第1章--光學(xué)材料

1、第一篇 光學(xué)材料,第一節(jié)　概 述 第二節(jié) 光學(xué)玻璃第三節(jié) 光學(xué)晶體第四節(jié) 光學(xué)塑料,,第一節(jié)　概 述,材料：可以直接制造成成品的東西。一、材料的分類： 1.按化學(xué)組成：金屬材料、無機非金屬材料、有機聚合物及復(fù)合材料 ; 2.按用途：建筑材料、耐火材料、光學(xué)材料、電工材料、紡織材料等等。二、光學(xué)材料 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)、科技現(xiàn)代化及人們生活中不可缺少的重要材料。

2、 是光學(xué)零件加工的對象，因此了解光學(xué)材料的種類、性質(zhì)及其與加工工藝的關(guān)系，對從事光學(xué)生產(chǎn)是十分必要的。,光學(xué)材料的分類,根據(jù)材料同光的相互作用時產(chǎn)生的不同的物理效應(yīng)可分為光介質(zhì)材料和光功能材料。光介質(zhì)材料：傳輸光線的材料。使光產(chǎn)生折射、反射或透射，以改變光線的方向、強度和位相，使光線按預(yù)定要求在材料中傳播;或利用材料對某一特定波長范圍的光線的吸收或透過來改變光線的光譜成分。如普通光學(xué)玻璃和光學(xué)晶體等。光功能材料：實現(xiàn)能量的探測

3、和轉(zhuǎn)換。指在外場（電、聲、磁、熱、壓力等）或者在光的作用下其結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的材料。如激光材料等。根據(jù)材料結(jié)構(gòu)和聚集狀態(tài)可分為單晶體、多晶體(陶瓷)、玻璃(非晶態(tài))、塑料和薄膜等。,一、光學(xué)玻璃,與普通玻璃的主要區(qū)別：一、原料純度要求高，吸收損耗極小 ;二、物理與化學(xué)性質(zhì)上的高度均勻性 ;發(fā)展史：1768年瑞士人紀(jì)南德(P.L.Guinand)：幾種冕牌及火石玻璃;1809～1814年和德國人夫瑯和費(J.V.Fraun

4、hofer)合作熔制坩堝容量為150～200噸的火石玻璃，只有幾種氧化物;1886年德國人阿貝(E.Abbe)及肖特(O.Schott)合作研究試制，擴大了光學(xué)玻璃光性范圍，建立了聞名世界的德國耶那-肖特玻璃廠; 20世紀(jì)40年代美國摩萊（G.M.Morey）：高n低v的鑭系玻璃;二戰(zhàn)后德、日、美等：低n低v的氟磷酸鹽玻璃（FK,PK），低n高v的鈦火石玻璃（TiF）和色散玻璃（KzF,KzFS）;60年代：紅外玻璃和激光玻璃

5、近代：光學(xué)功能材料，如電光材料、磁光材料、聲光材料。,二、光學(xué)晶體,內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的各向異性：特殊光性：雙折射、旋光現(xiàn)象。 在外場作用下：具有很強的電光、聲光和非線性光學(xué)效應(yīng)。發(fā)展史：也是較早被人類利用的光學(xué)材料 19世紀(jì)中葉：冰洲石、水晶等材料已被制成光學(xué)元件;20世紀(jì)50年代 ：紫外和紅外光學(xué)儀器元件以及可見光的復(fù)消色差鏡頭 ;60年代初 ：激光晶體，目前已超過200個品種。,三、光學(xué)纖維,是指直徑5～100μm的玻璃(或晶

6、體)細絲。導(dǎo)光纖維：被利用的是它的能量功能 。發(fā)展比較早 ，1951年就出現(xiàn)了醫(yī)用玻纖(胃鏡等），后又出現(xiàn)了多根導(dǎo)光纖維捆在一起用來傳輸光能(傳光束)和傳送圖像(傳像束)，在醫(yī)學(xué)、照明、計量、加工等獲得實際應(yīng)用。導(dǎo)光纖維內(nèi)部光耗損較大,較短距離(幾米至幾十米)內(nèi)以光能量傳輸. 光導(dǎo)纖維：光通信纖維，被利用的是它的信息功能;20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的低損耗光纖（20dB/km），在遠距離 (幾公里、幾十甚至幾百公里) 傳輸光信息

7、，要求光纖中的光傳輸損耗極小?，F(xiàn)在光導(dǎo)纖維的光損耗已經(jīng)降低到0.2dB/km 。,四、光學(xué)薄膜,薄膜在光學(xué)上的最早應(yīng)用：光學(xué)零件表面的保護膜 光學(xué)介質(zhì)薄膜：高反射膜 ：金屬(Au、Ag、Al)的反射率為90～97%，全電介質(zhì)的反射率可達99.5%以上。增透膜 ：單層表面反射率降低至1%;雙層表面反射率可進一步降至0.05%。干涉濾光片：干涉效應(yīng)只允許某一波長的光透過，獲得“純”單色光。偏振膜：獲得偏振度達98%以上的偏振光。

