光學(xué)材料（課堂PPT）

1、光學(xué)材料1 光學(xué)材料是傳輸光線的材料，這些材料以折射、反射和透射的方式，改變光線的方向、強(qiáng)度和位相，使光線按預(yù)定要求和路徑傳輸，也可吸收或透過一定波長(zhǎng)范圍的光線而改變光線的光譜成分。光學(xué)材料2光學(xué)材料的歷史 春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，墨子就研究光的傳播規(guī)律，出現(xiàn)了最古老的光學(xué)材料青銅反光鏡。 17世紀(jì)，瑞士人紀(jì)南熔制出光學(xué)玻璃，主要用于天文望遠(yuǎn)鏡；隨著歐洲出現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡和三色棱鏡，人造光學(xué)玻璃成為主要光學(xué)材料。 20世紀(jì)初，以望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、光譜儀以及物理光學(xué)儀器四大類為主體，建立了光學(xué)工業(yè)。 光學(xué)材料3光學(xué)材料的分類及特點(diǎn) 光學(xué)材料包括光學(xué)玻璃、光學(xué)晶體、光學(xué)塑料三大類。光學(xué)玻璃是用得最早，最廣泛的光學(xué)材

2、料。 光學(xué)晶體是具有規(guī)則排列結(jié)構(gòu)的固體。由于人工晶體生長(zhǎng)工藝?yán)щy，光學(xué)晶體的使用就沒有光學(xué)玻璃纖遍。但是晶體材料在新技術(shù)發(fā)展上起著很重要的作用。例如在光電子學(xué)技術(shù)方而，由光源倍頗調(diào)制、偏轉(zhuǎn)、存儲(chǔ)、顯示等各部分需要的器件。又如非線性晶體所包括的電光晶體、聲光晶體、變頻晶體等，都要用晶體材料制成。 光學(xué)塑料屬于有機(jī)高分子化合物，它的特點(diǎn)是抗震、質(zhì)輕、價(jià)廉、成型方便。 光學(xué)塑料零件比光學(xué)玻璃零件、光學(xué)塑料零件成本要低得多。光學(xué)材料4光學(xué)材料5不論光學(xué)玻璃化學(xué)成分和固化溫度范圍如如何，它是熔體過冷凝固所得到的無定形體。由于粘度逐漸增加而具有力學(xué)性能的。硬度高、脆性大、裂開時(shí)具有蠟狀的折斷面、對(duì)可見光具

3、有很好的透明度。玻璃態(tài)物質(zhì)的物理通性。玻璃態(tài)的物理通性各向同性介穩(wěn)性稠化過程的漸變可逆性固化過程中物理化學(xué)性質(zhì)的漸變性光學(xué)材料6 無色光學(xué)玻璃 無色光學(xué)玻璃分為普通光學(xué)玻璃和耐輻射光學(xué)玻璃兩種。 有色光學(xué)玻璃 有色光學(xué)玻璃接著色劑的種類不同，可分為： 硒鎘著色玻璃 離子著色的選擇性吸收玻璃 離子著色的中性玻璃。光學(xué)材料7特種光學(xué)玻璃 光學(xué)石英玻璃 光學(xué)石英玻璃是用純水晶作原料而制得的玻璃態(tài)SiO2，也稱為石英。 1可見光、紫外、近紅外部有很高的透明度； 2熱膨脹系數(shù)小，所以尺寸穩(wěn)定性好； 3耐熱性好，可經(jīng)受高溫不軟化； 4耐急冷急熱性好，可經(jīng)受瞬時(shí)高溫和突然冷卻不致破裂； 5機(jī)械強(qiáng)度和彈性模量

4、好可以承受較大應(yīng)力而變形量小： 6硬度高，表四不易劃傷； 7化學(xué)穩(wěn)定性好。光學(xué)材料8 防輻照光學(xué)玻璃 1防射線玻璃 2防X射線玻璃 3防中子玻璃 光學(xué)眼鏡玻璃 1用于制造各種眼鏡片的光學(xué)玻璃。 2矯正視力用眼鏡玻璃 3遮陽用眼鏡玻璃 4工業(yè)保護(hù)目鏡玻璃防輻射光學(xué)玻璃光學(xué)材料9光學(xué)玻璃的應(yīng)用普通無色光學(xué)玻璃主要用于制造光學(xué)儀器和機(jī)械的透鏡、棱鏡、反射鏡、窗口、標(biāo)尺等。有色光學(xué)玻璃作為濾色材料。彩色電影攝影中用濾光鏡來制造各種不同的氣氛，強(qiáng)化或減弱某種色調(diào)。在資源衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星用的高級(jí)彩色攝影機(jī)上，遺傳學(xué)中研究細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)用的熒光顯微鏡，激光全息攝影裝置中，各種光譜儀器以及儀器儀表顯示裝置等都需要

