光学材料简介 From 复旦大学信息学院 光科学与工程系 张荣君

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 光学材料简介
 主讲:张荣君 E-mail:rjzhang@fudan.edu.cn
复旦大学信息学院  光科学与工程系
2013年1月4日


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光学材料的分类
按照用途:光介质材料、光学纤维、光学薄膜和其它光学材料。
光介质材料是指传输光线的材料,因此也可叫透射材料。入射的光线经过光介质材料折射、反射会改变其方向、相位或偏振态,还可以经过光介质材料的吸收或散射改变其强度和光谱成分。因此可以制成透镜、棱镜、反射镜、偏振器、窗口、光学纤维和光学薄膜等器件。经过特殊烧结的陶瓷可以对红外线透明,有的陶瓷对可见光也透明。
光学纤维是一种新型信息、能量传输材料。
光学薄膜是附加在光学器件表面用于提高或实现器件光学性能的一类薄膜材料,在许多方面有广泛的应用。
其它光学材料:包括发光材料、着色材料、激光材料以及光信息存储、显示、处理材料等,在现代光学领域有非常重要的地位。


光学器件常用的(基板)材料
一、玻璃----在光学应用上最重要
二、陶瓷
三、光学晶体
四、光学塑料(如PC、PMMA等)
五、金属

 

光学基底材料及其特性
三大光学材料:光学玻璃、光学晶体、光学塑料
光学玻璃应用最广泛;
人工晶体生长困难,尺寸受限制,只有在玻璃不能满足的情况下才使用,如红外、紫外、偏振、闪烁等方面,以及激光技术、非线性晶体等;
光学塑料属于有机高分子化合物,具有价格低、容易成型、质量轻等特点,近来获得广泛应用。

 

1、光学玻璃
光学玻璃与普通玻璃的主要区别是:具有更高的透明度,并在物理和化学特性上具有高度的均匀性以及特定和精确的光学常数。
光学玻璃的成分与工艺都严格保密。一般主要成分是二氧化硅。它比玻璃的机械强度高、化学稳定性好、热膨胀系数小、但熔点高(1700以上)。
一般光学玻璃能透过波长为230nm-2.5μm的各色光,超出该波长范围的光被强烈吸收。
日常窗户用普通玻璃仅仅由砂子、纯碱和石灰石组成( SiO2 - Na2O-CaO )。
光学玻璃则由Si、B、P、Pb、K、Na、Ba、As、Al等元素的氧化物按一定的配方在高温时形成盐溶液(熔融体),经过冷却得到的一种过冷的无定型熔融体。大多数光学玻璃是以SiO2为主要成分,属于硅酸盐玻璃;其次,以B2O3为主要成分,属于硼酸盐玻璃;以P2O5为主要成分,属于磷酸盐玻璃。
为改善玻璃性能和满足光学器件的需要,需要加入其它成分:如氧化铝(提高稳定性与机械强度)、氧化铅(增大折射率,但化学稳定性下降)、氧化纳(降低熔炼温度,但稳定性和机械性能下降),等等。

 

光学玻璃还具有其它特性:
(1)各向同性
由于玻璃的均一结构,其内部沿任何方向度量的物理性能(折射率、硬度、弹性模量、热膨胀系数、导电系数等)相同。
(2)稳定性
常温下,玻璃态具有较高的黏度,阻止玻璃态向晶态的转变。
(3)从熔融态向固态转变过程连续可逆
玻璃从熔融态冷却到固态在一个相当宽的温度范围内完成,变化过程连续可逆,没有固化点,只有固化温度范围。这个性质对玻璃的热处理工艺非常重要。

 

光学玻璃可以分为:
(1)、无色光学玻璃
(2)、有色光学玻璃
(3)、特殊玻璃等

 

(1)、无色光学玻璃:分类
根据化学成分,无色光学玻璃可以分为两类:
(a)、冕牌玻璃----K带头的玻璃,折射率n较小,色散系数大,可分为氟冕(FK)、磷冕(PK)、轻冕(QK)、钡冕(BaK)、重冕(ZK)、镧冕(LaK)、特冕(TK)等;
(b)、火石玻璃----F带头的玻璃,折射率n较大。色散系数大,可分为冕火石(KF)、轻火石(QF)、钡火石(BaF)、重火石(ZF)、镧H火石(LaF)等。
共有160多种之多。

 

K9玻璃
 K9玻璃是用K9料制成的玻璃制品,用于光学镀膜等领域。 
 K9料属于光学玻璃,由于它晶莹剔透,所以衍生了很多以K9料为加工对象的工厂,加工出来的产品,被称为水晶玻璃制品。
 K9的组成如下: SiO2=69.13%, B2O3=10.75%,BaO=3.07%, Na2O=10.40%, K2O=6.29% ,As2O3=0.36% 
 它的光学常数为:折射率=1.51630 ,色散=0.00806 ,阿贝数=64.06 
 光学玻璃国家标准按阿贝数分类,阿贝数≥50的玻璃为冕牌玻璃,用“K”来表示;阿贝数<50的玻璃为火石玻璃,用“F”来表示。在这两大类下还用轻“Q”、重“Z”、特“T”和化学元素符号加前缀,数字加后缀进行细分,共分为18大类,141个牌号。如:QF8(轻火石)、BaK11(钡冕)、K9(冕)。
 一般冕牌属碱硅酸盐系统,绝大多数火石玻璃属铅硅酸盐系统。

