2 光学材料(最新修正版)-精心整理
光学原材料
光学原材料光学的原材料主要包括：1. 光学玻璃：包括有色光学玻璃、激光玻璃、石英光学玻璃、抗辐射玻璃、紫外红外光学玻璃、纤维光学玻璃、声光玻璃、磁光玻璃和光变色玻璃等。
2. 光学晶体：卤化物单晶，如氟化物单晶，溴、氯、碘的化合物单晶，铊的卤化物单晶等。
还有氧化物单晶，如蓝宝石（Al2O3）、水晶（SiO2）、氧化镁(MgO）和金红石（TiO2）等。
此外，制作透镜等光学元件的原材料包括石英、钠玻璃和钛酸锶等。
其中，石英透镜的优点在于防腐性强，可用于制作紫外线光学仪器。
钠玻璃透镜价格较低，适用于制作低成本光学仪器。
钛酸锶透镜的优点在于色散极小。
分析：光学原材料是制造各种光学元件的基础，其质量和性能直接影响到光学元件的质量和性能。
这些原材料包括各种玻璃、晶体、涂层材料等，下面将分别介绍它们的特点和作用。
首先是光学玻璃，它是制造各种透镜、棱镜、窗口等元件的主要材料。
光学玻璃具有高透明度、高折射率、低色散等特点，能够有效地传输和聚焦光线，使得光学元件能够发挥出最佳的性能。
此外，光学玻璃还具有优异的机械性能和化学稳定性，能够承受各种恶劣环境的影响，长期保持稳定的光学性能。
其次是光学晶体，它是制造激光器、光放大器、光调制器等元件的关键材料。
光学晶体具有优异的激光性能和光学性能，能够实现高效的光学放大和调制，是光通信、光存储、光谱分析等领域的重要原材料。
此外，光学晶体还具有优异的热学性能和机械性能，能够承受高功率激光的照射和机械应力的影响，保持长期稳定的性能。
最后是涂层材料，它是制造各种光学薄膜、滤光片、反射镜等元件的重要材料。
涂层材料具有不同的光学性质和物理性质，能够实现反射、透射、吸收、偏振等各种光学效果，扩展了光学元件的应用范围。
同时，涂层材料还具有优异的附着力和耐久性，能够长期保持稳定的性能。
综上所述，光学原材料是制造各种光学元件的关键基础，其质量和性能对光学元件的质量和性能有着至关重要的影响。
随着科技的不断发展，对光学原材料的要求也越来越高，需要不断研究和开发新的材料和技术，以满足不断增长的市场需求。
(整理)光学材料讲稿.
光学材料一、引言光充满着整个宇宙，各种星体都在发光：远红外光、红外光、可见光、紫外光，以及X 射线等。
我们生活在光的世界里，整天都在和光打交道，白天靠日光，黑夜靠灯光，夜间在野外可能还要靠星光定方向。
要利用光，就要创造工具，就要有制造工具的材料—光学材料。
自然界中存在一些天然或合成的光学材料，如我国的夜明珠、发光壁；印度的蛇眼石、叙利亚的孔雀暖玉等。
这些材料具有奇异的发光现象，能在无光的环境下放出各种色泽的晶莹光辉。
由于这些光学材料稀有，因而被视为人间珍宝，其主要作用成了权力和财富的象征。
在春秋战国时期，墨子就研究了光的传播规律，接着出现了最古老的光学材料—青铜反光镜。
17 世纪，瑞士人纪南成功地熔制出光学玻璃，主要用于天文望远镜。
随后，欧洲出现了望远镜和三色棱镜，人工制造的光学玻璃成为主要光学材料。
19 世纪和20 世纪初是世界光学工业形成的主要时代，以望远镜（包括天文望远镜和军用望远镜）、显微镜、光谱仪以及物理光学仪器（包括很多种医用光学仪器）四大类为主体，建立了光学工业。
如今，光学材料已经在国民经济和人民生活中发挥着重要作用。
最简单的例子，一个人如果眼睛发生了病变，只能看清近处而看不清远处的物体（称近视），或者只能看清远处而看不清近处的物体（称远视），达就需要配戴眼镜来进行校正。
戴上眼镜后，入射光线先经过眼镜片发散（或会聚）后再进入人眼水晶体，就能使景物上的光线正确地聚焦在视网膜上，于是，一副直径 5 厘米左右的光学眼镜片就能消除眼疾给人带来的苦恼。
现在，工农业生产、科学研究和人类文化生活等需要使用显微镜、望远镜、经纬仪、照相机、摄像机等各种光学仪器，核心部分都是由光学材料制造的光学零件。
所以，光学材料已经成为人们社会必不可少的功能材料之一。
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。
光学材料手册
光学材料手册【原创版】目录1.光学材料的定义和分类2.光学材料的应用领域3.光学材料的性能指标4.光学材料的发展趋势正文一、光学材料的定义和分类光学材料是指在光学领域中具有特定光学性能和应用价值的材料。
根据其性质和用途，光学材料可分为以下几类：1.透镜材料：用于制造光学透镜，如玻璃、塑料和晶体等。
2.反射镜材料：用于制造反射镜，如金属薄膜和玻璃等。
3.光学薄膜材料：用于制造光学薄膜，如金属膜、介质膜和复合膜等。
4.光学晶体材料：具有特定光学性能的晶体材料，如激光晶体、光纤晶体等。
5.光学塑料材料：用于制造光学零件的塑料材料，如聚光学材料、光敏塑料等。
二、光学材料的应用领域光学材料广泛应用于以下领域：1.光学仪器：显微镜、望远镜、摄影镜头等。
2.光通信：光纤、光缆、光开关等。
3.光显示：液晶显示器、投影仪、显示器等。
4.光存储：光盘、光存储器等。
5.光能源：太阳能电池、光热发电等。
6.光学传感器：光电传感器、光纤传感器等。
7.照明：灯具、光源等。
三、光学材料的性能指标光学材料的性能指标主要包括：1.折射率：表示材料对光的传播速度的影响。
