光学材料简介

光学材料的种类

光学玻璃：

光学晶体：

KDP类型晶体：

光学塑料：

光学玻璃:

①是光学设计最常用的光学材料；

②为满足光学设计对多种光学常数、高度均匀性、高度透明性及化学稳定性的要求，应具有复杂的组成和严格的熔炼过程。

（一）光学玻璃与普通玻璃的区别:

①折射率：

普通玻璃的组成：SiO2+Na2O+CaO

光学玻璃的组成：成分复杂

现代光学玻璃所含元素几乎遍及化学元素周期表，每一种光学玻璃都要由硅、磷、硼、铅、钾、钠、钡、钙、砷、铝等多种氧化物组成。

②高度透明：

③高度均匀性：各点各处的光学常数和其它一些物理化学性质一致

（二）光学玻璃的种类

按主要组成成份分：

以SiO2为主要成分的光学玻璃,称之为硅酸盐玻璃；占95%

以B2O3为主要成分的光学玻璃, 称之为硼酸盐玻璃；

以P2O5为主要成分的光学玻璃,称之为磷酸盐玻璃。

硅酸盐玻璃是制造透镜、棱镜等光学零件的主要材料。

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物质的玻璃态

物质按结构分晶体和非晶体。

玻璃态的特点：物质内部氧化物的元素以元素的离子状态存在，它们之间的排列是没有规律的，无固化点和融化点。

玻璃态：玻璃在低温固态下仍保留了高温液态的无定形结构。               又称过冷却液体。

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玻璃的物理特性

①各向同性：指玻璃内部沿任何方向测得的物理性能（如折射率、热膨胀系数、硬度等）都是同值。

各向异性：沿任何方向测得的物理性能都是不同值。

②介稳状态：在一定条件下，物质可能处于相对稳定的状态，但不是能量最低储存状态，叫介稳状态。

说明玻璃有像晶体转化的趋势。

③玻璃从熔融状态向固态转化是连续可逆的。

④玻璃无固化点和熔化点。

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玻璃的结构

(一)无规则网络学说认为：

1932年  荷兰 查哈里阿生

1、内容：

①玻璃的原子、离子、或原子团之间的结合，构成一个连续的网络体；

②网络体呈现出很大的不规则性。

2、一元体系玻璃特性（一元体系玻璃结构）：

例如：SiO2  晶体：石英晶体

玻璃：熔石英玻璃

由一个硅原子和四个氧原子构成的硅氧四面体［SiO4］。

熔石英玻璃和石英晶体的结构模型如下石英晶华西

石英晶体

熔石英玻璃

化学结构式：

　　由于在熔石英玻璃结构中，只有Si－0键，且键力平衡，结合牢固。因此，熔石英玻璃具有较高的软化温度、化学稳定性、机械强度高以及较低的热膨胀系数等特性。

3、二元体系玻璃——Na2OSiO2

　　化学结构式：

　　（二）“晶子”学说

1921年  苏联  列别杰夫

内容：

①玻璃由无数“晶子”组成；

②所谓“晶子”不同于一般的“微晶”，而是带有点阵变形的有序排列区；

③它们分散在无定形介质区；

④从晶子区到无定形区的过渡是逐步完成的，两者之间并无明显的界限。

强调：远程无序、近程有序。

§1-2  无色光学玻璃

一、光学玻璃的组成

光学玻璃是由多种氧化物组成的，这些氧化物分为两大类：

一类氧化物是能生成玻璃网络结构的氧化物，如SiO2、B2O3、P2O5等，属AO2、A2O3、A2O5型氧化物，称之为玻璃形成体或玻璃网络体；

另一类氧化物，不能生成玻璃的网络体，只是插入玻璃的网络结构中间，如Na2O、K2O、CaO、BaO、PbO等，属于A2O、AO型氧化物，他们称之为玻璃的网络外体。

