光纤（高石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤）、晶体光纤、塑料光纤等。按用途分：

用于通信，如：光缆；用于传感器，如：光纤陀螺；用于传输图像，如：内窥镜；其它用途，如用于传输能量。光缆塑料光纤10.2.6光纤材料及制造1.石英玻璃光纤石英玻璃光纤以二氧化硅(SiO2)为主要原料，并按不同的掺杂量来控制纤芯和多组分玻璃光纤的折射率。包层中掺加F元素来降低折射率，纤芯中掺加二氧化锗（GeO2）提高折射率。为降低石英光纤的内部损耗，现都采用化学气相反应淀积法制取高纯度的石英预制棒，再拉丝，制成低损耗石英光纤。CVD法是根据半导体气相生长法发展起来的，这种方法用超纯氧气作载气，把超纯原料气体四氯化硅和掺杂剂四氯化锗（GeCl4）、三溴化硼(BBr3)、三氯氧磷(POCl3)等气体输送到以氢氧焰作热源的加热区。混合气体在加热区发生气相反应，生成粉末状二氧化硅及添加氧化物。继续升温加热，使混合粉料熔融成玻璃态，制成超纯玻璃预制棒，然后经加热(高频感应加热、电阻加热、氢氧焰加热)使料棒融化、拉丝。折射率通过添加氧化物的浓度加以调节。石英光纤与其它原料的光纤相比，还具有从紫外线光到近红外线光的透光广谱，除通信用途之外，还可用于导光和传导图像等领域。2.多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤的成分除石英外还含有氧化钠(Na2O)、氧化钾(K2O)、氧化钙(CaO)、氧化硼(B2O3)等其他氧化物。特点是多成分玻璃比石英的软化点低且纤芯与包层的折射率差很大。主要用在医疗业务的光纤内窥镜。多组分玻璃光纤采用双坩埚法制造。坩埚由尾部带漏管的内外两层铂坩埚同轴套在一起所组成。多组分玻璃料经过仔细提纯，芯料玻璃放在内层坩埚里，包层玻璃放在外层坩埚里。玻璃料经加热熔化后从漏管中流出。在坩埚下方有一个高速旋转的鼓轮，将熔融状态的玻璃拉成一定直径的细纱。漏孔的直径大小和漏管的长度决定芯子的直径与包层厚度的比值。3.红外光纤红外光纤主要用于光能传送，例如：温度计量、热图像传输、激光手术刀医疗、热能加工等，普及率尚低。目前正在研究的有重金属氧化物玻璃、卤化物玻璃、硫系玻璃和卤化物晶体等。重金属氧化物玻璃主要是指比重较石英玻璃大的氧化物玻璃，如GeO2、GeO2-SbO3、CaO-AI2O3；卤化物玻璃有BeF2、BaF2-CaF2-YF3-AlF3、GdF3-BaF2-ZrF4等；硫系玻璃主要指以S、Se、Te等元素为主体的单元或多元玻璃化合物。4.塑料光纤它是纤芯和包层都用塑料（聚合物）作成的光纤。早期产品主要用于装饰和导光照明及近距离光线路的光通信中，原料主要是有机玻璃（PMMA）、聚苯乙烯（PS）和聚碳酸酯（PC）。损耗受到塑料固有的C-H结合结构制约，一般每千米可达几十分贝。为了降低损耗，目前正在开发应用氟素系列塑料。5.其他光纤金属涂层光纤是在光纤的表面涂布Ni、Cu、Al等金属层的光纤。目的在于提高抗热性和可供通电及焊接。它是抗恶环境性光纤之一，也可作为电子电路的部件用。在光纤的纤芯中，掺杂饵(Er)、钕(Nd)、镨(Pr)等稀土族元素的光纤为掺稀土光纤。用1.47pm的激光进行激励可得到1.55pm的光信号。另外，掺镨的氟化物光纤放大器(PDFA)正在开发中。发光光纤是采用含有荧光物质制造的光纤。它是在受到辐射线、紫外线等光波照射时，产生的一部分荧光，可以用于检测辐射线和紫外线，以及进行波长变换，或用作温度敏感器、化学敏感器。从荧光材料和掺杂的角度上，目前正在开发塑料发光光纤。10.3红外材料红外材料是指与红外线的辐射、吸收、透射和探测等相关的一些材料。