第1章--光學材料

1、 第一節(jié)概第一節(jié)概 述述 材料：可以直接制造成成品的東西。 一、材料的分類： 1.按化學組成：金屬材料、無機非金屬材料、有機聚 合物及復合材料 ; 2.按用途：建筑材料、耐火材料、光學材料、電工材 料、紡織材料等等。 二、光學材料 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設、科技現(xiàn)代化及人們生活中 不可缺少的重要材料。 是光學零件加工的對象，因此了解光學材料的種類、 性質及其與加工工藝的關系，對從事光學生產(chǎn)是十分 必要的。 光學材料的分類光學材料的分類 根據(jù)材料同光的相互作用時產(chǎn)生的不同的物理效應可分為光 介質材料和光功能材料。 光介質材料：傳輸光線的材料。使光產(chǎn)生折射、反射或透射，以改變 光線的方向、強度和位相

2、，使光線按預定要求在材料中傳播;或利 用材料對某一特定波長范圍的光線的吸收或透過來改變光線的光譜 成分。如普通光學玻璃和光學晶體等。 光功能材料：實現(xiàn)能量的探測和轉換。指在外場（電、聲、磁、熱、壓力 等）或者在光的作用下其結構和光學性質發(fā)生變化的材料。如激光材料等。 根據(jù)材料結構和聚集狀態(tài)可分為單晶體、多晶體(陶瓷)、玻 璃(非晶態(tài))、塑料和薄膜等。 一、光學玻璃 與普通玻璃的主要區(qū)別： 一、原料純度要求高，吸收損耗極小 ; 二、物理與化學性質上的高度均勻性 ; 發(fā)展史： 1768年瑞士人紀南德(P.L.Guinand)：幾種冕牌及火石玻璃;1809 1814年和德國人夫瑯和費(J.V.Fra

3、unhofer)合作熔制坩堝容量為 150200噸的火石玻璃，只有幾種氧化物; 1886年德國人阿貝(E.Abbe)及肖特(O.Schott)合作研究試制，擴大 了光學玻璃光性范圍，建立了聞名世界的德國耶那-肖特玻璃廠; 20世紀40年代美國摩萊（G.M.Morey）：高n低v的鑭系玻璃; 二戰(zhàn)后德、日、美等：低n低v的氟磷酸鹽玻璃（FK,PK），低n高v 的鈦火石玻璃（TiF）和色散玻璃（KzF,KzFS）; 60年代：紅外玻璃和激光玻璃 近代：光學功能材料，如電光材料、磁光材料、聲光材料。 二、光學晶體 內部結構上的各向異性： 特殊光性：雙折射、旋光現(xiàn)象。 在外場作用下：具有很強的電光、聲

4、光和非線性光學效應。 發(fā)展史：也是較早被人類利用的光學材料 19世紀中葉：冰洲石、水晶等材料已被制成光學元件; 20世紀50年代 ：紫外和紅外光學儀器元件以及可見光的復消色 差鏡頭 ; 60年代初 ：激光晶體，目前已超過200個品種。 三、光學纖維 是指直徑5100m的玻璃(或晶體)細絲。 導光纖維：被利用的是它的能量功能 。 發(fā)展比較早 ，1951年就出現(xiàn)了醫(yī)用玻纖(胃鏡等），后又出 現(xiàn)了多根導光纖維捆在一起用來傳輸光能(傳光束)和傳送 圖像(傳像束)，在醫(yī)學、照明、計量、加工等獲得實際應 用。 導光纖維內部光耗損較大,較短距離(幾米至幾十米)內以光能 量傳輸. 光導纖維：光通信纖維，被利用

5、的是它的信息功能; 20世紀70年代發(fā)展起來的低損耗光纖（20dB/km），在遠距離 (幾公里、幾十甚至幾百公里) 傳輸光信息，要求光纖中的 光傳輸損耗極小。 現(xiàn)在光導纖維的光損耗已經(jīng)降低到0.2dB/km 。 四、光學薄膜 薄膜在光學上的最早應用：光學零件表面的保護膜 光學介質薄膜： 高反射膜 ：金屬(Au、Ag、Al)的反射率為9097%，全電介質的反射率 可達99.5%以上。 增透膜 ：單層表面反射率降低至1%;雙層表面反射率可進一步降至0.05%。 干涉濾光片：干涉效應只允許某一波長的光透過，獲得“純”單色光。 偏振膜：獲得偏振度達98%以上的偏振光。 光學功能薄膜： 能量轉換：光電轉

6、換材料。 信息技術：光存儲介質。 集成光學：光電器件集成化，光通信和光計算機 。 光學薄膜的淀積方法：熱蒸發(fā)和濺射兩種。 五、光學塑料 有機高分子聚合物。 優(yōu)點：制造成本低;色散比同折射率的玻璃高;紫外與紅外的透過 性能也相當好。 缺點：熱膨脹系數(shù)高;光學常數(shù)選擇范圍較窄;硬度低，易劃痕或 磨毛，因此應用范圍受到了限制 應用歷史較早： 第二次世界大戰(zhàn)：制成的光學零件已應用望遠鏡、照相機和放大 鏡 。 近幾年來：塑料眼鏡片、棱鏡、電視機前的菲涅耳透鏡 普通光學材料與新型光學材料普通光學材料與新型光學材料 普通光學材料： 是指常用的光學介質材料。如在可見光范圍里用作透 鏡、棱鏡、窗口等的光學玻璃和

