光学材料--邹航

光学材料OpticalMaterials主讲人:邹航老师：胡中伟2014.5.19主要内容•1、光学材料的分类•2、光学材料的发展历程介绍•3、光学玻璃•4、光学晶体•5、光学塑料1、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。•光学材料包括光学玻璃、光学晶体、光学塑料三大类。光学玻璃是用得最早，最广泛的光学材料。•光学晶体是具有规则排列结构的固体。由于人工晶体生长工艺困难，光学晶体的使用就没有光学玻璃普遍。但是晶体材料在新技术发展上起着很重要的作用。例如在光电子学技术方而，由光源．倍颇．调制、偏转、存储、显示等各部分需要的器件。又如非线性晶体所包括的电光晶体、声光晶体、变频晶体等，都要用晶体材料制成。•光学塑料属于有机高分子化合物，它的特点是抗震、质轻、价廉、成型方便。•光学塑料零件比光学玻璃零件、光学塑料零件成本要低得多。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。•2、光学材料的发展历程一、光学玻璃的发展•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：氟磷酸盐玻璃（FK,PK），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。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。三、光学纤维•是指直径5～100μm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.–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：–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。•光学薄膜的淀积方法：热蒸发和溅射两种。五、光学塑料•有机高分子聚合物。–优点：制造成本低;色散比同折射率的玻璃高;紫外与红外的透过性能也相当好。–缺点：热膨胀系数高;光学常数选择范围较窄;硬度低，易划痕或磨毛，因此应用范围受到了限制•应用历史较早：–第二次世界大战：制成的光学零件已应用望远镜、照相机和放大镜。–近几年来：塑料眼镜片、棱镜、电视机前的菲涅耳透镜3、光学玻璃•不论光学玻璃化学成分和固化温度范围如何，它是熔体过冷凝固所得到的无定形体。由于粘度逐渐增加而具有力学性能的。•硬度高、脆性大、裂开时具有蜡状的折断面、对可见光具有很好的透明度。•玻璃态物质的物理通性玻璃态的物理通性各向同性介稳性稠化过程的渐变可逆性固化过程中物理化学性质的渐变性光学玻璃•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。–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。•改变玻璃的性质。如BaO、PbO可增大n，但化学稳定性降低。•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。各种氧化物对玻璃性质的影响二、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。玻璃从熔融态向固态转化过程是连续可逆的，图2-1所示，Tf为玻璃呈塑性的最低温度，即是玻璃拉丝的温度。Tg为玻璃呈脆性的最高温度，即是玻璃退火的上限温度。玻璃由固态变成熔融态的过程正好相反，但也是连续的。玻璃的性质如粘度、比热等也是连续可变的。如图2-2所示。光学玻璃分类•光学玻璃：无色光学玻璃、有色光学玻璃和特种光学玻璃•分类与命名：主要是针对无色光学玻璃。–分类：冕牌和火石（燧石）两类。•中国：–冕牌：PbO含量3％(重量百分比）。用“K”表示。–火石：PbO含量3％(重量百分比）。用“F”表示。•德国：冕牌：nd1.6、νd50的玻璃;其余为火石。•日本：冕牌：nd1.6、νd55的玻璃;其余为火石。–命名：在K和F下按其组成和物化性能又派生出其余次类：•化学成分Ba、La：LaK、LaF、BaK、BaF;•折射率高低（Q、Z）：QF、ZF;•特殊相对色散：TF;•我国现有光学玻璃18个品种，141个牌号无色光学玻璃•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。–化学及物理的均匀性：•化学均匀性：由于局部化学成分（气泡、结石、条纹）不同而造成的化学不均匀性。•物理均匀性：由于内应力使其各部分折射率不同而造成的物理不均匀性。–化学稳定性：影响光学仪器的寿命。•主要是指抵抗潮湿大气和酸、碱、盐等介质的侵蚀能力。–机械性质和热膨胀系数：一般均能满足要求。•无色光学玻璃的质量要求：质量指标（GB903-87）•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。•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。•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。–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ΔD1来表示有色光学玻璃•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τλ、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。–τλ－λ谱线特性：对某一光谱区有显著的“拦截”或“透明”，图1-22中的2线。有色光学玻璃•2、中性玻璃：–τλ－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•3、硒镉玻璃：着色剂是采用硒化镉和硫化镉–τλ-λ谱线特性：较宽的高透过区和一个高吸收区，过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）。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。•对紫外光、可见光到红外（0.2μm～3.5μm）光谱区具有优良透过性能。其光学和其他物理性能取决于玻璃的纯度和掺杂。•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。特种光学玻璃•掺杂型光学石英玻璃掺杂过渡族和稀土元素离子，使石英玻璃中的吸收光谱或荧光性质发生变化。•常用：无臭氧石英玻璃滤紫外石英玻璃掺铈石英玻璃低膨胀石英玻璃特种光学玻璃•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。•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。特种光学玻璃•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