2.色散：表示材料对不同波长光的折射率差异。
3.透光率：表示材料对光的透过能力。
4.反射率：表示材料对光的反射能力。
5.光学均匀性：表示材料内部光学性能的一致性。
6.抗光损伤性：表示材料对光的损伤抵抗能力。
7.热稳定性：表示材料在高温下的光学性能稳定性。
四、光学材料的发展趋势光学材料的发展趋势主要表现在以下几个方面：1.高性能：追求更高的折射率、更低的色散、更高的透光率等性能指标。
2.轻量化：发展轻质、高强度的光学材料，以满足光学器件的轻量化需求。
3.环保化：研究绿色、环保的光学材料制造工艺，以减少对环境的影响。
4.智能化：开发具有自适应、可调谐等智能特性的光学材料。
光学材料手册
光学材料手册一、光学材料的概述光学材料是指那些具有特殊光学性能，可以用于制造光学元件、光学系统和光学器件的物质。
光学材料在科学技术、国防、民用等领域具有广泛的应用。
二、光学材料的分类1.透明光学材料：如玻璃、塑料、晶体等，具有良好的光透射性能。
2.光学薄膜材料：如金属薄膜、介质薄膜等，具有调节光透射、反射、折射等性能。
3.光学纤维材料：如石英光纤、塑料光纤等，用于光通信、光学传感等领域。
4.光学晶体材料：如石英、锂niobate 等，具有良好的光学性能和电学性能。
5.光学玻璃材料：如硼硅酸盐玻璃、氟化玻璃等，具有高折射率、低光学损耗等特点。
三、光学材料的性能与参数1.折射率：光学材料的一个重要性能参数，影响光在材料中的传播速度和光透射性能。
2.光透射率：指光通过材料时的透射程度，与材料的透明度、颜色等有关。
3.光学损耗：光在材料中传播过程中能量的衰减，与材料的吸收、散射等有关。
4.光学均匀性：指材料的光学性能在空间和时间上的稳定性。
5.机械强度：光学材料在加工和使用过程中的力学性能。
四、光学材料的制备与加工1.制备方法：包括熔融法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法等。
2.加工技术：如光学加工、精密加工、化学腐蚀等，用于制备光学元件和器件。
五、光学材料的应用1.光学元件：如透镜、反射镜、光栅等，用于光学系统中的成像、分光等。
2.光学仪器：如望远镜、显微镜、干涉仪等，应用于科学研究和实际生产。
3.光通信：光纤、光放大器等，实现信息的高速传输。
4.光学显示：如投影仪、显示器等，用于图像显示和虚拟现实等领域。
5.光学存储：如光盘、蓝光盘等，用于信息的存储和读取。
六、光学材料的发展趋势与展望1.技术创新：新型光学材料的研发，提高光学性能和降低成本。
2.产业应用：光学材料在电子信息、生物医学、新能源等领域的广泛应用。
3.国际化合作：加强国际间光学材料研究和产业发展的交流与合作。
综上所述，光学材料具有广泛的应用领域，其性能和制备技术不断取得突破。
最新光学镜片知识整理
镜片知识整理一、光学材料 (4)二、无色光学玻璃 (4)1．系列、类型和牌号 (5)1.1 系列 (5)1.2 类型 (5)1.2.1 光学玻璃牌号分类 (5)1.2.2 光学玻璃牌号命名 (6)1.2.3 无铅、砷、镉玻璃牌号的命名 (6)1.2.4 低软化点玻璃牌号的命名 (6)1.2.5 高透过玻璃牌号的命名 (6)1.3 牌号 (6)2．质量指标、类别和级别 (11)2.1 质量指标 (11)2.2分类分级 (11)2.2.1 折射率、色散系数 (11)2.2.2光学均匀性 (12)2.2.3应力双折射 (13)2.2.4 条纹度 (14)2.2.5. 气泡度 (15)2.2.6光吸收系数 (16)2.2.7 耐辐射性能 (17)3．光学性能 (18)3.1 折射率 (18)4．化学性能 (18)4.1 抗潮湿大气作用稳定性RC（S）(表面法) (18)4.2抗酸作用稳定性RA（S）(表面法) (18)4.3 各种氧化物对玻璃性质的影响 (19)5. 光学玻璃的物理参数 (19)6．玻璃牌号对照表 (20)三、其它光学玻璃 (26)1．有色光学玻璃 (26)1.1 有色玻璃的种类 (26)1.1.1 截止型玻璃（硒镉着色玻璃） (27)1.1.2 选择吸收玻璃（离子着色玻璃） (27)1.1.3 中性玻璃 (27)1.2 有色光学玻璃的特点和用途 (28)1.3 有色玻璃牌号 (28)2．特种光学玻璃 (29)2.1 石英玻璃 (29)四、微晶玻璃 (30)1．概述 (30)2．微晶玻璃的性能及应用 (30)3．光学晶体主要性能参数 (31)五、光学塑料 (31)1．光学塑料大致分类 (31)2．常用光学塑料 (32)2.1 聚苯乙烯PS(火石塑料) (32)2.2 聚碳酸酯PC (32)2.3 聚甲基丙烯酸甲脂（Polymethyl methacrylate简称PMMA，也称Acrylic） (33)2.4 烯丙基二甘醇碳酸酯(Allgl diglycol carbonate,简称ADC或CR-39) (34)2.5 苯乙烯-丙烯腈共聚物NAS (35)2.6 苯乙烯-丁二烯-丙烯酯ABS (35)2.7 苯乙烯甲基丙烯酸甲酯共聚物 (36)3．光学塑料的主要优缺点 (37)4．光学塑料零件的镀膜技术 (38)六．光学镜片镀膜技术 (39)1．光学零件镀膜分类, 符号及标注 (39)2．镀膜种类 (39)3. 镀膜材料 (40)一、光学材料透射材料分为光学玻璃、光学晶体和光学塑料三大类，它们的光学特性主要由其对各种色光的透过率和折射率决定。