例如：K9的成分

由Sio2:69.13%;B2O3:10.75%;K2O:6.29%;Na2O:10.40%;As2o3:0.36%;Bao:3.07%

加入氧化铝（Al2O3），能提高光学玻璃的化学稳定性和机械强度；加入氧化铅（PbO）和氧化钡（BaO），可增大光学玻璃折射率，但化学稳定性降低；

加入氧化钠（ NaCl），使光学玻璃化学稳定性和机械性能变差，但可降低熔炼温度；等等。

二、无色光学玻璃的分类及命名（牌号）

大都采用拉丁字母作为品种的标志，在品种标志之后附有牌号的标志。

1、分类划分界限：

ˉ按光学玻璃折射率和阿贝数的大小将其分为冕牌玻璃和火石玻璃两大类。

ˉ例如：德国规定nd＜1.6，υd＞50为冕牌类，其余则为火石类；日本规定nd＜1.6，υd＞55为冕牌类，其余则为火石类。

ˉ我国光学玻璃标准规定：将玻璃分为2大类，用K代表冕牌玻璃，F代表火石玻璃。每一大类又进一步按nd及υd分为18个品种。

冕 牌 玻 璃

火 石玻 璃

2、牌号：ZF9（1～99）

其中F——种类；ZF——品种；ZF9——牌号

l同一品种玻璃，它的折射率大致相同相差不多。

三、无色光学玻璃的质量指标（七项）

（一）折射率、色散系数的允差及一致性

折射率：表示光在空气中的传播速度与在玻璃中的传播速度之比。

n=C/V  （nd、nF、nc）

色散系数：不同波长的光经过折射后，出射点不同。

用中部色散nF-nc衡量

①nd、υd的允差（允许差值）

分         0  、    1    、    2    、    3    、 4    四类

u例如：K9： nd=1.5163    0类K9的nd： 1.5158～1.5168

②nd、υd的一致性

同一批玻璃中要控制nd、υd的差值不能过大。

分         A  、    B    、    C    、    D    四级

u例如：K9： nd=1.5163   0类A级时nd的大小

0类：1.5158-1.5168

A级：1.51625-1.51635

0类A级去它们交集。

选取时：

①小批量生产时，高级照相机物镜和高倍的望远镜物镜可选用△nd为1～3类和υd为2～3类玻璃。大批量生产时选用均为1～2类的玻璃。

②对于望远镜的第二组分和光焦度不大的透镜、目镜、会聚光路上的棱镜，可用△nd和υd均为3～4类玻璃。

③保护玻璃、分划板、毛玻璃、反射镜、聚光镜、场镜、平行光路中的棱镜级弯月透镜，对玻璃的△nd和υd不做要求。

（二）光学均匀性

1、定义：同一块玻璃中，各部分折射率变化的不均匀程度

依据Ф/Ф0的比值，分   1  、  2  、  3  、 4   四类。

Ф/Ф0    1.0 、1.1 、1.2 、1.5

根据光学系统选择均匀性：

①提高分辨率和高像质观察仪器的物镜，如高精度干涉仪、天文仪、测地仪、准直仪和显微镜等应用光学均匀性第1类的玻璃。

②制作精密的望远镜、瞄准镜、观察镜以及具有高分辨和高像质的复制镜，用2-3类玻璃。

③对普通的照相物镜，应使用第3-4类玻璃。

④对望远物镜的第二组分、广角物镜的弯月透镜、位置靠近像平面的光学零件（场景、分划板、棱镜），均可采用第4类玻璃。

⑤对于有一面为毛面的分化镜，均匀性不作规定；对于保护玻璃、棱镜和滤光镜，其玻璃的均匀性要求可与其位置靠近的零件的均匀性要求相同。

（三）应力双折射

按o光、e光通过每1cm厚的玻璃产生的光程差大小

分         1  、1a、 2  、 3  、 4  五类

nm/cm    2、6、10、20、50

以毛坯光程差最大方向之最大部分测的为准。

选取原则：

①干涉仪和天文仪，只能使用双折射为第1类的玻璃。

②对于高精度的望远镜、准直镜和复制显微镜的物镜以及反射镜，玻璃的应力双折射应该是第2～3类

③照相物镜使用双折射第3～4类玻璃。

④聚光镜、普通仪器的目镜、放大镜采用双折射第4～5类玻璃。

（四）光吸收系数 E

E：表示白光通过1cm厚的玻璃所吸收的光通量与进入该玻璃光通量之比。

E﹤0.015=1.5%

分  00、0、1、2、3、4、5、6 八类。

选取原则：

①凡是与空气临接面较多，玻璃内光程长度较短（20～50mm）的复杂系统，光的主要损失是反射。因此，这种系统中以及较薄的光学零件，应采用4～6类玻璃。

②玻璃内光程较长的零件（棱镜、天文和照相仪器的透镜）、光的透过系数的降低主要是光的吸收造成的，因此这类零件应选用00～3类玻璃。

（五）条纹度

按检验条件分 00、0、1、2四类；

按观察方向分A、B、C三级。

选取原则：

①对于具有极限分辨率和高像质的干涉仪、天文仪、平行光管以及显微镜的物镜必须采用C级0类玻璃。

②对于目镜、聚光镜、毛玻璃用的玻璃可选用条纹第2类的玻璃。

（六）气泡度

首先按所含最大气泡的直径分为

0、1、2三类；

并按每100立方厘米玻璃内允许含有的气泡总截面积（平方毫米）分为A00、A0、A、B、C、D、E七级。

选取原则：

①对于位置靠近或处于像平面上的零件，其材料不允许有气泡，应使用第0类玻璃。

②大倍率观察仪器的分划板、分度盘、平行光管、分辨率板，应采用0类和1类玻璃。

③照相物镜、双筒望远镜和大地测量仪器的物镜，允许选用2类D、E级玻璃材料。

④在望远镜和大口径照像物镜中允许气泡度为E级。

§ 1-3  有色光学玻璃

1、作用:

①能选择地透过特定波长的光线；

②透过连续光谱中一定宽度的光谱范围的光线；

③均匀地减弱白光的光谱等。

2、组成:  是在基本的无色光学玻璃成分中，加入少量着色剂而       成。

（一）离子着色选择吸收玻璃

着色剂在玻璃中呈离子状态，称离子着色选择吸收玻璃，简称离子着色玻璃

离子着色剂，通常采用金属钴、镍、钼、锰、铬、钛、铜的氧化物。

种类：

透紫外线玻璃（ZWB)、紫色玻璃（ZB)、青色（蓝色）玻璃（QB）、绿色玻璃（LB）、透红外线玻璃（HWB）、防护玻璃（FB）、透紫外线白色玻璃（BB等）。

（二）中性玻璃

特点：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

作用：主要是做中性滤光片、减光镜。

牌号：AB1，AB2，AB3……，AB10等。

（三）硒镉玻璃

着色剂是采用硒化镉和硫化镉，故称硒镉玻璃。

由于着色剂在玻璃中呈胶态，亦称胶态着色玻璃。

品种：红色（HB）

金色（JB）

橙色（CB）

1—硒镉玻璃；2—离子着色选择吸收玻璃； 3—离子着色中性玻璃

§1-4  特种光学玻璃

（一）耐辐射光学玻璃

加入多价离子做抑制剂。二氧化铈（CeO2）就是抑制剂之一。

牌号：例如K609 。

Kn09以K9玻璃为基底耐辐射能力为10?伦琴，而且还保持K9玻璃的光学常数和其它性质。

（二）防辐射光学玻璃

目前我国使用的防辐射玻璃是含铅、含钡量高、密度大的ZF1、ZF6、ZF7玻璃。

（三）透红外和透紫外玻璃

目前，国内外红外光学材料发展的重点是适用于1～3μm、3～5μm和8～14μm波段的光学材料。

1、光学石英玻璃

含SiO2  99.9%，即可以透红外线，又能透过紫外线。

牌号：JGS1、JGS2、JGS3 。

光谱特性：0.2～4.7μm。

2、铝酸钙玻璃以CaO、Al2O3为主要成分透过波长：1～1.5μm。

牌号：HWC31。

3、高硅氧玻璃含SiO2达96%，其性能接近于石英玻璃。它的膨胀系数小，软化温度高，化学稳定性好，熔制温度比石英玻璃低得多。

（四）石英玻璃

1．优良的光谱特性，在0.2～4.7μm光谱范围内。

2．耐高温、热膨胀系数小，它的熔化温度在1713℃以上，软化温度是1580℃±10℃。

3．化学稳定性好，耐碱性差。

4．机械性能高。

（五）光学功能材料

激光、电光、声光、磁光等光学功能材料。

§1-5  微晶玻璃

一、结构

介于玻璃与晶体之间——玻璃陶瓷，按Li2O-Al2O3-SiO2做系统的玻璃。

经历两个阶段：

①在玻璃内部各处形成晶核；

②形成晶核的玻璃在晶体生长过程中逐渐转变为陶瓷。

微晶玻璃与普通玻璃的区别主要是具有结晶的结构，而与陶瓷的主要区别是，它的结晶结构要比陶瓷细得多。

二、微晶玻璃的性能

1、热膨胀系数小温度±160℃范围内，热膨胀系数均很小，室温膨胀系数接近于零。

2、强度大微晶玻璃比普通压延玻璃的强度高八倍。

3、硬度高，比重小硬度比熔石英玻璃高，比重小，约为2.44～2.62，比铝还轻。

4、稳定性极高它比目前使用的其它反射镜材料都好。

三、应用

平晶、标准米尺、大型反射镜、激光制导陀螺等。

§1-6  光学晶体

一、概念

晶体是具有格子结构的固体。

定义：晶体的结构与玻璃不同，即构成晶体内部的质点（原子和离子），是以点阵的形式在三度空间作有规律的、重复的排列，构成所谓的格子结构。

格子结构：

空间格子中的点，称为结点；结点在直线上的排列称为行列；结点在平面上的分布称为面网；在三度空间中, 空间格子的最小单位称为平行六面体。

实际晶体的最小单位称为晶胞。

组成晶体多面体外形的平面称为晶面；两个晶面相交而成的直线称为晶棱；三条晶棱会聚的点称为角顶。晶胞三个棱的方向称为晶轴。

晶体分为三大晶族，七大晶系，光学晶体多属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、晶体的基本性质