10.3.1红外线的基本性质红外线是英国赫舍尔在11000年发现的。它本质上和可见光一样是一种电磁波，波长在0.7~1000µm之间。红外线可分为三部分，即近红外，波长为0.75~1.50μm之间；中红外，波长为1.50~6.0μm之间；远红外，波长为6.0~l000μm之间（也有15.0~1000μm之间称为极远红外）。红外线的辐射起源于分子的振动和转动，而分子振动和转动起源于温度。所以在0K以上的温度下，一切物体均可辐射红外线，故红外线是一种热辐射，有时也叫它热红外。也就是说，我们周围所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体，都会不停地发出热红外线（热辐射）。红外线的特性（1）“大气窗口”现象大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3~5μm和10~14μm的热红外线却透过率很高。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口”。利用这两个窗口，可以使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到前方的情况。（2）物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。10.3.2红外辐射材料常用的发射率较高的红外辐射材料有碳、石墨、氧化物、碳化物、氮化物以及硅化物等。

红外辐射搪瓷、红外辐射陶瓷以及红外辐射涂料等是一般红外辐射材料通常使用形式。红外辐射涂料通常涂敷在热物体表面构成红外辐射体。红外辐射涂料中一般都选用在工作温度范围内发射率高的材料。红外辐射涂料由辐射材料的粉末与粘接剂（无机）等按适当比例混合配制而成。

部分红外辐射涂料的性能及规格名称型号法向发射率使用温度℃适用基体氧化铁HS-1-10.101060~600陶瓷氧化铬HS-2-10.101锆质陶瓷HS-3-1-特质氧化铁HS-1-20.10560~600陶瓷、金属特质氧化铬HS-2-20.106锆质陶瓷HS-3-20.104特质碳化硅HS-4-20.107碳化硼HK-B-60~600陶瓷、金属氧化铁HY-10.10260~600陶瓷氧化铬HY-20.103锆英粉HY-30.109碳化硅HY-40.105红外辐射材料的应用1．用于热能利用方面（1）红外加热：利用热辐射体（如红外加热器）所发射出来的红外线，照射到物体上并被吸收后转换成热（或同时伴随其他非热效应），从而达到加热、干燥的目的。如在机械和金属领域用于机械设备的金属部件、车架、船舶的喷漆烘干，铸型的干燥等；在化工领域用于热塑性树脂的干燥、纸浆和药品的干燥、玻璃和陶瓷的预热和烧结等；在医疗领域用于促进血液循环和汗腺的分泌、外伤的治疗等；在食品工业领域用干冷冻谷类捆包前的脱水、冷冻食品的解冻、稻谷水果的烘干等等。（2）作为耐火材料：高发射率红外辐射涂层属于不定形耐火材料中的一种，一般被涂于加热炉的炉衬耐火砖或耐火纤维毡表面，也可涂于测温套管、烧嘴砖等表面，将十分有利于热能的利用。2．用于航天领域航天器用红外辐射涂层是一种高温高发射率涂层、涂在航天器蒙皮表面上，作为辐射防热结构。3．用于军事目的（1）防红外伪装涂层：红外伪装的最基本原理是降低和消除目标和背景的辐射差别，以降低目标被发现和识别的可能性。近红外伪装涂层要求目标与背景的光谱反射率尽可能接近；中、远红外伪装涂层则一般采用低发射率涂层材料，以弥补二者的温度差异。据称美国隐形战斗机F-19的机身表面就涂有减少雷达波及红外线的伪装涂层。