(整理)光学材料大全
有色玻璃牌号无色光学玻璃类型光学晶体主要性能参数添加日期：2002-10-29常用光学塑料-聚甲基丙烯甲酯PMMA密度(kg/m3)：(1.17～1.20)×10E3nD ν：1.49 57.2～57.8透过率(%)：90～92吸水率(%)：0.3～0.4玻璃化温度：10E5熔点（或粘流温度）：160～200马丁耐热：68热变形温度：74～109(4.6 ×10Pa) 68～99(18.5×10Pa)线膨胀系数：(5～9)×10E-5计算收缩率(%)：1.5～1.8比热J/kgK：1465导热系数W/m K：0.167～0.251燃烧性m/min：慢耐酸性及对盐溶液的稳定性：出强氧化酸外，对弱碱较稳定耐碱性：对强碱有侵蚀对弱碱较稳定耐油性：对动植物油，矿物油稳定耐有机溶剂性：对芳香族，氯化烃等能溶解，醇类脂肪族无影响日光及耐气候性：紫外透过滤73.5%常用光学塑料-苯乙烯甲基丙烯酸甲酯共聚物密度(kg/m3)：(1.12～1.16)×10E3nD ν：1.533 42.4透过率(%)：90吸水率(%)：0.2玻璃化温度：熔点（或粘流温度）：马丁耐热：<60热变形温度：85～99 (18.5×105Pa)线膨胀系数：(6～8)×10E-5计算收缩率(%)：比热J/kgK：导热系数W/m K：0.125～0.167燃烧性m/min：慢耐酸性及对盐溶液的稳定性：除强氧化酸外，对酸盐水均稳定耐碱性：对强碱有侵蚀，对弱碱较稳定耐油性：对动植物油，矿物油稳定耐有机溶剂性：对芳香族，氯化烃等能溶解，醇类脂肪族无影响日光及耐气候性：紫外透过滤73.5%常用光学塑料-聚碳酸酯PC密度(kg/m3)：1.2 ×10E3nD ν：1.586(25) 29.9透过率(%)：80～90吸水率(%)：23CRH50% 0.15 水中0.35玻璃化温度：149熔点（或粘流温度）：225～250(267)马丁耐热：116～129热变形温度：132～141(4.6×105Pa) 132138(18.5×105Pa)线膨胀系数：6×10-5计算收缩率(%)：0.5～0.7比热J/kgK：1256导热系数W/m K：0.193燃烧性m/min：自熄耐酸性及对盐溶液的稳定性：强氧化剂有破坏作用，在高于60水中水解，对稀酸，盐，水稳定耐碱性：强碱溶液，氨和胺类能腐蚀和分解，弱碱影响较轻耐油性：对动物油和多数烃油及其酯类稳定耐有机溶剂性：溶于氯化烃和部分酮，酯及芳香烃中，不溶于脂肪族，碳氢化合物，醚和醇类日光及耐气候性：日光照射微脆化常用光学塑料-烯丙基二甘碳酸酯CR39密度(kg/m3)：25 1.32×10E3nD ν：1.498 53.6～57.8透过率(%)：92吸水率(%)：0.2 24h 25玻璃化温度：熔点（或粘流温度）：马丁耐热：热变形温度：8×10-5(-40～+25)11.4×10-5(25～75)14.3×10-5(75～125)线膨胀系数：计算收缩率(%)：比热J/kgK：导热系数W/m K：燃烧性m/min：耐酸性及对盐溶液的稳定性：耐碱性：耐油性：耐有机溶剂性：日光及耐气候性：常用光学塑料-苯乙烯-丙烯腈共聚物AS密度(kg/m3)：(1.075～1.1)×10E3nD ν：1.498 53.6～57.8透过率(%)：92吸水率(%)：0.2～0.3 24h玻璃化温度：熔点（或粘流温度）：马丁耐热：热变形温度：线膨胀系数：3.6×10E-5计算收缩率(%)：比热J/kgK：导热系数W/m K：燃烧性m/min：耐酸性及对盐溶液的稳定性：耐碱性：耐油性：耐有机溶剂性：日光及耐气候性：略变黄常用光学塑料-苯乙烯-丁二烯-丙烯酯ABS密度(kg/m3)：(1.02～1.16)×10E3nD ν：透过率(%)：吸水率(%)：0.2～0.4 24h玻璃化温度：熔点（或粘流温度）：130～160马丁耐热：63热变形温度：90～108(4.6×105Pa) 83～103(18.5×105Pa)线膨胀系数：7.0×10E-5计算收缩率(%)：0.4～0.7比热J/kgK：1381～1675导热系数W/m K：0.173～0.303燃烧性m/min：慢耐酸性及对盐溶液的稳定性：对酸，水，无机盐几乎没有影响，在冰醋酸中会引起应开裂耐碱性：耐碱性能良好耐油性：对某些植物油会引起应力开裂耐有机溶剂性：在酮，醛，酯以及有些氯化烃中要溶解，长期接触烃类会软化和溶涨日光及耐气候性：比聚苯乙烯好。
光学材料修
激光材料
物理化学性质 制备方法 应用
激光简介
LASER——
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
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”。 激光的特点
由于氧化钇是立方晶系晶体，具有光学各向同性的
性质，使得其具有优越的透光性能。氧化钇透明陶 瓷在宽广的频率范围内，特别是在红外区中，具有 很高的透光率。由于高的耐火度，可用作高温炉的 观察窗以及作高温条件应用的透镜。此外，氧化钇 透明陶瓷还可用于微波基板、红外发生器管、天线 罩等。
