第1章--光学材料

光导纤维：光通信纤维，被利用的是它的信息功能;
20世纪70年代发展起来的低损耗光纤（20dB/km），在远距离 (几公里、几十甚至几百公里) 传输光信息，要求光纤中的 光传输损耗极小。 现在光导纤维的光损耗已经降低到0.2dB/km 。
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：
改变玻璃的性质。如BaO、PbO可增大n，但化学稳定性降低。
表2-1列出了各种氧化物对玻璃性质的影响
Hale Waihona Puke 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 。
如含有CeO2抑制剂的玻璃在受高能辐射线辐射后，四价铈离子变 成三价，而三价和四价的铈离子在紫外波段才有吸收带，在可 见光范围内均无吸收峰，玻璃不会着色。
命名：如K509具有耐辐射能力为105伦琴，保持K9玻璃的 光学常数和其它性质。
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。
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。
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
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 。
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 。
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。
τ
λ
－λ 谱线特性：对某一光谱区有显著的“拦截”或“透明”，
2.3 有色光学玻璃
2、中性玻璃 ：
τ
－λ 谱线特性：在可见光区域内均匀降低光强度，而 不改变其光谱成分，图1-22中的3线。 牌号： ZAB1、ZAB2……ZAB10
λ
3、硒镉玻璃：着色剂是采用硒化镉和硫化镉
τ
渡区愈窄截止性能就愈好。图1-22中的1线。 品种：HB（红色）、JB（金黄色）、CB（橙色）、ZJB （紫外）、HWB（红外透可见吸收）。
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。
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 ：
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。
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Δ D1来表示
由于不同波长的光在同一介质中的传播速度不同，因而其光 的折射率nλ 也是不一样的。
nd是指d光（5876埃）;nF是取F谱线(4861埃）;nc是取C谱线(6563埃）;
中部色散： nF-nc 色散系数（阿贝数）：ν d＝(nd-1)/(nF-nC)，ν 值越大，色 散作用越小。
光学常数是选择光学材料的依据。
三、光学纤维
是指直径5～100μ m的玻璃(或晶体)细丝。
导光纤维：被利用的是它的能量功能 。
发展比较早 ，1951年就出现了医用玻纤(胃镜等），后又出 现了多根导光纤维捆在一起用来传输光能(传光束)和传送 图像(传像束)，在医学、照明、计量、加工等获得实际应 用。 导光纤维内部光耗损较大,较短距离(几米至几十米)内以光能 量传输.
λ
-λ 谱线特性：较宽的高透过区和一个高吸收区，过
2.4 特种光学玻璃
一、耐辐射光学玻璃
普通的无色光学玻璃：对短波光的吸收，在受到一定剂 量的γ 射线和X射线照射后，玻璃会变暗或着色，甚至 完全失透。 加入一种含多价性离子的抑制剂，高能辐射线作用于玻 璃时，首先改变多价性离子的价态，而不产生着色中心， 这样玻璃就具有耐辐射的稳定性 。
在nd－ν 领域图中不同玻璃处于不同的位置。按n和ν 不同分了若干区域。每一光学玻璃牌号有其特定的n和ν ， 如图2-3所示
图2-3
2.2 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。
第二节 光学玻璃
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 光学玻璃概况 无色光学玻璃 有色光学玻璃 特种光学玻璃 光学玻璃的制造
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。
折射率、色散系数的允差及一致性 ：
折射率、色散系数与标准值所允许的误差，分为00,0、1、2、3、4 六类。 同一批光学玻璃中折射率、色散系数的不一致性，分为A、B、C、D 四级。
质量指标 （GB903-87）
光学均匀性 ：同一块玻璃中各部分折射率变化的不 均匀程度。
按最小鉴别角或折射率微差最大值分为4类。
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τ λ 、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。
应力双折射 ：由于内应力使一束光经过后产生两束 传播速度不同的光线。
以o光和e光通过每1cm厚的玻璃产生的光程差大小，分为4类。
光吸收系数：
国家标准规定，玻璃的吸收系数分为00，0，1，2，3，4，5，6八类。
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。
光学薄膜的淀积方法：热蒸发和溅射两种。