光學(xué)制造技術(shù)第2-4章 光學(xué)材料

光學(xué)制造技術(shù)西安工業(yè)大學(xué)徐均琪第一篇

光學(xué)材料及輔料光學(xué)材料光學(xué)玻璃光學(xué)晶體光學(xué)塑料特種光學(xué)材料第一節(jié)玻璃的特性及結(jié)構(gòu)一、玻璃的定義：德國標(biāo)準(zhǔn)：玻璃是一種在凝固時(shí)基本不結(jié)晶的無機(jī)熔融物。不論化學(xué)成分和固化溫度范圍如何，一切由熔體過冷卻所得的無定形體，由于粘度逐漸增加而具有固體的機(jī)械性質(zhì)的，均稱之為玻璃。而且由液態(tài)變?yōu)椴ＡB(tài)的過程是可逆的。圖2-1玻璃與晶體的體積與溫度特性二、玻璃的特性各向同性介穩(wěn)性可逆性連續(xù)性無固定熔點(diǎn)三、玻璃的結(jié)構(gòu)1、無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說（查哈里-瓦倫學(xué)說）玻璃的原子、離子或原子團(tuán)之間的結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)體，而網(wǎng)絡(luò)體呈現(xiàn)出很大的不規(guī)則性。該學(xué)說強(qiáng)調(diào)了玻璃結(jié)構(gòu)的連續(xù)性、均勻性和無序性。2、晶粒學(xué)說（別捷列夫）玻璃是有無數(shù)“晶?！苯M成的，它們分散在無定形介質(zhì)中，并且從晶粒區(qū)到無定形區(qū)的過渡是逐步完成的，兩者間并無明顯界限。該學(xué)說揭示了玻璃的微不均勻性及近程有序性。3、無定形-晶粒學(xué)說玻璃是具有近程有序（晶粒）區(qū)域的無定形物質(zhì)。第二節(jié)光學(xué)玻璃的特性一、光學(xué)玻璃的分類無色光學(xué)玻璃普通光學(xué)玻璃耐輻射光學(xué)玻璃激光玻璃有色光學(xué)玻璃二、光學(xué)玻璃的主要特性1、組成玻璃形成體：B2O3、P2O5、SiO2、As2O3中間體：Al2O3網(wǎng)絡(luò)外體：Na2O、K2O、CaO、BaO、PbO各種氧化物對(duì)玻璃性質(zhì)的影響名稱減小增大二氧化硅相對(duì)密度、膨脹系數(shù)化學(xué)穩(wěn)定性、耐溫性、機(jī)械強(qiáng)度、粘度氧化鋁析晶能力（當(dāng)加2-5%時(shí)）機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性、粘度氧化硼析晶能力、粘度、膨脹系數(shù)化學(xué)穩(wěn)定性、溫度驟變抵抗性、折射率氧化鈉、鉀化學(xué)穩(wěn)定性、耐溫性、機(jī)械強(qiáng)度、結(jié)晶能力、硬度膨脹系數(shù)氧化鎂析晶能力、粘度（加25%時(shí)）耐溫性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度氧化鋇化學(xué)穩(wěn)定性相對(duì)密度、折射率、析晶能力氧化鉛化學(xué)穩(wěn)定性、硬度折射率氧化鋅膨脹系數(shù)耐溫性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度氧化鈣耐溫性膨脹系數(shù)、硬度、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、析晶能力二、光學(xué)玻璃的主要特性光學(xué)玻璃與普通玻璃的區(qū)別：特定和精確的光學(xué)常數(shù)物理和化學(xué)上高度均勻性高度透明性極小的內(nèi)應(yīng)力注重批次性第三節(jié)無色光學(xué)玻璃一、無色光學(xué)玻璃的分類1.兩大系列：普通光學(xué)玻璃系列（P系列）耐輻射光學(xué)玻璃系列（N系列）冕牌玻璃（K）火石玻璃（F）折射率?。?.50-1.55）折射率大（1.53-1.85）色散系數(shù)大（55-62）色散系數(shù)?。?0-45）質(zhì)輕而硬、透明度好質(zhì)重而軟、呈淡黃色、透明度差2.兩大分類（按色散系數(shù)大?。﹥纱箢惒ＡУ牟町?.18個(gè)類型：冕牌玻璃：FK、QK、K、PK、BaK、ZK、LaK、TK火石玻璃：KF、QF、F、BaF、ZBaF、ZF、LaF、ZLaF、TiF、TF4.135個(gè)牌號(hào)。A普通光學(xué)玻璃牌號(hào)（P系列:1-99）FK1FK2

