透光和导光材料资料课件

EXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 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透透射射率率T T为为透透射射光光强强I IT T 与与入入射射光光强强I I0 0 之之比比T=IT=IT T/I/I0 0，也称透光率。也称透光率。入入射射光光强强IoIo，射射入入介介质质的的光光强强为为(1-(1-R)IoR)Io，反反射射掉掉部分光强为部分光强为IoRIoR。8.1 透光材料 第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 一、透光材料的特征值一、透光材料的特征值 8.EXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 射射入入介介质质的的光光在在穿穿过过介介质质时时被被吸吸收收一一部部分分后后，达达到到介介质质另另一一面的光强为面的光强为:Io(1-R)e-al又被反射回介质内的光强为又被反射回介质内的光强为:IoR(1-R)e-al最后透射出介质的光强最后透射出介质的光强:IT Io(1-R)2e-al透射率透射率T T为为:T=(1-R)T=(1-R)2 2e e-al-al 试中，试中，吸收系数吸收系数；l l介质长度。介质长度。一般取介一般取介质长度度为1 1OmmOmm的的值作作为标准。准。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 射入介质的光在穿过介质时被吸收射入介质的光在穿过介质时被吸收EXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 2.2.光密度光密度 D D 3.内透射率内透射率 内内透透射射率率所所表表示示光光线线在在透透过过介介质质时时，只只考考虑虑吸吸收收不考虑反射的特征值。不考虑反射的特征值。Dr为反为反射修正值。射修正值。光光密密度度的的物物理理意意义：吸吸收收(0.434l)和和反反射射(Dr)两两部部分分损失之和。失之和。吸收系数越大时吸收系数越大时，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 透光和导光材料透光和导光材料 2.光密度光密度 D 3.内内EXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 4.4.平均色散系数平均色散系数D D 透透光光材材料料中中光光学学玻玻璃璃通通常常按按折折射射率率n nD D和和平平均均色色散散系系数数D D两两个个光光学学常常数数进行行分分类。平均色散系数的表示平均色散系数的表示为:D D平平均均色色散散系系数数，也也称称阿阿贝贝数数；（数数值值越越小小色色散散现现象象越厉害）越厉害）n nF F 材材 料料 对对 标标 准准 谱谱 线线 F(F(=4861.3)=4861.3)的折射率的折射率；n nC C 材材 料料 对对 标标 准准 谱谱 线线 C(C(=6562.7=6562.7)的折射率的折射率；n nD D 材材 料料 对对 标标 准准 谱谱 线线 D(D(=5892.9=5892.9)的折射率。的折射率。n nF F-n-nC C平平均均色色散散，也也称称中中部色散。部色散。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 4.平均色散系数平均色散系数D DEXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 二、透光材料的种二、透光材料的种类 透可透可见光的材料常用的有光的材料常用的有玻璃玻璃和和高聚物高聚物两大两大类。1.玻璃玻璃材料材料 玻玻璃璃材材料料的的优点点：透透射射率率最最高高(可可高高达达98以以上上)，折折射射率率范范围大大(1.441.94)，色色散散系系数数范范围大大(D=2090)光光学学稳定性好，耐磨定性好，耐磨损。玻玻璃璃材材料料的的缺缺点点：密密度度大大(2.276.26g/cm3)，耐耐冲冲击强强度低，加工困度低，加工困难，制造周期，制造周期长。