光學玻璃課件

第一部分光學玻璃*玻璃的結(jié)構(gòu)模型*光學玻璃的折射率*光學玻璃的吸收*紅外光學玻璃*激光玻璃*光學纖維《光學玻璃》相關(guān)內(nèi)容光學玻璃的結(jié)構(gòu)光學玻璃的性能光學玻璃的應(yīng)用光學材料與元件制造1*玻璃的結(jié)構(gòu)模型，玻璃形成體，中間體，網(wǎng)絡(luò)外體，*光學玻璃的折射率，阿貝數(shù)，色散，分子折射度，非線性折射率*玻璃紫外、可見、紅外的吸收，吸收與成分的關(guān)系*紅外光學玻璃，非氧化物玻璃，紫外玻璃，激光玻璃，硼反常光學玻璃部分相關(guān)知識點：光學材料與元件制造2第二章

光學玻璃（上）

物理化學基礎(chǔ)

§2.1玻璃結(jié)構(gòu)§2.2光學玻璃的特性光學材料與元件制造3§2.1玻璃結(jié)構(gòu)3.玻璃的組成由多種元素或者化合物（氧化物，硫化物，硒化物）組成的復雜玻璃，其中以硅酸鹽，磷酸鹽和硼酸鹽等氧化物玻璃及非氧化物玻璃為主。

光學玻璃氧化物玻璃硫系化合物玻璃鹵化物玻璃金屬玻璃玻璃化碳有機玻璃和聚合物光學材料與元件制造52.1玻璃結(jié)構(gòu)§2.1玻璃結(jié)構(gòu)4.玻璃結(jié)構(gòu)學說

*無規(guī)網(wǎng)絡(luò)學說（1932年查哈里阿生）

*晶子學說（1940年列別捷夫）

*新的無規(guī)網(wǎng)絡(luò)學說（孫觀漢，阿本，塔拉索夫等人）1石英晶體結(jié)構(gòu)，2熔石英玻璃無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3熔石英玻璃中的晶子結(jié)構(gòu)，4按照晶子無定形學說熔石英玻璃結(jié)構(gòu)光學材料與元件制造62.1玻璃結(jié)構(gòu)無規(guī)網(wǎng)絡(luò)學說每個硅原子與周圍四個氧原子組成硅氧四面體[SiO4],各四面體之間通過頂角互相連接。玻璃中加入堿金屬與堿土金屬氧化物時，[SiO4]組成的網(wǎng)絡(luò)被斷裂，[SiO4]之間的空隙中均勻而無序地分布著堿金屬與堿土金屬離子。純氧化硼玻璃也可看成是由硼氧三角體[BO3]無序相連接組成的向兩度空間發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)。該模型在玻璃的各向同性，內(nèi)部性質(zhì)的均勻性與隨成分改變時玻璃性質(zhì)變化連續(xù)性等基本特征上得到反應(yīng)，光學材料與元件制造72.1玻璃結(jié)構(gòu)晶子學說玻璃是由無數(shù)“晶子”組成的，（晶子不同于一般的微晶，是帶有點陣變形的有序排列區(qū)域）。晶子分散在無定形介質(zhì)中，并且從晶子區(qū)到無定形區(qū)的過渡是逐步完成的，兩者間并無明顯的界限。晶子學說揭示了玻璃的另一方面的結(jié)構(gòu)特征，即微不均勻性及近程有序性。有兩個問題沒有辦法解決，第一對玻璃中“晶子”的大小與數(shù)量尚有異議。第二晶子的化學組成還沒有得到合理的確定。

光學材料與元件制造82.1玻璃結(jié)構(gòu)類型元素原子價每個MOx的分解能Ed/kJ配位數(shù)M-O單鍵能EM-O(kJ/mol)網(wǎng)絡(luò)形成體NetworkformersBBSiGePVAsSbAl3344555531489.51774.01803.31849.31878.61460.21460.21326.3-1682.0344444444497.9372.4433.5451.9464.4-368.2468.6-376.6364.0-292.9355.6-284.5330.5-422.6網(wǎng)絡(luò)中間體ZnPbAlBeZrCd223242602.5606.71326.3-1682.0857.72029.2497.9226482301.2305.4211.8-280.3263.6255.2251.0網(wǎng)絡(luò)形成體與中間體的單鍵強度光學材料與元件制造102.1玻璃結(jié)構(gòu)§2.1玻璃結(jié)構(gòu)*單元系統(tǒng)氧化物玻璃結(jié)構(gòu)

[SiO4]，[BO3],[PO4]，[GeO4]*

二元系統(tǒng)氧化物玻璃結(jié)構(gòu)a.SiO2-R2O(RO):[SiO4]間的一端連接斷裂，R+或R2+位于四面體網(wǎng)絡(luò)的空隙中b.B2O3-R2O(RO)：[BO3]向[BO4]的轉(zhuǎn)變*多元系統(tǒng)氧化物玻璃結(jié)構(gòu)*非氧化物玻璃結(jié)構(gòu)光學材料與元件制造122.1玻璃結(jié)構(gòu)玻璃態(tài)氧化硼玻璃態(tài)氧化硼由硼氧三角體[BO3]的無序?qū)訝詈玩湢罱Y(jié)構(gòu)組成，所以玻璃態(tài)的B2O3有較低的軟化溫度，化學穩(wěn)定性和較高的熱膨脹系數(shù)。單元系統(tǒng)氧化物玻璃結(jié)構(gòu)光學材料與元件制造142.1玻璃結(jié)構(gòu)玻璃態(tài)五氧化二磷玻璃態(tài)五氧化二磷由磷氧四面體[PO4]組成，但是四個鍵中有一個是雙鍵，使四面體[PO4]產(chǎn)生變形，因而五氧化二磷玻璃的軟化溫度和化學穩(wěn)定性較低。

單元系統(tǒng)氧化物玻璃結(jié)構(gòu)光學材料與元件制造152.1玻璃結(jié)構(gòu)B2O3-R2O(RO)玻璃態(tài)氧化硼中加入R2O(RO)，導致玻璃分子體積、熱膨脹系數(shù)及壓縮系數(shù)下降，結(jié)構(gòu)變得緊密。氧化硼由層狀結(jié)構(gòu)的[BO3]向三度空間連接的[BO4]變化，玻璃結(jié)構(gòu)會由層狀向骨架結(jié)構(gòu)變化[BO4]帶有負電，四面體之間不能直接連接，必須有一定數(shù)量不帶電的[BO3]加以隔離，形成類似XY4的聚合體，隔離[BO4]的[BO3]數(shù)量可變，取決于陽離子R的離子半徑大小

二元系統(tǒng)氧化物玻璃結(jié)構(gòu)光學材料與元件制造162.1玻璃結(jié)構(gòu)多元系統(tǒng)氧化物玻璃結(jié)構(gòu)