（2）红外诱饵器：红外诱饵器作为对付红外制导导弹的一种对抗手段，正受到重视。若采用固体热红外假目标(诱饵)，在表面涂上高发射率涂层，则能提高诱饵的红外辐射强度，从而提高假目标的有效性。选择不同辐射频率的材料作成的红外诱饵器可以模拟各种武器装备的红外辐射特征，更好地发挥红外诱饵假目标的作用。10.3.3透红外材料透红外材料指的是对红外线透过率高的材料。1.常用红外材料透红外晶体材料包括离子晶体和半导体晶体两种。离子晶体主要包括碱卤化合物晶体，碱土-卤族化合物晶体，某些氧化物晶体和无机盐晶体。半导体晶体主要包括IVA族单元素晶体，IIIA-VA族化合物和IIB-VIA族化合物晶体等。碱卤化合物晶体有LiF、NaF、NaCl、KCl、KBr、KI、RbCl、RbBr、RbI、CsBr、CsI等。一般说来，这类材料的熔点不高、比较容易培养成大单晶，其退火工艺也不十分复杂，同时也较容易实现光学均匀性。金属铊和卤族元素化合物的单晶，例如TlBr、TlC1以及混合晶体KRS-5(TlBr-TlI)与KRS-6(TlBr-TlCl)等也是一类常用的透红外材料。它们具有相当宽的透射波段，同时仅微溶于水。碱土—卤族化合物晶体主要包括CaF2、BaF2、SrF2、MgF2。这类材料的近红外透过率一般都较高。折射率较低，反射损失小，不需镀抗反射膜。和碱卤化合物品体相比，硬度要高得多，机械强度也好得多，几乎不溶于水(如MgF2)或微溶于水。氧化物晶体是火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞行器以及通讯、遥测等用的红外装置中广泛使用的一类晶体。材料透射波段/μm折射率（4.3μm处）硬度（克氏硬度）熔点℃密度（g·cm-3）弹性模量/GPa热膨胀系数（10-6K-1）在水中的溶解度（10-2g·mL-1）备注氧化铝5.51.610137020303.9103726.70‖c5.00⊥c0.00双折射晶体，其折射率值是对寻常光线而言晶态石英4.51.46（寻常光线）74114702.65C11:103C44:567.100.00融熔石英4.51.3747016672.20640.550.00氧化镁6.101.66690210003.5925513.000.00氧化钛6.02.4510100110254.26C11:351C44:1239.000.00用作透红外光学材料的半导体晶体主要有Ce、Si、CdTe、CaAs等，这类材料在红外波段大多具有较大的折射率，一般需用涂膜来减少反射损失。材料透射波段/μm折射率（4.3μm处）硬度（克氏硬度）熔点℃密度（g·cm-3）弹性模量/GPa热膨胀系数（10-6K-1）在水中的溶解度（10-2g·mL-1）锗254.0210009405.33C11:127C44:666.100.00硅153.42115014202.33C11:163C44:7104.200.00金刚石302.40101020>35003.51C11:932C44:5100.1070.00锑化铟163.992235235.710C11:64C44:304.900.00砷化镓1103.34（10μm处）750123105.31C11:12C44:55.740.00锑化镓2~43.7044107055.62C11:107C44:426.900.00硫化镉162.261211500(100大气压)4.102C11:79C44:143.50‖c5.00⊥c0.00013硒化镉252.407113505.101--0.00碲化镉302.565410455.105C11:53C44:204.500.002.