5、特殊性能的有色光學(xué)玻璃。還用于航天測(cè)距和光通訊等方面。防輻照光學(xué)玻璃主要用作窺視窗和屏蔽材料，用于核工業(yè)、核醫(yī)學(xué)、X射線和同位素實(shí)驗(yàn)室。防輻照光學(xué)玻璃的制造和普通光學(xué)玻璃相似。為增加透明度，常采用過渡金屬低的原料，制造過程中要防止污染。光學(xué)材料10耐輻照光學(xué)玻璃主要用于制作受高能輻照的光學(xué)儀器或窺視窗等。耐輻照光學(xué)玻璃的制造與一般光學(xué)玻璃相同，其光學(xué)、物理化學(xué)性能和質(zhì)量指標(biāo)也采用無色光學(xué)玻璃標(biāo)準(zhǔn)。紫外光學(xué)石英玻璃中，ZS-1玻璃適合制作高均勻度的紫外光學(xué)部件、耐宇宙射線輻射的航天光學(xué)部件及光導(dǎo)纖維芯材。ZS-2玻璃用于紫外、可見分光光度計(jì)的棱鏡、透鏡、比色皿及窗口器材。紅外光學(xué)石英玻璃通常采用

6、真空加壓電熔工藝生產(chǎn)。HS玻璃適用于紅外單色儀棱鏡、透鏡、比色皿及窗口材料，太陽模擬裝置和1m3.5 m波段的光學(xué)系統(tǒng)材料。一般光學(xué)石英玻璃中，全光譜光學(xué)石英玻璃，以四氯化硅等高純?cè)显跓o水氧氣的等離子火焰中合成。這種玻璃純度極高，可用于制作全波段光學(xué)透鏡、棱鏡、光纖芯材。摻雜型石英光學(xué)玻璃中，無臭氧石英玻璃摻雜微量Ti，具有吸收遠(yuǎn)紫外光而不影響石英玻璃可見光透過的特性，是制作無臭氧紫外光源的理想材料。光學(xué)材料11光學(xué)晶體是作為光學(xué)介質(zhì)材料應(yīng)用的晶體材料。中國(guó)漢代就有用冰塊磨成透鏡聚焦的歷史記載。以后發(fā)展為用自然界存在較多的石英單晶作透鏡。中國(guó)在元代已磨制成眼鏡。19世紀(jì)至20世紀(jì)，巖鹽和熒石

7、等天然晶體被用作分光元件和復(fù)消色差鏡頭。20世紀(jì)初出現(xiàn)用各種人工晶體生長(zhǎng)方法制取的單晶，如用溫度梯度法生長(zhǎng)的大尺寸鹵化物晶體，用高溫焰熔法和提拉法生長(zhǎng)的氧化物晶體等。至今已有幾十種人工光學(xué)晶體用作窗口、透鏡、棱鏡、偏振器等材料，特別是在紫外和紅外波段光學(xué)玻璃較難透過的光譜區(qū)域。光學(xué)晶體是作為光學(xué)介質(zhì)材料應(yīng)用的晶體材料。光學(xué)材料12光學(xué)晶體的特性 雙折射 晶體的雙折射是由于極化率的各向異性而引起的，極化率的各向異性是出晶體構(gòu)造的各向異性所決定的。晶體雙折射的情況與晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱程度有關(guān)，因此，晶體的雙折射程度與不同的晶族有關(guān)。 旋光性 當(dāng)平面偏振波沿著光軸方向傳播時(shí)，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，稱旋