目目前前玻玻璃璃是是制制造造各各种种光光学学元元件件特特别是是高高、精精光光学学元元件件的的主主要要的的材材料料，各各种种经过特特殊殊加加工工的的玻玻璃璃也也广广泛泛用用于于其他用途。其他用途。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 二、透光材料的种类二、透光材料的种类 EXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 2.高聚物材料高聚物材料另另一一类透透光光材材料料，发展展较快快，主主要要有有聚聚甲甲基基丙丙烯酸酸甲甲酯、聚聚苯苯乙乙烯、聚聚碳碳酸酸酯、苯苯乙乙烯丙丙烯腈共共聚聚体体、聚聚甲基异戍二甲基异戍二烯、透明聚、透明聚酰胺胺等。等。高高聚聚物物透透光光材材料料的的优点点：重重量量轻、成成本本低低、制制造造工工艺简单、不易破碎。、不易破碎。高高聚聚物物透透光光材材料料的的缺缺点点：折折射射率率范范围窄窄，热胀系系数数、双双折折射射和和色色散散大大，耐耐热、耐耐磨磨、硬硬度度、耐耐湿湿和和抗抗化化学学性性能差。能差。高高聚聚物物材材料料材材料料的的透透射射率率已已达达到到90左左右右，有有的的原原来来透透射射率率不不太太高高的的树脂脂也也已已经制制出出透透射射率率达达到到90的的产品品，正正逐步逐步应用于各种光学用于各种光学仪器器以及其他用途以及其他用途上。上。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 2.高聚物材料高聚物材料EXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 二、透光材料的二、透光材料的应用用举例例1.1.钢化玻璃钢化玻璃优优点点：第第一一是是强强度度较较之之普普通通玻玻璃璃提提高高数数倍倍，抗抗弯弯。第第二二是是使使用用安安全全，其其承承载载能能力力增增大大改改善善了了易易碎碎性性质质，即即使使钢钢化化玻玻璃璃破破坏坏也也呈呈无无锐锐角角的的小小碎碎片片，对对人人体体的的伤伤害害极极大大地地降降低低了了。且且一一般般可可承承受受250250度度以以上上的的温温差差变变化化，对对防防止热炸裂有明显的效果。止热炸裂有明显的效果。平平钢钢化化、弯弯钢钢化化玻玻璃璃属属于于安安全全玻玻璃璃。广广泛泛应应用用于于高高层层建建筑筑门门窗窗、玻玻璃璃幕幕墙墙、室室内内隔隔断断玻玻璃璃、采采光光顶顶棚棚、观观光光电电梯梯通道、家具、玻璃护栏等。通道、家具、玻璃护栏等。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 二、透光材料的应用举例二、透光材料的应用举例1.钢化钢化EXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 钢化玻璃的缺点：钢化玻璃的缺点：1 1.钢钢化化后后的的玻玻璃璃不不能能再再进进行行切切割割和和加加工工，只只能能在在钢钢化化前前就就对对玻玻璃璃进进行行加加工工至至需需要要的的形状，再进行钢化处理。形状，再进行钢化处理。2 2.钢钢化化玻玻璃璃强强度度虽虽然然比比普普通通玻玻璃璃强强，但但是是钢钢化化玻玻璃璃有有自自爆爆（自自己己破破裂裂）的的可可能能性性，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.钢钢化化玻玻璃璃的的表表面面会会存存在在凹凹凸凸不不平平的的现现象象（风斑），有轻微的厚度变薄。（风斑），有轻微的厚度变薄。4.4.通通过过钢钢化化炉炉（物物理理钢钢化化）后后的的建建筑筑用用的的平平板板玻玻璃璃，一一般般都都会会有有变变形形，变变形形程程度度由由设设备备与与技技术术人人员员工工艺艺决决定定。在在一一定定程程度上，影响了装饰效果。度上，影响了装饰效果。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 钢化玻璃的缺点：钢化玻璃的缺点：4.通过钢化炉通过钢化炉EXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 2.2.聚甲基丙烯酸甲酯（聚甲基丙烯酸甲酯（PMMAPMMA）又又叫叫有有机机玻玻璃璃，俗俗称称亚亚克克力力。