氧化物玻璃結(jié)構(gòu)主要由三種氧化物組成:a.網(wǎng)絡(luò)形成體，組成四面體結(jié)[SiO4],[GeO4],[PO4],[BO3]

b.網(wǎng)絡(luò)中間體，BeO,B2O3,Al2O3,Ga2O3,TiO2,ZnO,MgO,中間體獲得由堿金屬或堿土金屬氧化物所提供的游離氧時，能形成四面體進入網(wǎng)絡(luò)。c.網(wǎng)絡(luò)外體，Li2O,Na2O,K2O,Rb2O,Cs2O,CaO,SrO,BaO,In2O3,Y2O3,La2O3,ZrO2,HfO2,給出游離氧，當游離氧不足時中間體作用相當于網(wǎng)絡(luò)外體。光學材料與元件制造172.1玻璃結(jié)構(gòu)幾種常見的光學玻璃的結(jié)構(gòu)模型Na2O-Al2O3-SiO2Na2O(BaO)-B2O3-SiO2多元系統(tǒng)氧化物玻璃結(jié)構(gòu)光學材料與元件制造182.1玻璃結(jié)構(gòu)非氧化物玻璃結(jié)構(gòu)硫硒化合物玻璃S∞,Se∞：鏈狀無定形聚合物As2S3,As2Se3,As2Te3：鏈狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，玻璃的熔化溫度、軟化溫度、硬度很低，熱膨脹系數(shù)高。As2Se3(As2S3)玻璃結(jié)構(gòu)As2Te3(a)及As2Te3-As2Se3玻璃結(jié)構(gòu)光學材料與元件制造202.1玻璃結(jié)構(gòu)§2.2光學玻璃的特性1．光學玻璃區(qū)別于普通玻璃的主要特點：a.光學玻璃原料純度要求高。有害物質(zhì)含量控制在100ppm以下，光吸收系數(shù)控制在10-2—10-5cm-1范圍之內(nèi)，從而保證了光通過玻璃之后的吸收損耗極小。b.物理與化學性質(zhì)上的高度均勻性。光學材料與元件制造212.2光學玻璃的特性光學玻璃的折射率和阿貝（abbe）數(shù)折射率：nD:鈉D線（589.3nm）nd:

鈉光譜d線（587.6nm）阿貝（abbe）數(shù)(平均色散系數(shù))：

nF:F線486.1nm,nC:C線656.3nm,nF-nC平均色散光學材料與元件制造232.2光學玻璃的特性Wavelength[nm]DesignationSpectrallineusedElement2325.42InfraredmercurylineHg1970.09InfraredmercurylineHg1529.582InfraredmercurylineHg1060.0NeodymiumglasslaserNd1013.98tInfraredmercurylineHg852.11sInfraredcesiumlineCs706.5188rRedheliumlineHe656.2725CRedhydrogenlineH643.8469C’RedcadmiumlineCd632.8Helium-neongaslaserHe-Ne589.2938DYellowsodiumlineNa表2.2光學玻璃中經(jīng)常使用的一些元素特征譜線波長。Wavelength[nm]DesignationSpectrallineusedElement587.5618dYellowheliumlineHe546.0740eGreenmercurylineHg486.1327FBluehydrogenlineH479.9914F’BluecadmiumlineCd435.8343gBluemercurylineHg404.6561hVioletmercurylineHg365.0146iUltravioletmercurylineHg334.1478UltravioletmercurylineHg312.5663UltravioletmercurylineHg296.7278UltravioletmercurylineHg280.4UltravioletmercurylineHg248.3UltravioletmercurylineHg光學玻璃中經(jīng)常使用的一些元素特征譜線波長光學材料與元件制造24光學玻璃的分類光學玻璃按照阿貝數(shù)的大小分為冕牌和火石玻璃兩大類，大致分界線為γD=50。γD>50冕牌光學玻璃，γD<50火石光學玻璃我國光學玻璃共有18個品種，141個品牌

K冕牌F火石Q輕Z重T特F氟P磷Ba鋇La鑭Ti鈦。各品種內(nèi)的牌號以序號區(qū)分，原則上按照折射率由高向低排列。國際上傳統(tǒng)的光學玻璃命名法：

F火石，K冕牌，B硼，BA鋇，LA鑭，N無鉛，P磷，S重，L輕

光學材料與元件制造262.2光學玻璃的特性光學玻璃的品牌我國光學玻璃的品牌及牌號數(shù)名稱牌號玻璃牌號數(shù)名稱牌號玻璃牌號數(shù)冕牌玻璃58火石玻璃83氟冕FK2冕火石KF4輕冕QK3輕火石QF8磷冕PK2火石F9冕K14鋇火石BaF10鋇冕BaK11重鋇火石ZBaF14重冕ZK13重火石ZF13鑭冕LaK12鑭火石LaF10特冕TK1重鑭火石ZLaF5鈦火石TiF4特火石TF6光學材料與元件制造272.2光學玻璃的特性光學玻璃的nd-γ圖我國光學玻璃的nd-γ圖光學材料與元件制造282.2光學玻璃的特性光學玻璃的基本組成

冕牌K(crown):

R2O-B2O3-SiO2(R代表堿金屬)，硼硅酸鹽與鋁硅酸鹽系統(tǒng)。

火石F(Flint):K2O-PbO-SiO2,因原料中含有氧化鉛，所以稱為火石玻璃光學材料與元件制造302.2光學玻璃的特性光學玻璃的基礎(chǔ)系統(tǒng)玻璃品牌基礎(chǔ)系統(tǒng)FKRF-RF2-RPO3-R(PO3)3QKR2O-B2O3-SiO2R2O-B2O3-Al2O3-SiO2-RFPKR2O-RO-B2O3-Al2O3-P2O5KR2O-RO-B2O3-SiO2BaKR2O-BaO(ZnO,CaO)-B2O3-SiO2ZKBaO(ZnO,CaO)-B2O3-SiO2LaKRO-La2O3-B2O3-SiO2TKRF-RF3-As2O3KFR2O-PbO-B2O3-SiO2R2O-PbO-B2O3-SiO2-RFQFR2O-PbO-SiO2R2O-PbO-B2O3-SiO2-TiO2-RFFR2O-PbO-SiO2BaFR2O-BaO-PbO-B2O3-SiO2ZBaFBaO(ZnO)-PbO(TiO2)-B2O3-SiO2ZFPbO(TiO2)-SiO2TiFR2O-PbO-B2O3-TiO2-SiO2-RFTFR2O-Sb2O3-B2O3-SiO2PbO-Al2O3-B2O3光學材料與元件制造312.2光學玻璃的特性一些新品種的光學玻璃新品種光學玻璃光學材料與元件制造322.2光學玻璃的特性UG：Blackandblueglasses,UVtransmitting透紫外的黑色與藍色玻璃，即為紫外帶通濾光片。BG：Blue,blue-green,andmultibandglasses藍色，藍綠色及多通帶玻璃VG：Greenglass綠色玻璃GG：Nearlycolorlesstoyellowglasses,IRtransmitting透紅外的近似無色至黃色玻璃OG：Orangeglasses,IRtransmitting透紅外的橙色玻璃RG：Redandblackglasses,IRtransmitting(RG9,RG100)透紅外的紅色至黑色玻璃NG：Neutraldensityglasseswithuniformattenuationinthevisiblerange中性暗色玻璃（在一段光譜范圍內(nèi)透過率有較為均勻的損耗，即透過率與波長無關(guān)）N-WG：ColorlessglasseswithdifferentcutoffsintheUV,transmittinginthevisiblerangeandtheIR，透可見與紅外，吸收帶在紫外的無色玻璃，“N-”環(huán)保類型，沒有使用鉛與砷等成分。KG：VirtuallycolorlessglasseswithhightransmissioninthevisibleandabsorptionintheIR(heatprotectionfilters)，紅外吸收，可見光高透的無色玻璃。即為“短波通”濾光片有色玻璃基質(zhì)玻璃，離子著色玻璃，膠體著色玻璃光學材料與元件制造33§2.2光學玻璃的特性3．特種光學玻璃a.紅外光學玻璃：耐高溫紅外玻璃（光學熔石英，高硅氧玻璃等），高折射率中紅外透鏡玻璃（硫化砷玻璃），紅外濾光片，紅外窗口材料（氟磷酸鹽玻璃，銻酸鹽及碲酸鹽玻璃）。b.高功率激光玻璃：（大尺寸高光學質(zhì)量），包括含釹硅酸鹽玻璃，含釹磷酸鹽玻璃和釹氟磷酸鹽玻璃，要求激光效率高，非線性折射率低。c.光學纖維：玻璃光纖d.其它光學功能玻璃材料，包括電光，磁光，聲光玻璃材料。光學材料與元件制造342.2光學玻璃的特性光學纖維在信息領(lǐng)域，信息的探測、傳輸、存儲、顯示、運算等作用的載體由電子（微電子信息材料）發(fā)展到電子與光子（光電子信息材料），并有望向光子（光子信息材料）技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展。光學纖維主要用于信息獲取、信息傳輸、信息放大等領(lǐng)域。玻璃纖維中能以波導結(jié)構(gòu)傳輸光者為光學纖維。用于光通訊的光學纖維要求特別良好的透光率（低損耗），長距離傳輸后仍能識別信號（低色散）。包括通訊光纖、光纖放大器、光纖光柵材料、光纖傳感器等多種形式的光纖材料。光學材料與元件制造352.2光學玻璃的特性光纖的制造與結(jié)構(gòu)分類光纖的制造：預制棒的制造、拉絲與涂覆、成纜。光纖種類材料成分采用原料石英光纖芯線：SiO2GeO2P2O5

