光學材料簡介
光學材料的種類
光學玻璃：
光學晶體：
KDP類型晶體：
光學塑料：
光學玻璃:
①是光學設計最常用的光學材料；
②為滿足光學設計對多種光學常數、高度均勻性、高度透明性及化學穩定性的要求，應具有複雜的組成和嚴格的熔煉過程。
（一）光學玻璃與普通玻璃的區別:
①折射率：
普通玻璃的組成：SiO2+Na2O+CaO
光學玻璃的組成：成分複雜
現代光學玻璃所含元素幾乎遍及化學元素周期表，每一種光學玻璃都要由硅、磷、硼、鉛、鉀、鈉、鋇、鈣、砷、鋁等多種氧化物組成。
②高度透明：
③高度均勻性：各點各處的光學常數和其它一些物理化學性質一致
（二）光學玻璃的種類
按主要組成成份分：
以SiO2為主要成分的光學玻璃,稱之為硅酸鹽玻璃；佔95%
以B2O3為主要成分的光學玻璃, 稱之為硼酸鹽玻璃；
以P2O5為主要成分的光學玻璃,稱之為磷酸鹽玻璃。
硅酸鹽玻璃是製造透鏡、稜鏡等光學零件的主要材料。
2物質的玻璃態
物質按結構分晶體和非晶體。
玻璃態的特點：物質內部氧化物的元素以元素的離子狀態存在，它們之間的排列是沒有規律的，無固化點和融化點。
玻璃態：玻璃在低溫固態下仍保留了高溫液態的無定形結構。 又稱過冷卻液體。
3
玻璃的物理特性
①各向同性：指玻璃內部沿任何方向測得的物理性能（如折射率、熱膨脹係數、硬度等）都是同值。
各向異性：沿任何方向測得的物理性能都是不同值。
②介穩狀態：在一定條件下，物質可能處於相對穩定的狀態，但不是能量最低儲存狀態，叫介穩狀態。
說明玻璃有像晶體轉化的趨勢。
③玻璃從熔融狀態向固態轉化是連續可逆的。
④玻璃無固化點和熔化點。
玻璃的結構
(一)無規則網路學說認為：
1932年 荷蘭查哈里阿生
1、內容：
①玻璃的原子、離子、或原子團之間的結合，構成一個連續的網路體；
②網路體呈現出很大的不規則性。
2、一元體系玻璃特性（一元體系玻璃結構）：
例如：SiO2晶體：石英晶體
玻璃：熔石英玻璃
由一個硅原子和四個氧原子構成的硅氧四面體［SiO4］。
熔石英玻璃和石英晶體的結構模型如下石英晶華西
化學結構式：
3、二元體系玻璃——Na2OSiO2
1921年 蘇聯 列別傑夫
內容：
①玻璃由無數「晶子」組成；
②所謂「晶子」不同於一般的「微晶」，而是帶有點陣變形的有序排列區；
③它們分散在無定形介質區；
④從晶子區到無定形區的過渡是逐步完成的，兩者之間並無明顯的界限。
強調：遠程無序、近程有序。
§1-2 無色光學玻璃
一、光學玻璃的組成
光學玻璃是由多種氧化物組成的，這些氧化物分為兩大類：
一類氧化物是能生成玻璃網路結構的氧化物，如SiO2、B2O3、P2O5等，屬AO2、A2O3、A2O5型氧化物，稱之為玻璃形成體或玻璃網路體；
另一類氧化物，不能生成玻璃的網路體，只是插入玻璃的網路結構中間，如Na2O、K2O、CaO、BaO、PbO等，屬於A2O、AO型氧化物，他們稱之為玻璃的網路外體。
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%
加入氧化鋁（Al2O3），能提高光學玻璃的化學穩定性和機械強度；加入氧化鉛（PbO）和氧化鋇（BaO），可增大光學玻璃折射率，但化學穩定性降低；
加入氧化鈉（ NaCl），使光學玻璃化學穩定性和機械性能變差，但可降低熔煉溫度；等等。
二、無色光學玻璃的分類及命名（牌號）
大都採用拉丁字母作為品種的標誌，在品種標誌之後附有牌號的標誌。
1、分類劃分界限：
ˉ按光學玻璃折射率和阿貝數的大小將其分為冕牌玻璃和火石玻璃兩大類。
ˉ例如：德國規定nd＜1.6，υd＞50為冕牌類，其餘則為火石類；日本規定nd＜1.6，υd＞55為冕牌類，其餘則為火石類。
ˉ我國光學玻璃標準規定：將玻璃分為2大類，用K代表冕牌玻璃，F代表火石玻璃。每一大類又進一步按nd及υd分為18個品種。
冕 牌 玻 璃
火 石玻 璃
2、牌號：ZF9（1～99）
其中F——種類；ZF——品種；ZF9——牌號