7、光學晶體 。 新型光學材料： 是指為適應紅外、激光、信息、空間等新興技術的需 要而發(fā)展起來的各種光學功能材料和具有特殊光學 性能的光介質材料。如激光材料、電光材料、聲光 材料、非線性光學材料、光信息存儲材料、光導纖 維以及高功率紅外與紫外窗口材料。 第二節(jié) 光學玻璃 2.1 光學玻璃概況 2.2 無色光學玻璃 2.3 有色光學玻璃 2.4 特種光學玻璃 2.5 光學玻璃的制造 2.1、光學玻璃概況 一、結構及特性一、結構及特性 主要成分：二氧化硅（SiO2），又名石英砂 。 機械強度高、化學穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小，但熔點太高 （1700以上）。 由多種氧化物組成。 構成玻璃主體（網(wǎng)絡體 ）：A

8、O2、A2O3和A2O5型，如B2O3、 AS2O3、SiO2、Ta2O5 等 對玻璃的物理、化學性質起決定性的作用 構成網(wǎng)絡外體 ：A2O和AO型，如如Na2O、K2O、CaO、BaO、 PbO等 。 改變玻璃的性質。如BaO、PbO可增大n，但化學穩(wěn)定性降低。 玻璃中氧化物的組成不同，其結構和性質也不同 。表2-1列 出了各種氧化物對玻璃性質的影響。 表2-1列出了各種氧化物對玻璃性質的影響 二、物理特性 物質的玻璃態(tài)： 固態(tài)的玻璃保留了液態(tài)分子無規(guī)則排列的結構，即低溫的固態(tài)保留 了高溫液態(tài)的無定性結構。 物理特性 ： 各向同性：玻璃的性質（硬度、彈性模數(shù)、折射率）在各向測得的 數(shù)值相等。

9、 介穩(wěn)狀態(tài)：在一定條件下，物質可能處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，但并不是 能量最低的存儲狀態(tài)，稱為介穩(wěn)狀態(tài) 。 玻璃從熔融態(tài)向固態(tài)轉化過程是連續(xù)可逆的，圖2-1所示， Tf為玻璃呈塑性的最低溫度，即是玻璃拉絲的溫度。 Tg為玻璃呈脆性的最高溫度，即是玻璃退火的上限溫度 。 玻璃由固態(tài)變成熔融態(tài)的過程正好相反，但也是連續(xù)的 。 玻璃的性質如粘度、比熱等也是連續(xù)可變的。如圖2-2所示。 圖2-1 圖2-2 三、分類與命名 光學玻璃：光學玻璃：無色光學玻璃、有色光學玻璃和特種光學玻璃無色光學玻璃、有色光學玻璃和特種光學玻璃 分類與命名：分類與命名：主要是針對無色光學玻璃。主要是針對無色光學玻璃。 分類：冕牌和火

10、石（燧石）兩類。分類：冕牌和火石（燧石）兩類。 中國：中國： 冕牌：冕牌：PbO含量含量3(重量百分比）。用重量百分比）。用“F”表示。表示。 德國：冕牌：德國：冕牌：n nd d 1.65050的玻璃的玻璃; ;其余為火石。其余為火石。 日本日本：冕牌：冕牌：n nd d 1.6 5555的玻璃的玻璃; ;其余為火石。其余為火石。 命名：在命名：在K K和和F F下按其組成和物化性能又派生出其余次類：下按其組成和物化性能又派生出其余次類： 化學成分化學成分BaBa、LaLa：LaKLaK、LaFLaF、BaKBaK、BaF;BaF; 折射率高低（折射率高低（Q Q、Z Z）：）：QFQF、Z

11、F;ZF; 特殊相對色散：特殊相對色散：TF;TF; 我國現(xiàn)有光學玻璃我國現(xiàn)有光學玻璃1818個個品種，品種，141141個牌號。如表個牌號。如表2-22-2所示。所示。 表表2-32-3為各國光學玻璃品牌對照表為各國光學玻璃品牌對照表 光學常數(shù)： 是指光學玻璃對各波長的光線的是指光學玻璃對各波長的光線的折射率折射率和和色散值色散值。 一般為一般為n nd d 、和中部色散、和中部色散n nF F-n-nc c 、相對部分色散等。、相對部分色散等。 由于不同波長的光在同一介質中的傳播速度不同，因而由于不同波長的光在同一介質中的傳播速度不同，因而其其光光 的折射率的折射率n n 也是不一樣的 也

12、是不一樣的。 n nd d是指是指d d光（光（58765876埃）埃）; ;n nF F是取是取F F譜線譜線(4861(4861埃）埃）; ;n nc c是是取取C C譜線譜線(6563(6563埃）埃）; ; 中部色散中部色散： n nF F-n-nc c 色散系數(shù)（阿貝數(shù)）色散系數(shù)（阿貝數(shù)）：d d(n(nd d-1)/(n-1)/(nF F-n-nC C) )，值越大，色值越大，色 散作用越小。散作用越小。 光學常數(shù)是選擇光學材料的依據(jù)。光學常數(shù)是選擇光學材料的依據(jù)。 在在n nd d領域圖中不同玻璃處于不同的位置。按領域圖中不同玻璃處于不同的位置。按n n和和 不同分了若干區(qū)域。每