QK1QK2QK3

K1K2K3K4K5K6K7K8K9K10K11K12K16

PK1PK2

BaK1BaK2BaK3BaK4BaK5BaK6BaK7BaK8BaK9BaK10BaK11

ZK1ZK2ZK3ZK4ZK5ZK6ZK7ZK8ZK9ZK10ZK11ZK14ZK15ZK19ZK20

LaK1LaK2LaK3LaK4LaK5LaK6LaK7LaK8LaK10LaK11LaK12

TK1

KF1KF2KF3

QF1QF2QF3QF5QF6QF9QF11QF14

F1F2F3F4F5F6F7F12F13

BaF1BaF2BaF3BaF4BaF5BaF6BaF7BaF8

ZBaF1ZBaF2ZBaF3ZBaF4ZBaF8ZBaF11ZBaF13ZBaF15ZBaF16ZBaF17ZBaF18ZBaF20ZBaF21

ZF1ZF2ZF3ZF4ZF5ZF6ZF7ZF8ZF9ZF10ZF11ZF12ZF13ZF14

LaF1LaF2LaF3LaF4LaF5LaF6LaF7LaF8LaF9LaF10

ZLaF1ZLaF2ZLaF3ZLaF4

TiF1TiF2TiF3TiF4

TF1TF3TF4TF5TF6

B耐輻射光學(xué)玻璃牌號(hào)（N系列：501-599）

45個(gè)牌號(hào)

K502K505K507K509K510

BaK501BaK502BaK503BaK506BaK507BaK508

ZK501ZK503ZK505ZK506ZK507ZK508ZK509ZK510ZK511

KF501KF502

QF502QF503

F502F503F504F505F506

BaF502BaF503BaF504BaF506BaF508

ZBaF501ZBaF502ZBaF503ZBaF504ZBaF505

ZF501ZF502ZF503ZF504ZF505ZF506光學(xué)玻璃二次色散圖

冕類光學(xué)玻璃K:折射率較低，阿貝數(shù)較大，在圖中左側(cè)；火石光學(xué)玻璃F:折射率較高，阿貝數(shù)較低，在圖中右側(cè)；玻璃的加工性能一般根據(jù)玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性（對(duì)潮濕大氣RC（S）、對(duì)酸溶液RA（S））、研磨相對(duì)硬度Fa確定。二、無色光學(xué)玻璃的

質(zhì)量指標(biāo)及檢測方法美英新光學(xué)系統(tǒng)“Lucky”拍下最清晰太空照片勝過哈勃(2007-11-10)“貓眼”星云(NGC6543)外觀

球狀星團(tuán)M13—距離地球2.5萬光年；這幅照片中，我們可以對(duì)M13中最小相距1光天的恒星加以區(qū)分。哈勃Lucky谷歌地球拍下的衛(wèi)星照，曝光了美國的后備艦隊(duì)2010-2-241、折射率、色散系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的允許差值Δnd、Δνd二、無色光學(xué)玻璃的