 

无色光学玻璃一些技术指标
(a)、nd----指587.7nm(氦黄线)处的折射率;
(b)、nD----指589.3nm(钠黄线)处的折射率;
(c)、相对色散(阿贝数) υd、 υD 
----由nf(486.1nm)和nc(656.3nm)确定:
      υd= (nd -1)/(nf - nc)
      υD= (nD -1)/(nf - nc)

 

无色光学玻璃的分级
玻璃按下列各项质量指标分类和分级:
a.折射率、色散系数与标准数值的允许差值;
b.同一批中,折射率及色散系数的一致性;
c.光学均匀性;
d.应力双折射;
e.条纹度;
f.气泡度;
g.光吸收系数;
h.耐辐射性能(N系列玻璃)。

 

根据折射率与标准数值的允许差值,玻璃按下表分为6类。

类别折射率nd允许差值类别折射率nd允许差值
00±2×10-42±7×10-4
0±3×10-43±10×10-4
1±5×10-44±20×10-4

 

玻璃的光学均匀性以一块玻璃中各部位间的折射率微差最大值△nmax表示时,按下表分为4类。

类别折射率最大微差,△nmax
H1±2×10-6
H2±5×10-6
H3±1×10-5
H4±2×10-5

 

(2)、有色玻璃
有色玻璃指对特定波长的可见光、紫外光或红外光具有选择性吸收或透过性能的光学玻璃,又称为光学滤光玻璃。

主要用于制作观察、照相、紫外、红外等光学仪器的滤光片,以改变光的强度或光谱成分,达到提高仪器的能见度或满足某些特定要求,有时替代镀膜,有时与薄膜组合使用。

有色光学玻璃是在无色光学玻璃原料中加入适量的着色剂制成。按照着色原理可以分为胶态着色离子着色有色玻璃两类。着色剂分别在玻璃种以胶体或者离子状态存在。

有色玻璃按照光谱特性可分为选择性吸收型、截止型、中性灰型三种光学滤光玻璃。

国际、国内均有一些专业有色玻璃生产商:如蓝玻璃就是一种有色玻璃,HOYA叫CM5000,肖特叫BG38、BG39等。

 

(3)、特殊玻璃
其它特殊玻璃可以包括
A、耐辐射玻璃
B、石英玻璃
C、隔热玻璃
D、微晶玻璃
E、耐热玻璃
F、硬质玻璃
G、光学眼镜玻璃等。

 

石英玻璃
光学石英玻璃是用纯水晶做原料制得的玻璃态二氧化硅(SiO2),也称为熔融石英。其SiO2含量大于99.9%,故具有优异性能:
(1)光谱特性好,在200nm-4.7um高透过率;
(2)热膨胀系数小,比普通玻璃小两个量级,具极高的热稳定性;
(3)耐热性极好;
(4)耐极冷极热性能好;
(5)化学稳定性好,耐酸性优于所有光学材料;
(6)机械性能好;
(7)硬度高,表面不易划伤;
(8)耐辐射性能好;
(9)密度小,为2.21g/cm3
石英玻璃用途广泛,但熔制困难,价格昂贵。


2、光学晶体及其特性

在光学上应用的单晶体称为光学晶体。光学晶体内部的不同部位具有相同的性质,即均一性;各向异性、晶体的性质相对于晶轴的对称性、稳定性等。

光学晶体按用途分为紫外、红外晶体、激光晶体、偏振晶体、复消色差晶体等;按工艺性能分为硬质晶体(莫氏硬度7~9,如石英晶体、红宝石、钇铝石榴石等)、软质晶体(莫氏硬度2~4,如萤石、方解石等 )和水溶性晶体(如氯化纳、氯化钾、ADP、KDP等)。

萤石的硬度低、脆性大,加工时容易损伤表面和破裂,水溶性晶体具有潮解性,加工困难。

 

什么叫做晶体?
晶体对我们来说既熟悉又陌生,包括食盐、糖以及一些药物等均是;
晶体具有规则的几何多面体形状,它是具有格子构造的固体。
晶体包括三大晶族七大晶系,如下表:

晶族晶系特征
轴单位轴角
低族晶系三斜a0≠b0 ≠ c0α0 ≠ β0 ≠ γ0 ≠ 90°
单轴a0 ≠ b0 ≠ c0α0 = γ0 = 90°, β0 ≠ 90°
正交a0 ≠ b0 ≠ c0α0 = β0 = γ0 = 90°
中级晶系四方a0=b0 ≠ c0α0 = β0 = γ0 = 90°
六方a0=b0 ≠ c0α0 = β0 = 90°, γ0 = 120°
三方a0=b0=c0α0 = β0 = γ0 ≠ 90
立方晶系立方a0=b0=c0α0 = β0 = γ0 = 90°

光学晶体常用中级晶族和高级晶族,石英是六方晶系

 