8、光學(xué)功能薄膜：能量轉(zhuǎn)換：光電轉(zhuǎn)換材料。信息技術(shù)：光存儲介質(zhì)。集成光學(xué)：光電器件集成化，光通信和光計算機 。光學(xué)薄膜的淀積方法：熱蒸發(fā)和濺射兩種。,五、光學(xué)塑料,有機高分子聚合物。優(yōu)點：制造成本低;色散比同折射率的玻璃高;紫外與紅外的透過性能也相當(dāng)好。缺點：熱膨脹系數(shù)高;光學(xué)常數(shù)選擇范圍較窄;硬度低，易劃痕或磨毛，因此應(yīng)用范圍受到了限制 應(yīng)用歷史較早：第二次世界大戰(zhàn)：制成的光學(xué)零件已應(yīng)用望遠鏡、照相機和放大鏡 。近

9、幾年來：塑料眼鏡片、棱鏡、電視機前的菲涅耳透鏡,普通光學(xué)材料與新型光學(xué)材料,普通光學(xué)材料：是指常用的光學(xué)介質(zhì)材料。如在可見光范圍里用作透鏡、棱鏡、窗口等的光學(xué)玻璃和光學(xué)晶體 。新型光學(xué)材料：是指為適應(yīng)紅外、激光、信息、空間等新興技術(shù)的需要而發(fā)展起來的各種光學(xué)功能材料和具有特殊光學(xué)性能的光介質(zhì)材料。如激光材料、電光材料、聲光材料、非線性光學(xué)材料、光信息存儲材料、光導(dǎo)纖維以及高功率紅外與紫外窗口材料。,第二節(jié) 光學(xué)玻璃,2.1

10、光學(xué)玻璃概況2.2 無色光學(xué)玻璃2.3 有色光學(xué)玻璃2.4 特種光學(xué)玻璃2.5 光學(xué)玻璃的制造,2.1、光學(xué)玻璃概況,一、結(jié)構(gòu)及特性主要成分：二氧化硅（SiO2），又名石英砂 。機械強度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小，但熔點太高（1700℃以上）。由多種氧化物組成。構(gòu)成玻璃主體（網(wǎng)絡(luò)體 ）：AO2、A2O3和A2O5型，如B2O3、AS2O3、SiO2、Ta2O5 等對玻璃的物理、化學(xué)性質(zhì)起決定性的作用 構(gòu)成

11、網(wǎng)絡(luò)外體 ：A2O和AO型，如如Na2O、K2O、CaO、BaO、PbO等 。改變玻璃的性質(zhì)。如BaO、PbO可增大n，但化學(xué)穩(wěn)定性降低。 玻璃中氧化物的組成不同，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也不同 。表2-1列出了各種氧化物對玻璃性質(zhì)的影響。,表2-1列出了各種氧化物對玻璃性質(zhì)的影響,二、物理特性,物質(zhì)的玻璃態(tài)：固態(tài)的玻璃保留了液態(tài)分子無規(guī)則排列的結(jié)構(gòu)，即低溫的固態(tài)保留了高溫液態(tài)的無定性結(jié)構(gòu)。物理特性 ：各向同性：玻璃的性質(zhì)（硬度、彈性模數(shù)

12、、折射率）在各向測得的數(shù)值相等。介穩(wěn)狀態(tài)：在一定條件下，物質(zhì)可能處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，但并不是能量最低的存儲狀態(tài)，稱為介穩(wěn)狀態(tài) 。玻璃從熔融態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化過程是連續(xù)可逆的，圖2-1所示，Tf為玻璃呈塑性的最低溫度，即是玻璃拉絲的溫度。Tg為玻璃呈脆性的最高溫度，即是玻璃退火的上限溫度 。玻璃由固態(tài)變成熔融態(tài)的過程正好相反，但也是連續(xù)的 。玻璃的性質(zhì)如粘度、比熱等也是連續(xù)可變的。如圖2-2所示。,圖2-1

13、 圖2-2,三、分類與命名,光學(xué)玻璃：無色光學(xué)玻璃、有色光學(xué)玻璃和特種光學(xué)玻璃分類與命名：主要是針對無色光學(xué)玻璃。分類：冕牌和火石（燧石）兩類。中國：冕牌：PbO含量3％(重量百分比）。用“F”表示。德國：冕牌：nd 50的玻璃;其余為火石。日本：冕牌：nd 55的玻璃;其余為火石。命名：在K和F下按其組成和物化性能又派生出其余次類：化學(xué)成分Ba、La：LaK、LaF、BaK、BaF;折