13、一光學玻璃牌號有其特定的不同分了若干區(qū)域。每一光學玻璃牌號有其特定的n n和和 ， 如如圖圖2-32-3所示所示 圖2-3 2.2 2.2 無色光學玻璃無色光學玻璃 光學玻璃用來制造光學儀器的透鏡、棱鏡、分劃板、反射光學玻璃用來制造光學儀器的透鏡、棱鏡、分劃板、反射 鏡等光學元件，它必須滿足光學儀器的成像要求。鏡等光學元件，它必須滿足光學儀器的成像要求。 一般要求一般要求： 光學性能：光學性能：光學常數(shù)在允許偏差范圍內，否則影響像質。光學常數(shù)在允許偏差范圍內，否則影響像質。 具有高度的透明度：具有高度的透明度：光能損失于光的吸收和光的反射。不同的光學光能損失于光的吸收和光的反射。不同的光學 儀

14、器對光吸收性能（白光經(jīng)過儀器對光吸收性能（白光經(jīng)過1cm玻璃吸收光能的百分比稱光吸玻璃吸收光能的百分比稱光吸 收系數(shù)）的要求不同。收系數(shù)）的要求不同。 如光纖如光纖0.05%; 光程為光程為200mm的軍用儀器：的軍用儀器：0.10.2; 光程在光程在50200mm的光學儀器：的光學儀器：0.20.4; 光程光程0.6; 彩電、攝像、變焦鏡頭：紅藍綠三種色彩吸收很小。彩電、攝像、變焦鏡頭：紅藍綠三種色彩吸收很小。 化學及物理的均勻性：化學及物理的均勻性： 化學均勻性：由于局部化學成分（氣泡、結石、條紋）不同化學均勻性：由于局部化學成分（氣泡、結石、條紋）不同 而造成的化學不均勻性。而造成的化學

15、不均勻性。 物理均勻性：由于內應力使其各部分折射率不同而造成的物物理均勻性：由于內應力使其各部分折射率不同而造成的物 理不均勻性。理不均勻性。 化學穩(wěn)定性：化學穩(wěn)定性：影響光學儀器的壽命。影響光學儀器的壽命。 主要是指抵抗潮濕大氣和酸、堿、鹽等介質的侵蝕能力。主要是指抵抗潮濕大氣和酸、堿、鹽等介質的侵蝕能力。 機械性質和熱膨脹系數(shù)：機械性質和熱膨脹系數(shù)：一般均能滿足要求。一般均能滿足要求。 無色光學玻璃的質量要求無色光學玻璃的質量要求 ： 質量指標質量指標 （GB903-87） 折射率、色散系數(shù)的允差及一致性折射率、色散系數(shù)的允差及一致性 ： 折射率、色散系數(shù)與標準值所允許的誤差，分為折射率、

16、色散系數(shù)與標準值所允許的誤差，分為00,000,0、1 1、2 2、3 3、4 4 六類。六類。 同一批光學玻璃中折射率、色散系數(shù)的不一致性，分為同一批光學玻璃中折射率、色散系數(shù)的不一致性，分為A A、B B、C C、D D 四級。四級。 光學均勻性光學均勻性 ：同一塊玻璃中各部分折射率變化的不：同一塊玻璃中各部分折射率變化的不 均勻程度。均勻程度。 按最小鑒別角或折射率微差最大值分為按最小鑒別角或折射率微差最大值分為4類。類。 應力雙折射應力雙折射 ：由于內應力使一束光經(jīng)過后產(chǎn)生兩束：由于內應力使一束光經(jīng)過后產(chǎn)生兩束 傳播速度不同的光線。傳播速度不同的光線。 以以o光和光和e光通過每光通過每

17、1cm厚的玻璃產(chǎn)生的光程差大小，分為厚的玻璃產(chǎn)生的光程差大小，分為4類類。 光吸收系數(shù)：光吸收系數(shù)： 國家標準規(guī)定，玻璃的吸收系數(shù)分為國家標準規(guī)定，玻璃的吸收系數(shù)分為0000，0 0，1 1，2 2，3 3，4 4，5 5，6 6八類八類。 質量指標質量指標 （GB903-87） 條紋度條紋度：玻璃中化學成分不均勻所產(chǎn)生的內部缺陷：玻璃中化學成分不均勻所產(chǎn)生的內部缺陷 而使其而使其n n不同。不同。 條紋度按規(guī)定分為條紋度按規(guī)定分為0000，0 0，1 1，2 2四類四類; ; 并按檢驗觀察方向分為并按檢驗觀察方向分為A A、B B、C C三級三級。 氣泡度：氣泡度：在熔煉過程中氣體來不及逸出