質(zhì)量指標(biāo)及檢測方法折射率？色散？nD------鈉光譜D線(589.3nm)測量值；nd------鈉光譜d線(587.6nm)測量值（國標(biāo)規(guī)定）；通常說的玻璃折射率指d光的折射率波長（nm）譜線符號(hào)404.7h435.8g486.1F546.1e589.3D656.3C766.5A’類別折射率nd的允許差值00±2×10-40±3×10-41±5×10-42±7×10-43±10×10-44±20×10-4折射率與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的允許差值類別色散系數(shù)νd的允許差值00±0.2%0±0.3%1±0.5%2±0.7%3±0.9%4±1.5%色散系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的允許差值Nd＞1.82折射率及色散系數(shù)的測量：V棱鏡法（國標(biāo)規(guī)定）臨界角法（常用方法）2、一致性同一批玻璃中，折射率及色散系數(shù)的一致性。級(jí)別同一批無色光學(xué)玻璃中的最大差值折射率色散系數(shù)A0.15%BCD在所定類別內(nèi)在所定類別內(nèi)3、光學(xué)均勻性光學(xué)均勻性是指同一塊玻璃中折射率的漸變。由于退火爐內(nèi)各處溫度不均勻所引起的。小塊玻璃用鑒別率比值法測量。大塊玻璃用多光束干涉儀測量。光學(xué)均勻性測試（對(duì)于小塊玻璃）光學(xué)均勻性測試（對(duì)于小塊玻璃）對(duì)于測量結(jié)果為1和2類，補(bǔ)測星點(diǎn)圖。1：圓亮環(huán)無斷裂、無尾刺、畸角和變形現(xiàn)象。2：變形不嚴(yán)重，大體保持圓環(huán)、兩環(huán)間距大體相等，每個(gè)環(huán)的寬度允許變化，但不應(yīng)斷裂。光學(xué)均勻性（對(duì)于大塊玻璃）4、玻璃應(yīng)力雙折射當(dāng)玻璃受到外力作用，或者退火過程中由于玻璃內(nèi)外溫度不一致，或者退火爐內(nèi)各處的爐溫不一致等都會(huì)產(chǎn)生雙折射?？煞譃橹胁繎?yīng)力和邊緣應(yīng)力。應(yīng)力雙折射分類應(yīng)力雙折射測試5、玻璃的條紋度條紋是玻璃內(nèi)部折射率的局部不均勻，引起光的方向變異，主要由玻璃熔煉過程中各部分成分不同引起。最易引起條紋的玻璃是ZF類，其次為F、BaF、BaK等。玻璃的條紋度測試玻璃的條紋度分類6、玻璃的氣泡度玻璃內(nèi)部氣泡相當(dāng)于微小的透鏡，引起光的散射和折射。最易引起氣泡的玻璃是BaK、BaF、ZK等。氣泡度檢驗(yàn)玻璃氣泡度分類(1)按最大氣泡的直徑分為3類(2)按氣泡的總截面積分7級(jí)。級(jí)別100cm3玻璃中，直徑≥0.05mm的氣泡平均數(shù)(個(gè))a00a0abcde123.3103090180(3)按氣泡的數(shù)量多少分為7級(jí)7、光吸收系數(shù)

1cm厚的光學(xué)玻璃所吸收的白光光通量與進(jìn)入該玻璃的白光光通量之比。玻璃透射率測試裝置三、光學(xué)玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性玻璃抵抗潮濕空氣、水、酸、堿、鹽的侵蝕能力。1、耐水性(耐潮穩(wěn)定性)水和水蒸氣對(duì)玻璃具有侵蝕作用（玻璃的水解反應(yīng)）；空氣中的二氧化碳也能溶解在水中，生成少量碳酸，碳酸雖然為弱酸，但能于硅酸鹽起化學(xué)反應(yīng)，從而加劇玻璃的腐蝕。耐水性測試及分類測試條件：70±1℃；RH=100%；一周1級(jí):濁度值≤BaK7的濁度值，無水斑；2級(jí):濁度值≤BaK7的濁度值，有水斑；3級(jí):濁度值＜ZK9的濁度值；4級(jí):濁度值＞ZK9的濁度值。濁度H=(TA-TB)/TA2、耐酸性