包層：SiO2B2O3

SiCl4GeCl4POCl3SiCl4BCl3BBr3多組分光纖芯線：SiO2Na2OCaOGeO2

包層：SiO2Na2OCaOB2O5：SiCl4NaNO3Ca(NO3)2Ge(C4H9O)4SiCl4NaNO3Ca(NO3)2BCl3石英芯線塑料包層光纖芯線；SiO2包層：有機硅SiCl4二甲基二氯硅烷

塑料光纖芯線：PMMA包層：氯化MAP聚甲基丙烯酸甲酯氟化甲酯光學材料與元件制造362.2光學玻璃的特性MCVD光纖用石英玻璃的制備方法國內(nèi)光纖業(yè)大多采用MCVD制作多膜光纖，在石英管中加氧氣及高純度的鹵化物，加熱長成多層折射率不同的玻璃玻璃再收縮變成實心棒，即為預型體，用此法很容易控制預型體的形狀及大小，預型體成形后，先作量測，再移到石墨爐中加熱抽絲成為光纖.整個流程技術(shù)復雜，同時要求高效,高速,高穩(wěn)定性.這對生產(chǎn)自動化系統(tǒng)提出了很高的要求.

光學材料與元件制造372.2光學玻璃的特性裸光纖UV燈石墨爐預制棒涂覆杯保護氣體光纖的拉制光學材料與元件制造382.2光學玻璃的特性著色層芯層5m包層125m內(nèi)涂層外涂層光纖的結(jié)構(gòu)光學材料與元件制造392.2光學玻璃的特性光學材料與元件制造402.2光學玻璃的特性第三章光學玻璃（中）

物理化學性質(zhì)

§3.1玻璃的折射率和色散§3.1外場作用下玻璃的光學常數(shù)的變化§3.1玻璃的光吸收與光散射

光學材料與元件制造41§3.1玻璃的折射率和色散1.玻璃折射率和成分之間的關(guān)系

玻璃的折射率由：分子體積（VM）與分子折射度所決定。應(yīng)該把玻璃成分對折射率的影響看作對分子體積分子折射度兩方面影響的總和光學材料與元件制造423.1玻璃的折射率和色散分子體積玻璃的分子體積標志著結(jié)構(gòu)緊密程度。它決定于結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的體積以及網(wǎng)絡(luò)外空隙的的填充程度。上述兩種因素都和組成玻璃多種陽離子半徑的大小有關(guān)。對原子價相同的的氧化物來說，其陽離子半徑越大，玻璃分子體積就越大（對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)離子是增加網(wǎng)絡(luò)體積，對網(wǎng)絡(luò)外離子是擴張了網(wǎng)絡(luò)）。

光學材料與元件制造433.1玻璃的折射率和色散分子折射度玻璃的分子折射度是各組成離子極化程度的總和。陽離子極化率（電子位移極化）決定于離子半徑及其外電子層的結(jié)構(gòu)。原子價相同的陽離子其半徑越大（原子核對外層電子吸引力越弱）則離子極化率越高。離子極化率還受其周圍離子極化的影響，氧離子與陽離子間鍵力隨陽離子半徑的增加而減弱。所以當陽離子半徑增加時不僅其本身極化率上升也提高了氧離子的極化率，因而促使玻璃分子折射度迅速上升。光學材料與元件制造443.1玻璃的折射率和色散玻璃折射率和成分之間的關(guān)系由于當原子價相同的陽離子半徑增加時分子體積與分子折射度同時上升，前者降低玻璃的折射率，而后者使之增加，故玻璃折射率與離子半徑的大小之間不存在直線關(guān)系。離子半徑小的氧化物對降低分子體積起主要作用，而離子半徑大的氧化物對提高極化率起主要作用。因而這些玻璃都具有較大的折射率離子半徑居中的氧化物如Na2O,MgO,Al2O3,ZrO2等在周期表的同族元素氧化物中具有較低的折射率。光學材料與元件制造453.1玻璃的折射率和色散不同陽離子對玻璃折射率的變化光學材料與元件制造463.1玻璃的折射率和色散3.1.玻璃的折射率和色散2玻璃的色散

在共振吸收帶附近玻璃的折射率有劇烈的變化，在共振區(qū)域，玻璃折射率與入射光的頻率的關(guān)系如下：其中，N:單位體積內(nèi)振動核心的數(shù)目，ωk:第k種電子的本征振動頻率，fk:具有頻率ωk的電子數(shù)（振子力）光學材料與元件制造473.1玻璃的折射率和色散2玻璃的色散光學材料與元件制造483.1玻璃的折射率和色散玻璃的色散在可見光區(qū)域玻璃的色散曲線主要決定于紫外區(qū)域電子躍遷的本征吸收和紅外區(qū)域玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)振動的共振吸收，以下式表達：

其中ω1和ω2為紫外和紅外共振吸收頻率，f1和f2為共振吸收有關(guān)的振子力。能夠使用擬合計算的方法求得玻璃的ω1ω2f1f2數(shù)值。光學材料與元件制造493.1玻璃的折射率和色散一種媒質(zhì)的全部色散曲線

光學材料與元件制造50Sellmeier色散公式

Cauthy色散公式光學材料與元件制造51§3.2外場作用下玻璃的

光學常數(shù)的變化

光學玻璃折射率的變化可以表達為：

其中ρ與γ分別代表玻璃的密度和極化率，所以玻璃折射率的變化可以歸結(jié)為密度和極化率的變化，但不同的作用場對兩者的影響程度是不同的。光學材料與元件制造523.2外場作用下玻璃的光學常數(shù)的變化1.玻璃的折射率溫度系數(shù)對以上的公式進行溫度的微分，可以得到：式中β為折射率溫度系數(shù)，α為熱膨脹系數(shù)

光學材料與元件制造533.2外場作用下玻璃的光學常數(shù)的變化折射率溫度系數(shù)β當溫度上升時:由于玻璃的熱膨脹使密度減小ρ↓由于電子躍遷的本征頻率隨溫度上升而下降，紫外吸收極限移向長波方向，導致極化率的上升γ↑β值是正是負，決定于這兩種效應(yīng)的總和極大多數(shù)光學玻璃在室溫以上，其折射率溫度系數(shù)為正值，但在低溫（-100℃左右）都出現(xiàn)極小值，在更低溫度時，折射率溫度系數(shù)為負值。光學材料與元件制造543.2外場作用下玻璃的光學常數(shù)的變化折射率的溫度系數(shù)與玻璃成分的關(guān)系折射率的溫度系數(shù)與玻璃成分及結(jié)構(gòu)密切相關(guān):玻璃態(tài)氧化硼與氧化磷由于層狀結(jié)構(gòu)，其熱膨脹系數(shù)較大（α～150×10-7），故折射率溫度系數(shù)為負值。熔石英由于熱膨脹系數(shù)較?。é痢?×10-7），故β值為正值。一般光學玻璃的α值變化不大（60-80），故其β值主要決定于紫外吸收極限。在室溫β值為負值的玻璃大約是以下三類：A.含有大量堿金屬氧化物的硅酸鹽和硼酸鹽玻璃，主要由于α值較大。B.部分磷酸鹽玻璃。C.含氟的硅酸鹽和磷酸鹽玻璃，后兩類由于紫外吸收極限波長較小。光學材料與元件制造553.2外場作用下玻璃的光學常數(shù)的變化光學玻璃的折射率隨溫度的變化光學材料與元件制造563.2外場作用下玻璃的光學常數(shù)的變化2玻璃的光彈系數(shù)光彈系數(shù)是表示物質(zhì)的折射率與應(yīng)變的關(guān)系，由于受靜力或聲光作用下的伸縮力等，在應(yīng)力場中材料因彈性應(yīng)變引起的折射率變化可以表示為：其中pij為光彈系數(shù)，εj為彈性應(yīng)變。光學材料與元件制造573.2外場作用下玻璃的光學常數(shù)的變化光彈系數(shù)pij玻璃的光彈系數(shù)可以由兩個部分組成：