l同一品種玻璃，它的折射率大致相同相差不多。
三、無色光學玻璃的質量指標（七項）
（一）折射率、色散係數的允差及一致性
折射率：表示光在空氣中的傳播速度與在玻璃中的傳播速度之比。
n=C/V （nd、nF、nc）
色散係數：不同波長的光經過折射後，出射點不同。
用中部色散nF-nc衡量
①nd、υd的允差（允許差值）
分 0 、 1 、 2 、 3 、 4 四類
u例如：K9： nd=1.5163 0類K9的nd： 1.5158～1.5168
②nd、υd的一致性
同一批玻璃中要控制nd、υd的差值不能過大。
分 A 、 B 、 C 、 D 四級
u例如：K9： nd=1.51630類A級時nd的大小
0類：1.5158-1.5168
A級：1.51625-1.51635
0類A級去它們交集。
選取時：
①小批量生產時，高級照相機物鏡和高倍的望遠鏡物鏡可選用△nd為1～3類和υd為2～3類玻璃。大批量生產時選用均為1～2類的玻璃。
②對於望遠鏡的第二組分和光焦度不大的透鏡、目鏡、會聚光路上的稜鏡，可用△nd和υd均為3～4類玻璃。
③保護玻璃、分劃板、毛玻璃、反射鏡、聚光鏡、場鏡、平行光路中的稜鏡級彎月透鏡，對玻璃的△nd和υd不做要求。
（二）光學均勻性
1、定義：同一塊玻璃中，各部分折射率變化的不均勻程度
依據Ф/Ф0的比值，分 1 、 2 、 3 、 4 四類。
Ф/Ф0 1.0、1.1、1.2、1.5
根據光學系統選擇均勻性：
①提高解析度和高像質觀察儀器的物鏡，如高精度干涉儀、天文儀、測地儀、準直儀和顯微鏡等應用光學均勻性第1類的玻璃。
②製作精密的望遠鏡、瞄準鏡、觀察鏡以及具有高分辨和高像質的複製鏡，用2-3類玻璃。
③對普通的照相物鏡，應使用第3-4類玻璃。
④對望遠物鏡的第二組分、廣角物鏡的彎月透鏡、位置靠近像平面的光學零件（場景、分劃板、稜鏡），均可採用第4類玻璃。
⑤對於有一面為毛面的分化鏡，均勻性不作規定；對於保護玻璃、稜鏡和濾光鏡，其玻璃的均勻性要求可與其位置靠近的零件的均勻性要求相同。
（三）應力雙折射
按o光、e光通過每1cm厚的玻璃產生的光程差大小
分 1 、1a、 2 、 3 、 4 五類
nm/cm 2、6、10、20、50
以毛坯光程差最大方向之最大部分測的為準。
選取原則：
①干涉儀和天文儀，只能使用雙折射為第1類的玻璃。
②對於高精度的望遠鏡、準直鏡和複製顯微鏡的物鏡以及反射鏡，玻璃的應力雙折射應該是第2～3類
③照相物鏡使用雙折射第3～4類玻璃。
④聚光鏡、普通儀器的目鏡、放大鏡採用雙折射第4～5類玻璃。
（四）光吸收係數 E
E：表示白光通過1cm厚的玻璃所吸收的光通量與進入該玻璃光通量之比。
E﹤0.015=1.5%
選取原則：
①凡是與空氣臨接面較多，玻璃內光程長度較短（20～50mm）的複雜系統，光的主要損失是反射。因此，這種系統中以及較薄的光學零件，應採用4～6類玻璃。
②玻璃內光程較長的零件（稜鏡、天文和照相儀器的透鏡）、光的透過係數的降低主要是光的吸收造成的，因此這類零件應選用00～3類玻璃。
（五）條紋度
按檢驗條件分 00、0、1、2四類；
按觀察方向分A、B、C三級。
選取原則：
①對於具有極限解析度和高像質的干涉儀、天文儀、平行光管以及顯微鏡的物鏡必須採用C級0類玻璃。
②對於目鏡、聚光鏡、毛玻璃用的玻璃可選用條紋第2類的玻璃。
（六）氣泡度
首先按所含最大氣泡的直徑分為
0、1、2三類；
並按每100立方厘米玻璃內允許含有的氣泡總截面積（平方毫米）分為A00、A0、A、B、C、D、E七級。
①對於位置靠近或處於像平面上的零件，其材料不允許有氣泡，應使用第0類玻璃。
②大倍率觀察儀器的分劃板、分度盤、平行光管、解析度板，應採用0類和1類玻璃。
③照相物鏡、雙筒望遠鏡和大地測量儀器的物鏡，允許選用2類D、E級玻璃材料。
④在望遠鏡和大口徑照像物鏡中允許氣泡度為E級。
§ 1-3 有色光學玻璃
