光学材料课件

第一篇光学材料第一节概述第二节光学玻璃第三节光学晶体第四节光学塑料光学材料的分类根据材料同光的相互作用时产生的不同的物理效应可分为光介质材料和光功能材料。光介质材料：传输光线的材料。使光产生折射、反射或透射，以改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定要求在材料中传播;或利用材料对某一特定波长范围的光线的吸收或透过来改变光线的光谱成分。如普通光学玻璃和光学晶体等。光功能材料：实现能量的探测和转换。指在外场（电、声、磁、热、压力等）或者在光的作用下其结构和光学性质发生变化的材料。如激光材料等。根据材料结构和聚集状态可分为单晶体、多晶体(陶瓷)、玻璃(非晶态)、塑料和薄膜等。一、光学玻璃

与普通玻璃的主要区别：一、原料纯度要求高，吸收损耗极小;二、物理与化学性质上的高度均匀性;发展史：1768年瑞士人纪南德(P.L.Guinand)：几种冕牌及火石玻璃;1809～1814年和德国人夫琅和费(J.V.Fraunhofer)合作熔制坩埚容量为150～200吨的火石玻璃，只有几种氧化物;1886年德国人阿贝(E.Abbe)及肖特(O.Schott)合作研究试制，扩大了光学玻璃光性范围，建立了闻名世界的德国耶那-肖特玻璃厂;20世纪40年代美国摩莱（G.M.Morey）：高n低v的镧系玻璃;二战后德、日、美等：低n低v的氟磷酸盐玻璃（FK,PK），低n高v的钛火石玻璃（TiF）和色散玻璃（KzF,KzFS）;60年代：红外玻璃和激光玻璃近代：光学功能材料，如电光材料、磁光材料、声光材料。二、光学晶体内部结构上的各向异性：特殊光性：双折射、旋光现象。

在外场作用下：具有很强的电光、声光和非线性光学效应。发展史：也是较早被人类利用的光学材料

19世纪中叶：冰洲石、水晶等材料已被制成光学元件;20世纪50年代：紫外和红外光学仪器元件以及可见光的复消色差镜头;60年代初：激光晶体，目前已超过200个品种。四、光学薄膜薄膜在光学上的最早应用：光学零件表面的保护膜

光学介质薄膜：高反射膜：金属(Au、Ag、Al)的反射率为90～97%，全电介质的反射率可达99.5%以上。增透膜：单层表面反射率降低至1%;双层表面反射率可进一步降至0.05%。干涉滤光片：干涉效应只允许某一波长的光透过，获得“纯”单色光。偏振膜：获得偏振度达98%以上的偏振光。光学功能薄膜：能量转换：光电转换材料。信息技术：光存储介质。集成光学：光电器件集成化，光通信和光计算机。光学薄膜的淀积方法：热蒸发和溅射两种。五、光学塑料有机高分子聚合物。优点：制造成本低;色散比同折射率的玻璃高;紫外与红外的透过性能也相当好。缺点：热膨胀系数高;光学常数选择范围较窄;硬度低，易划痕或磨毛，因此应用范围受到了限制

应用历史较早：第二次世界大战：制成的光学零件已应用望远镜、照相机和放大镜。近几年来：塑料眼镜片、棱镜、电视机前的菲涅耳透镜

普通光学材料与新型光学材料

普通光学材料：是指常用的光学介质材料。如在可见光范围里用作透镜、棱镜、窗口等的光学玻璃和光学晶体。新型光学材料：是指为适应红外、激光、信息、空间等新兴技术的需要而发展起来的各种光学功能材料和具有特殊光学性能的光介质材料。如激光材料、电光材料、声光材料、非线性光学材料、光信息存储材料、光导纤维以及高功率红外与紫外窗口材料。

2.1、光学玻璃概况一、结构及特性主要成分：二氧化硅（SiO2），又名石英砂。机械强度高、化学稳定性好、热膨胀系数小，但熔点太高（1700℃以上）。由多种氧化物组成。构成玻璃主体（网络体）：AO2、A2O3和A2O5型，如B2O3、AS2O3、SiO2、Ta2O5等对玻璃的物理、化学性质起决定性的作用