pd為在有應(yīng)變的情況下，不考慮極化率的變化，由于密度的變化引起的折射率改變。而pa是由于應(yīng)變引起極化率的變化。

此為玻璃折射率的變化與光彈系數(shù)之間的關(guān)系

光學材料與元件制造583.2外場作用下玻璃的光學常數(shù)的變化玻璃的成分與光彈系數(shù)的關(guān)系不同成分的玻璃的p11值變化較大，它與玻璃中離子的極化率總和γ成正比p12改變較小，波動于0.20-0.25之間。（p11-p12）值決定于玻璃中氧離子克分子數(shù)ΣO=,隨ΣO=值上升而增高，說明在應(yīng)變情況下陰離子容易變形而形成極化率的各向異性。

光學材料與元件制造593.2外場作用下玻璃的光學常數(shù)的變化3.玻璃的非線性折射率

在強電場和強光（電磁場）作用下玻璃的折射率發(fā)生變化，這種依賴于電場強度的折射率稱為非線性折射率n2:其中E為電場強度（伏/米），I為光束強度，n2為非線性折射率。

在強電場中折射率的改變同樣是由于電場對玻璃密度和極化率的影響所致光學材料與元件制造603.2外場作用下玻璃的光學常數(shù)的變化電致伸縮引起的非線性折射率強高頻電場和強光作用于玻璃產(chǎn)生的布里淵散射都會引起電致伸縮，由此產(chǎn)生密度的變化，由電致伸縮引起的非線性折射率可以表達為：(E為玻璃的楊氏模量，μ為泊松比)玻璃的與玻璃的光彈系數(shù)相關(guān)：光學材料與元件制造613.2外場作用下玻璃的光學常數(shù)的變化極化引起的非線性折射率強電場作用下引起玻璃極化率的改變，主要由于玻璃中各種離子的非線性極化所致，即圍繞原子核平均位置的電子軌道的非線性畸變：

光學材料與元件制造623.2外場作用下玻璃的光學常數(shù)的變化極化引起的非線性折射率可見光區(qū)域的線性折射率主要依賴于紫外吸收的本征頻率，所以非線性折射率n2(E)可以理解為隨著電場強度的增加，決定玻璃色散曲線的紫外本征頻率產(chǎn)生的斯塔克位移，移向長波使折射率增加。線性折射率n0與ω1(1/λs)成反比，那么非線性折射率n2(E)應(yīng)與紫外本征頻率ω21(1/λ2s)成反比。光學材料與元件制造633.2外場作用下玻璃的光學常數(shù)的變化玻璃非線性折射率的經(jīng)驗公式對于氧化物玻璃，氟磷酸鹽和氟化物玻璃，可由以下經(jīng)驗公式描述：(氧化物玻璃)（氟磷酸鹽和氟化物玻璃）

式中λs的單位用厘米表示，n2(E)為線偏振條件下波長為1微米處的非線性折射率光學材料與元件制造643.2外場作用下玻璃的光學常數(shù)的變化玻璃的非線性折射率與紫外本征吸收波長的關(guān)系光學材料與元件制造653.2外場作用下玻璃的光學常數(shù)的變化光學非線性玻璃近二十年來，人們對具有光學非線性效應(yīng)的光學玻璃非常感興趣，包括兩類玻璃：均質(zhì)玻璃含有過渡金屬，重金屬的高折射率玻璃，（含鉛，鋯，鈦等氧化物玻璃）離子極化率較高，在強電場作用下，容易產(chǎn)生大的電子軌道畸變。半導體微晶顏色玻璃含硫化鎘，硒化鎘以及他們的固熔體微晶玻璃有非常陡的紫外吸收限。隨著后期熱處理溫度，時間的改變，其吸收限會隨之改變，微晶中存在的量子定域效應(yīng)，該類玻璃中存在非常大的光學非線性極化率與快速的響應(yīng)時間。光學材料與元件制造663.2外場作用下玻璃的光學常數(shù)的變化§3.3玻璃的光吸收與光散射

玻璃的光吸收包括：由于玻璃基質(zhì)的電子躍遷和網(wǎng)絡(luò)振動引起的紫外和紅外特征吸收；由于雜質(zhì)（過渡元素和稀土元素離子以及OH-）引起的選擇吸收。玻璃的光散射包括宏觀的丁達爾散射，密散射；微觀的瑞利散射，赫拉曼散射。光學材料與元件制造673.3玻璃的光吸收與光散射1.光吸收與光散射的定義

透過率

光密度吸收系數(shù)（厘米-1）吸收分貝數(shù)（分貝/公里）消光系數(shù)（l/mol*m）其中I0為入射光強度，I為出射光強度，l為樣品厚度，C為著色劑濃度。使用分光光度計進行測量

光學材料與元件制造683.3玻璃的光吸收與光散射1.光吸收與光散射的定義散射光與入射光的亮度之間的關(guān)系為：其中Bφ及B0為散射光與入射光的亮度，E為入射光的強度，l與lφ為垂直于散射面的光程與散射方向的光程，ρφ為在角度為φ處的散射系數(shù),它決定散射角度，波長和入射光的電向量。

光學材料與元件制造693.3玻璃的光吸收與光散射散射損耗系數(shù)σ

通過無吸收的介質(zhì)，入射光由于散射而使光強減弱，可用下式表示：其中σ為散射損耗系數(shù)，若入射光是非偏振的，而散射質(zhì)點很?。ㄈ鹄⑸洌瑒t:光學材料與元件制造703.3玻璃的光吸收與光散射光散射的測量對光散射，主要測量散射系數(shù)ρφ，一般用分光光度計得到不同波長的單色光，照射在圓柱形玻璃樣品上，出射光進入光陷阱，用光接受器探測在入射光垂直和其它方向的散射光的強度。光學材料與元件制造713.3玻璃的光吸收與光散射2．玻璃的紫外吸收限玻璃的紫外吸收限定義：