透红外材料的用途透红外材料是用来制造红外光学仪器透镜、棱镜、滤光片、调制盘、窗口、整流罩等不可缺少的材料。透红外材料用途碱卤化合物晶体红外仪器和装置中的棱镜、窗口材料金属铊和卤族元素化合物晶体探测元件窗口材料和透镜材料碱土-卤族化合物晶体窗口、滤光片基板材料氧化物晶体窗口、整流罩、透镜材料半导体晶体窗口、透镜、整流罩无机盐化合物晶体探测器的前置透镜透红外光学玻璃红外火炮控制系统和红外航空摄影系统中的元件红外透明陶瓷高温红外光学装置、高温辐射源及其他高温装置透红外塑料近红外装置的窗口材料、激光装置的窗口材料金刚石膜和类金刚石膜窗口、红外增透膜、多宽带抗反射膜的保护膜10.4液晶（LiquidCrystalPolymer）材料液晶是某些物质在熔融态或溶液状态下形成的有序流体的总称。它是一种结晶态，既具有液体的流动性又具有晶体的各向异性特征。介于完全晶体和各向同性液体之间的中间状态。——“第四相态”1101010年，奥地利植物学家莱尼茨尔测定有机物的熔点时，发现某些有机物（胆甾醇苯甲酸脂和醋酸脂）熔化后会经历一个不透明的呈白色浑浊液体状态，并发出多彩而美丽的珍珠光泽，只有继续加热到某一温度才会变成透明清亮的液体。第二年，德国物理学家莱曼使用他亲自设计，在当时作为最新式的附有加热装置的偏光显微镜对这些脂类化合物进行了观察。他发现，这类白而浑浊的液体外观上虽然属于液体，但却显示出各向异性晶体特有的双折射性。于是莱曼将其命名为“液态晶体”，这就是“液晶”名称的由来。

10.4.1液晶的分类1.按液晶形成的条件，可将液晶分为热致性液晶和溶致性液晶两类。（1）热致性液晶：通过加热熔融而呈现液晶态的物质称为热致性液晶，多数液晶是热致性液晶。通常采用降温的方法，将熔融的液体降温，当降温到一定程度后分子的取向有序化，从而获得液晶态。（2）溶致性液晶：因加入溶剂（在某一浓度范围内）而呈现液晶态的物质称为溶致性液晶。当有机分子溶解在溶剂中，随溶液中溶质的浓度增加，溶剂的浓度减小，有机分子的排列有序而获得液晶。

固体热冷液晶热冷液体固体＋H2O液晶-H2O＋H2O(片层状）-H2O液晶(立方状）液晶(六角形）液晶胶束均质溶液＋H2O-H2O＋H2O-H2O＋H2O-H2O＋H2O-H2O除了这两类液晶物质外，人们还发现了在外力场（压力、流动场、电场、磁场和光场等）作用下形成的液晶。例如聚乙烯在某一压力下可出现液晶态，是一种压致型液晶。聚对苯二甲酰对氨基苯甲酰肼在施加流动场后可呈现液晶态，因此属于流致型液晶。2.按液晶内部分子排列形式和有序程度分类热致性液晶可分为近晶型液晶态、向列型液晶态和胆甾型液晶态；溶致性液晶可分为层状相液晶态、“双连续”立方相液晶态、六角相液晶态等。（1）向列型液晶是一种浑浊的可流动的状态。向列型液晶中，棒状分子间平行排列，但重心排列是无序的，只保留着固体的一维有序性，这种有序实质上是由取向分子组成的。在外力作用下，液晶中的棒状分子很容易沿流动方向取向，并可在流动取向中相互穿越，因此，向列型液晶都有相当大的流动性。在这三类液晶中，仅向列型液晶没有平移有序性，它的有序度最低，粘度也小。（2）近晶型液晶态近晶型液晶是所有液晶中最接近结晶结构的一类，因此得名。在这类液晶中，棒状分子互相平行排列成层状结构。分子的长轴垂直于层状结构平面。层内分子排列具有二维有序性。但这些层状结构并不是严格刚性的，分子可在本层内运动，但不能来往于各层之间。因此，层状结构之间可以相互滑移，而垂直于层片方向的流动却很困难。因而近晶型液晶的黏度很大。（3）胆甾型液晶在属于胆甾型液晶的物质中，有许多是胆甾醇的衍生物，因此得名。实际上，许多胆甾型液晶的分子结构与胆甾醇结构毫无关系。