3.影响透明陶瓷性能的主要因素
激光波长 受激发射截面 弛豫时间 激发态寿命 自发荧光 损耗系数 有效发射截面 泵普波长 泵蒲波长的吸收带宽 线宽 偏振态 热双折射率
1064 nm 2.8x10-19 cm-2 30 ns 550 ms 230 ms 0.003 cm-1 @ 1064 nm 2.8 x 10-19 cm2 807.5 nm 1 nm 0.6 nm 非偏振 高
高压钠灯——“ 人造小太阳” 1、钠蒸气放电会产生超过1000°的高温
2、钠蒸气有强烈的腐蚀作用 高压钠灯是一种高压钠蒸气放电灯，在钠蒸气放电过程中，由于钠原子极不稳定，在很短的时间(约 为10-8秒)内把获得的动能以光的形式释放出来，而恢复到稳定的基态，这就是钠灯的发光原理。
2.1.2氧化钇透明陶瓷
E2 E1
hv = E2-E1
受激发射：处在高能级E2上的粒子，在发射前受到频率为hv
= E2-E1 的光子作用下，受激跃迁到低能级E1上并发出频率为 v的光子的过程，称为受激辐射
光学材料
光学材料光经过材料的反射和透射后，反射和透过的光通量的分布变化取决于材料表面的光滑程度和材料内部的分子结构。
反光和透光材料均可分为两类：一类是定向的，即光线经过反射和透射后，光分布的立体角没有变化，如镜面和透明的玻璃；另一类是扩散的，这类材料使入射光程度不同的分散在更大的立体角范围内，粉刷墙面就属于这一类。
一、定向材料1、定向反射材料光线照射到表面很光滑的不透明材料上，发生定向反射，也叫镜面反射。
如玻璃镜、磨光的金属表面等。
定向反射的特点：（1）光线入射角等于反射角；（2）入射光线、反射光线以及反射表面的法线处于同一平面。
利用这些光学特性，将放射面放在合适的位置，就可以将光线反射到需要的地方，或避免光源在实现中出现。
2、定向透射材料光线照射到表面很光滑的透明材料上，发生定向透射。
如透明玻璃、有机玻璃等。
如右图是浙江美术馆大厅，光线照到巨大的玻璃顶上，透射到室内，在达到采光的效果的同时得到了光影美学效果。
如果将透光材料一面印上花纹，使得光线折射不一，可以是外界形象歪曲，达到模糊不清的效果，这样既可以达到不分散人们的注意力，也不会过分的影响光线的透过，保持室内采光效果；同时还保持了室内活动的私密性。
这是定向透射的一个特例，如上述的压花玻璃、玻璃砖等。
二、扩散材料3、均匀扩散材料均匀扩散材料包括均匀扩散反射材料和均匀扩散透射材料。
均匀扩散反射材料又俗称漫反射，大部分无光泽、粗糙的建筑材料都可近似的看成是该类材料。
常见的漫反射材料，如涂料、乳胶漆、石膏板、砖（石）墙等。
均匀扩散透射材料又俗称漫透射，常见的漫透射材料，如乳白玻璃、半透明塑料等。
透过这些材料人们看不见光源形象或外界景物，只能看见材料的本色和亮度上的变化，人们常将这种材料做灯罩、发光顶棚、以降低光源的亮度，减少刺眼程度。
4、定向扩散材料某些材料同时具有定向和扩散两种性质。
具有这种性质的反光材料如光滑的纸、较粗糙的金属面、油漆表面等；透光材料有磨砂玻璃，透过它可以看到光源的大致形象，但不清晰。
光学材料
信所使用的光纤，大多是多模光纤。
光在光纤中传播损耗
光在光纤中传播是有损耗的，这是光纤通信中最重要的问题。
这是由于在光纤中存在两种损耗机制：
1 一种是吸收，这是光与光纤本身（在某些波长情况下）和光 纤中的杂质相互作用的结果，引起电子跃迁。其后这些电子 放出另一种波长的光子或者把能量变成机械振动（热的形式） 放出。 2 另一种能量损失是散射的方式，纤维的组织结构的不完整性 （尺寸上可能大于或小于所传导的波长）可以引起光更改传 播方向，逸出光导纤维。
6.1.2 光在光纤中传输的基本原理
如果有一束光投射到折射率分别为n1和n2的两种媒质界面 上时，(设n1＞n2)，入射光将分为反射光和折射光。入射角θ 1
与折射角θ 2之间服从光的折射定律：
当θ 1=sin-1n2/nl时，折射角θ 2为直角，这时入射光线全部 返回到原来的介质中去，这种现象叫光的全反射。此时的入射 角θ 1=sin-1n2/nl叫做临界角。在光纤中，光的传送就是利用光的 全反射原理，当入射进光纤芯子中的光与光纤轴线的交角小于 一定值时，光线在界面上发生全反射。
OVD法通过改变送进喷灯的每路气体的流量来控制沉积在母棒 上每层的掺杂含量，从而实现对折射率分布的控制。对于梯度型 折射率分布的多模光纤来说，逐层减少GeCl4的流量，直到最后 沉积纯SiO2作为包层，这样就可以实现其折射率分布。
图6-1为为光纤通讯过程示意图。
图6-1 光纤通讯过程示意图
光纤通讯发展如此之快的原因是由于它具有一些
优点，如传输损耗低，频带宽；小的尺寸和弯曲半
径及重量轻等，使它在飞机、轮船、拥挤的城市地
下管道的应用都具有优越性。由于是介电波导，可
以避免许多问题，如辐射干涉等。因为光纤损耗恒 定，所以可以很容易满足系统高参量传输的需要，
光学材料手册
光学材料手册
【实用版】
目录
1.光学材料的概述
2.光学材料的分类
3.光学材料的应用
4.光学材料的发展趋势
正文
一、光学材料的概述
光学材料是指具有光学性能的材料，它可以引导、传输、反射、吸收和变换光波。