玻璃在紫外區(qū)域里有一個吸收系數(shù)迅速增長的吸收極限，這是由于電子躍遷所引起的。對于離子鍵的晶體，紫外吸收是電子自滿帶激發(fā)到導帶，伴隨著產(chǎn)生光電導，吸收極限的波長決定禁帶寬度，吸收光譜是連續(xù)的。在低溫下，在連續(xù)帶前出現(xiàn)一系列吸收峰，并不伴有光電導，稱為激子光譜，光子能量小于禁帶寬度。光學材料與元件制造723.3玻璃的光吸收與光散射玻璃的紫外吸收限來源無機玻璃為極性共價鍵物質(zhì)，用離子鍵晶體模型考慮，以SiO2為例，紫外吸收是由于電子由陰離子O=激發(fā)至陽離子Si4+考慮共價鍵因素。從分子軌道模型考慮，即電子從Si-O成鍵能級躍遷到Si-O的反鍵能級因為玻璃中尚有少量非橋氧的存在，因此電子首先從非橋氧O=激發(fā)，當玻璃中引入堿金屬氧化物R2O后，能帶的能量下降，電子由非橋氧至堿金屬離子的躍遷。玻璃的成分越復雜，雜質(zhì)能級越多，所以從理論上分析計算多組分的玻璃紫外外吸收是困難的光學材料與元件制造733.3玻璃的光吸收與光散射玻璃的能級導帶Si-O反鍵非橋氧O-Si-O成鍵SiO212.4eV10eV8eV6eVNa-O反鍵Na-O成鍵非橋氧O-Na2O.2SiO2Na+光學材料與元件制造743.3玻璃的光吸收與光散射玻璃的紫外吸收限與成分的關(guān)系玻璃的紫外吸收決定于構(gòu)成玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的化學鍵的強度，玻璃生成體氧化物以SiO2的λ0（本征吸收波長）最小，次之為P2O5,B2O3及GeO2。在玻璃中引入R+R2+離子后，由于橋氧鍵斷裂而形成非橋氧，λ0隨引入量的增加而上升，中間體氧化物的引入，因為能使斷裂的硅氧鍵連接起來，因而能夠降低λ0值。具有高極化率的陽離子（Pb2+,Bi3+,Tl+）引入，使λ0明顯上升，極化率小的陰離子（F-）能夠降低λ0數(shù)值。光學材料與元件制造753.3玻璃的光吸收與光散射紫外本征吸收波長用紫外和真空紫外分光光度計可以測量玻璃的紫外透過曲線，紫外透過依賴于樣品的厚度和包含的雜質(zhì)，玻璃愈薄，測得的紫外透過波長越小。利用樣品厚度與紫外吸收波長的關(guān)系，外推至厚度為0時的吸收波長即為紫外本征吸收波長。光學材料與元件制造763.3玻璃的光吸收與光散射3．

玻璃的紅外吸收

玻璃基質(zhì)的紅外吸收主要由玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的振動所致，由于吸收的振子力很大，所以一般氧化物玻璃樣品只能透過到5-6微米硅酸鹽玻璃的紅外透過極限為4-5微米，在2.7微米附近有明顯的吸收帶，這吸收帶決定于玻璃中所溶解的結(jié)合水中O-H鍵的振動玻璃中結(jié)合水的多少與堿金屬氧化物含量有關(guān)。重冕，超重冕，重火石玻璃中少含或不含堿金屬氧化物，故紅外透過較寬。光學材料與元件制造773.3玻璃的光吸收與光散射幾種玻璃的紅外透過曲線光學材料與元件制造783.3玻璃的光吸收與光散射透紅外光學玻璃光學玻璃要在紅外區(qū)域有較寬的透過率，需要使用非硅酸鹽和非氧化物玻璃系統(tǒng)光學材料與元件制造793.3玻璃的光吸收與光散射4．玻璃中雜質(zhì)的光吸收一般玻璃在可見，近紫外和近紅外區(qū)域（0.3-2微米）的光吸收主要是雜質(zhì)離子（過渡元素或稀土元素）引起的。稀土離子的吸收帶很窄且吸收系數(shù)也較小，稀土離子的吸收帶常出現(xiàn)在鑭系光學玻璃中。過渡元素離子的吸收帶寬而強，如Fe,Cu,Cr,Mn,Co,Ni等。有些玻璃在鉑坩堝中熔煉，引起鉑對玻璃的沾污，也會形成玻璃的雜質(zhì)吸收現(xiàn)象。光學材料與元件制造803.3玻璃的光吸收與光散射5．玻璃的光散射宏觀的丁達爾和密散射：由于玻璃中的氣泡，結(jié)石，條紋與嚴重的物理不均勻性引起的散射瑞利散射（分子散射）：對高度均勻的光學玻璃，當散射顆粒γ＜λ/10時，分子散射的特點為：(1)散射光的強度I與入射光波長的關(guān)系為I∝1/λ4(2)散射光是偏振的，與入射光垂直方向的散射光是全偏振(3)散射光強度與角度有關(guān)，Iθ=I90o(1+cosθ)2,光學玻璃的散射系數(shù)已經(jīng)較詳細地測出，可以方便地在手冊中查閱。光學材料與元件制造813.3玻璃的光吸收與光散射第四章光學玻璃（下）

光學玻璃系統(tǒng)§4.1冕類光學玻璃§4.2火石類光學玻璃§4.3新品種光學玻璃§4.4特種光學玻璃*紫外光學玻璃*紅外光學玻璃*激光玻璃光學材料與元件制造82第四章光學玻璃（下）

光學玻璃系統(tǒng)

硅酸鹽玻璃系統(tǒng)包括了光學玻璃中的大部分品種，其中：冕牌，鋇冕：含堿硼硅酸鹽系統(tǒng)輕冕：鋁硼硅酸鹽系統(tǒng)重冕，鋇火石：無堿硼硅酸鹽，鋁硼硅酸鹽系統(tǒng)火石：鉛硅酸鹽系統(tǒng)鋅冕，含氟的輕冕玻璃：以硅酸鹽系統(tǒng)為主

光學材料與元件制造83硼反常硼反常的定義：如果在硅酸鹽玻璃中逐漸增加氧化硼的含量，其性質(zhì)變化曲線往往會出現(xiàn)極大或極小值，稱為“硼反常”，合理地應(yīng)用這一反?，F(xiàn)象可以改善玻璃的某些物理化學性質(zhì)，制得化學穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)小，折射率高而色散小的玻璃。光學材料與元件制造84硼反常硼反?，F(xiàn)象起源硼反常現(xiàn)象可以解釋為玻璃中硼離子配位數(shù)的變化所引起，在Na2O-B2O3-SiO2系統(tǒng)中以B2O3代替SiO2后，原先在結(jié)構(gòu)網(wǎng)中因R2O加入而斷裂的硅氧四面體被接連成硅氧與硼氧統(tǒng)一結(jié)構(gòu)網(wǎng)，此時原來由單鍵接連的氧離子現(xiàn)在被硼與硅雙鍵所固定。由于硼氧四面體體積[BO4]比硅氧四面體[SiO4]小,所以當Na2O/B2O3＞1時玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)的緊密度與強度皆上升，表現(xiàn)在密度，折射率，硬度，彈性系數(shù)，化學穩(wěn)定性的上升，以及熱膨脹系數(shù)的下降上。繼續(xù)以B2O3代替SiO2到Na2O/B2O3＜1時，由于Na2O的不足，使四面體[BO4]分裂而形成三角體，在玻璃中開始出現(xiàn)兩種不同的結(jié)構(gòu)組元，即四面體硼硅酸鹽區(qū)及三角體富氧化硼區(qū)，由于玻璃態(tài)B2O3成層狀或連狀結(jié)構(gòu)，其強度很低，因而上述性質(zhì)向相反方向轉(zhuǎn)變，在性質(zhì)變化曲線中變呈現(xiàn)極大或低小值。極大值與極小值往往出現(xiàn)于Na2O/B2O3=1處，所以硼反?，F(xiàn)像是由于B3+配位數(shù)的變化而引起玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)骨架變化的反應(yīng)。光學材料與元件制造85硼反常硼反?，F(xiàn)象光學材料與元件制造86硼反常硼反常光學材料與元件制造87硼反常硼反常光學材料與元件制造88硼反?！?.1冕類光學玻璃