①能選擇地透過特定波長的光線；
②透過連續光譜中一定寬度的光譜範圍的光線；
③均勻地減弱白光的光譜等。
2、組成: 是在基本的無色光學玻璃成分中，加入少量著色劑而 成。
（一）離子著色選擇吸收玻璃
著色劑在玻璃中呈離子狀態，稱離子著色選擇吸收玻璃，簡稱離子著色玻璃
離子著色劑，通常採用金屬鈷、鎳、鉬、錳、鉻、鈦、銅的氧化物。
種類：
透紫外線玻璃（ZWB)、紫色玻璃（ZB)、青色（藍色）玻璃（QB）、綠色玻璃（LB）、透紅外線玻璃（HWB）、防護玻璃（FB）、透紫外線白色玻璃（BB等）。
（二）中性玻璃
特點：在可見光區域內能比較均勻地降低光源的光強度，而不改變其光譜成分
作用：主要是做中性濾光片、減光鏡。
牌號：AB1，AB2，AB3……，AB10等。
（三）硒鎘玻璃
著色劑是採用硒化鎘和硫化鎘，故稱硒鎘玻璃。
由於著色劑在玻璃中呈膠態，亦稱膠態著色玻璃。
品種：紅色（HB）
金色（JB）
橙色（CB）
§1-4 特種光學玻璃
（一）耐輻射光學玻璃
加入多價離子做抑製劑。二氧化鈰（CeO2）就是抑製劑之一。
牌號：例如K609 。
Kn09以K9玻璃為基底耐輻射能力為10?倫琴，而且還保持K9玻璃的光學常數和其它性質。
（二）防輻射光學玻璃
目前我國使用的防輻射玻璃是含鉛、含鋇量高、密度大的ZF1、ZF6、ZF7玻璃。
（三）透紅外和透紫外玻璃
目前，國內外紅外光學材料發展的重點是適用於1～3μm、3～5μm和8～14μm波段的光學材料。
1、光學石英玻璃
含SiO2 99.9%，即可以透紅外線，又能透過紫外線。
牌號：JGS1、JGS2、JGS3 。
光譜特性：0.2～4.7μm。
2、鋁酸鈣玻璃以CaO、Al2O3為主要成分透過波長：1～1.5μm。
牌號：HWC31。
3、高硅氧玻璃含SiO2達96%，其性能接近於石英玻璃。它的膨脹係數小，軟化溫度高，化學穩定性好，熔制溫度比石英玻璃低得多。
（四）石英玻璃
1．優良的光譜特性，在0.2～4.7μm光譜範圍內。
2．耐高溫、熱膨脹係數小，它的熔化溫度在1713℃以上，軟化溫度是1580℃±10℃。
3．化學穩定性好，耐鹼性差。
4．機械性能高。
（五）光學功能材料
激光、電光、聲光、磁光等光學功能材料。
§1-5 微晶玻璃
一、結構
介於玻璃與晶體之間——玻璃陶瓷，按Li2O-Al2O3-SiO2做系統的玻璃。
經歷兩個階段：
①在玻璃內部各處形成晶核；
②形成晶核的玻璃在晶體生長過程中逐漸轉變為陶瓷。
微晶玻璃與普通玻璃的區別主要是具有結晶的結構，而與陶瓷的主要區別是，它的結晶結構要比陶瓷細得多。
二、微晶玻璃的性能
1、熱膨脹係數小溫度±160℃範圍內，熱膨脹係數均很小，室溫膨脹係數接近於零。
2、強度大微晶玻璃比普通壓延玻璃的強度高八倍。
3、硬度高，比重小硬度比熔石英玻璃高，比重小，約為2.44～2.62，比鋁還輕。
4、穩定性極高它比目前使用的其它反射鏡材料都好。
三、應用
平晶、標準米尺、大型反射鏡、激光制導陀螺等。
§1-6 光學晶體
一、概念
晶體是具有格子結構的固體。
定義：晶體的結構與玻璃不同，即構成晶體內部的質點（原子和離子），是以點陣的形式在三度空間作有規律的、重複的排列，構成所謂的格子結構。
格子結構：
空間格子中的點，稱為結點；結點在直線上的排列稱為行列；結點在平面上的分布稱為面網；在三度空間中, 空間格子的最小單位稱為平行六面體。
實際晶體的最小單位稱為晶胞。
組成晶體多面體外形的平面稱為晶面；兩個晶面相交而成的直線稱為晶棱；三條晶棱會聚的點稱為角頂。晶胞三個棱的方向稱為晶軸。
晶體分為三大晶族，七大晶系，光學晶體多屬中級和高級晶族的晶體，如石英晶體是屬中級晶族中的六方晶系；螢石是高級晶族，屬立方晶系。
二、晶體的基本性質
（一）均勻性晶體內部質點性質和排列方式都是相同的。
（三）對稱性晶體光軸為對稱軸單軸
（四）自范性（自限性）晶體具有自發地形成封閉集合多面體外形的性質。（五）最小內能行及穩定性