在现代科技领域，光学材料被广泛应用于成像、显示、照明、通信等众多领域。
根据其光学性能和使用环境的不同，光学材料可分为多种类型。
二、光学材料的分类
1.根据光学性能分类
（1）折射率较高的光学材料：如光学玻璃、光学晶体等；
（2）折射率较低的光学材料：如光学塑料、光学涂层等；
（3）线性光学材料：如光学玻璃、光学晶体等；
（4）非线性光学材料：如激光晶体、光子晶体等。
2.根据使用环境分类
（1）大气光学材料：如光学玻璃、光学晶体等；
（2）真空光学材料：如光学玻璃、光学晶体等；
（3）半导体光学材料：如 LED、激光二极管等。
三、光学材料的应用
1.光学成像：如摄影镜头、显微镜物镜等；
2.光学显示：如显示器、投影仪等；
3.光学通信：如光纤、光开关等；
4.光学照明：如 LED 灯、光学反射器等；
5.光学传感：如光电传感器、光纤传感器等。
四、光学材料的发展趋势
1.高性能光学材料：具有高折射率、低损耗、大口径等性能；
2.新型光学材料：如光子晶体、超材料等具有特殊光学性能的材料；
3.绿色环保光学材料：采用环保材料和技术制备的光学材料；
4.可持续发展光学材料：具有可持续发展理念的光学材料生产和应用。
综上所述，光学材料在科技领域具有广泛的应用前景，未来发展趋势可观。
光学材料
2. 三能级系统和四能级系统
（1）三能级系统
外界的激发作用，使粒子从E1跃迁 到E3，处于E3能级的粒子不稳定，很快 通过无辐射跃迁转移到E2 。 E2是亚稳态， 寿命较长，粒子的停留时间较长。
E3 E2
E1上的粒子不断被跃迁到E3，很快 E1 转移到E2 ，由于E2允许粒子长时间停留， 则从E2到E1的自发辐射跃迁几率很小， 三能级系统 于是粒子就在E2上积聚起来，从而实现 E2与E1两能级间的粒子数的反转。
在三能级系统中， E1是最低能级或基态能 级。在热平衡时，它上面的粒子数很多，必须 用很强的光泵才能将粒子激发到E3能级，以实 现E1 和E2之间的粒子数反转，这对光激励源的 要求很高。
（2）四能级系统
四能级系统中，产生受激辐射的低能级不是系统的 基态能级，且不像三能级系统中总有很多粒子。在热平 衡条件下，该能级可认为经常是空的，所以易实现粒子 数反转。
4F
1 2
20
4F
非辐射跃迁
10
激活
2E
激光 693.3nm 0
4A 2
基态
红宝石晶体中Cr3+的能级 和激光发射
能量（103cm-1）
4F
1 2
20
4F
非辐射跃迁
10 激活
2E
激光 693.3nm 0
4A 2
基态
红宝石晶体中Cr3+的能级 和激光发射
用氙光灯的强可见光照射到红 宝石晶体上，Cr3+ 离子的d电子从 基态 4A2 激发到较高的激发态 4F1 、 4F 能级。这些能级上的电子通过非 2 辐射过程很快回到稍低一些的能级 2E。 2E激发态能级的寿命非常长， 约为5×10-3秒，这意味着 2E能级上 可聚集较多的电子，发生粒子数反 转。电子从能级 2E回到基态就产生 了激光。在这一转变过程，晶体相 中许多离子互相激励、衰变，便产 生了强的波长为693nm的相干红光 脉冲。
光学功能材料
复合发光
发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒子（一 般为正离子或者空穴和电子），这两种粒子复合时的发光。 由于离化的带电粒子在发光材料中漂移或扩散，从 而构成特征性光电导，所以又称“光电导型”发光。
单分子过程
双分子过程 电子在导带中停留的时间较短（≤10-10s） 电子在导带中停留的时间较长
2. 发光特点
实际应用的发光材料大多是激活型发光材料。
• 荧光粉中加入 Eu2+ 、 Ce3+ 、 Tb3+ 、 Yb3+等稀土离子，可使发光效率和显 色性能得到显著提高。
• 发红光的荧光粉有 Y2O3 ： Eu3+ ，很 容易被254nm的射线激发。
• 发 蓝 光 的 荧 光 粉 有 BaMgAl10O17 ： Eu3+和Sr2Al6O12：Eu3+等。 • 发 绿 光 的 离 子 是 Tb3+ ， 不 容 易 被 254nm 的射线激发，常用 Ce3+ 做为敏 化剂。
荧光：激发和发射两个过程之间的间隙极短，约为<10-8秒。 只要光源一离开，荧光就会消失。 磷光：在激发源离开后，发光还会持续较长的时间。 余辉时间：当激发停止后，发光强度衰减到10%所经历的时间。
极短余辉：余辉时间<1μ s的发光 短 余 辉：余辉时间1~10μ s的发光
中短余辉：余辉时间10-2~1 ms的发光 中 长 余 余 辉：余辉时间1~100 ms的发光 辉：余辉时间10-1 ~1 s的发光
A
hv1 hv1 or kT
B
基本特征为： A、 B在一定条件下都能稳定存在，且颜色视差显著不同； A、B之间的变化是可逆的; 该类材料的消色过程是光化学过程，有较好的稳定性和变 色选择性。
光学材料
当前高性能聚合物材料的研究热点中包括哪些聚合物的光学材料1.含硫树脂巯基化合物含硫树脂具有折射率高、色散低、密度小等特点。
尤其是它的热光稳定性明显好于含卤树脂。
硫元素大多通过巯基与各种官能团的反应引入到树脂中。
如巯基与丙烯酰氯的反应, 此反应多用于制备含硫可聚合单体，二巯基化合物与丙烯酰氯反应制得含硫单体，单体聚合后折射率为1. 62。