有有极极好好的的透透光光性性能能，机机械械强强度度较较高高，有有一一定定的的耐耐热热耐耐寒寒性性，耐耐腐腐蚀蚀，绝绝缘缘性性能能良良好好，尺尺寸寸稳稳定定，易易于于成成型型，可可作作要要求求有有一一定定强强度度的的透透明明结结构构件件，广广泛泛应应用用于于门门窗窗、灯灯箱箱、铭铭牌牌等等，且且正正常常使使用用对对人人体体几几乎乎没没有有危危害害，所所以以也也用用于于制制作作各各种种生生活活用用品品，如如家家具具、卫卫浴浴设设备备、工工艺艺品品。它它的的缺缺点点是是质质地地较较脆脆，易易溶溶于于有有机机溶溶剂剂，表表面面硬硬度度不不够够，容容易易擦毛。擦毛。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 2.聚甲基丙烯酸甲酯（聚甲基丙烯酸甲酯（PMMEXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 3.3.防弹玻璃防弹玻璃防防弹弹玻玻璃璃是是由由玻玻璃璃透透光光材材料料或或高高聚聚物物透透光光塑塑料料经经特特殊殊加加工工得得到到的的一一种种复复合合型型材材料料。它它具具有有普普通通玻玻璃璃的的外外观观和和传传送送光光的的行行为为，对对小小型型武武器器的的射射击击可可以以提提供供一一定定的的保保护护，根根据据用用途途有有的的防防弹弹玻玻璃璃还还具具备备防防爆爆功功能的。能的。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 3.防弹玻璃防弹玻璃EXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 二、二、比比较新的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，特别是密度较低的，其色散往往较大。特别是密度较低的，其色散往往较大。2.2.低折射率高聚物透光材料低折射率高聚物透光材料 含含氟氟的的透透光光聚聚合合物物折折射射率率是是透透光光高高聚聚物物中中最最低低的的，且且具具有有良良好好的色散性、耐的色散性、耐热性和耐腐性和耐腐蚀性。性。3.3.低双折射透光高聚物低双折射透光高聚物 透透光光高高聚聚物物的的双双折折射射来来源源于于高高聚聚物物加加工工成成形形时的的取取向向所所产生生的的折射率各向异性。折射率各向异性。4.4.耐耐热的透光高聚物的透光高聚物 在在透透光光聚聚合合物物分分子子中中引引入入耐耐热单体体、大大的的侧基基和和提提高高交交联度度都都可以提高其耐可以提高其耐热性性。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 二、比较新的透光材料二、比较新的透光材料EXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 5.硬度高的透光高聚物硬度高的透光高聚物 提提高高透透光光高高聚聚物物的的硬硬度度的的主主要要方方法法是是提提高高交交联度度。交交联型型含含有有氨氨基基甲甲酸酸酯官官能能团树脂脂的的铅笔笔硬硬度度可可达达 5H9H。但但交交联太太高高，刚性性也也增增大大。6.高吸水率透光高聚物高吸水率透光高聚物 随随着着隐形形眼眼镜等等接接触触透透镜的的实用用化化，要要求求高高吸吸水水率率透透光光聚聚合合物物。常用常用单体体MMAMMA、HEMAHEMA、乙乙烯基基吡吡咯咯烷酮等等。（二）（二）透光透光玻璃玻璃1.透紫外玻璃透紫外玻璃透透紫紫外外玻玻璃璃仍仍是是应用用最最普普遍遍的的透透紫紫外外光光学学材材料料，包包括括有有光光学学石石英英玻玻璃璃、透透紫紫外外黑黑色色玻玻璃璃、钠钙硅硅透透短短波波紫紫外外玻玻璃璃以以及及钠钙透透紫紫外外玻玻璃璃等等。2.水合水合玻璃玻璃和梯度折射率光学材料和梯度折射率光学材料 在在透透光光材材料料的的开开发研研究究中中，值得得提提出出的的是是水水合合玻玻璃璃和和梯梯度度折折射射率率光学材料。光学材料。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 5.硬度高的透光高聚物硬度高的透光高聚物 EXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 光光纤材材料料：光光通通信信中中用用于于传播播光光信信息息的的光光学学纤维所所用用的的材材料料，又又称称为光光波波导纤维材材料料。