透光和導光材料

1、第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 一、透光材料的特征值一、透光材料的特征值 1. 1. 透射率透射率 T T透射率透射率T T為透射光強為透射光強I IT T 與與入入射光強射光強I I0 0 之比之比T=IT=IT T/I/I0 0，也稱透光率。也稱透光率。入入射光強射光強IoIo，射射入入介質(zhì)介質(zhì)的的光強為光強為(1-(1-R)IoR)Io，反射掉反射掉部分光強為部分光強為IoRIoR。 8.1 透光材料 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 射入介質(zhì)的光在穿過介質(zhì)時射入介質(zhì)的光在穿過介質(zhì)時被吸收一部分后，達到介質(zhì)另一被吸收一部分后，達到介質(zhì)另一面的光強為面的光強為: Io

2、(1-R)e-al又被反射回介質(zhì)內(nèi)的光強為又被反射回介質(zhì)內(nèi)的光強為:IoR(1-R) e-al最后透射出介質(zhì)的光強最后透射出介質(zhì)的光強: IT Io(1-R)2e-al透射率透射率T T為為: :T=(1-R)T=(1-R)2 2e e-al-al 試中，試中，吸收系數(shù)吸收系數(shù)；l l介質(zhì)長度。介質(zhì)長度。一般取介質(zhì)長度為一般取介質(zhì)長度為1 1OmmOmm的值作為標準。的值作為標準。第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 2. 2. 光密度光密度 D D )1lg(2434.0)1lg(2lg)1(1lg1lg2RDDalRealeRDTDrral 3. 內(nèi)透射率內(nèi)透射率 內(nèi)透射率內(nèi)透射率所

3、表示光線所表示光線在透過介質(zhì)時在透過介質(zhì)時，只考慮吸收只考慮吸收不考慮反射的特征值。不考慮反射的特征值。Dr為反為反射修正值。射修正值。光密度的物理意義光密度的物理意義：吸收吸收(0.434l)和反射和反射(Dr)兩部分損兩部分損失之和。失之和。200)1()1()1(RTeRIeRIll 吸收系數(shù)越大時吸收系數(shù)越大時，值就越小值就越小，材料的透光性材料的透光性能就能就越越不好。不好。第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 4. 4. 平均色散系數(shù)平均色散系數(shù)D D 透光材料中光學玻璃通常透光材料中光學玻璃通常按折射率按折射率n nD D和平均色散系數(shù)和平均色散系數(shù)D D兩個光學常數(shù)進行分

4、類。兩個光學常數(shù)進行分類。 平均色散系數(shù)的表示為平均色散系數(shù)的表示為: :CFDDnnn1D D平均色散系數(shù)平均色散系數(shù)，也稱也稱阿貝數(shù)阿貝數(shù)；（數(shù)值越小色散現(xiàn)象；（數(shù)值越小色散現(xiàn)象越厲害）越厲害） n nF F 材 料 對 標 準 譜 線材 料 對 標 準 譜 線 F(F(=4861.3) =4861.3) 的折射率的折射率； n nC C 材 料 對 標 準 譜 線材 料 對 標 準 譜 線 C(C(=6562.7=6562.7) ) 的折射率的折射率； n nD D 材 料 對 標 準 譜 線材 料 對 標 準 譜 線 D(D(=5892.9=5892.9) ) 的折射率。的折射率。 n

5、 nF F-n-nC C平均色散平均色散，也稱中也稱中部色散。部色散。第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 二、透光材料的種類二、透光材料的種類 透可見光的材料常用的有透可見光的材料常用的有玻璃玻璃和和高聚物高聚物兩大類。兩大類。1. 玻璃玻璃材料材料 玻璃材料的玻璃材料的優(yōu)點：優(yōu)點：透射率最高透射率最高(可高達可高達98以上以上)，折射率范圍大折射率范圍大(1.441.94)，色散系數(shù)范圍大色散系數(shù)范圍大(D= 2090)光學穩(wěn)定性好，耐磨損。光學穩(wěn)定性好，耐磨損。 玻璃材料的缺點玻璃材料的缺點：密度大密度大(2.276.26g/cm3)，耐沖擊耐沖擊強度低，加工困難，制造周期長。強度