巯基与双键或炔基的反应，用于直接制备高折射率的聚合物或齐聚物。
支化的多巯基齐聚物与含双键单体聚合后折射率为1. 60左右。
巯基与芳香卤代烷的反应，需要高温、碱性催化, 所得聚合物多为高性能聚合物, 可用于特殊领域, 但巯基在此条件下易被氧化, 极不稳定, 反应难度大。
巯基与醛基或酮基的反应等。
2.含溴树脂型卤素( 除氟外) 可提高树脂折射率, 其中氯气毒性大, 难以操作, 且树脂折射率提高有限; 含碘树脂折射率高, 但不稳定、价格昂贵; 而溴为液体, 易操作, 折射率提高较大, 因此卤素中有实用价值的是溴元素。
含溴树脂折射率最高, 达1. 72, 但该树脂密度大、易于着色和老化, 且体积较大的溴原子会限制与之相连基团的自由旋转, 使得均聚树脂的耐冲击性能较差。
因此含溴单体的最大应用在于与其他单体共聚, 改善树脂的耐热性、尺寸稳定性、耐擦伤性, 降低吸水率, 并适当提高树脂折射率, 如将20%( 质量分数) 的含溴甲基丙烯酸酯与80%的含硫甲基丙烯酸酯共聚, 所得树脂综合性能好, 折射率达1. 63。
3.环氧树脂型环氧树脂因耐热性和耐溶剂性好、收缩率小、易成型、粘结性强等特点而被广泛使用, 如用作光学装置的粘合剂, 但通用型环氧树脂的折射率较低, 纯度不高, 很难做到无色透明, 限制了它在光学材料方面的应用。
向主链中引入硫元素、卤素, 将环氧制成环硫等均可提高树脂折射率。
其中, 环硫化合物的三元环结构张力大、稳定性不好, 化合物中的杂质、pH 值过高或过低都会引发聚合, 不易储存, 但环硫树脂具有很高的折射率及优异的性能, 因此近几年来发展较快。
光学材料简介
光学晶体
• 光学晶体的特性
• (1)双折射 • 晶体的双折射是由于极化率的各向异性而引起的，极化率 的各向异性是出晶体构造的各向异性所决定的。晶体双折 射的情况与晶体结构的对称程度有关，因此，晶体的双折 射程度与不同的晶族有关。 • 立方晶族的晶体在光学、热学、电学、磁学等方面是各向 同性，不产生双折射。但是．就晶体的每个分子的极化率 而言，都具有各向异性，立方晶族的晶体所以不产生双折 射．是由于晶体结构的高度对称性。
光学玻璃
• 红外光学石英玻璃
• 在红外和可见光谱区透明，在1µm～3.5 µm波区透过率大 于80%的光学石英玻璃。 • 具有良好的红外透过性能，含2×10-5～5×10-5的金属杂质 离子，紫外透过能力较差。存在较多氧缺位，在254nm波 长处出现较强吸收峰。在253.7nm紫外光激发下，产生蓝 紫色荧光。光学均匀性较差，在偏光下常可以观察到颗粒 状不均匀现象。
光学玻璃
• 特种光学玻璃 • 光学石英玻璃
• 光学石英玻璃是用纯水晶作原料而制得的玻璃态SiO2，也 称为石英。
1．可见光、紫外、近红外部有很高的透明度； 2．热膨胀系数小，所以尺寸稳定性好； 3．耐热性好，可经受高温不软化； 4．耐急冷急热性好，可经受瞬时高温和突然冷却不致破裂； 5．机械强度和弹性模量好．可以承受较大应力而变形量小： 6．硬度高，表四不易划伤； 7．化学稳定性好。
光学玻璃
• 关于玻璃结构的两种假说
• 晶子假说
晶格极度变形，较有规则的排列区域 依据 玻璃在520～590℃之间的折射率变化与αSiO2到β-SiO2的相变区间吻合。 玻璃的X射线结构分析图与同组分的晶体相 似。硅氧四面体排列具有连续性，多面体与 金属离子间的排列是统计无序的，因而具有 宏观各向同性。
【精品】常见光学材料简介
【关键字】精品常见光学材料简介透镜是光学实验中的主要元件之一，可采用多种不同的光学材料制成，用于光束的准直、聚焦、成像。
Newport提供的各种球面和非球面透镜，主要制作材料有BK7玻璃、紫外级熔融石英（UVFS）、红外级氟化钙（CaF2）、氟化镁（MgF2），以及硒化锌（ZnSe）。
在从看来光到近红外小于2.1µm的光谱范围内，BK7玻璃具有良好的性能，且价格适中。
在紫外区域一直到195nm，紫外级熔融石英是一种非常好的选择。
在看来光到近红外2.1µm范围内，熔融石英具有比BK7玻璃更高的透射率，更好的均匀度以及更低的热膨胀系数。
氟化钙和氟化镁则适用于深紫外或红外应用。
本文将对这些常见光学材料的性质和应用进行介绍，并列出了一些基本的材料参数，如折射率、透射率、反射率、Abbe数、热膨胀系数、传导率、热容量、密度、Knoop硬度，及杨氏模量。
BK7是一种常见的硼硅酸盐冕玻璃，广泛用作看来光和近红外区域的光学材料。
它的高均匀度，低气泡和杂质含量，以及简单的生产和加工工艺，使它成为制作透射性光学元件的良好选择。
BK7的硬度也比较高，可以防止划伤。
透射光谱范围380-2100nm。
但是它具有较高的热膨胀系数，不适合用在环境温度多变的应用中。
紫外级熔融石英是一种合成的无定型熔融石英材料，具有极高的纯度。
这种非晶的石英玻璃具有很低的热膨胀系数，良好的光学性能，以及高紫外透过率，可以透射直到195nm的紫外光。
它的透射性和均匀度均优于晶体形态的石英，且没有石英晶体的那些取向性和热不稳定性等问题。
由于它的高激光损伤阈值，熔融石英常用于高功率激光的应用中。
它的光谱透射范围可以达到2.1µm，且具有良好的折射率均匀性和极低的杂质含量。