酸對(duì)玻璃的腐蝕主要是發(fā)生了Na+和H+的交換，生成易溶解的鹽類，使玻璃的溶解加速。3、耐堿性堿性溶液中的OH-離子會(huì)對(duì)玻璃中的硅原子產(chǎn)生破壞，使硅氧鍵斷裂，玻璃腐蝕嚴(yán)重。四、光學(xué)玻璃的其他性能密度硬度脆性抗張強(qiáng)度(3.0-8)×107Pa、抗壓強(qiáng)度(5.0-20)×108Pa彈性熱性能線熱膨脹系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)轉(zhuǎn)變溫度退火溫度折射率溫度系數(shù)第四節(jié)有色光學(xué)玻璃一、種類及光譜特性（一）截止型玻璃（硒鎘著色玻璃）著色劑：半導(dǎo)體化合物CdSe、CdS特征：一個(gè)寬的高透過區(qū)和一個(gè)高吸收區(qū)，在兩者之間有一個(gè)過渡區(qū)，此外光譜透過率的變化是異常迅速的；其光譜特性是吸收短波，透過長波區(qū)。品種：HB、JB、CB（二）選擇吸收玻璃（離子著色玻璃）離子著色—利用過渡金屬和二價(jià)銅稀土元素等離子對(duì)光譜區(qū)的吸收作用制成的玻璃。著色劑：Co、Ni、Cu、Mn、Cr、Ti、Mo、U等的氧化物。特征：對(duì)某一光譜區(qū)有顯著的“攔截”或“透明”，即對(duì)某一波段吸收多一些，而對(duì)另一波段透過多一些。種類：ZWB、ZB、QB、LB、HWB，F(xiàn)B、BB（三）中性玻璃特征：在可見光區(qū)域內(nèi)能比較均勻地降低光源的光強(qiáng)度，而不改變其光譜成分。牌號(hào)：AB1、AB2、AB3、…、AB10有色光學(xué)玻璃的特點(diǎn)和用途玻璃種類著色劑特點(diǎn)用途硒鎘玻璃膠體CdSe,CdS寬的高透射、高反射區(qū)；（截止濾光片型）截止濾光片或與薄膜組合應(yīng)用。黃、橙、紅色濾光片。離子著色選擇吸收玻璃Co,Ni,Cu,Mn,Cr,Ti,Mo,U等氧化物具有一定的通帶（阻帶）；（帶通帶阻濾光片型）多用于光源；紫、藍(lán)、綠濾光片中性玻璃在可見區(qū)內(nèi)均勻改變光強(qiáng)度；（均勻衰減型）中性濾光片或衰減片二、其他質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)力雙折射條紋度氣泡度第五節(jié)特種光學(xué)玻璃一、光學(xué)石英玻璃優(yōu)良的光譜特性耐高溫和熱膨脹系數(shù)小化學(xué)穩(wěn)定性好機(jī)械性能好JGS1是用SiCl4為原料，用氫氧焰生產(chǎn)的合成石英玻璃，其特性是沒有氣泡，極高的純度，透紫外光譜良好，應(yīng)用波長為175-2500nm，由于用氫氧焰生產(chǎn)，所以含有大量的羥基（2000ppm）,合成石英玻璃在2730nm處具有很強(qiáng)的吸收峰，無顆粒結(jié)構(gòu)。JGS2是用石英原料和氫氧焰生產(chǎn)的石英玻璃，含有幾十ppm的金屬雜質(zhì)。在2730nm處有吸收峰（羥基含量100-200ppm），其應(yīng)用波長為200-2500nm。有小氣泡，條紋和顆粒結(jié)構(gòu)。JGS3是用石英原料和真空電熔法生產(chǎn)的石英玻璃，含有幾十ppm的金屬雜質(zhì)。有小氣泡、顆粒結(jié)構(gòu)和條紋，幾乎不含（OH），是理想的透紅外光譜材料，其應(yīng)用波長為260-3500nm。各種光學(xué)石英玻璃所能達(dá)到的最高類別

JGS-1

JGS-2

JGS-3生產(chǎn)方法合成CVD氣煉電熔

氣泡類別

0

2

2

雙折射

1-2

1-2

1-2

顆粒結(jié)構(gòu)