18、所致。在熔煉過程中氣體來不及逸出所致。 按所含最大氣泡的直徑分為按所含最大氣泡的直徑分為0 0、1 1、2 2三類三類; ; 并按每并按每100cm100cm3 3玻璃內允許含有的氣泡總面積（玻璃內允許含有的氣泡總面積（2 2）分為）分為A A00 00、 、A A0 0、A A、 B B、C C、D D、E E七級。七級。 耐輻射性能耐輻射性能：用一定劑量的：用一定劑量的X射線輻射玻璃后每射線輻射玻璃后每1cm厚上的厚上的 光密度增量光密度增量DD1 1來表示來表示 2.3 有色光學玻璃 在基本的無色光學玻璃中，加入少量著色劑而成。在基本的無色光學玻璃中，加入少量著色劑而成。 （濾光玻璃）（

19、濾光玻璃） 一、主要特性：一、主要特性：光譜特性光譜特性 常以對各種波長的透過率常以對各種波長的透過率 、吸收率 、吸收率E E 和光密度 和光密度D D 表示。 表示。 光譜特性主要取決于引入著色劑的性質和數(shù)量、玻璃的基光譜特性主要取決于引入著色劑的性質和數(shù)量、玻璃的基 本成分、熔制工藝等。本成分、熔制工藝等。 二、分類：二、分類： 1 1、離子著色玻璃、離子著色玻璃 ：選擇吸收玻璃選擇吸收玻璃 著色劑在玻璃中呈離子狀態(tài)著色劑在玻璃中呈離子狀態(tài) ，常采用金屬鈷、鎳、錳、鉻、鈾、鈦、常采用金屬鈷、鎳、錳、鉻、鈾、鈦、 銅的氧化物。如氧化鈷玻璃呈藍色，氧化亞鎳使玻璃呈紫色或棕銅的氧化物。如氧化鈷

20、玻璃呈藍色，氧化亞鎳使玻璃呈紫色或棕 色。色。 品種最多：品種最多：ZWBZWB、ZBZB、QBQB、LBLB、HWBHWB、FBFB、BBBB。 譜線特性：譜線特性：對某一光譜區(qū)有顯著的對某一光譜區(qū)有顯著的“攔截攔截”或或“透明透明”，圖，圖 1-221-22中的中的2 2線線。 2.3 有色光學玻璃 2 2、中性玻璃、中性玻璃 ： 譜線特性：在可見光區(qū)域內均勻降低光強度，而譜線特性：在可見光區(qū)域內均勻降低光強度，而 不改變其光譜成分，圖不改變其光譜成分，圖1-221-22中的中的3 3線。線。 牌號：牌號： ZAB1ZAB1、ZAB2ZAB10 ZAB2ZAB10 3 3、硒鎘玻璃：、硒鎘

21、玻璃：著色劑是采用硒化鎘和硫化鎘著色劑是采用硒化鎘和硫化鎘 - - 譜線特性：較寬的高透過區(qū)和一個高吸收區(qū)，過譜線特性：較寬的高透過區(qū)和一個高吸收區(qū)，過 渡區(qū)愈窄截止性能就愈好。圖渡區(qū)愈窄截止性能就愈好。圖1-221-22中的中的1 1線。線。 品種：品種：HBHB（紅色）、（紅色）、JBJB（金黃色）、（金黃色）、CBCB（橙色）、（橙色）、ZJBZJB （紫外）、（紫外）、HWBHWB（紅外透可見吸收）。（紅外透可見吸收）。 2.4 特種光學玻璃 一、耐輻射光學玻璃一、耐輻射光學玻璃 普通的無色光學普通的無色光學玻璃：玻璃：對短波光的吸收，在受到一定劑對短波光的吸收，在受到一定劑 量的量的

22、射線和射線和X X射線照射后，玻璃會變暗或著色，甚至射線照射后，玻璃會變暗或著色，甚至 完全失透完全失透。 加入一種含多價性離子的抑制劑，高能輻射線作用于玻加入一種含多價性離子的抑制劑，高能輻射線作用于玻 璃時，首先改變多價性離子的價態(tài)，而不產(chǎn)生著色中心，璃時，首先改變多價性離子的價態(tài)，而不產(chǎn)生著色中心， 這樣玻璃就具有耐輻射的穩(wěn)定性這樣玻璃就具有耐輻射的穩(wěn)定性 。 如含有如含有CeOCeO2 2抑制劑的玻璃在受高能輻射線輻射后，四價鈰離子變抑制劑的玻璃在受高能輻射線輻射后，四價鈰離子變 成三價，而三價和四價的鈰離子在紫外波段才有吸收帶，在可成三價，而三價和四價的鈰離子在紫外波段才有吸收帶，在

23、可 見光范圍內均無吸收峰，玻璃不會著色。見光范圍內均無吸收峰，玻璃不會著色。 命名：命名：如如K509具有耐輻射能力為具有耐輻射能力為105倫琴，保持倫琴，保持K9玻璃的玻璃的 光學常數(shù)和其它性質。光學常數(shù)和其它性質。 2.4 特種光學玻璃 二、防輻射光學玻璃 具有吸收有害輻射線的能力 ：原子核實驗中觀察窗 射線是一種穿透能力最強的射線 ，玻璃吸收射線 的能力，隨其密度增加而急劇增大。 日前我國使用的防輻射玻璃是含鉛、鋇量高、密度大的ZF1、 ZF6、ZF7玻璃。 防輻射玻璃能吸收各種射線，對操作人員起到保護作 用。 為防止著色，必須加入耐輻射的抑制劑。 2.4 特種光學玻璃 三、透紅外和透紫