1.輕冕玻璃（QK）特點：折射率，色散小，熱膨脹系數(shù)較低（33-35×10-7/℃）成分：堿鋁硼硅酸鹽系統(tǒng)，玻璃中含有較多的氧化硼，有時為了降低折射率，引進氟離子以代替部分氧離子用途：由于玻璃的熱膨脹系數(shù)較小，被廣泛應(yīng)用于大型天文反射鏡玻璃材料，以及用于制造需要高度熱穩(wěn)定性的光學零件。光學材料與元件制造894.1冕類光學玻璃§4.1冕類光學玻璃2.冕牌玻璃（K）特點：折射率較QK高，阿貝數(shù)較QK低。成分：基礎(chǔ)系統(tǒng)為堿硼硅酸鹽系統(tǒng)及堿鋁硼硅酸鹽系統(tǒng)，組成冕牌玻璃的氧化物較多，要考慮硼的不同配位狀態(tài)，使玻璃的光學性質(zhì)及物理性質(zhì)發(fā)生變化，冕牌玻璃中使用量最大的牌號是K9,按分子比約為：15(K2O+Na2O)?10B2O3?75SiO2,(K2O+Na2O)/B2O3～1.5光學材料與元件制造904.1冕類光學玻璃§4.1冕類光學玻璃3.重冕玻璃（ZK）特點：折射率高，色散小，阿貝數(shù)大，在nd～γ圖中占據(jù)的區(qū)域并不大，但對光學系統(tǒng)設(shè)計非常重要。成分：為無堿硼硅酸鹽系統(tǒng)。RO-B2O3-SiO2是重冕玻璃的基礎(chǔ)系統(tǒng)，RO主要是BaO,光學材料與元件制造914.1冕類光學玻璃§4.1冕類光學玻璃4.鋇冕玻璃（BaK）*特點：光學性質(zhì)介于冕與重冕玻璃之間*成分：化學成分也介于冕與重冕之間，屬于R2O(Na2O-K2O)-BaO(ZnO-CaO)-B2O3-SiO2系統(tǒng)

光學材料與元件制造924.1冕類光學玻璃§4.2火石類光學玻璃

火石玻璃是鉛硅酸鹽玻璃，在nd～γ圖中占據(jù)了很大的區(qū)域，折射率和阿貝數(shù)變化范圍很大?；鹗ＡЧ鈱W常數(shù)的特點是阿貝數(shù)小，色散大，折射率變化范圍大。

火石類玻璃按照化學組成可以分為兩類：以R2O-PbO-SiO2系統(tǒng)為主的不含BaO的火石玻璃（KF,QF,F,ZF），以R2O-BaO-PbO-SiO2為主的鋇火石玻璃（BaF,ZBaF）光學材料與元件制造934.2火石類光學玻璃§4.2火石類光學玻璃1.輕火石、火石、重火石玻璃（QF,F,ZF）成分：以K2O(Na2O)-PbO-SiO2系統(tǒng)為基礎(chǔ)，光學常數(shù)變化主要取決于PbO的含量，隨著PbO的增加，玻璃折射率增加，阿貝數(shù)下降。為減少色散，在火石玻璃中也引入少量的B2O3。

光學材料與元件制造944.2火石類光學玻璃§4.2火石類光學玻璃2.含鈦鉛火石玻璃Na2O-TiO2-SiO2系統(tǒng)玻璃的光學性質(zhì)與Na2O-PbO-SiO2系統(tǒng)非常相似，在鉛火石玻璃中引入部分TiO2代替PbO是合理的，與不含TiO2的玻璃相比，熱膨脹系數(shù)有所下降，化學穩(wěn)定性也得到改善，但是鑒于TiO2的色散較大，可引入部分的BaO,B2O3以減少玻璃的色散。3.冕火石玻璃

玻璃的光學常數(shù)介于輕冕及輕火石之間，化學組成也在二者之間。

光學材料與元件制造954.2火石類光學玻璃§4.2火石類光學玻璃4.鋇火石玻璃及重鋇火石玻璃鋇火石玻璃及重鋇火石玻璃的折射率及阿貝數(shù)變化范圍很大，在nd～γ圖中占據(jù)了很大的區(qū)域，玻璃成分介于鋇冕，重冕，輕火石，火石，重火石之間，光學常數(shù)接近鋇冕及重冕的玻璃。

光學材料與元件制造964.2火石類光學玻璃§4.3新品種光學玻璃按光學系統(tǒng)設(shè)計的不同要求，可分為以下三類：為擴大折射率差值而發(fā)展的超高折射率及特低折射率玻璃。為擴大阿貝數(shù)差值而發(fā)展的低色散、高折射率低色散與低折射率高色散玻璃。為消除二級光譜而發(fā)展的特殊相對部分色散光學玻璃。

光學材料與元件制造974.3新品種光學玻璃§4.3新品種光學玻璃1.特高折射率光學玻璃*折射率在1.9以上的重火石玻璃，為超重火石或特重火石玻璃。*除了必要的玻璃生成體氧化物外，加入玻璃中的主要氧化物為PbO,Bi2O3,TiO2,Ta2O3等*根據(jù)已有的經(jīng)驗，在以下的玻璃成分范圍內(nèi)可以獲得穩(wěn)定的，折射率大約在2.0左右的實用玻璃（SiO25%,B2O310%,PbO75%,Bi2O310%,重量百分比）*以TeO2為玻璃生成體的碲酸鹽玻璃最近得到較多的發(fā)展，TeO2本身不形成玻璃，加入其它氧化物以后，能夠在很廣的成分范圍內(nèi)形成玻璃。碲酸鹽玻璃具有特高折射率的優(yōu)點，但在可見光區(qū)的透過截止波長較長，反射損耗也較大，玻璃的熱膨脹系數(shù)較大，硬度較低。

光學材料與元件制造984.3新品種光學玻璃§4.3新品種光學玻璃2.高折射率低色散光學玻璃*指的是鑭冕、鑭火石及重鑭火石玻璃（LaK,LaF,ZLaF），也稱稀土光學玻璃*一般都以硼酸鹽玻璃作為玻璃的基礎(chǔ)，加上La2O3,ThO2,ZrO2,Ta2O5等氧化物3低折射率高色散光學玻璃(鈦火石玻璃)*為了增加色散，這類玻璃中都含有PbO,尤其是含有TiO2，就化學成分而言，是含氟的鈦硅酸鹽玻璃，是在NaF-(KF)-TiO2-SiO2系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。光學材料與元件制造994.3新品種光學玻璃§4.3新品種光學玻璃4低色散光學玻璃（磷冕玻璃和氟冕玻璃）*低色散光學玻璃主要以磷酸鹽玻璃為基礎(chǔ)的，包括磷冕玻璃（PK）和氟冕玻璃（FK），與一般的硼硅酸鹽冕牌玻璃相比，除阿貝數(shù)較大以外，還具有特殊的相對部分色散，短波方向的相對部分色散比一般冕牌玻璃大，可作為消除二級光譜的特殊色散光學玻璃。*磷冕玻璃的成分一般是以P2O5,B2O3,Al2O3為主的*缺點主要是化學穩(wěn)定性較差，使用時必須真空噴涂氧化鋁等保護膜，以防止潮解。*氟磷玻璃指同時含有氟化物和磷酸鹽的玻璃，就光學性質(zhì)而言，氟磷玻璃具有較小的色散及大的阿貝數(shù)，分別屬于磷冕和氟冕玻璃。氟磷玻璃除了具有特殊的光學常數(shù)以外，還具有特殊的相對部分色散性能。光學材料與元件制造1004.3新品種光學玻璃§4.3新品種光學玻璃5特低折射率光學玻璃（氟化物玻璃）*特低折射率玻璃指折射率小于1.40，阿貝數(shù)在85以上的玻璃，特低折射率玻璃成分屬氟化物系統(tǒng)，是一種以BeF2為基礎(chǔ)的玻璃。