在这类液晶中，分子是长而扁平的，它们依靠端基的作用，平行排列成层状结构，长轴与层片平面平行。层内分子排列与向列型类似，而相邻两层间，分子长轴的取向依次规则地扭转一定的角度，层层累加而形成螺旋结构。分子长轴方向在扭转了360°以后回到原来的方向。两个取向相同的分子层之间的距离称为螺距，是表征胆甾型液晶的重要参数。这种液晶各层间有规律的面间距作用就像一个光栅一样，使入射的白光偏振旋转，使得胆甾型液晶通常具有彩虹般的漂亮颜色，并有极高的旋光能力。3.其他分类液晶根据分子量的大小，可以分成小分子液晶和聚合物（高分子）液晶；聚合物液晶根据其特征刚性结构（致晶单元）在聚合物链上所处位置，可以分成主链型液晶和侧链型液晶；按来源分：分为天然、生物和合成，其中合成LCP分为逐步聚合型与烯类加聚型；按主链结构特征分为全芳香族、芳酯族、脂肪族三类。10.4.2高分子液晶的结构液晶是某些物质在从固态向液态转换时形成的一种具有特殊性质的中间相态或过渡相态。显然，过渡态的形成与分子结构有着内在联系。液晶态的形成是物质的外在表现形式，而这种物质的分子结构则是液晶形成的内在因素。毫无疑问，分子结构在液晶的形成过程中起着主要作用，同时液晶的分子结构也决定着液晶的相结构和物理化学性质。研究表明，能够形成液晶的物质通常是在分子结构中具有刚性的部分，称为致晶单元。从外形上看，致晶单元通常呈现近似棒状或片状的形态，这样有利于分子的有序堆砌。这是液晶分子在液态下维持某种有序排列所必需的结构因素。在高分子液晶中这些致晶单元被柔性链以各种方式连接在一起。1.棒状结构大多数液晶高分子是长棒状的，其基本结构为：（a）由两个或更多芳香环组成的“核芯”，最常见的是苯环，有时为芳香杂环或脂环；（b）有一个刚性结构桥键X，将芳香环连接起来，阻止两个芳香环旋转，桥键主要有：亚氨基（-CH=N-），反式偶氮基（-N=N-），氧化偶氮基（-N=N(O)-），酯基（-COO-），反式乙烯基（-CH=CR-(R=H,CH3)）等；（c）端基Y和Z，常见的Y和Z有-R，-OR，-COOR，-OOCR，-CN，-NH2，-Cl，-Br，-I等，Y和Z可以相同，也可以不同。结构特征（1）几何形状不对称，L/D>4左右的物质才可能成液晶态；（2）分子间的各向异性相互作用。液晶基元2.碟状结构碟状结构液晶分子一般是一块刚性平板状芳香核心和外围连接着的较柔顺的侧链组成。例如下图所示：3.双亲分子双亲分子的一端为亲水的极性头，另一端为疏水的非极性链，例如正壬酸钾，一端是极性的-COO-K+，一端是非极性的CH3(CH2)7-。双亲分子溶液浓度低时先形成胶球；随着浓度增加，逐渐形成柱，柱与柱之间成六方排列（六方相）；浓度更高时则形成层状结构即近晶相，有时在这两个相之间会出现立方相，由胶球堆砌而成。即双亲分子浓度在不同条件下可形成六方相、层相和立方相。形成液晶的临界浓度是溶致液晶的一个重要物理量，只在此浓度以上方可形成液晶，临界浓度也是温度的函数。10.4.3液晶的性能1.与小分子液晶相比，高分子液晶具有下列特殊性：①热稳定性大幅度提高；②热致性高分子液晶有较大的相区间温度；③粘度大，流动行为与一般溶液显著不同。从结构上分析，除了致晶单元、取代基、末端基的影响外，高分子链的性质、连接基团的性质均对高分子液晶的相行为产生影响。2.高分子液晶的性能（1）液晶的光学双折射性液晶的重要特性之一是像晶体那样，因对光线折射率的各向异性而发生双折射现象，从而显现出许多有用的光学性质。这些光学性质是液晶能做为显示材料应用的重要依据。（2）旋光效应胆甾型液晶因其分子通常为手性分子，及其螺旋状的凝聚态结构而具有较高的旋光性。