24、外玻璃三、透紅外和透紫外玻璃 只能在某一紅外波段內具有一定的透過能力只能在某一紅外波段內具有一定的透過能力 紅外光學玻璃紅外光學玻璃 ： 1.光學石英玻璃：牌號有光學石英玻璃：牌號有JGS1、 、JGS2、 、JGS3。其。其 中中JGS1、 、JGS2為遠紫外和紫外光學石英玻璃， 為遠紫外和紫外光學石英玻璃， JGS3為紅外光學石英玻璃。為紅外光學石英玻璃。 2.鋁酸鈣玻璃：以鋁酸鈣玻璃：以CaO、Al2O3為主要成分的透紅為主要成分的透紅 外玻璃。其透過波長是外玻璃。其透過波長是15m。牌號有。牌號有HWC31。 2.5 光學玻璃的制造光學玻璃的制造 制造過程：制造過程： 配料配料 高溫熔

25、煉高溫熔煉 成形成形 精密退火精密退火 四個階段四個階段 一、配料： 光學玻璃原料的組成 ：分主要原料和輔助原料。 主要原料：構成玻璃的主體，對玻璃的物理、化 學性質起決定性的作用。 輔助原料：對玻璃的性能起一定的調節(jié)作用。 著色劑：用來控制玻璃的透光性能。摻入不同的過渡 金屬、稀土金屬離子后就能制成顯示不同顏色的只 允許一定波長范圍的光通過的濾光玻璃; 澄清劑：促進熔融玻璃液中氣泡的排除 。如常用的澄 清劑 As2O3 ; 助熔劑：降低熔煉溫度，常用的助熔劑有Na2SO4、 BaSO4等。 光學玻璃對原料的要求： 純度要高：著色雜質總量要求在0.01以下，過量因著 色而影響透過率; 原料粒度

26、：過大或過小都不易混合均勻而影響熔化時間 和玻璃質量。一般來說，難熔和比重大的：顆粒要小 些;反之亦反。 配料： 配料計算 ：根據(jù)光學常數(shù)和物理、化學性質上的要求， 通過理論計算確定出該種玻璃的組成，再換算成各種 原料配合量的百分比。根據(jù)所需熔煉的玻璃總量計算 出各種配合料實際使用量。 稱料混合 ：根據(jù)計算結果，稱取各種配合料，原料經(jīng)混 合均勻后送至玻璃熔煉爐。 二、玻璃的熔煉二、玻璃的熔煉 將各種配合料高溫加熱熔融成合乎成型要求 的玻璃液的過程 。是玻璃生產(chǎn)最重要的環(huán)節(jié) 之一。 坩堝熔煉：同一空間不同時間內進行。 連續(xù)熔煉：將幾個坩堝串聯(lián)起來，使玻璃的熔煉在 同時于不同的坩堝中進行。 過程：

27、包括玻璃生成反應、澄清、均化、降溫 等相互影響的分過程。 玻璃生成反應：配合料被加熱直至全部熔融成玻璃 液的過程中所發(fā)生的一系列錯綜復雜的物理、化學 反應。（冕牌為例） 熔煉過程 硅酸鹽形成：爐料加熱發(fā)生分解生成共融化合物，進而形成了硅硅酸鹽形成：爐料加熱發(fā)生分解生成共融化合物，進而形成了硅 酸鹽和硼酸鹽。（酸鹽和硼酸鹽。（800800900900 ） 玻璃生成：硅酸鹽熔融液互相溶解并將游離的固體玻璃生成：硅酸鹽熔融液互相溶解并將游離的固體SiOSiO2 2,PbO,PbO等溶等溶 解于其中，最后成為透明和均一的玻璃態(tài)物質。（解于其中，最后成為透明和均一的玻璃態(tài)物質。（ 12501250 13

28、001300 ） 玻璃液的澄清玻璃液的澄清 ：消除可見氣泡的過程。（：消除可見氣泡的過程。（ 1400140015001500） 提高玻璃液的溫度：將玻璃液在一定溫度下擱置一段時間，可達澄清目提高玻璃液的溫度：將玻璃液在一定溫度下擱置一段時間，可達澄清目 的。的。 加澄清劑：微氣泡（直徑加澄清劑：微氣泡（直徑 0.1mm），常用），常用AsAs2 2O O3 3、SbSb2 2O O3 3 。 玻璃液的均化：玻璃液的均化：除去玻璃中的條紋，在化學成分上達高度除去玻璃中的條紋，在化學成分上達高度 均勻性。均勻性。 攪拌過程：攪拌過程： 溶解擴散：溶解擴散： 玻璃液的降溫：玻璃液的降溫：將已澄清和