6、低，加工困難，制造周期長。 目前玻璃是制造各種光學元件特別是高、精光學元目前玻璃是制造各種光學元件特別是高、精光學元件的主要的材料件的主要的材料，各種經(jīng)過特殊加工的玻璃也廣泛用于，各種經(jīng)過特殊加工的玻璃也廣泛用于其他用途。其他用途。 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 2. 高聚物材料高聚物材料另一類透光材料，發(fā)展較快，主要有聚甲基丙烯酸另一類透光材料，發(fā)展較快，主要有聚甲基丙烯酸甲甲酯酯、聚苯乙烯、聚碳酸、聚苯乙烯、聚碳酸酯酯、苯乙烯丙烯、苯乙烯丙烯腈腈共聚體、聚共聚體、聚甲基異戍二烯、透明聚甲基異戍二烯、透明聚酰胺酰胺等。等。高聚物透光材料的優(yōu)點高聚物透光材料的優(yōu)點：重量輕重量輕、

7、成本低、制造工成本低、制造工藝簡單、不易破碎。藝簡單、不易破碎。高聚物透光材料高聚物透光材料的的缺點缺點：折射率范圍窄，熱脹系數(shù)折射率范圍窄，熱脹系數(shù)、雙折射和色散大雙折射和色散大，耐熱、耐磨、硬度、耐濕和抗化學性耐熱、耐磨、硬度、耐濕和抗化學性能差。能差。高聚物材料材料的透射率已達到高聚物材料材料的透射率已達到90左右左右，有的原有的原來透射率不太高的樹脂也已經(jīng)制出透射率達到來透射率不太高的樹脂也已經(jīng)制出透射率達到90的產(chǎn)的產(chǎn)品品，正正逐步應用于各種光學儀器逐步應用于各種光學儀器以及其他用途以及其他用途上。上。第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 二、透光材料的二、透光材料的應用舉例應

8、用舉例1.1.鋼化玻璃鋼化玻璃優(yōu)點：優(yōu)點：第一是強度較之普通玻璃提第一是強度較之普通玻璃提高數(shù)倍，抗彎。第二是使用安全，其高數(shù)倍，抗彎。第二是使用安全，其承載能力增大改善了易碎性質(zhì)，即使承載能力增大改善了易碎性質(zhì)，即使鋼化玻璃破壞也呈無銳角的小碎片，鋼化玻璃破壞也呈無銳角的小碎片，對人體的傷害極大地降低了。且一般對人體的傷害極大地降低了。且一般可承受可承受250250度以上的溫差變化，對防度以上的溫差變化，對防止熱炸裂有明顯的效果。止熱炸裂有明顯的效果。平鋼化、彎鋼化玻璃屬于安全玻璃。平鋼化、彎鋼化玻璃屬于安全玻璃。廣泛應用于高層建筑門窗、玻璃幕墻廣泛應用于高層建筑門窗、玻璃幕墻、室內(nèi)隔斷玻璃

9、、采光頂棚、觀光電、室內(nèi)隔斷玻璃、采光頂棚、觀光電梯通道、家具、玻璃護欄等。梯通道、家具、玻璃護欄等。第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 鋼化玻璃的缺點：鋼化玻璃的缺點：1 .1 .鋼化后的玻璃不能再進行切割和加工，鋼化后的玻璃不能再進行切割和加工，只能在鋼化前就對玻璃進行加工至需要的只能在鋼化前就對玻璃進行加工至需要的形狀，再進行鋼化處理。形狀，再進行鋼化處理。2 .2 .鋼化玻璃強度雖然比普通玻璃強，但是鋼化玻璃強度雖然比普通玻璃強，但是鋼化玻璃有自爆（自己破裂）的可能性，鋼化玻璃有自爆（自己破裂）的可能性，普通玻璃不存在自爆的可能性。普通玻璃不存在自爆的可能性。3 .3 .鋼化玻