在恰当条件下，向列相液晶也能表现出旋光效应。大分子液晶除具有与小分子液晶相同的光学性质外，还因为其独特的链结构和凝聚态结构而具有与小分子液晶和普通高分子材料不同的特殊性。（3）取向方向的高拉伸强度和高模量与柔性链高分子比较，分子主链或侧链带有致晶基元的LCP，最突出的特点是在外力场中容易发生分子链取向。LCP处于液晶态时，无论是熔体还是溶液，都具有一定的取向度。LCP液体流经喷丝孔、模口、流道的时候，即使在很低剪切速率下获得的取向，在大多数情况下，不再进行后拉伸，就能达到一般柔性链高分子经过后拉伸的分子取向度。因而即使不添加增强材料也能达到甚至超过普通工程材料用百分之十几玻纤增强后的机械强度，表现出高强度高模量的特性。如Kevlar的比强度和比模量均达到钢的10倍。（4）耐热性突出由于液晶大分子链中均含有由苯环或者芳香杂环形成的刚性致晶基元，分子链刚性大，且分子间作用力强，因此高分子液晶通常具有突出的耐热性。此外有些高分子液晶还具有很高的锡焊耐热性。（5）热膨胀系数很低由于液晶高分子的取向度高，因此其在流动方向的热膨胀系数比普通工程塑料低，约低一个数量级，达到一般金属的水平，有时甚至出现负值。这一特点使得高分子液晶在加工成型过程中不发生收缩或收缩很小，保证了制品尺寸精确性和稳定性。（6）良好的阻燃性液晶大分子链大量芳香环构成，除了含有酰肼键的纤维外，都特别难以燃烧，燃烧后易炭化。如：Kevlar在火焰中有很好的尺寸稳定性,若在其中添加少量磷等,高分子液晶的阻燃性能更好。（7）优异的电性能和成型加工性液晶高分子与其他多数高分子材料相仿，电绝缘强度高、介电常数低、介电损耗小，体积电阻一般可达1013Ω·m，抗电弧性也较高。且绝缘强度和介电常数都很少随温度而变化，导热性也很低。在成型加工方面，液晶高分子的熔体黏度随剪切速率的增加而下降，呈现假塑性特性。其加工流动性好，成型压力低，可用一般的塑料加工设备进行注射或挤出成型，所得成品的尺寸精确度高。此外，高分子液晶还具有高抗冲性、高抗弯模量和高抗蠕变性能，其致密的结构使其在很宽的温度范围内不溶于一般的有机溶剂和酸碱，具有突出的耐化学腐蚀性。当然，LCP尚存在制品的机械性能各向异性、接缝强度低、价格相对较高等缺点，这些都有待于进一步的改进。10.4.5液晶材料1.向列型液晶材料正戊基联苯氰（4-Cyano-4-n-pentylbiphenyl

）2.近晶型液晶3.胆甾型液晶胆甾醇苯甲酸酯10.4.6液晶材料的应用1.在图形显示方面的应用液晶高分子在电场作用下从无序透明态到有序不透明态的性质，使其可用于显示器件。用于显示的液晶高分子主要为侧链型。聚合物液晶是利用向列型液晶在电场作用下的快速相变反应和表现出的光学特点制成的。把透明体放在透明电极之间，当施加电压时，受电场作用的液晶前体迅速发生相变，分子发生有序排列成为液晶态。当有序排列部分失去透明性而产生与电极形态相同的图像，根据这一原理可以制成数码显示器电光学快门、广告牌及电视屏幕等显示器件。向列型液晶在电场作用下，光的反射或透射率会发生变化，因此可用来显示具有灰度的黑白单色的图象。胆甾型液晶加上电场时可使光有选择的反射或透射，故可显示彩色图象。TN型液晶显示器中液晶的排列TN型液晶显示器的工作原理扭转向列（TN）型液晶显示器的工作原理在上下两片栅栏相互垂直的偏光板之间充满液晶，利用电场控制液晶的转动。不同的电场大小就会形成不同的灰阶亮度。液晶显示器的优点轻薄便携色彩丰富分辨率大，清晰度高绿色环保耗电量低，使用寿命长

LCD液晶显示最大的优点在于耗电极低，可以实现微型化和超薄型化。但是由于高分子液晶和小分子液晶相比，较高的黏度是显示转换的速度明显降低，因