常见应用包括透射性和折射性的光学元件，尤其是对激光损伤阈值要求较高的应用。
氟化钙是一种具有简单立方晶格结构的晶体材料，采用真空Stockbarger技术生长制备。
2 光学材料(最新修正版)-精心整理
而且可在高频电压下工作，发光亮度很高，发光 效率也高，而且寿命可达104 h以上
交流场致发光材料
场致发光显示屏
5. 发光二极管
发光二极管（ LED）是具有发光特性的半导体二 极管 施加正向电压时，通过p-n 结分别把 n区电子注入 p区，p区空穴注入n区 进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子 复合而发光
红外平衡状态时，物体吸收的红外能量恒等于它 所发射的红外能量
表明：若物体对某种波长的辐射有很强的吸收能力， 则它对这种辐射的发射能力也很强
推论：性能好的反射体或透明体，必然是性能差的 辐射体
它再激发第二层材料(Zn,Cd)S: Cu, Al，发射长余 辉的黄光
—— 由于电子的能量在几千电子伏以上，所以除发 光以外，还产生X射线。 ——X 射线对人体有害，因而在显示屏的玻璃中常 添加一些重金属（如Pb），以吸收在电子轰击 下荧光屏所产生的X射线。
阴极射线发光材料
4. 场致发光材料
光学材料
Optical Materials
光是电磁波，其颜色由它们的波长（单位：cm 或nm）决定 ——可见光的波长大约在400 ~ 700 nm之间。 光速C等于波长和频率（单位：s–1）的乘积： C =
光学材料是用来制作光学零件的材料，如玻璃、 光学晶体、光学塑料等，包括： 光纤材料
ag可以发出红光35交流场致发光的效率较高可达15lmw场致发光的研究和应用都以交流场致发光为主当前薄膜场致发光材料最受人重视它的机理和粉末材料中的过程一样只是它不需要介质而且可在高频电压下工作发光亮度很高发光效率也高而且寿命可达10h以上36交流场致发光材料场致发光显示屏37发光二极管led是具有发光特性的半导体二发光二极管施加正向电压时通过pn结分别把n区电子注入p区p区空穴注入n区进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子复合而发光3839注入的电子或者与价带空穴直接复合而发光或者先被发光中心捕获后再与空穴复合发光由于复合是在少数载流子扩散区内发光的所以光仅在靠近pn结面数m以内产生
光学功能材料
1
根据基尔霍夫定律，任何辐射体的辐射出射度和吸收率之 比相同并恒等于同温度下黑体的辐射出射度，且只和温度有 关，可得： 式中为发射率，也叫比辐射率。这说明影响材料反射、 透射和辐射性能的有关因素必然会在其发射率的变化规律中 反映出来。材料发出辐射是因组成材料的原子、分子或离子 体系在不同能量状态间跃迁产生的。 这种发出的辐射在短波段主要与其电子的跃迁有关，在 长波段则与其晶格振动特性有关。红外加热技术中的多数辐 射材料，发出辐射的机制是由于分子转动或振动而伴随着电 偶矩的变化而产生的辐射。因此，组成材料的元素、化学键 形式、晶体结构以及晶体中存在缺陷等因素都将对材料的发 射率发生影响。
(f)材料的体因素对发射率的影响 材料的体因素包括材料的厚度、填料的粒径和含量等 等。对某些材料，如红外线透明材料或半透明的材料，其发 射率值还与其体因素有关。原因是红外线能量在传播过程中 材料的吸收所致。 (g) 材料的发射率随工作时间而变化 在工作条件下，由于与环境介质发生相互作用或其他 物理化学变化，从而引起成分及结构的变化，将使材料的发 射率改变。
(c) 原材料预处理工艺对发射率的影响 同一种原材料因预处理工艺条件不同而有不同的发射串值。 例如，经700℃空气气氛处理与经1400℃煤气气氛处理的氧化 钛的常温发射率分别为0.81和0.86。
(d)发射率与温度的关系 温度影响材料的发射率。电介质材料的发射率较金属大 的多，有些随温度升高而降低，有些随温度的升高而有复杂 的变化。
透红外材料碱卤化合物晶体用途红外仪器和装置中的棱镜窗口材料探测元件窗口或透镜材料窗口滤光片基板材料透红外材料是用来制造红外光学仪器透镜棱镜调制盘整流罩等丌可缺少癿材料各种透红外材料癿主要用递如表金属铊和卤族元素化合物晶体碱土卤族化合物晶体氧化物晶体半导体晶体无机盐化合物晶体透红外光学玻璃窗口整流罩透镜材料窗口透镜整流罩探测器的前置透镜红外火炮控制系统和红外航空摄影系统中的元件高温红外光学装置高温辐射源及其他高温装置近红外装置的窗口材料激光装置的窗口材料窗口红外增透膜多宽带抗反射膜的保护膜红外透明陶瓷透红外塑料金刚石膜和类金刚石膜収光是一种物体把吸收癿能量丌经过热癿阶段直接转换为特征辐射癿现象
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发光材料
红外材料 激光材料 光色材料
一、发光材料
1. 概述
发光是物质将某种方式吸收的能量转化为光辐射 的过程
光子是固体中的电子在受激高能态返回较低能态 时发射出来的 当发出光子的能量在1.8 ~ 3.1 eV时，便是可见光
1.24 E (keV) h h (nm)
c
平衡辐射和非平衡辐射
光辐射有平衡辐射和非平衡辐射两大类： 平衡辐射的性质只与辐射体的温度和发射本领有 关，又称为热辐射 非平衡辐射是在外界激发下物体偏离了原来的热 平衡态，继而发出的辐射