29、均化玻璃液降溫，使其具有成將已澄清和均化玻璃液降溫，使其具有成 型所需要的粘度。型所需要的粘度。 三、玻璃的成形 是指把經(jīng)過高溫熔煉后的玻璃液做成所要求的 的形狀，并冷卻到固化狀態(tài)的過程。是玻璃 生產(chǎn)過程中重要的工序，其方法和技術水平 的高低決定玻璃成品經(jīng)和質量。 成型方法： 傳統(tǒng)成型： 在坩堝中熔煉玻璃，把坩堝取出在爐外成型。分破堝法 （古典法）、澆注法、滾壓法三種。（見附圖） 傳統(tǒng)成型： 在坩堝中熔煉玻璃，把坩堝取出在爐外成 型。 分破堝法（古典法）、澆注法、滾壓法三種。 （見附圖） 傳統(tǒng)成型法傳統(tǒng)成型法 漏料成型： 在玻璃池爐的成形部或坩堝的底部裝 接漏料管，讓玻璃液沿著管子連續(xù)流出，

30、根據(jù)需要將玻璃液漏注成不同形狀的成 品。可分為拉制條狀玻璃、壓制元件毛 坯和漏注大尺寸制品三類。 （見附圖） 漏料成型法漏料成型法 精密壓型（無研磨壓型）： 不需要研磨、拋光、磨邊等光學加工，直接裝置到 光學儀器上。 20世紀70年代：日本保谷：古典170日、鉑金坩堝 34日縮短到3日;成品率40提高到90以上。 80年代中期在德國、日本：面形精度/10 ;雙折射 /100;厚度和直徑公差達10m 等 四、精密退火四、精密退火 玻璃放在退火爐里升溫到退火點溫度（玻璃中 消除應力的上限溫度）后再徐緩冷卻到室溫 的過程。 退火目的： 消除玻璃中應力。玻璃中應力的存在破壞了光學玻 璃光學性質的均化(

31、如產(chǎn)生應力雙折射、折射率分 布不均勻等)。 精密退火規(guī)程： 根據(jù)不同牌號的玻璃和所要求達到的質量指標 ，其 退火溫度、退火速率、保溫時間及加熱和冷卻速率 不同。 四、精密退火四、精密退火(2) 左圖為直徑為120mm，厚 40mm的ZK589/612光學玻 璃，要求退火到一類應力及 二類光學均勻性的退火曲線。 升溫（加熱速率25/h） 恒溫（630，保持20h） 退火（速率1/h，溫度 范圍100 ） 快速冷卻（速率10/h） 慣性冷卻（ 200以下 依靠電爐） 思考與習題 1、概念：、概念： 物質的玻璃態(tài)，化學穩(wěn)定性、光學常數(shù)。物質的玻璃態(tài)，化學穩(wěn)定性、光學常數(shù)。 2、光學玻璃的分類、命名。

32、、光學玻璃的分類、命名。 3、無色光學玻璃的質量指標、無色光學玻璃的質量指標 4、有色光學玻璃的特性。、有色光學玻璃的特性。 5、特種光學玻璃的特性。、特種光學玻璃的特性。 6、光學玻璃的制造過程。、光學玻璃的制造過程。 第三節(jié)第三節(jié) 光學晶體光學晶體 3.1 晶體結構及其性質 3.2 晶體的質量指標 3.3 晶體的生長 3.4 晶體的應用 3.1 晶體結構及其性質 一、光學晶體結構一、光學晶體結構 與光學玻璃間的與光學玻璃間的主要差別主要差別是是內部結構是內部結構是有序有序的，即組的，即組 成晶體的質點成晶體的質點(原子、分子或離子原子、分子或離子)在空間有規(guī)律地排列在空間有規(guī)律地排列 在一

33、定的格位上。在一定的格位上。 結晶質：凡是質點有規(guī)則排列而具有格子構造的物質。結晶質：凡是質點有規(guī)則排列而具有格子構造的物質。 晶體：晶體：是結晶質在空間的有限部分。是結晶質在空間的有限部分。 質點是以點陣的形式在三度空間作規(guī)律的重復排列質點是以點陣的形式在三度空間作規(guī)律的重復排列格格 子結構。子結構。 晶胞：組成晶體的最小單位。晶胞：組成晶體的最小單位。 晶胞的特性參數(shù)晶胞的特性參數(shù) 晶胞三個棱的方向稱為晶軸。實際上代表表格中三個行列晶胞三個棱的方向稱為晶軸。實際上代表表格中三個行列 的方向通常以的方向通常以a,b,c（或（或x,y,z）表示，）表示，如圖如圖2-1所示。所示。 晶胞在三個不

34、同行列上的結點間距晶胞在三個不同行列上的結點間距a0,b0和和c0，分別表示晶，分別表示晶 軸軸a、b、c方向上的單位長度。各晶軸間的夾角稱為軸角，方向上的單位長度。各晶軸間的夾角稱為軸角， 分別以希臘字母分別以希臘字母(bc)、（ac）和）和（ab）表示。）表示。 a0,b0、c0、和和是決定晶胞形狀和大小的特征參數(shù)，是決定晶胞形狀和大小的特征參數(shù)， 稱為稱為晶胞常數(shù)晶胞常數(shù)。 晶體分類： 根據(jù)晶胞常數(shù)的不同，晶體可分為根據(jù)晶胞常數(shù)的不同，晶體可分為 三大晶族七大三大晶族七大 晶系晶系，如表，如表2-1。 光學晶體多用中級和高級晶族的晶體，如石英晶光學晶體多用中級和高級晶族的晶體，如石英晶