光學材料與元件制造1014.3新品種光學玻璃§4.4特種光學玻璃

1.紫外光學玻璃光刻技術(shù)為了獲得更小尺度的精細結(jié)構(gòu)，需要突破光學曝光衍射極限，減小曝光機的波長。光源波長：R=kλ/(NA),k是標志工藝水平的參數(shù)可見光、UV(i-line365nm,0.35μm,h-line405nm,g-line436nm,mercurylamp)、DUV(KrF-248nm0.13μm,ArF-193nm0.08μm,F2-157nm50-70nm,excimerlaser)、EUV(softx-ray,11-14nm)色碼(colorcode)參量λ80/λ5表示玻璃的透過率（包括反射損耗）達到0.8與0.05時對應(yīng)的波長（玻璃的厚度為10mm）

光學材料與元件制造102玻璃牌號代號ndnFncγdλ80/λ5ρ(g/cm3)Tg(℃)N-FK5487704.2451.487491.4922701.48535070.4130/272.45466LLF1548458.2941.548141.5565501.54457045.7533/312.94431LF5581409.3221.581441.5914601.57723040.8534/313.22419Lithosil-Q458678.2201.458441.463101.4563467.8317/162.20980Lithotec-CaF2434952.3181.433851.437021.4324695.2314/123.1801.i線紫外光學玻璃：FK5HT,LLF1HT和LF5HHT

2.光學石英：180-2500nm高透過率3.CaF2晶體光學材料與元件制造103名稱國際牌號應(yīng)用光譜范圍（nm）中國牌號制備工藝紅外光學石英玻璃SilicaGlassI760-3500JGS3電熱法熔制紫外光學石英玻璃SilicaGlassII220-2500JGS2氫-氧火焰熔制遠紫外光學石英玻璃SilicaGlassIII185-2500JGS1氫-氧CVD合成紫外光學石英玻璃SilicaGlassIV等離子體CVD合成紫外石英玻璃：控制成分中Fe3+含量紅外石英玻璃：控制成分中OH-含量光學材料與元件制造104光學晶體NaClKClLiFNaFCaF2SiO2Al2O3紫外吸收限(nm)170180105130130180200CaF2晶體：在200nm以下高透，λ80/λ5值可以達到14/12光學材料與元件制造105§4.4特種光學玻璃

2.紅外光學玻璃玻璃在2-50μm紅外光譜區(qū)域的吸收，由于玻璃結(jié)構(gòu)中各化學鍵的振動和轉(zhuǎn)動所引起的，還包括了玻璃中吸收的氣體分子如：H2O,CO2,O2等吸收光譜。影響紅外吸收的因素主要是：玻璃的組分和玻璃中的雜質(zhì)。光學材料與元件制造1064.4特種光學玻璃組分的影響離子鍵雙原子晶體的晶格振動：

其中ω0：吸收帶頻率，M,m:陽、陰離子的質(zhì)量，β=f(a,c):力常數(shù)，c:彈性模數(shù)由以上公式可以看出：陰陽離子的質(zhì)量越大，離子間的吸引力越小，則離子晶體的吸收帶頻率就越小，紅外透過波長越遠。光學材料與元件制造1074.4特種光學玻璃選擇紅外玻璃系統(tǒng)的依據(jù)選擇較小化學鍵強度的玻璃形成體氧化物：B-O>P-O>Si-O>Ge-O>Al-O>As-O化學鍵強度越小，離子間吸引力越小，紅外透過波長越長，鋁酸鹽和砷酸鹽生成的系統(tǒng)有毒，選擇硅酸鹽，鍺酸鹽和碲酸鹽作為紅外玻璃的基礎(chǔ)系統(tǒng)。玻璃的網(wǎng)絡(luò)外體氧化物選擇原子序數(shù)大的重金屬氧化物（BaO,PbO,Bi2O3）如要進一步擴大紅外透過范圍，需要提高陰離子的質(zhì)量，選擇比氧離子質(zhì)量大的陰離子，非氧化物紅外玻璃（硫化物，硒化物等）光學材料與元件制造1084.4特種光學玻璃雜質(zhì)的影響玻璃在熔制的過程中，會溶解吸收大量的氣體，以化學結(jié)合狀態(tài)溶解于玻璃中，對玻璃紅外光譜產(chǎn)生重要的影響。吸收帶（μm)2.72.752.93.53.654.04.254.45離子團CO2CO2[OH]-1[OH]-1[CO3]-2[NO3]-1[CO3]-2CO2[OH]-1光學材料與元件制造1094.4特種光學玻璃氣體的排除水汽是玻璃中氣體的主要組分，它是以結(jié)合狀的[OH]-1離子團的形式存在于玻璃中。水在玻璃中的溶解和從玻璃中排除的過程是可逆的，方向取決于在一定的溫度下，玻璃中水的實際濃度與氣相中水蒸氣分壓的比例關(guān)系。只有在真空或很干燥的氣氛里（PH2O<1mmHg）才能達到水從玻璃中充分排除。在玻璃成分中加入某種添加劑，能促使熔融玻璃結(jié)構(gòu)中氫氧根鍵的斷裂，形成氣體，以氣泡的形式排除，如添加氟化物的作用等。光學材料與元件制造1104.4特種光學玻璃幾種主要的紅外光學玻璃光學石英玻璃鋁酸鈣玻璃鋇鈦硅酸鹽玻璃高硅氧玻璃碲酸鹽玻璃含MnO2-CrO2及Se-CdS著色的紅外光學玻璃非氧化物玻璃光學材料與元件制造1114.4特種光學玻璃光學石英玻璃光學石英玻璃具有優(yōu)良的光譜特性，在200-4700nm光譜范圍內(nèi)高度透明，即透過紅外光線，又透過紫外光線，同時可見光區(qū)的透過性能又很好。由于生產(chǎn)工藝的不同，導致各種波長透過率不同，如果玻璃中含有[OH]-1，在2.75μm處有吸收峰，為了減少羥基，可以用無氫火焰、氣相沉積法制備無羥基的石英玻璃。紫外的透過率與石英玻璃中的雜質(zhì)，特別是鐵的含量有關(guān)，低鐵石英玻璃可作透紫外石英玻璃。光學材料與元件制造1124.4特種光學玻璃光學石英玻璃的光譜特性光學材料與元件制造1134.4特種光學玻璃光學石英玻璃的折射率和色散光學材料與元件制造1144.4特種光學玻璃碲酸鹽玻璃TeO2在一般情況下，[TeO6]八面體是共邊連接，不能單獨形成玻璃，但當加入其他氧化物時，即可形成具有[TeO4]的碲酸鹽玻璃。BaO-TeO2,BaO-ZnO-TeO2,PbO-TeO2系統(tǒng)玻璃紅外透過波段不小于6μm,折射率高，化學穩(wěn)定性較差，熱膨脹系數(shù)較高，可以作截止可見與近紅外光而能透過2.5-3.5μm紅外濾光片材料，在武器的夜視系統(tǒng)中起重要作用。光學材料與元件制造1154.4特種光學玻璃碲酸鹽玻璃光學材料與元件制造1164.4特種光學玻璃非氧化物玻璃目前發(fā)展的非氧化物玻璃是硫?qū)倩衔锊ＡВ毫蚧?，硒化物，銻，鉍，磷和鉈的無氧熔融物。硫基玻璃長波截止10μm,硒基和碲基玻璃長波截止分別為20μm和30μm。由于氧化物玻璃的吸收范圍在8-20μm，所以要盡量杜絕氧化物雜質(zhì)的引入。硫?qū)倩衔锊ＡЬ哂懈哒凵渎剩∟d=2.1-3.8），低軟化點（170-500?C）和高線膨脹系數(shù)(α·106=10-35?C-1)光學材料與元件制造1174.4特種光學玻璃玻璃成分透過范圍（μm）折射率(λ=5μm)軟化溫度(?C)線膨脹系數(shù)(α·106,?C-1)As40S601~112.40210250Ge40S600.9~122.30420140Ge30P10S602~82.15520150As8Se921~192.4870340As50S20Se301~132.53218200Ge28Sb12Se601~152.62326150Se10As20Te702~203.55178180Sb15Ge10As25Te502~12.53.06320100As35S10Se35Te201~122.70176250光學材料與元件制造1184.4特種光學玻璃硫?qū)倩衔锊ＡУ墓庾V曲線組成為92%Se，8%As的硒-砷玻璃的紅外光譜透過曲線As2S3玻璃的紅外光譜透過曲線（玻璃樣品厚6.05mm)光學材料與元件制造1194.4特種光學玻璃§4.4特種光學玻璃