8、光性，具有這種性能能的物質(zhì)稱旋光物質(zhì)，其內(nèi)部構(gòu)造有非心對(duì)稱的螺旋狀結(jié)構(gòu)。 吸收性和多色性 晶體對(duì)光的吸收具有各向異性。入射光波與折射率較大的振動(dòng)方向相一致時(shí)，所表現(xiàn)的吸收性也較強(qiáng)。光學(xué)材料13 光學(xué)晶體的重要性能表現(xiàn)在光譜透過范圍和光學(xué)色散。雖然玻璃比人工晶體易于制造而且價(jià)格低廉，在可見光區(qū)范圍內(nèi)大多采用玻璃制作光學(xué)器件，但在紫外和紅外波段，則仍然大量使用各種天然或人工晶體。晶體的優(yōu)點(diǎn)是透過長(zhǎng)波限較長(zhǎng)，折射率和色散的變化大，物理化學(xué)性能多樣化，不少晶體的熔點(diǎn)高，熱穩(wěn)定性好，能滿足特殊要求。只有晶體具有雙折射性能。光學(xué)材料14光學(xué)晶體的應(yīng)用氧化物光學(xué)晶體中，金紅石在1m5 m范圍內(nèi)的折射率較高，

9、常用于制作元件窗口或探測(cè)器的前置透鏡。藍(lán)寶石可以作為從紫外光到近紅外光譜區(qū)的各種光學(xué)元件、電子絕緣基片以及用于人造衛(wèi)星及火箭導(dǎo)彈上的光學(xué)屏蔽罩，還可以利用其雙折射特性做成濾光片和延遲器等光學(xué)元件。半導(dǎo)體晶體大都具有較強(qiáng)的二次非線性極化率和較寬的紅外透光波段，可用于紅外激光的倍頻、電光和聲光材料。熱壓光學(xué)晶體是有火箭、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、高功率紅外激光器等新技術(shù)發(fā)展的需要而發(fā)展起來的，可以制作各種特殊需要的光學(xué)元件及窗口材料。光學(xué)材料15 光學(xué)塑料是指用作光學(xué)介質(zhì)材料的塑料。主要用在批量較大的光學(xué)儀器中，用于制造光學(xué)基板、透鏡、隱形眼鏡、有機(jī)光導(dǎo)纖維等。已獲得應(yīng)用的光學(xué)塑料主要有透明類塑料

10、 光學(xué)材料16光學(xué)塑料的性能 折射率發(fā)生變化 通常光學(xué)塑料的折射率在1.451.60。塑料元件的折射率均勻性變化可維持在0.0005，但光學(xué)塑料的折射率溫度系數(shù)dn/dt值比相應(yīng)玻璃高出5倍到50倍。 產(chǎn)生雙折射和膨脹 用注膜和模壓生產(chǎn)的光學(xué)塑料元件以及機(jī)械加工過程由于殘余應(yīng)力的影響，都可能使塑料產(chǎn)生正交兩個(gè)方向不同的折射率，即雙折射。使用中需要特殊退火處理，以消除雙折射。光學(xué)材料17光學(xué)塑料的應(yīng)用聚甲基丙烯酸甲酯是一種普遍使用的光學(xué)塑料。價(jià)格適中，易于注射成型和機(jī)械加工，光學(xué)透明性、抗裂性、光學(xué)穩(wěn)定性、抗水吸收等性能較好。聚苯乙烯折射率為1.590，價(jià)格較低，注射成型性能好。但在近紫外區(qū)透過

11、性較差，且不穩(wěn)定，使用中易劃傷。甲基苯烯酸甲酯和苯乙烯共聚物(NAS)約含70%聚丙烯酸酯和30%聚苯乙烯，折射率1.5331.567。可以機(jī)械加工、拋光、注模、但易變黃。苯乙烯丙烯腈共聚物(SAN)折射率為1.567，材料熱穩(wěn)定性好，可以注模，但易變黃，常用作反射型元件。光學(xué)材料18聚碳酸酯(PC)折射率為1.586，在很寬的溫度范圍內(nèi)(-137120)性能良好，抗沖擊，耐久性好，適于戶外使用。PC比丙烯酸類和聚苯乙烯難于注模，并且在表面易產(chǎn)生劃痕。材料較軟，不易機(jī)械加工和拋光。價(jià)格較高。甲基戊烯聚合物(TPX)的光學(xué)性能類似于丙烯酸類，折射率約1.467。性韌不易磨損，耐化學(xué)腐蝕，具有良好的電性能。缺點(diǎn)是模注時(shí)收縮率較高。丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三元共聚物(ABS)具有韌性，透過性較差。烯丙基二甘醇碳酸酯(CR39)具有良好的光學(xué)透明性，耐腐蝕和抗沖擊等特性，可以連續(xù)工作溫度達(dá)100，短期使用溫度150?？捎糜谘坨R工業(yè)，收縮率較高，價(jià)格昂貴。光學(xué)材料19光學(xué)材料