光光通通讯可可能能是是未未来来重重要要的的通通讯方方式式，通通讯用用光光纤材材料料成成为当当今今最最引引人人注注目目的的新新型型光光传输材材料料，并并得得到到了了日日益益广泛的广泛的应用。用。8.2 光纤材料 一、光在光一、光在光纤中中传输的基本原理的基本原理 1、全反射全反射现象象 光的全内反射光的全内反射现象象是一切光是一切光纤的的工作基工作基础。折射率折射率n1n2，入入射角射角1临界临界角角0。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 光纤材料：光通信中用于传播光信光纤材料：光通信中用于传播光信EXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 2、光在光光在光纤中中传播原理播原理光光学学纤纤维维中中光光的的传传送送是是利利用用光光的全反射原理。的全反射原理。入入射射光光束束以以大大于于0的的角角度度入入射射到到芯芯子子与与包包层层的的界界面面上上，光光线线在在界界面面上上发发生生全全反反射射，在在芯芯中中以以锯锯齿齿状状路路径径曲曲折折前前进进，不不会会穿穿出出包包层层，避避免免光光在在传传播播时时的折射损耗。的折射损耗。3、传输模式模式 光光在在纤维中中传输有有一一定定的的传输模模式式。具具有有一一定定频率率、一一定定的的偏偏振振状状态和和传播播方方向向的的光光波波，叫叫做做光光波的一种模式。波的一种模式。单模模光光纤：一一种种光光纤只只允允许传输一个模式的光波一个模式的光波。多多模模光光纤：一一种种光光纤允允许同同时传输多个模式的光波。多个模式的光波。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 2、光在光纤中传播原理、光在光纤中传播原理 入入EXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 4、子午光子午光线和斜光和斜光线光光纤具具有有均均匀匀的的芯芯子子（半半径径r，折折射射率率n1）和和均均匀匀的的包包层（折折射率射率n2，且且n2n1）。通通过光光纤的的光光线有有子子午午光光线和和斜光斜光线两种。两种。子子午午光光线：在在一一个个平平面面内内弯弯曲曲行行进的的光光线，在在一一个个周周期期内内和和光学光学纤维的中心的中心轴相交两次相交两次。斜斜光光线：不不通通过光光学学纤维的的中中心心轴的光的光线。作作为子午光子午光线行行进的条件的条件：第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 4、子午光线和斜光线、子午光线和斜光线 作为子午作为子午EXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 5 5、数数值孔径孔径NA NA 光学光学纤维的数的数值孔径孔径NANA定定义为:根据子午光根据子午光线行行进的条件的条件，NA NA 值越大，越大，0 0可以越大，可以越大，因而有因而有较多的光多的光线进入入芯子。芯子。但但NANA太大太大时，对单模模传输不利，因不利，因为它易激它易激发光的高次光的高次模模传播方式。播方式。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 5、数值孔径、数值孔径NA 根据子午光根据子午光EXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 二、光二、光纤材料特征材料特征值 1、传输损耗耗 Q传输损耗指光在耗指光在纤维中中传输途中的途中的损耗耗，表示表示为：Q=10log(I2/I1)(dB/km)I1入入射光强射光强；I2出射光强出射光强；Q传输损耗耗(dB/km)。|Q|越越大大，光光信信息息传传播播的的距距离离就就越越短短；|Q|越越小小，光光信信息传播的距离就越远。息传播的距离就越远。传输损耗耗Q值是是衡衡量量光光学学纤维通通信信介介质质量量好好坏坏的的一一个最重要的指个最重要的指标。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 二、光纤材料特征值二、光纤材料特征值 EXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 形形成成光光学学纤维传播播损耗耗的的机机理理有有吸吸收收损耗耗、本本征征散散射射、波波导散射散射三种。