35、體是屬中級晶族中的六方晶系，螢石是高級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。族，屬立方晶系。 二、基本性質二、基本性質 1 自限性：自限性： 晶體在一定的條件下，可以自發(fā)地形成封閉的幾何多面 體，該性質稱為晶體的自限性。 2、 均一性：均一性： 晶體內部質點的排列方式及性質是重復的，稱為晶體的 均一性。 3、 對稱性：對稱性： 晶體的性質是各向異性的，但在某一個或幾個特定方向 上具有相同的性質，此方向稱為晶軸。其它方向的性 質是以晶軸為對稱軸作對稱分布。 二、基本性質二、基本性質 4、異向性：、異向性： 晶體的空間點陣的排列方式在各個方向上是不同的，晶體的空間點陣的排列方

36、式在各個方向上是不同的， 因此，晶體的性質隨觀察方向不同而異。晶體的這因此，晶體的性質隨觀察方向不同而異。晶體的這 種性質稱為晶體的異向性。種性質稱為晶體的異向性。 5、最小內能性和穩(wěn)定性：、最小內能性和穩(wěn)定性： 物體的內能是指內部質點作無規(guī)則運動的動能及由質物體的內能是指內部質點作無規(guī)則運動的動能及由質 點相互位置所決定的勢能之和。點相互位置所決定的勢能之和。 勢能：勢能：取決于物質內部質點的排列方式和相互間的距離取決于物質內部質點的排列方式和相互間的距離。 動能：動能：主要取決于物體的熱力學條件主要取決于物體的熱力學條件 。 二、基本性質二、基本性質 最小內能性最小內能性: 在一定的熱力學

37、條件下，對于具有相同化學成分而呈不同在一定的熱力學條件下，對于具有相同化學成分而呈不同 物相的物體而言，以晶體的內能為最小，故稱晶體具有物相的物體而言，以晶體的內能為最小，故稱晶體具有 最小內能性。最小內能性。 晶體的穩(wěn)定性晶體的穩(wěn)定性: 是最小內能性的必然結果。正是由于晶體的內能最小，因是最小內能性的必然結果。正是由于晶體的內能最小，因 此，它不能自發(fā)地轉變?yōu)槠渌鼱顟B(tài)，也就是說結晶態(tài)是此，它不能自發(fā)地轉變?yōu)槠渌鼱顟B(tài)，也就是說結晶態(tài)是 一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，晶體具有一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，晶體具有穩(wěn)定性穩(wěn)定性。 三、晶體的特性三、晶體的特性 1、光學性質、光學性質： 雙折射性：三大晶族對于雙折射的情

38、況是不同的。有正、負 光性之分。 旋光性：當平面偏振波沿著光軸方向傳播時，其偏振面發(fā)生 旋轉的現(xiàn)象。 吸收性與多色性：對光的吸收具有各向異性。 2、機械性質：、機械性質： 解理：解理是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。 晶體的解理對加工雖然不是好事，但加工者有時卻可以利用 晶體的解理特性進行晶體切割。 LRRRLL nn d nn d ; 三、晶體的特性三、晶體的特性（2） 硬度：硬度通常表示物體對外來機械侵入所表現(xiàn)的抵抗能 力。硬度的標準因測定方法不同而異。對晶體最常用的 是莫氏硬度。掌握晶體的硬度，對于合理地選擇晶體加 工的磨料和拋光劑是十分必要的。 溶

39、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(shù)。晶體溶解的大小是晶體潮解性能的重要標志， 它決定了晶體在什么條件下進行加工和使用。 3、熱性能：根據(jù)晶族的不同而不同。 導熱性能：導熱系數(shù) 熱膨脹系數(shù)：熱膨脹系數(shù) 3.2 晶體的質量指標 1、折射率與中部色散的允差：、折射率與中部色散的允差： 2、光學均勻性：、光學均勻性： 3、應力：、應力： 4、散射顆粒：、散射顆粒： 5、光吸收系數(shù)：、光吸收系數(shù)： 6、線位錯密度：、線位錯密度： 7、單晶大?。骸尉Т笮。?3.3 晶體的生長 人類最初利用天然礦物晶體制作光學元件。由于天然晶體 產(chǎn)量有限，且一般有缺陷和雜質，難以滿足科研和生產(chǎn)

40、 發(fā)展的需要，人們開始研究用人工方法培育單晶。1902 年，維納爾(Verneuil)發(fā)明了以氫氧焰生長紅寶石單晶的 焰熔法，為人工培育單晶以替代天然晶體開創(chuàng)了先例。 之后，科學工作者先后研制成功了制備有實用價值的大 晶體的多種方法。這些方法中適于生長光學晶體的有焰焰 熔法、提拉法、溫梯法、熔劑法和從溶液中熔法、提拉法、溫梯法、熔劑法和從溶液中生長晶體的 方法等 。 任一晶體生長過程都包含成核與生長兩個階段。結晶時， 一般總是先從系統(tǒng)內某一處(局部)形成新相的原子集團 (即形成晶核)，接著晶核上的界面不斷擴大，直至結晶過 程完成 焰熔法（又稱維納爾法焰熔法（又稱維納爾法） 圖圖2-8是生長激光