构成网络外体：A2O和AO型，如如Na2O、K2O、CaO、BaO、PbO等。改变玻璃的性质。如BaO、PbO可增大n，但化学稳定性降低。玻璃中氧化物的组成不同，其结构和性质也不同。表2-1列出了各种氧化物对玻璃性质的影响。表2-1列出了各种氧化物对玻璃性质的影响二、物理特性物质的玻璃态：固态的玻璃保留了液态分子无规则排列的结构，即低温的固态保留了高温液态的无定性结构。物理特性：各向同性：玻璃的性质（硬度、弹性模数、折射率）在各向测得的数值相等。介稳状态：在一定条件下，物质可能处于相对稳定状态，但并不是能量最低的存储状态，称为介稳状态。玻璃从熔融态向固态转化过程是连续可逆的，图2-1所示，Tf为玻璃呈塑性的最低温度，即是玻璃拉丝的温度。Tg为玻璃呈脆性的最高温度，即是玻璃退火的上限温度。玻璃由固态变成熔融态的过程正好相反，但也是连续的。玻璃的性质如粘度、比热等也是连续可变的。如图2-2所示。三、分类与命名光学玻璃：无色光学玻璃、有色光学玻璃和特种光学玻璃分类与命名：主要是针对无色光学玻璃。分类：冕牌和火石（燧石）两类。中国：冕牌：PbO含量<3％(重量百分比）。用“K”表示。火石：PbO含量>3％(重量百分比）。用“F”表示。德国：冕牌：nd

<1.6、νd>50的玻璃;其余为火石。日本：冕牌：nd<1.6、νd>55的玻璃;其余为火石。命名：在K和F下按其组成和物化性能又派生出其余次类：化学成分Ba、La：LaK、LaF、BaK、BaF;折射率高低（Q、Z）：QF、ZF;特殊相对色散：TF;我国现有光学玻璃18个品种，141个牌号。如表2-2所示。

表2-3为各国光学玻璃品牌对照表

图2-32.2无色光学玻璃光学玻璃用来制造光学仪器的透镜、棱镜、分划板、反射镜等光学元件，它必须满足光学仪器的成像要求。一般要求：光学性能：光学常数在允许偏差范围内，否则影响像质。具有高度的透明度：光能损失于光的吸收和光的反射。不同的光学仪器对光吸收性能（白光经过1cm玻璃吸收光能的百分比称光吸收系数）的要求不同。如光纤<0.05%;光程为200mm的军用仪器：<0.1～0.2％;光程在50～200mm的光学仪器：0.2～0.4％;光程<50mm的光学仪器：0.4～0.6％;保护、观察窗玻璃：>0.6％;彩电、摄像、变焦镜头：红蓝绿三种色彩吸收很小。化学及物理的均匀性：化学均匀性：由于局部化学成分（气泡、结石、条纹）不同而造成的化学不均匀性。物理均匀性：由于内应力使其各部分折射率不同而造成的物理不均匀性。化学稳定性：影响光学仪器的寿命。主要是指抵抗潮湿大气和酸、碱、盐等介质的侵蚀能力。机械性质和热膨胀系数：一般均能满足要求。无色光学玻璃的质量要求：质量指标（GB903-87）条纹度：玻璃中化学成分不均匀所产生的内部缺陷而使其n不同。条纹度按规定分为00，0，1，2四类;并按检验观察方向分为A、B、C三级。气泡度：在熔炼过程中气体来不及逸出所致。按所含最大气泡的直径分为0、1、2三类;并按每100cm3玻璃内允许含有的气泡总面积（㎜2）分为A00、A0、A、B、C、D、E七级。耐辐射性能：用一定剂量的X射线辐射玻璃后每1cm厚上的光密度增量ΔD1来表示2.3有色光学玻璃在基本的无色光学玻璃中，加入少量着色剂而成。（滤光玻璃）一、主要特性：光谱特性

常以对各种波长的透过率τλ、吸收率Eλ和光密度Dλ表示。光谱特性主要取决于引入着色剂的性质和数量、玻璃的基本成分、熔制工艺等。二、分类：1、离子着色玻璃：选择吸收玻璃

着色剂在玻璃中呈离子状态，常采用金属钴、镍、锰、铬、铀、钛、铜的氧化物。如氧化钴玻璃呈蓝色，氧化亚镍使玻璃呈紫色或棕色。品种最多：ZWB、ZB、QB、LB、HWB、FB、BB。τλ－λ谱线特性：对某一光谱区有显著的“拦截”或“透明”，图1-22中的2线。2.4特种光学玻璃二、防辐射光学玻璃