2.激光玻璃作為激光工作介質(zhì)，激光玻璃有獨特的優(yōu)點：1.化學組成變化大，可以獲得各種不同性質(zhì)的激光玻璃。2.摻入激活粒子的數(shù)量和種類不太受限制。3.容易制得大尺寸的激光棒或激光圓盤。4.光學質(zhì)量比較容易得到保證。5.價格比晶體等激光工作物質(zhì)便宜得多。6.目前，輸出能量最大，輸出功率最高的激光器，仍然以激光玻璃為主。光學材料與元件制造1204.4特種光學玻璃磷酸鹽玻璃摻Nd3+激光工作介質(zhì)光學材料與元件制造1214.4特種光學玻璃激光玻璃概述激光玻璃由基質(zhì)玻璃和激活離子兩部分組成。激光玻璃的物理化學性質(zhì)主要由基質(zhì)玻璃決定，而光譜性質(zhì)由激活離子所決定?；|(zhì)玻璃和激活離子之間有相互作用?；|(zhì)玻璃大多采用光學玻璃，如鋇冕，硬冕，磷冕玻璃等硅酸鹽玻璃，硼酸鹽及硼硅酸鹽玻璃，磷酸鹽玻璃和氟磷酸鹽玻璃。激活離子主要為稀土離子，如Nd3+,Yb3+等。光學材料與元件制造1224.4特種光學玻璃稀土(rareearth)元素原子的電子層結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)

鑭系元素，鈧Sc，釔Y：共17個元素1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f0～145s25p65d0～16s2：容易失去5d，6s，4f亞層3個電子成為+3價態(tài)離子

發(fā)光基于4f電子在內(nèi)層f-f或f-d組態(tài)之間的躍遷。具有未充滿的4f殼層的稀土原子或離子，大約有30000條可觀察到的譜線

n(主量子數(shù))，l(角量子數(shù))，m(磁量子數(shù))，ms(自旋磁量子數(shù))對于4f電子而言：n=4,l=0,1,2,3，m=0,±1,±2，±3，ms=±1/2。

2s+1LJ

L=∑m

S=∑ms

J=L±S光學材料與元件制造123Nd3+：4f46S2

L=∑m=3+2+1=6S=∑ms=3×1/2=3/22S+1=4J=L-S=6-3/2=9/2Nd3+的基態(tài)光譜項是4I9/2共有4個光譜支項，4I9/2,4I11/2,4I13/2,4I15/2。

字母SPDFGHIKLL012345678光學材料與元件制造1244f電子數(shù)4f軌道的磁量子數(shù)mLSJ2s+1LJΔ/cm-1ζ4f/cm-13210-1-2-3J=L-SLa3+00001S0Ce3+1↑31/25/22F5/22200640Pr3+2↑↑5143H42150750Nd3+3↑↑↑63/29/24I9/21900900Pm3+4↑↑↑↑6245I416001070Sm3+5↑↑↑↑↑55/25/26H5/210001200Eu3+6↑↑↑↑↑↑3307F03501320J=L+SGd3+7↑↑↑↑↑↑↑07/27/28S7/2——1620Tb3+8↑↓↑↑↑↑↑↑3367F620001700Dy3+9↑↓↑↓↑↑↑↑↑55/215/26H15/233001900Ho3+10↑↓↑↓↑↓↑↑↑↑6285I852002160Er3+11↑↓↑↓↑↓↑↓↑↑↑63/215/24I15/265002440Tm3+12↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↑5163H683002640Yb3+13↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑31/27/22F7/2103002880Lu3+14↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓0001S0——光學材料與元件制造125離子躍遷激光波長/μm工作溫度/K基質(zhì)玻璃Nd3+4F3/2

4I9/20.92177硅酸鹽、硼酸鹽4F3/2

4I11/21.047-1.08300硅酸鹽、硼酸鹽、鐵酸鹽、磷酸鹽、氟磷酸鹽、氟化物、碲酸鹽、氯化物4F3/2

4I13/21.32-1.37300硼酸鹽、硅酸鹽、磷酸鹽、氟化物Ho3+5I7

5I81.95-2.0877硅酸鹽、氟化物Er3+4I13/2

4I15/21.54-1.5577硅酸鹽、磷酸鹽300氟化物Tm3+3H4

3H61.85-2.0277硅酸鹽、氟化物Yb3+2F5/2

2F3/21.01-1.0677硼酸鹽、硅酸鹽Gd3+6P7/2

8S7/20.31277硅酸鹽光學材料與元件制造126釹玻璃中釹離子的能級圖釹離子吸收了氙燈發(fā)出的光，從能級1跳到能級2，能級2的壽命比能級3短很多，粒子就能在亞穩(wěn)態(tài)3上積累起來，在能級3和4之間形成粒子束反轉(zhuǎn)，能級4是空的，當有光子引發(fā)時，就能產(chǎn)生3對4的受激輻射躍遷。12344F3/2→4I9/2，4F3/2→4I11/2，4F3/2→4I13/2

光學材料與元件制造1274.4特種光學玻璃激光器對激光玻璃的要求激活離子的發(fā)光機構(gòu)中必須有亞穩(wěn)態(tài)，形成三能級或四能級機構(gòu)，亞穩(wěn)態(tài)有較長的壽命，使離子易于積累，達到反轉(zhuǎn)。四能級優(yōu)于三能級，終態(tài)能級與基態(tài)能級之間的能量間隔大于1000cm-1,Nd3+離子是目前最佳的激活離子，為四能級機構(gòu)，間距達1950cm-1有適當?shù)墓庾V性質(zhì)，包括激發(fā)光源的輻射光譜內(nèi)有寬而多的吸收帶，高的吸收系數(shù)。熒光光譜譜帶少而窄，使輸出能量不致分散。熒光的量子效率高，內(nèi)部損耗小?；|(zhì)玻璃有良好的透明度（可見和近紅外），對激光波長的吸收低?；|(zhì)玻璃中不含過渡金屬氧化物。良好的光學均勻性，熱光穩(wěn)定性，良好的物理化學性能，如失透傾向小，化學穩(wěn)定性高光學材料與元件制造1284.4特種光學玻璃釹玻璃基質(zhì)成分

硅酸鹽系統(tǒng)玻璃硅酸鹽系統(tǒng)玻璃較長的熒光壽命，較高的量子效率，失透傾向小，化學穩(wěn)定性好，機械強度高，工藝簡單成熟，較易獲得光學均勻性高的大尺寸玻璃，用于高能輸出和高功率輸出的激光器，適用廣泛。組成范圍：

SiO265-80%,R2O3(B2O3,Al2O3)0-5%RO(CaO,BaO)5-10%,R2O(Na2O,K2O)10-20%光學材料與元件制造1294.4特種光學玻璃釹玻璃基質(zhì)成分

硼硅酸鹽系統(tǒng)玻璃熒光壽命較短，量子效率低Nd3+在硼玻璃中吸收系數(shù)較高，易獲得較低的閾值能量。

利用硼反常現(xiàn)象，通過調(diào)整成分，能夠有效地對玻璃的τ和η進行調(diào)控

BaO-B2O3-SiO2,BaO-La2O3-B2O3,Li2O-CaO-B2O3

光學材料與元件制造130釹玻璃基質(zhì)成分

磷酸鹽與氟磷酸鹽系統(tǒng)玻璃磷酸鹽玻璃熒光壽命較短，