10、璃的表面會存在凹凸不平的現(xiàn)象鋼化玻璃的表面會存在凹凸不平的現(xiàn)象（風斑），有輕微的厚度變薄。（風斑），有輕微的厚度變薄。4.4.通過鋼化爐（物理鋼化）后的建筑用的平板玻璃，一般都通過鋼化爐（物理鋼化）后的建筑用的平板玻璃，一般都會有變形，變形程度由設備與技術(shù)人員工藝決定。在一定程會有變形，變形程度由設備與技術(shù)人員工藝決定。在一定程度上，影響了裝飾效果。度上，影響了裝飾效果。第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 2.2.聚甲基丙烯酸甲酯（聚甲基丙烯酸甲酯（ PMMAPMMA）又叫有機玻璃，俗稱亞克力。有極好的透光性又叫有機玻璃，俗稱亞克力。有極好的透光性能，機械強度較高，有一定的耐熱耐寒性，

11、耐能，機械強度較高，有一定的耐熱耐寒性，耐腐蝕，絕緣性能良好，尺寸穩(wěn)定，易于成型，腐蝕，絕緣性能良好，尺寸穩(wěn)定，易于成型，可作要求有一定強度的透明結(jié)構(gòu)件，廣泛應用可作要求有一定強度的透明結(jié)構(gòu)件，廣泛應用于門窗、燈箱、銘牌等，且正常使用對人體幾于門窗、燈箱、銘牌等，且正常使用對人體幾乎沒有危害，所以也用于制作各種生活用品，乎沒有危害，所以也用于制作各種生活用品，如家具、衛(wèi)浴設備、工藝品。它的缺點是質(zhì)地如家具、衛(wèi)浴設備、工藝品。它的缺點是質(zhì)地較脆，易溶于有機溶劑，表面硬度不夠，容易較脆，易溶于有機溶劑，表面硬度不夠，容易擦毛。擦毛。第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 3.3.防彈玻璃防彈玻

12、璃防彈玻璃是由玻璃防彈玻璃是由玻璃透光材料或高聚物透光材料或高聚物透光塑料經(jīng)特殊加透光塑料經(jīng)特殊加工得到的一種復合工得到的一種復合型材料。它具有普型材料。它具有普通玻璃的外觀和傳通玻璃的外觀和傳送光的行為，對小送光的行為，對小型武器的射擊可以型武器的射擊可以提供一定的保護，提供一定的保護，根據(jù)用途有的防彈根據(jù)用途有的防彈玻璃還具備防爆功玻璃還具備防爆功能的。能的。第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 二、二、比較新的比較新的透光材料透光材料（一）（一）透光透光高高聚物聚物1. 1. 高折射率高聚物透光材料高折射率高聚物透光材料高折射率的聚合物高折射率的聚合物，特別是密度較低的，其色散往往

13、較大。特別是密度較低的，其色散往往較大。 2. 2.低折射率高聚物透光材料低折射率高聚物透光材料 含氟的透光聚合物折射率是透光高聚物中最低的，且具有良好含氟的透光聚合物折射率是透光高聚物中最低的，且具有良好的色散性、耐熱性和耐腐蝕性。的色散性、耐熱性和耐腐蝕性。3. 3. 低雙折射透光高聚物低雙折射透光高聚物 透光高聚物的雙折射來源于高聚物加工成形時的取向所產(chǎn)生的透光高聚物的雙折射來源于高聚物加工成形時的取向所產(chǎn)生的折射率各向異性。折射率各向異性。4. 4. 耐熱的透光高聚物耐熱的透光高聚物 在透光聚合物分子中引在透光聚合物分子中引入入耐熱單體、大的側(cè)基和提高交聯(lián)度都耐熱單體、大的側(cè)基和提高交

14、聯(lián)度都可以提高其耐熱性可以提高其耐熱性。第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 5. 硬度高的透光高聚物硬度高的透光高聚物 提高透光高聚物的硬度的主要方法是提高交聯(lián)度。交聯(lián)型含有氨提高透光高聚物的硬度的主要方法是提高交聯(lián)度。交聯(lián)型含有氨基甲酸基甲酸酯酯官能團樹脂的鉛筆硬度可達官能團樹脂的鉛筆硬度可達 5H9H。但交聯(lián)太高但交聯(lián)太高，剛性也增剛性也增大大。 6. 高吸水率透光高聚物高吸水率透光高聚物 隨著隱形眼鏡等接觸透鏡的實用化，要求高吸水率透光聚合物。隨著隱形眼鏡等接觸透鏡的實用化，要求高吸水率透光聚合物。常用單體常用單體MMAMMA、HEMAHEMA、乙烯基乙烯基吡吡咯咯烷酮烷酮等等。