具有吸收有害辐射线的能力：原子核实验中观察窗γ射线是一种穿透能力最强的射线，玻璃吸收γ射线的能力，随其密度增加而急剧增大。日前我国使用的防辐射玻璃是含铅、钡量高、密度大的ZF1、ZF6、ZF7玻璃。防辐射玻璃能吸收各种射线，对操作人员起到保护作用。为防止着色，必须加入耐辐射的抑制剂。2.4特种光学玻璃三、透红外和透紫外玻璃只能在某一红外波段内具有一定的透过能力红外光学玻璃：1.光学石英玻璃：牌号有JGS1、JGS2、JGS3。其中JGS1、JGS2为远紫外和紫外光学石英玻璃，JGS3为红外光学石英玻璃。2.铝酸钙玻璃：以CaO、Al2O3为主要成分的透红外玻璃。其透过波长是1～5μm。牌号有HWC31。2.5光学玻璃的制造制造过程：

配料高温熔炼成形精密退火四个阶段一、配料：光学玻璃原料的组成：分主要原料和辅助原料。主要原料：构成玻璃的主体，对玻璃的物理、化学性质起决定性的作用。辅助原料：对玻璃的性能起一定的调节作用。着色剂：用来控制玻璃的透光性能。掺入不同的过渡金属、稀土金属离子后就能制成显示不同颜色的只允许一定波长范围的光通过的滤光玻璃;澄清剂：促进熔融玻璃液中气泡的排除。如常用的澄清剂As2O3;助熔剂：降低熔炼温度，常用的助熔剂有Na2SO4、BaSO4等。光学玻璃对原料的要求：纯度要高：着色杂质总量要求在0.01％以下，过量因着色而影响透过率;原料粒度：过大或过小都不易混合均匀而影响熔化时间和玻璃质量。一般来说，难熔和比重大的：颗粒要小些;反之亦反。配料：配料计算：根据光学常数和物理、化学性质上的要求，通过理论计算确定出该种玻璃的组成，再换算成各种原料配合量的百分比。根据所需熔炼的玻璃总量计算出各种配合料实际使用量。称料混合：根据计算结果，称取各种配合料，原料经混合均匀后送至玻璃熔炼炉。二、玻璃的熔炼将各种配合料高温加热熔融成合乎成型要求的玻璃液的过程。是玻璃生产最重要的环节之一。坩埚熔炼：同一空间不同时间内进行。连续熔炼：将几个坩埚串联起来，使玻璃的熔炼在同时于不同的坩埚中进行。过程：包括玻璃生成反应、澄清、均化、降温等相互影响的分过程。玻璃生成反应：配合料被加热直至全部熔融成玻璃液的过程中所发生的一系列错综复杂的物理、化学反应。（冕牌为例）熔炼过程硅酸盐形成：炉料加热发生分解生成共融化合物，进而形成了硅酸盐和硼酸盐。（800～900℃）玻璃生成：硅酸盐熔融液互相溶解并将游离的固体SiO2,PbO等溶解于其中，最后成为透明和均一的玻璃态物质。（1250～1300℃）玻璃液的澄清：消除可见气泡的过程。（1400～1500℃）提高玻璃液的温度：将玻璃液在一定温度下搁置一段时间，可达澄清目的。加澄清剂：微气泡（直径<0.1mm），常用As2O3、Sb2O3。玻璃液的均化：除去玻璃中的条纹，在化学成分上达高度均匀性。搅拌过程：溶解扩散：玻璃液的降温：将已澄清和均化玻璃液降温，使其具有成型所需要的粘度。三、玻璃的成形是指把经过高温熔炼后的玻璃液做成所要求的的形状，并冷却到固化状态的过程。是玻璃生产过程中重要的工序，其方法和技术水平的高低决定玻璃成品经和质量。成型方法：传统成型：在坩埚中熔炼玻璃，把坩埚取出在炉外成型。分破埚法（古典法）、浇注法、滚压法三种。（见附图）传统成型：在坩埚中熔炼玻璃，把坩埚取出在炉外成型。分破埚法（古典法）、浇注法、滚压法三种。（见附图）传统成型法漏料成型：在玻璃池炉的成形部或坩埚的底部装接漏料管，让玻璃液沿着管子连续流出，根据需要将玻璃液漏注成不同形状的成品。可分为拉制条状玻璃、压制元件毛坯和漏注大尺寸制品三类。