热辐射与温度的关系
发光材料（非平衡辐射）的晶格
发光材料的晶格要具有结构缺陷或杂质缺陷，材 料才具有发光性能 结构缺陷是晶格间的空位等晶格缺陷，由其引起 的发光称为自激活发光 如果在基质材料中有选择地掺入微量杂质在晶格 中形成杂质缺陷，由其引起的发光叫激活发光
固体吸收能量后，激发态的寿命极短，一般大约 仅10−8s就会自动回到基态而放出光子 ——这种发光现象称为荧光，撤去激发源后，荧光 立即停止，延迟发射 < 10−8 s 被激发的物质在切断激发源后仍能继续发光，这 种发光现象称为磷光 ——延迟发射 > 10−8 s
根据余辉时间的长短可以把发光材料分为： 超短余辉：< 1 s 短余辉：1~10 s 中短余辉：10−2~1 ms 中余辉：1~100 ms 长余辉：0.1~1 s 超长余辉：> 1 s
线谱：半宽度0.1nm，如GdVO4: Eu3+
Y2O2S: Tb3+的线状发射光谱 ——这种材料由于同时可发绿色和蓝色光，常被选 作黑白电视显像材料。
2）发光强度
发光强度是随激发强度而变的，通常用发光效率 来表征材料的发光能力
发光效率也同激发强度有关 ——激发强度较大，一般不发光或发光很弱的材料 也可发出可觉察的光或较强的光。
发光效率有三种表示方法： 量子效率：发光的量子数与激发源输入的量子数 的比值 能量效率：发光的能量与激发源输入能量的比值
光度效率：发光的光度与激发源输入能量的比值
3）发光寿命
发光体在激发停止之后持续发光时间的长短称为 发光寿命（荧光寿命或余辉时间） 一般约 定，从 激发停 止时的 发光强 度 I0 衰减 到 I0/10的时间称为余辉时间 发光最初分为荧光及磷光两种 ——当时对发光持续时间很短的发光无法测量，才 有这种划分法。
光学材料
Optical Materials
光是电磁波，其颜色由它们的波长（单位：cm 或nm）决定 ——可见光的波长大约在400 ~ 700 nm之间。 光速C等于波长和频率（单位：s–1）的乘积： C =
光学材料是用来制作光学零件的材料，如玻璃、 光学晶体、光学塑料等，包括： 光纤材料
3. 阴极射线发光材料
阴极射线发光是在真空中从阴极出来的电子经加 速后轰击荧屏所发出的光 ——发光区域只局限于电子所轰击的区域附近。 使用阴极射线发光材料时应考虑它的亮度及影响 亮度的几个因素
还必须考虑另外两个重要特性：发光颜色及衰减
——如对于必须保证特定颜色的彩色电子束管，一 般要牺牲一定的亮度。
——掺入的微量杂质一般充当发光中心，称激活剂。
——实际应用的发光材料大多是激活型发光材料。
发光材料的化学成分表示形式：MR: A MR为发光材料的基质 A为激活剂 例如：ZnS: Cu
被激发和去激发可能的过程
发光是去激发的一种方式，晶体中电子的被激发 和去激发互为逆过程 ——被激发和去激发可能在价带、导带和缺陷能级 中任意两个之间进行： 价带与导带之间
早期的荧光粉是MgWO4与(Zn, Be)2SiO4: Mn2+ 1949 年，出现了锰、锑激活的卤磷酸钙荧光粉 3Ca3(PO4)2· Ca(F, Cl)2: Mn, Sb（卤粉） 量子效率较高、稳定性好、原料易得、价格便宜 而且可以通过调整配方比例获得冷白、暖白和日 光色的输出 ——这些突出的优点使它一直沿用至今。
荧光灯发光原理
电子轰击Hg使其激发 受激Hg放出紫外线 紫外线使荧光粉中的Sb3+、Mn2+激发 处于激发态的Sb3+和Mn2+返回基态时发出光 ——二者的光谱范围都较宽，几乎遍及整个可见光 谱范围（一种白色光）。
发彩色光荧光粉
发红光的荧光粉——Y2O3: Eu3+ 发绿光的荧光粉—— MgAl11O19: Ce3+, Tb3+ 发蓝光的荧光粉——BaMg2Al16O27: Eu2+
—— 飞点扫描管要求发光的上升及衰减都很快，约 ＜ 10−7s ，从发光中心看， Ce2+可满足这个要求。 ——Y2SiO3: Ce、Y3A15O12: Ce及它们的混合物的余 辉约为10−7~10−8s。
发光材料分类
根据发光的类型，可把发光材料分为： 光致发光材料
阴极射线发光材料
场致发光材料 发光二极管 X射线发光材料 等离子体发光
பைடு நூலகம்
2. 光致发光材料
光致发光是指通过较高能量的光辐射（如紫外光） 将材料中的电子激发到高能态从而导致发光 ——如可用于荧光灯的荧光粉，荧光粉涂在充满汞 的玻璃管内侧。
长余辉发光材料
长余辉发光材料是一种通过环境光激发出可见光， 而且在激发停止后仍可继续发光的物质 ——简称长余辉材料，又称夜光材料。 常用的传统长余辉材料主要是硫化锌和硫化钙荧 光体
——长余辉材料不消耗电能，但能把吸收的环境光 储存起来，在较暗环境中呈现出明亮可辨的可 见光，具有照明功能，可起到指示照明和装饰 照明的作用，是一种“绿色”光源材料。
价带与缺陷能级之间
缺陷能级与导带之间 两个不同能量的缺陷能级之间
材料发光的基本性质 1）发射光谱（颜色）
发射光谱是指在一定的激发条件下发射光强按波 长的分布 ——材料的发光光谱可分为下列3种类型： 宽带：半宽度100nm，如CaWO4 窄带：半宽度50nm，如Sr2(PO4)Cl: Eu3+