15、（二）（二）透光透光玻璃玻璃1. 透紫外玻璃透紫外玻璃透紫外玻璃仍是應用最普遍的透紫外光學材料，包括有光學石英透紫外玻璃仍是應用最普遍的透紫外光學材料，包括有光學石英玻璃、透紫外黑色玻璃玻璃、透紫外黑色玻璃、鈉鈉鈣硅透短波紫外玻璃以及鈣硅透短波紫外玻璃以及鈉鈉鈣透紫外玻璃鈣透紫外玻璃等。等。2. 水合水合玻璃玻璃和梯度折射率光學材料和梯度折射率光學材料 在透光材料的開發(fā)研究中，值得提出的是水合玻璃和梯度折射率在透光材料的開發(fā)研究中，值得提出的是水合玻璃和梯度折射率光學材料。光學材料。第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 光纖材料光纖材料：光通信中用于傳播光信息的光學纖維所用的材料，光通信

16、中用于傳播光信息的光學纖維所用的材料，又稱為光波導纖維材料。光通訊可能是未來重要的通訊方式又稱為光波導纖維材料。光通訊可能是未來重要的通訊方式，通訊通訊用光纖材料成為當今最引人注目的新型光傳輸材料，并得到了日益用光纖材料成為當今最引人注目的新型光傳輸材料，并得到了日益廣泛的應用。廣泛的應用。8.2 光纖材料 一、光在光纖中傳輸?shù)幕驹硪?、光在光纖中傳輸?shù)幕驹?1、全反射現(xiàn)象全反射現(xiàn)象 光的全內(nèi)反射現(xiàn)象光的全內(nèi)反射現(xiàn)象是一切光纖的是一切光纖的工作基礎。工作基礎。折射率折射率n1n2，入入射角射角1臨界臨界角角0。第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 2、光在光纖中傳播原理光在光纖中傳

17、播原理光學纖維中光的傳送是利用光光學纖維中光的傳送是利用光的全反射原理。的全反射原理。 入入射光束以大于射光束以大于0的的角度角度入入射到芯子與包層的射到芯子與包層的界面上，光線在界面上發(fā)界面上，光線在界面上發(fā)生全反射，在芯中以鋸齒生全反射，在芯中以鋸齒狀路徑曲折前進，不會穿狀路徑曲折前進，不會穿出包層，避免光在傳播時出包層，避免光在傳播時的折射損耗。的折射損耗。3、傳輸模式傳輸模式 光在纖維中傳輸有一定的傳輸模光在纖維中傳輸有一定的傳輸模式式。具有一定頻率具有一定頻率、一定的偏振一定的偏振狀態(tài)和傳播方向的光波狀態(tài)和傳播方向的光波，叫做光，叫做光波的一種模式。波的一種模式。 單模光纖單模光纖：

18、一種光纖只允許傳一種光纖只允許傳輸一個模式的光波輸一個模式的光波。 多模光纖多模光纖：一種光纖允許同時一種光纖允許同時傳輸多個模式的光波。傳輸多個模式的光波。 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 4、子午光線和斜光線子午光線和斜光線光纖具有均勻的芯子光纖具有均勻的芯子（半徑半徑r，折射率折射率n1）和）和均勻的包層均勻的包層（折折射率射率n2，且且n2n1）。通過通過光纖光纖的光線有子午光線和的光線有子午光線和斜光線兩種。斜光線兩種。子午光線子午光線：在一個平面內(nèi)彎曲在一個平面內(nèi)彎曲行進的光線行進的光線，在一個周期內(nèi)和在一個周期內(nèi)和光學纖維的中心軸相交兩次光學纖維的中心軸相交兩次。斜光