三种。（1）吸收吸收损耗耗 吸吸收收损耗耗是是指指光光纤本本身身或或杂质粒粒子子对光光的的吸吸收收带来来的的损耗耗，又又细可可分分为本征吸收本征吸收、杂质吸收和吸收和 OH-离子吸收离子吸收。（2 2）本征散射本征散射本本征征散散射射又又称称为瑞瑞利利散散射射。由由玻玻璃璃熔熔制制过程程造造成成的的密密度度不不均均匀匀而而产生生的的折折射射率率不不均均匀匀所所引引起起的的散散射射，这种种损耗耗随随波波长的的增增加加而而很很快快减减小小。另外另外，制作中，制作中掺杂粒子粒子不均匀也能引起散射不均匀也能引起散射，产生生损耗。耗。（3 3）波波导散射散射波波导散散射射是是由由波波导的的结构构缺缺陷陷产生生的的，如如波波导芯芯的的直直径径有有起起伏伏，界界面面粗糙粗糙，凹凸不平，就会引起凹凸不平，就会引起传导模的附加模的附加损耗，即波耗，即波导散射散射损耗。耗。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 形成光学纤维传播损耗的机理有吸形成光学纤维传播损耗的机理有吸EXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 2 2、传输带宽 传输带宽是影响信息是影响信息传输能力的一个重要因素。能力的一个重要因素。在在光光纤通通信信中中，以以光光脉脉冲冲方方式式进行行传输，光光脉脉冲冲的的调制制频率率愈愈高高，传输的信息容量愈大。的信息容量愈大。影响影响传输带宽的两方面主要因素：的两方面主要因素：（1 1）光光脉波形冲脉波形冲畸畸变和展和展宽 经输送送的的光光脉脉冲冲传输一一段段距距离离后后发生生畸畸变和和展展宽(从从方方波波窄窄脉脉冲冲变为钟形形的的方方波波脉脉冲冲)，展展宽的的结果果使使光光脉脉冲冲波波型型重重叠叠，结果果分分辨辨不不出出所所携携带的信息。的信息。（2 2）色散）色散光光学学纤维的的传输带宽受受到到色色散散的的限限制制，不不能能无无限限制制地地增增高高光光脉脉冲冲的的调制制频率率，提提高高传输的的信信息息容容量量。介介质质材材料料、传输模模式式和和光光纤构构造造都都会会造成一定程度的色散造成一定程度的色散现象。象。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 2、传输带宽、传输带宽 EXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 四、光四、光纤材料的材料的应用用 光光纤纤通通信信是是光光纤纤的的重重要要应应用用领领域域。光光纤纤通通信信具具有有通通信信容容量量大大，抗抗干干扰扰，保保密密性性好好，重重量量轻轻、抗抗潮潮湿湿和和抗抗腐腐蚀等优点。蚀等优点。另另外外光光纤纤在在医医学学、传传感感器器、收收发发器器、艺术等方面都有不同的应用。艺术等方面都有不同的应用。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 四、光纤材料的应用四、光纤材料的应用 EXIT第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 医学应用：内窥镜医学应用：内窥镜内内窥窥镜镜是是一一种种与与电电子子胃胃镜镜类类似似，带带有有微微型型摄摄像像头头的的器器械械，腹腹腔腔镜镜手手术术就就是是利利用用腹腹腔腔镜镜及及其其相相关关器器械械进进行行的的手手术术：使使用用冷冷光光源源提提供供照照明明，将将腹腹腔腔镜镜镜镜头头（直直径径为为310mm）插插入入腹腹腔腔内内，运运用用数数字字摄摄像像技技术术使使腹腹腔腔镜镜镜镜头头拍拍摄摄到到的的图图像像通通过过光光导导纤纤维维传传导导至至后后级级信信号号处处理理系系统统，并并且且实实时时显显示示在在专专用用监监视视器器上上。然然后后医医生生通通过过监监视视器器屏屏幕幕上上所所显显示示患患者者器器官官不不同同角角度度的的图图像像，对对病病人人的的病病情情进进行行分分析析判判断断，并并且且运用特殊的腹腔镜器械进行手术。运用特殊的腹腔镜器械进行手术。第八章第八章 透光和导光材料透光和导光材料 医学应用：内窥镜医学应用：内窥镜