晶体的基本性质
1、均一性:内部质点的性质和排列方式一致;
2、各向异性:点阵性质和排列方式在方向上不一致;
3、对称性:在特定方向上异向同性,这个方向就是晶轴;
4、自范性:能自发形成封闭几何多面体;
5、最小内能性:具有确定的熔点,以及特有稳定性;
6、稳定性:最小内能性的必然结果,不能自发转化为其它状态,非晶态则随时有结晶倾向。

 

晶体的几个重要的物理性质
1、解理性:受到定向外力作用时,能按照一定的方向破裂,形成光滑的平面,此为解理性。
2、硬度:常用莫氏硬度,指甲可划的为1~2.5,小刀能刻画的为5~5.5,锉刀为6~7,锉刀都不能的为8~9,石英晶体为7,天然金刚石为9
3、溶解度
4、双折射:高级晶族没有,中级有,会将一束光分为2束,为寻常光和非寻常光,相应的折射率用no和ne表示
5、旋光性

 

光学晶体的性能特点
1、光谱透过范围宽:尤其是在长波段,可达60um。
2、折射率和色散变化范围宽:可满足各种不同应用场合;
3、熔点高、热稳定性好:有利于在高温下使用;
4、双折射:
5、旋光性:
6、吸收性和多色性:吸收率的各向异性。即随着入射光线的偏振方向不同,光学晶体对光的吸收程度也不一样。因此,除等轴晶系(高级晶族)外,在同一晶体的不同方向上呈现不同的颜色,光学晶体的这种性质叫多色性。

 

光学晶体按用途分为如下类型
1、紫外、红外晶体:用于宇宙飞船、人造卫星、导弹等的窗口,包括石英、硅、锗等
2、复消色差晶体:用于高级复消色差物镜
3、偏振晶体:制作偏振器件
4、激光晶体:用于制造激光器
5、电光晶体、声光晶体以及非线性晶体等

 

3、光学塑料及其特性
光学塑料是有机高分子聚合物,利用其一定的光学、机械、化学性能的优点,满足光学器件设计要求,从而在眼镜片、棱镜、透镜DVD、VCD、CD-ROM光头、照相机等光电仪器中得到广泛使用。

 

塑料是什么?
塑料是一种以合成树脂或天然树脂(一般为高分子聚合物)为基本成分,在加工过程中,可塑制成型,产品最终能保持形状不变的材料。

光学塑料是一种可以与玻璃竞争的透明塑料。它具有一定的光学特性、机械特性和化学特性,能满足光学零件的要求,从而逐渐构成光学三大基本材料之一(光学玻璃、光学晶体和光学塑料)。

(1)、光学塑料的应用
目前,光学塑料的应用大致分为三大类:
A、塑料透镜(包括工业、仪器用透镜、眼镜、非球面透镜、棱镜和菲涅耳透镜等);
B、光盘及光学纤维;
C、其它功能性光学塑料元件。其应用范围越来越广泛;

 

(2)、 常见的光学塑料
在世界范围内,光学塑料品种已有上百种,但真正用到工业开发,应用面广的品种并不多,据统计约十多种,如PMMA、PS、PC、SAN、CR-39、TPX等

各种文献报道的新品种非常多,日本就有s-16、KT-153、TS-26等。最近日本开发出一种聚烯经树脂,是用作光盘的新材料,它的相对密度小,仅1.01,耐热性好(Tg为140℃),透光率为90%。光学塑料的发展日新月异。

 

(3)、光学塑料的类型
据受热后的性能变化,光学塑料可分为两大类:
①热塑性光学塑料:热塑性塑料是指可以多次反复加热仍有可塑性的塑料,如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PS)均属热塑性塑料。
②热固性光学塑料:热固性塑料是由加热固化的合成树脂制成的塑料,常见的如CR-39树脂镜片,环氧光学塑料。

 

(4)、光学塑料的优点
A、成型方便、成本低(约为玻璃的1/10~1/30);
B、耐冲击强度高(光学塑料的冲击强度达25x103N·m/m2,比光学玻璃大10倍.经得起撞击和跌落,不易破损)
C、相对密度小,重量轻:光学塑料的相对密度为0.83-1.46,而玻璃的相对密度为2.5-3.0,即塑料比玻璃轻一倍,这对军用光学仪器有特殊意义。
D、透光率好(可见区和玻璃一样,在紫外和红外区比玻璃好)
E、抗温度骤变能力强:在温度低于塑料的软化温度时,不论温度如何骤然变化,其光学性能不会有多大变化。
F、工艺性好,成本低。

 

(5)、光学塑料的缺点
①拆射率温度梯度大.约为2×10-4/℃,对光学系统特别不利;
②热膨胀系数比玻璃大10>倍左右;
③导热性和耐热性差,软化温度低,易变形,加热时会变形和分解;
⑦不耐有机溶剂;
⑧耐磨性差;
⑥吸湿性严重;
⑦光学塑料的折射率和色散系数没有玻璃宽,因此,选用的余地受限制。

 

◆主要内容
光学材料

光学玻璃、光学晶体、光学塑料