19、線斜光線：不通過光學纖維的中不通過光學纖維的中心軸的光線。心軸的光線。22210sinnn 作為子午光線行進的條件作為子午光線行進的條件：第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 5 5、數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑NA NA 光學纖維的數(shù)值孔徑光學纖維的數(shù)值孔徑NANA定義為定義為: :2221nnNA 根據(jù)子午光線行進的條件根據(jù)子午光線行進的條件，NA NA 值越大，值越大，0 0可以越大，可以越大，因而有較多的光線進因而有較多的光線進入入芯子。芯子。 但但NANA太大時太大時，對單模傳輸不利，因為它易激發(fā)光的高次對單模傳輸不利，因為它易激發(fā)光的高次模傳播方式。模傳播方式。 第八章第八章 透光和導光

20、材料透光和導光材料 二、光纖材料特征值二、光纖材料特征值 1、傳輸損耗傳輸損耗 Q傳輸損耗指光在纖維中傳輸途中的損耗傳輸損耗指光在纖維中傳輸途中的損耗，表示表示為為：Q=10log(I2/I1) (dB/km) I1入入射光強射光強；I2出射光強出射光強；Q傳輸損耗傳輸損耗 (dB/km)。 |Q|越大越大，光信息傳播的距離就越短光信息傳播的距離就越短；|Q|越小越小，光信光信息傳播的距離就越遠。息傳播的距離就越遠。 傳輸損耗傳輸損耗Q值是衡量光學纖維通信介質(zhì)質(zhì)量好壞的一值是衡量光學纖維通信介質(zhì)質(zhì)量好壞的一個最重要的指標。個最重要的指標。第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 形成光學纖維

21、傳播損耗的機理有形成光學纖維傳播損耗的機理有吸收損耗、本征散射吸收損耗、本征散射、波導散射波導散射三種。三種。（1）吸收損耗吸收損耗 吸收損耗吸收損耗是是指光纖本身或雜質(zhì)粒子對光的吸收帶來的損耗指光纖本身或雜質(zhì)粒子對光的吸收帶來的損耗，又，又細細可可分為分為本征吸收本征吸收、雜質(zhì)吸收和雜質(zhì)吸收和 OH- 離子吸收離子吸收。（2 2）本征散射本征散射本征散射又稱為瑞利散射本征散射又稱為瑞利散射。由玻璃熔制過程造成的密度不均勻而由玻璃熔制過程造成的密度不均勻而產(chǎn)生的折射率不均勻所引起的散射產(chǎn)生的折射率不均勻所引起的散射，這種損耗隨波長的增加而很快減這種損耗隨波長的增加而很快減小。另外小。另外，制作

22、中，制作中摻雜摻雜粒子粒子不均勻也能引起散射不均勻也能引起散射，產(chǎn)生損耗。產(chǎn)生損耗。（3 3）波導散射波導散射波導散射是由波導的結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生的，如波導芯的直徑有起伏，波導散射是由波導的結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生的，如波導芯的直徑有起伏，界面粗糙界面粗糙，凹凸不平，就會引起傳導模的附加損耗，即波導散射損耗。凹凸不平，就會引起傳導模的附加損耗，即波導散射損耗。 第八章第八章 透光和導光材料透光和導光材料 2 2、傳輸帶寬傳輸帶寬 傳輸帶寬是影響信息傳輸能力的一個重要因素。傳輸帶寬是影響信息傳輸能力的一個重要因素。在光纖通信中在光纖通信中，以光脈沖方式進行傳輸，光脈沖的調(diào)制頻率愈高，傳以光脈沖方式進行傳輸，光脈沖的調(diào)制頻率愈高，傳輸?shù)男畔⑷萘坑?。輸?shù)男畔⑷萘坑?。影響傳輸帶寬影響傳輸帶寬的兩方面主要因素：的兩方面主要因素：? 1）光光脈波形沖脈波形沖畸變和展寬畸變和展寬 經(jīng)輸送的光脈沖傳輸一段距離后發(fā)生畸變和展寬經(jīng)輸送的光脈沖傳輸一段距離后發(fā)生畸變和展寬( (從從方波窄脈沖方波窄脈沖變變?yōu)闉殓娦蔚姆讲}沖鐘形的方波脈沖) )，展寬的結(jié)果使光脈沖波型重疊，結(jié)果分辨不出展寬的結(jié)果使光脈沖波型重疊，結(jié)果分辨不出所攜帶的信息。所攜帶的信息。（2 2）色