（一）均匀性晶体内部质点性质和排列方式都是相同的。

（二）各向异性晶体内部不同方向上质点性质不同，排列方式也不同所引起的。

（三）对称性晶体光轴为对称轴单轴

（四）自范性（自限性）晶体具有自发地形成封闭集合多面体外形的性质。（五）最小内能行及稳定性

三、光学性质

（一）双折射

与晶体结构对称程度有关。

（二）旋光性

当平面偏振波沿光轴方向传播时，偏振面旋转一定角度的现象。

（三）吸收性和多色

吸收性：各项异性。多色性：除等轴晶体外，同一晶体的不同方向上呈现出不同的颜色。

四、力学性质

（一）解理解理性：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。解理面：因解理而成的平面。断口：依一定方向破裂而成的凹凸不平的表

（二）硬度硬度：表示物体对外来机械侵入所表现的抵抗能力。测定方法不同，硬度的标准也不同。对晶体最常用的是莫氏硬度。

旧莫氏硬度：

（10种）滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石。

新莫氏硬度：

（15种）滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、熔融石英、石英、黄玉、石榴石、碳化锆、刚玉、碳化硅、碳化硼、金刚石。

五、晶体的溶解度

晶体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。

六、分类及应用

（一）按晶体的用途分类

1、紫外、红外晶体有石英（SiO2）、萤石（CaF2）、氟化锂（LiF）、岩盐（NaCl）、硅（Si）、锗（Ge）等。

石英：

2、偏振晶体

常用的偏振晶体有方解石（CaCO3）、石英和硝酸钠（硝石）等。

方解石：

3、复消色差晶体利用晶体特殊的色散特性制造复消色差物镜，如萤石与玻璃组合制成复消色差系统，可以消除球差和二级光谱。

4、激光晶体可用作固体激光器的工作物质，如红宝石、氟化钙和钇铝石榴石等。

刚玉：

石榴石：

（二）按硬度和工艺方法分类

1、硬质晶体

硬质晶体的硬度比玻璃高。玻璃的莫氏硬度约为6，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软质晶体，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，例如氯化钠、氯化钾和ADP（磷酸氰氨）、KDP （磷酸氰钾）等。

§1-7  光学塑料

一、光学塑料的组成及种类

（一）组成

在树脂中添加增强剂、增塑剂、稳定剂和润滑剂等。塑料的基本性质，主要取决于树脂的性质，添加剂对改善塑料的性能起着重要作用。

（二）分类光学塑料按其性质分为：

①热塑性塑料：是线性分子链结构。

②热固性塑料：是网状分子链结构

1、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）高度透明，对可见光的透过率高达92%，并能透过73%的紫外光。它的折射率为1.492，与冕牌玻璃相近，故称王冕塑料。缺点：表面硬度低、易划伤。

优点：冲击强度高、不易碎、质轻、价格低、已成型。

成型方法：浇注成型法、注射成型法、机械加工成型法、热成型法。

2、聚苯乙烯

它的折射率为1.591。与火石玻璃相近，故称火石塑料。

缺点：强度低，耐热性差。

优点： 自由着色、无臭无味无毒、吸湿性小。

3、烯丙基二甘醇碳酸脂（CR39）

是目前使用的唯一的热固性光学塑料，通常采用浇铸成型。

缺点：收缩率大、价格贵。

优点：耐磨、抗冲击、抗化学腐蚀性强。

4、苯乙烯——丙烯酸酯共聚物70%的苯乙烯和30%的丙烯酸酯的共聚物。 可调其2者的成份，成份不同折射率不同。

二、光学塑料的优缺点优点：

1．比重小   光学塑料的比重在0.83-1.4之间，而光学玻璃为2.5-4.7。

2．耐冲击强度高

3．透红外、紫外性能好

4．耐温度骤变能力强5．易成型、成本低

缺点：

1．热膨胀系数高，吸水性大

2．硬度低、易划伤

3．光学常数选择范围有限

4．耐溶剂性能差

感谢作者的努力！

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