（见附图）

漏料成型法精密压型（无研磨压型）：不需要研磨、抛光、磨边等光学加工，直接装置到光学仪器上。20世纪70年代：日本保谷：古典170日、铂金坩埚34日缩短到3日;成品率40％提高到90％以上。80年代中期在德国、日本：面形精度λ/10;双折射<λ/100;厚度和直径公差达10μm等四、精密退火玻璃放在退火炉里升温到退火点温度（玻璃中消除应力的上限温度）后再徐缓冷却到室温的过程。退火目的：消除玻璃中应力。玻璃中应力的存在破坏了光学玻璃光学性质的均化(如产生应力双折射、折射率分布不均匀等)。精密退火规程：根据不同牌号的玻璃和所要求达到的质量指标，其退火温度、退火速率、保温时间及加热和冷却速率不同。四、精密退火(2)左图为直径为120mm，厚40mm的ZK589/612光学玻璃，要求退火到一类应力及二类光学均匀性的退火曲线。升温（加热速率25℃/h）恒温（630℃，保持20h）退火（速率1℃/h，温度范围100℃）快速冷却（速率10℃/h）惯性冷却（200℃以下依靠电炉）思考与习题1、概念：物质的玻璃态，化学稳定性、光学常数。2、光学玻璃的分类、命名。3、无色光学玻璃的质量指标4、有色光学玻璃的特性。5、特种光学玻璃的特性。6、光学玻璃的制造过程。第三节光学晶体3.1晶体结构及其性质3.2晶体的质量指标3.3晶体的生长3.4晶体的应用3.1晶体结构及其性质

一、光学晶体结构

与光学玻璃间的主要差别是内部结构是有序的，即组成晶体的质点(原子、分子或离子)在空间有规律地排列在一定的格位上。结晶质：凡是质点有规则排列而具有格子构造的物质。晶体：是结晶质在空间的有限部分。质点是以点阵的形式在三度空间作规律的重复排列——格子结构。晶胞：组成晶体的最小单位。晶胞的特性参数晶胞三个棱的方向称为晶轴。实际上代表表格中三个行列的方向通常以a,b,c（或x,y,z）表示，如图2-1所示。晶胞在三个不同行列上的结点间距a0,b0和c0，分别表示晶轴a、b、c方向上的单位长度。各晶轴间的夹角称为轴角，分别以希腊字母α(b^c)、β（a^c）和γ（a^b）表示。a0,b0、c0、α、β和γ是决定晶胞形状和大小的特征参数，称为晶胞常数。晶体分类：根据晶胞常数的不同，晶体可分为三大晶族七大晶系，如表2-1。光学晶体多用中级和高级晶族的晶体，如石英晶体是属中级晶族中的六方晶系，萤石是高级晶族，属立方晶系。二、基本性质1自限性：晶体在一定的条件下，可以自发地形成封闭的几何多面体，该性质称为晶体的自限性。2、均一性：晶体内部质点的排列方式及性质是重复的，称为晶体的均一性。3、对称性：晶体的性质是各向异性的，但在某一个或几个特定方向上具有相同的性质，此方向称为晶轴。其它方向的性质是以晶轴为对称轴作对称分布。。二、基本性质4、异向性：晶体的空间点阵的排列方式在各个方向上是不同的，因此，晶体的性质随观察方向不同而异。晶体的这种性质称为晶体的异向性。5、最小内能性和稳定性：物体的内能是指内部质点作无规则运动的动能及由质点相互位置所决定的势能之和。势能：取决于物质内部质点的排列方式和相互间的距离。动能：主要取决于物体的热力学条件。二、基本性质最小内能性:在一定的热力学条件下，对于具有相同化学成分而呈不同物相的物体而言，以晶体的内能为最小，故称晶体具有最小内能性。晶体的稳定性:是最小内能性的必然结果。正是由于晶体的内能最小，因此，它不能自发地转变为其它状态，也就是说结晶态是一个相对稳定的状态，晶体具有稳定性。

三、晶体的特性1、光学性质：Ｐ４１双折射性：三大晶族对于双折射的情况是不同的。有正、负光性之分。旋光性：当平面偏振波沿着光轴方向传播时，其偏振面发生旋转的现象。

吸收性与多色性：对光的吸收具有各向异性。2、机械性质：解理：解理是指晶体在外界定向机械力的作用下，按着一定的方向分裂成光滑平面的能力。晶体的解理对加工虽然不是好事，但加工者有时却可以利用晶体的解理特性进行晶体切割。三、晶体的特性（2）硬度：硬度通常表示物体对外来机械侵入所表现的抵抗能力。硬度的标准因测定方法不同而异。对晶体最常用的是莫氏硬度。掌握晶体的硬度，对于合理地选择晶体加工的磨料和抛光剂是十分必要的。溶解度：表示在一定的温度下，该晶体在100g水中所能溶解的克数。晶体溶解的大小是晶体潮解性能的重要标志，它决定了晶体在什么条件下进行加工和使用。