三、光學性質
（一）雙折射
與晶體結構對稱程度有關。
（二）旋光性
當平面偏振波沿光軸方向傳播時，偏振面旋轉一定角度的現象。
（三）吸收性和多色
吸收性：各項異性。多色性：除等軸晶體外，同一晶體的不同方向上呈現出不同的顏色。
四、力學性質
（一）解理解理性：指晶體在外界定向機械力的作用下，按著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。斷口：依一定方向破裂而成的凹凸不平的表
（二）硬度硬度：表示物體對外來機械侵入所表現的抵抗能力。測定方法不同，硬度的標準也不同。對晶體最常用的是莫氏硬度。
（10種）滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、正長石、石英、黃玉、剛玉、金剛石。
新莫氏硬度：
（15種）滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、正長石、熔融石英、石英、黃玉、石榴石、碳化鋯、剛玉、碳化硅、碳化硼、金剛石。
五、晶體的溶解度
晶體的溶解度表示在一定的溫度下，該晶體在100g水中所能溶解的克數。
六、分類及應用
（一）按晶體的用途分類
1、紫外、紅外晶體有石英（SiO2）、螢石（CaF2）、氟化鋰（LiF）、岩鹽（NaCl）、硅（Si）、鍺（Ge）等。
石英：
常用的偏振晶體有方解石（CaCO3）、石英和硝酸鈉（硝石）等。
方解石：
3、復消色差晶體利用晶體特殊的色散特性製造復消色差物鏡，如螢石與玻璃組合製成復消色差系統，可以消除球差和二級光譜。
4、激光晶體可用作固體激光器的工作物質，如紅寶石、氟化鈣和釔鋁石榴石等。
剛玉：
石榴石：
（二）按硬度和工藝方法分類
1、硬質晶體
硬質晶體的硬度比玻璃高。玻璃的莫氏硬度約為6，石英晶體、紅寶石、釔鋁石榴石等，莫氏硬度在7～9之間。
2．軟質晶體
大部分光學晶體均屬軟質晶體，莫氏硬度為2～4。常用的軟質晶體有螢石和方解石等。
3．水溶性晶體
水溶性晶體的種類很多，例如氯化鈉、氯化鉀和ADP（磷酸氰氨）、KDP （磷酸氰鉀）等。
§1-7 光學塑料
一、光學塑料的組成及種類
（一）組成
在樹脂中添加增強劑、增塑劑、穩定劑和潤滑劑等。塑料的基本性質，主要取決於樹脂的性質，添加劑對改善塑料的性能起著重要作用。
（二）分類光學塑料按其性質分為：
①熱塑性塑料：是線性分子鏈結構。
②熱固性塑料：是網狀分子鏈結構
1、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）高度透明，對可見光的透過率高達92%，並能透過73%的紫外光。它的折射率為1.492，與冕牌玻璃相近，故稱王冕塑料。缺點：表面硬度低、易劃傷。
優點：衝擊強度高、不易碎、質輕、價格低、已成型。
成型方法：澆注成型法、注射成型法、機械加工成型法、熱成型法。
2、聚苯乙烯
它的折射率為1.591。與火石玻璃相近，故稱火石塑料。
缺點：強度低，耐熱性差。
優點： 自由著色、無臭無味無毒、吸濕性小。
3、烯丙基二甘醇碳酸脂（CR39）
是目前使用的唯一的熱固性光學塑料，通常採用澆鑄成型。
缺點：收縮率大、價格貴。
優點：耐磨、抗衝擊、抗化學腐蝕性強。
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。 可調其2者的成份，成份不同折射率不同。
二、光學塑料的優缺點優點：
1．比重小光學塑料的比重在0.83-1.4之間，而光學玻璃為2.5-4.7。
2．耐衝擊強度高
3．透紅外、紫外性能好
4．耐溫度驟變能力強5．易成型、成本低
缺點：
1．熱膨脹係數高，吸水性大
2．硬度低、易劃傷
3．光學常數選擇範圍有限
4．耐溶劑性能差
感謝作者的努力！
光學人生編輯
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