41、寶石時所使用的焰是生長激光寶石時所使用的焰 熔法結晶爐。熔法結晶爐。 從從O2處輸入氧氣，從處輸入氧氣，從H2處輸入氫氣，處輸入氫氣， 兩種氣體在燃燒器頂端混合后燃燒，兩種氣體在燃燒器頂端混合后燃燒， 產(chǎn)生產(chǎn)生2000以上的高溫。貯料筒中以上的高溫。貯料筒中 的粉料受伺服系統(tǒng)控制，均勻、定的粉料受伺服系統(tǒng)控制，均勻、定 量地往下撒落，經(jīng)高溫火焰熔融后量地往下撒落，經(jīng)高溫火焰熔融后 滴落在馬弗爐內的定向籽晶上，形滴落在馬弗爐內的定向籽晶上，形 成熔液層。然后將籽晶逐漸下降使成熔液層。然后將籽晶逐漸下降使 液層凝固，同時，調節(jié)供料速度使液層凝固，同時，調節(jié)供料速度使 其與溶液凝固速度相平衡，晶體便

42、其與溶液凝固速度相平衡，晶體便 逐漸長大。逐漸長大。 焰熔法（又稱維納爾法焰熔法（又稱維納爾法）（2） 能夠生長出直徑1530mm,長5001000mm的大尺寸激 光紅寶石，生長速率為68mm/h。 特點特點：不使用坩堝，避免坩堝雜質對晶體的污染；裝置比較簡單， 晶體生長速度快。 缺點缺點：氫氧焰所形成的熱場，溫度梯度太大，且不易實現(xiàn)精密溫 度控制，所以長出的晶體熱應力大，光學均勻性較差。 現(xiàn)在，焰熔法已廣泛應用于生長工業(yè)寶石。一些難熔氧化物激光晶體， 如紅寶石(Al2O3:Cr3+)、摻釹氧化釔(Y2O3:Nd3+)等，都曾經(jīng)使用焰 熔法生長。 3.4 晶體的分類及應用 一、按用途：一、按用

43、途： 紫外、紅外晶體、偏振晶體、復消色差晶體和激光紫外、紅外晶體、偏振晶體、復消色差晶體和激光 晶體。晶體。 主要特點是透光范圍寬： 0.1250m（玻璃為0.3 5m）。一些晶體具有明顯的雙折射性能，另一些晶 體則具有特殊色散性能。 1、在更寬的波段上選作紫外與紅外紫外與紅外的分光棱鏡、窗口、 成像透鏡的材料，補充光學玻璃的不足。如石英 （SiO2）、螢石（CaF2）氟化鋰（LiF）、巖鹽 （NaCl）、硅（Si）、鍺（Ge）等。 一、按用途：一、按用途： 2、偏振：具有明顯雙折射特性的晶體(如冰洲石，水 晶等)可制作偏光鏡、波片、補償器等光學元件。 3、復消色差鏡頭：如氟化鋰(LiF)氟化

44、鈣(CaF2)等， 在可見光波段色散特別小(V9599)。 4、晶體光柵：用于X射線、射線等高能射線譜儀上作 分光元件。 5、激光晶體：如紅寶石、氟化鈣和釔鋁石榴石等 。 二、按硬度和工藝方法：二、按硬度和工藝方法： 可分為硬質晶體、軟質晶體和水溶性晶體?？煞譃橛操|晶體、軟質晶體和水溶性晶體。 1.硬質晶體：硬質晶體： 莫氏硬度比玻璃高的晶體。玻璃的莫氏硬度為六，石英晶莫氏硬度比玻璃高的晶體。玻璃的莫氏硬度為六，石英晶 體、紅寶石、釔鋁石榴石等，莫氏硬度在體、紅寶石、釔鋁石榴石等，莫氏硬度在79之間。之間。 2.軟質晶體：軟質晶體： 大部分光學晶體均屬于軟質晶體，其莫氏硬度為大部分光學晶體均屬

45、于軟質晶體，其莫氏硬度為24。常。常 用的軟質晶體有螢石和方解石等。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： 水溶性晶體的種類很多，如氯化鈉、氯化鉀和水溶性晶體的種類很多，如氯化鈉、氯化鉀和ADP、KDP 等。這類晶體主在光譜儀器和激光中具有重要作用。但等。這類晶體主在光譜儀器和激光中具有重要作用。但 由于具有潮解性，加工困難，因此使用受到限制。由于具有潮解性，加工困難，因此使用受到限制。 3.4常用光學晶體 思考與習題 1、晶體的概念 2、晶體的基本性質 3、晶體的特性 4、晶體的分類與應用 第四節(jié)第四節(jié) 光學塑料光學塑料 4.1塑料的結構與分類 4.2光學塑料的特性和使用 4.3幾種常用光學塑料