3、热性能：根据晶族的不同而不同。导热性能：导热系数γ热膨胀系数：热膨胀系数α3.2晶体的质量指标1、折射率与中部色散的允差：2、光学均匀性：3、应力：4、散射颗粒：5、光吸收系数：6、线位错密度：7、单晶大小：3.3晶体的生长人类最初利用天然矿物晶体制作光学元件。由于天然晶体产量有限，且一般有缺陷和杂质，难以满足科研和生产发展的需要，人们开始研究用人工方法培育单晶。1902年，维纳尔(Verneuil)发明了以氢氧焰生长红宝石单晶的焰熔法，为人工培育单晶以替代天然晶体开创了先例。之后，科学工作者先后研制成功了制备有实用价值的大晶体的多种方法。这些方法中适于生长光学晶体的有焰熔法、提拉法、温梯法、熔剂法和从溶液中生长晶体的方法等。任一晶体生长过程都包含成核与生长两个阶段。结晶时，一般总是先从系统内某一处(局部)形成新相的原子集团(即形成晶核)，接着晶核上的界面不断扩大，直至结晶过程完成焰熔法（又称维纳尔法）图2-8是生长激光宝石时所使用的焰熔法结晶炉。从O2处输入氧气，从H2处输入氢气，两种气体在燃烧器顶端混合后燃烧，产生2000℃以上的高温。贮料筒中的粉料受伺服系统控制，均匀、定量地往下撒落，经高温火焰熔融后滴落在马弗炉内的定向籽晶上，形成熔液层。然后将籽晶逐渐下降使液层凝固，同时，调节供料速度使其与溶液凝固速度相平衡，晶体便逐渐长大。焰熔法（又称维纳尔法）（2）能够生长出直径15～30mm,长500～1000mm的大尺寸激光红宝石，生长速率为6～8mm/h。特点：不使用坩埚，避免坩埚杂质对晶体的污染；装置比较简单，晶体生长速度快。

缺点：氢氧焰所形成的热场，温度梯度太大，且不易实现精密温度控制，所以长出的晶体热应力大，光学均匀性较差。现在，焰熔法已广泛应用于生长工业宝石。一些难熔氧化物激光晶体，如红宝石(Al2O3:Cr3+)、掺钕氧化钇(Y2O3:Nd3+)等，都曾经使用焰熔法生长。3.4晶体的分类及应用一、按用途：紫外、红外晶体、偏振晶体、复消色差晶体和激光晶体。

主要特点是透光范围宽：0.12～50μm（玻璃为0.3～5μm）。一些晶体具有明显的双折射性能，另一些晶体则具有特殊色散性能。1、在更宽的波段上选作紫外与红外的分光棱镜、窗口、成像透镜的材料，补充光学玻璃的不足。如石英（SiO2）、萤石（CaF2）氟化锂（LiF）、岩盐（NaCl）、硅（Si）、锗（Ge）等。一、按用途：2、偏振：具有明显双折射特性的晶体(如冰洲石，水晶等)可制作偏光镜、波片、补偿器等光学元件。3、复消色差镜头：如氟化锂(LiF)．氟化钙(CaF2)等，在可见光波段色散特别小(V＝95～99)。4、晶体光栅：用于X射线、γ射线等高能射线谱仪上作分光元件。5、激光晶体：如红宝石、氟化钙和钇铝石榴石等。二、按硬度和工艺方法：可分为硬质晶体、软质晶体和水溶性晶体。1.硬质晶体：莫氏硬度比玻璃高的晶体。玻璃的莫氏硬度为六，石英晶体、红宝石、钇铝石榴石等，莫氏硬度在7～9之间。2.软质晶体：大部分光学晶体均属于软质晶体，其莫氏硬度为2～4。常用的软质晶体有萤石和方解石等。3.水溶性晶体：水溶性晶体的种类很多，如氯化钠、氯化钾和ADP、KDP等。这类晶体主在光谱仪器和激光中具有重要作用。但由于具有潮解性，加工困难，因此使用受到限制。3.4常用光学晶体Ｐ４４思考与习题1、晶体的概念2、晶体的基本性质3、晶体的特性4、晶体的分类与应用第四节光学塑料4.1塑料的结构与分类4.2光学塑料的特性和使用4.3几种常用光学塑料4.1结构与分类一、塑料：是可塑性材料的简称。主要成分：树脂，占总重量的40～100％；树脂：天然树脂：合成树脂：由低分子量化合物经过各种聚合反应或缩聚反应而制得高分子量树脂状物质。添加剂：增强材料、填料、增塑剂、稳定剂和色料。二、合成树脂：1、