光学材料

,光,学,材,料,*,光学材料是传输光线的材料，这些材料以折射、反射和透射的方式，改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定要求和路径传输，也可吸收或透过一定波长范围的光线而改变光线的光谱成分。,光学材料的历史,春秋战国时期，墨子就研究光的传播规律，出现了最古老的光学材料,青铜反光镜。,17,世纪，瑞士人纪南熔制出光学玻璃，主要用于天文望远镜；随着欧洲出现了望远镜和三色棱镜，人造光学玻璃成为主要光学材料。,20,世纪初，以望远镜、显微镜、光谱仪以及物理光学仪器四大类为主体，建立了光学工业。,光学材料的分类及特点,光学材料包括光学玻璃、光学晶体、光学塑料三大类。光学玻璃是用得最早，最广泛的光学材料。,光学晶体是具有规则排列结构的固体。由于人工晶体生长工艺困难，光学晶体的使用就没有光学玻璃纤遍。但是晶体材料在新技术发展上起着很重要的作用。例如在光电子学技术方而，由光源倍颇调制、偏转、存储、显示等各部分需要的器件。又如非线性晶体所包括的电光晶体、声光晶体、变频晶体等，都要用晶体材料制成。,光学塑料属于有机高分子化合物，它的特点是抗震、质轻、价廉、成型方便。,光学塑料零件比光学玻璃零件、光学塑料零件成本要低得多。,不论光学玻璃化学成分和固化温度范围如如何，它是熔体过冷凝固所得到的无定形体。由于粘度逐渐增加而具有力学性能的。,硬度高、脆性大、裂开时具有蜡状的折断面、对可见光具有很好的透明度。,玻璃态物质的物理通性。,玻璃态的物理通性,各向同性,介稳性,稠化过程的渐变可逆性,固化过程中物理化学性质的渐变性,无色光学玻璃,无色光学玻璃分为普通光学玻璃和耐辐射光学玻璃两种。,有色光学玻璃,有色光学玻璃接着色剂的种类不同，可分为：,硒镉着色玻璃,离子着色的选择性吸收玻璃,离子着色的中性玻璃。,特种光学玻璃,光学石英玻璃,光学石英玻璃是用纯水晶作原料而制得的玻璃态,SiO,2,，也称为石英。,1,可见光、紫外、近红外部有很高的透明度；,2,热膨胀系数小，所以尺寸稳定性好；,3,耐热性好，可经受高温不软化；,4,耐急冷急热性好，可经受瞬时高温和突然冷却不致破裂；,5,机械强度和弹性模量好可以承受较大应力而变形量小：,6,硬度高，表四不易划伤；,7,化学稳定性好。,防辐照光学玻璃,1,防,射线玻璃,2,防,X,射线玻璃,3,防中子玻璃,光学眼镜玻璃,1,用于制造各种眼镜片的光学玻璃。,2,矫正视力用眼镜玻璃,3,遮阳用眼镜玻璃,4,工业保护目镜玻璃,防辐射光学玻璃,光学玻璃的应用,普通无色光学玻璃,主要用于制造光学仪器和机械的透镜、棱镜、反射镜、窗口、标尺等。,有色光学玻璃,作为滤色材料。彩色电影摄影中用滤光镜来制造各种不同的气氛，强化或减弱某种色调。在资源卫星、气象卫星用的高级彩色摄影机上，遗传学中研究细胞内部结构用的荧光显微镜，激光全息摄影装置中，各种光谱仪器以及仪器仪表显示装置等都需要特殊性能的有色光学玻璃。还用于航天测距和光通讯等方面。,防辐照光学玻璃,主要用作窥视窗和屏蔽材料，用于核工业、核医学、,X,射线和同位素实验室。防辐照光学玻璃的制造和普通光学玻璃相似。为增加透明度，常采用过渡金属低的原料，制造过程中要防止污染。,耐辐照光学玻璃,主要用于制作受高能辐照的光学仪器或窥视窗等。耐辐照光学玻璃的制造与一般光学玻璃相同，其光学、物理化学性能和质量指标也采用无色光学玻璃标准。,紫外光学石英玻璃,中，,ZS-1,玻璃适合制作高均匀度的紫外光学部件、耐宇宙射线辐射的航天光学部件及光导纤维芯材。,ZS-2,玻璃用于紫外、可见分光光度计的棱镜、透镜、比色皿及窗口器材。,红外光学石英玻璃,通常采用真空加压电熔工艺生产。,HS,玻璃适用于红外单色仪棱镜、透镜、比色皿及窗口材料，太阳模拟装置和,1,m,3.5,m,波段的光学系统材料。,一般光学石英玻璃,中，全光谱光学石英玻璃，以四氯化硅等高纯原料在无水氧气的等离子火焰中合成。这种玻璃纯度极高，可用于制作全波段光学透镜、棱镜、光纤芯材。,掺杂型石英光学玻璃,中，无臭氧石英玻璃掺杂微量,Ti,，具有吸收远紫外光而不影响石英玻璃可见光透过的特性，是制作无臭氧紫外光源的理想材料。,光学晶体是作为光学介质材料应用的晶体材料。,中国汉代就有用冰块磨成透镜聚焦的历史记载。以后发展为用自然界存在较多的石英单晶作透镜。中国在元代已磨制成眼镜。,19,世纪至,20,世纪，岩盐和荧石等天然晶体被用作分光元件和复消色差镜头。