1

2

2

條紋

1-2

1-2

2

均勻性

1-2

2

2

熒光

1

2

2

防輻射性能不變色輕微變色變色其在可見光的透過率均大于90%二、微晶玻璃（零膨脹系數(shù)玻璃）1、概述既具有玻璃態(tài)，又具有微晶態(tài)的兩個(gè)相的光學(xué)材料。2、性能1.熱膨脹系數(shù)小2.強(qiáng)度大3.硬度高、相對(duì)密度小4.穩(wěn)定性極高三、其他特種光學(xué)玻璃耐輻射光學(xué)玻璃防輻射光學(xué)玻璃激光玻璃紅外和紫外光學(xué)玻璃光學(xué)功能玻璃第三章光學(xué)晶體一、晶體的概念晶體可以定義為具有格子結(jié)構(gòu)的固體。構(gòu)成晶體內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)（分子、原子、離子），是以點(diǎn)陣的形式在三維空間作有規(guī)律的、重復(fù)的排列，構(gòu)成空間格子結(jié)構(gòu)。鈮酸鋰晶體硝酸鋇晶體CaF2晶體二、晶體的基本性質(zhì)均勻性各向異性對(duì)稱性自范性最小內(nèi)能性穩(wěn)定性三、晶體的光學(xué)性質(zhì)晶體名稱透光波段范圍/μm折射率/(n/λμm)特點(diǎn)和用途石英晶體(SiO2)0.12～4.5no=1.544，ne=1.553雙折射方解石(CaCO3)0.2～5.5no=1.658，ne=1.486雙折射二氧化鈦(TiO2)0.43～6.2no=2.616，ne=2.903雙折射寶石(Al2O3)0.14～6.51.834/0.265，1.755/1.011.586/5.58硬，輕微雙折射紅外系統(tǒng)，低折射率氟化鎂(MgF2)0.11～7.5no=1.378，ne=1.390薄膜氟化鋰(LiF)0.12～9.01.439/0.203，1.38/1.501.109/9.8棱鏡，窗口，復(fù)消色差透鏡氟化鈣(CaF2)0.13～121.454/0.3，1.423/2.061.406/4.3棱鏡，窗口，復(fù)消色差透鏡氟化鋇(BaF2)0.25～151.512/0.254，1.468/0.011.414/11.0窗口氯化鈉(NaCl)0.2～261.791/0.2，1.528/1.61.175/27.3棱鏡，窗口，易潮解氯化銀(AgCl)0.4～282.096/0.5，2.002/31.907/20易解理，易腐蝕溴化鉀(KBr)0.25～401.590/0.404，1.536/3.41.463/25.1棱鏡，窗口，軟，易潮解碘化鉀(KI)0.25～451.922/0.27，1.630/2.361.557/29軟，易潮解透光波段寬吸收率低色散小雙折射旋光性吸收性和多色性四、晶體的其他性質(zhì)解理硬度（莫氏硬度）熱膨脹系數(shù)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100克水中所能溶解的克數(shù)。六、光學(xué)晶體的分類及應(yīng)用（一）按晶體的用途分類偏光晶體分光晶體消色差晶體閃爍晶體窗口晶體（二）按晶體的硬度分類硬質(zhì)晶體軟質(zhì)晶體水溶性晶體晶體名稱透光范圍um主要特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域折射率ndCaF2螢石0.13-10.5我國儲(chǔ)量高；低色散，可作高級(jí)鏡頭的消色差鏡片；機(jī)械性能好；MgF2、CaF2單晶廣泛應(yīng)用于激光、紅外、紫外光學(xué)、高能探測等科技領(lǐng)域。它們是目前已知的紫外截止波段最短的光學(xué)晶體，可靠性高、透過率高，廣泛應(yīng)用于紫外光電倍增管，準(zhǔn)分子激光器及可見紅外光學(xué)系統(tǒng)中。1.39Si1.2-1.51.半導(dǎo)體工業(yè)中；2.紅外成像系統(tǒng)

3.43(3um)Ge1.8-221.光纖通訊；2.紅外成像系統(tǒng)；3.半導(dǎo)體行業(yè)中4.04(3um)Al2O3藍(lán)寶石0.14-6.51.極為堅(jiān)固,是高壓條件下的理想窗口，對(duì)化學(xué)攻擊抵抗力也較強(qiáng)，包括能抗強(qiáng)酸；2.激光晶體1.71ZnSe-21.81.常用在紅外聚光鏡中