,20,世纪初出现用各种人工晶体生长方法制取的单晶，如用温度梯度法生长的大尺寸卤化物晶体，用高温焰熔法和提拉法生长的氧化物晶体等。至今已有几十种人工光学晶体用作窗口、透镜、棱镜、偏振器等材料，特别是在紫外和红外波段光学玻璃较难透过的光谱区域。光学晶体是作为光学介质材料应用的晶体材料。,光学晶体的特性,双折射,晶体的双折射是由于极化率的各向异性而引起的，极化率的各向异性是出晶体构造的各向异性所决定的。晶体双折射的情况与晶体结构的对称程度有关，因此，晶体的双折射程度与不同的晶族有关。,旋光性,当平面偏振波沿着光轴方向传播时，其偏振面发生旋转的现象，称旋光性，具有这种性能能的物质称旋光物质，其内部构造有非心对称的螺旋状结构。,吸收性和多色性,晶体对光的吸收具有各向异性。入射光波与折射率较大的振动方向相一致时，所表现的吸收性也较强。,光学晶体的重要性能表现在光谱透过范围和光学色散。虽然玻璃比人工晶体易于制造而且价格低廉，在可见光区范围内大多采用玻璃制作光学器件，但在紫外和红外波段，则仍然大量使用各种天然或人工晶体。晶体的优点是透过长波限较长，折射率和色散的变化大，物理化学性能多样化，不少晶体的熔点高，热稳定性好，能满足特殊要求。只有晶体具有双折射性能。,光学晶体的应用,氧化物光学晶体中，金红石在,1,m,5,m,范围内的折射率较高，常用于制作元件窗口或探测器的前置透镜。蓝宝石可以作为从紫外光到近红外光谱区的各种光学元件、电子绝缘基片以及用于人造卫星及火箭导弹上的光学屏蔽罩，还可以利用其双折射特性做成滤光片和延迟器等光学元件。,半导体晶体大都具有较强的二次非线性极化率和较宽的红外透光波段，可用于红外激光的倍频、电光和声光材料。,热压光学晶体是有火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船、高功率红外激光器等新技术发展的需要而发展起来的，可以制作各种特殊需要的光学元件及窗口材料。,光学塑料是指用作光学介质材料的塑料。主要用在批量较大的光学仪器中，用于制造光学,基板、透镜、隐形眼镜、有机光导纤维,等。已获得应用的光学塑料主要有透明类塑料,光学塑料的性能,折射率发生变化,通常光学塑料的折射率在,1.45,1.60,。塑料元件的折射率均匀性变化可维持在,0.0005,，但光学塑料的折射率温度系数,dn/dt,值比相应玻璃高出,5,倍到,50,倍。,产生双折射和膨胀,用注膜和模压生产的光学塑料元件以及机械加工过程由于残余应力的影响，都可能使塑料产生正交两个方向不同的折射率，即双折射。使用中需要特殊退火处理，以消除双折射。,光学塑料的应用,聚甲基丙烯酸甲酯是一种普遍使用的光学塑料。价格适中，易于注射成型和机械加工，光学透明性、抗裂性、光学稳定性、抗水吸收等性能较好。,聚苯乙烯折射率为,1.590,，价格较低，注射成型性能好。但在近紫外区透过性较差，且不稳定，使用中易划伤。,甲基苯烯酸甲酯和苯乙烯共聚物,(NAS),约含,70%,聚丙烯酸酯和,30%,聚苯乙烯，折射率,1.533,1.567,。可以机械加工、抛光、注模、但易变黄。,苯乙烯丙烯腈共聚物,(SAN),折射率为,1.567,，材料热稳定性好，可以注模，但易变黄，常用作反射型元件。,聚碳酸酯,(PC),折射率为,1.586,，在很宽的温度范围内,(-137,120),性能良好，抗冲击，耐久性好，适于户外使用。,PC,比丙烯酸类和聚苯乙烯难于注模，并且在表面易产生划痕。材料较软，不易机械加工和抛光。价格较高。,甲基戊烯聚合物,(TPX),的光学性能类似于丙烯酸类，折射率约,1.467,。性韧不易磨损，耐化学腐蚀，具有良好的电性能。缺点是模注时收缩率较高。,丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三元共聚物,(ABS),具有韧性，透过性较差。,烯丙基二甘醇碳酸酯,(CR39),具有良好的光学透明性，耐腐蚀和抗冲击等特性，可以连续工作温度达,100,，短期使用温度,150,。可用于眼镜工业，收缩率较高，价格昂贵。,光学材料的发展方向,超高密度高分子存储材料：开发存储密度高的高分子材料；,高分子传输材料：研究和开发应用于通讯传输的具有较高光学透过性，光学均匀，且高折射率、低光损耗的高分子塑料光纤；,高分子显示材料：有机高分子电致发光材料、高分子液晶材料等，其发展方向为开发出具有高的电致发光效率、低驱动电压，具有不同发光波长（彩色）和长寿命的各种发光器件。,