14、射率高低（Q、Z）：QF、ZF;特殊相對色散：TF;我國現(xiàn)有光學(xué)玻璃18個品種，141個牌號。如表2-2所示。 表2-3為各國光學(xué)玻璃品牌對照表,,,光學(xué)常數(shù)：,是指光學(xué)玻璃對各波長的光線的折射率和色散值。一般為nd 、和中部色散nF-nc 、ν、相對部分色散等。由于不同波長的光在同一介質(zhì)中的傳播速度不同，因而其光的折射率nλ也是不一樣的。nd是指d光（5876埃）;nF是取F譜線(4861埃）;nc是取C譜線(6563

15、埃）; 中部色散： nF-nc 色散系數(shù)（阿貝數(shù)）：νd＝(nd-1)/(nF-nC)，ν值越大，色散作用越小。 光學(xué)常數(shù)是選擇光學(xué)材料的依據(jù)。 在nd－ν領(lǐng)域圖中不同玻璃處于不同的位置。按n和ν不同分了若干區(qū)域。每一光學(xué)玻璃牌號有其特定的n和ν ，如圖2-3所示,圖2-3,2.2 無色光學(xué)玻璃,光學(xué)玻璃用來制造光學(xué)儀器的透鏡、棱鏡、分劃板、反射鏡等光學(xué)元件，它必須滿足光學(xué)儀器的成像要求。一般要求：光學(xué)性能：光學(xué)常數(shù)

16、在允許偏差范圍內(nèi)，否則影響像質(zhì)。具有高度的透明度：光能損失于光的吸收和光的反射。不同的光學(xué)儀器對光吸收性能（白光經(jīng)過1cm玻璃吸收光能的百分比稱光吸收系數(shù)）的要求不同。如光纖0.6％;彩電、攝像、變焦鏡頭：紅藍綠三種色彩吸收很小。,,化學(xué)及物理的均勻性：化學(xué)均勻性：由于局部化學(xué)成分（氣泡、結(jié)石、條紋）不同而造成的化學(xué)不均勻性。物理均勻性：由于內(nèi)應(yīng)力使其各部分折射率不同而造成的物理不均勻性?；瘜W(xué)穩(wěn)定性：影響光學(xué)儀器的壽命。主

17、要是指抵抗潮濕大氣和酸、堿、鹽等介質(zhì)的侵蝕能力。機械性質(zhì)和熱膨脹系數(shù)：一般均能滿足要求。無色光學(xué)玻璃的質(zhì)量要求 ：,質(zhì)量指標(biāo) （GB903-87）,折射率、色散系數(shù)的允差及一致性 ：折射率、色散系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值所允許的誤差，分為00,0、1、2、3、4六類。同一批光學(xué)玻璃中折射率、色散系數(shù)的不一致性，分為A、B、C、D四級。 光學(xué)均勻性 ：同一塊玻璃中各部分折射率變化的不均勻程度。按最小鑒別角或折射率微差最大值分為4類。應(yīng)力雙

18、折射 ：由于內(nèi)應(yīng)力使一束光經(jīng)過后產(chǎn)生兩束傳播速度不同的光線。以o光和e光通過每1cm厚的玻璃產(chǎn)生的光程差大小，分為4類。光吸收系數(shù)：國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，玻璃的吸收系數(shù)分為00，0，1，2，3，4，5，6八類。,質(zhì)量指標(biāo) （GB903-87）,條紋度：玻璃中化學(xué)成分不均勻所產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷而使其n不同。條紋度按規(guī)定分為00，0，1，2四類;并按檢驗觀察方向分為A、B、C三級。氣泡度：在熔煉過程中氣體來不及逸出所致。按所含最大氣泡的直

19、徑分為0、1、2三類;并按每100cm3玻璃內(nèi)允許含有的氣泡總面積（㎜2）分為A00、A0、A、B、C、D、E七級。耐輻射性能：用一定劑量的X射線輻射玻璃后每1cm厚上的光密度增量ΔD1來表示,2.3 有色光學(xué)玻璃,在基本的無色光學(xué)玻璃中，加入少量著色劑而成。（濾光玻璃）一、主要特性：光譜特性 常以對各種波長的透過率τλ、吸收率Eλ和光密度Dλ表示。光譜特性主要取決于引入著色劑的性質(zhì)和數(shù)量、玻璃的基本成分、熔制工藝等。二

20、、分類：1、離子著色玻璃 ：選擇吸收玻璃 著色劑在玻璃中呈離子狀態(tài) ，常采用金屬鈷、鎳、錳、鉻、鈾、鈦、銅的氧化物。如氧化鈷玻璃呈藍色，氧化亞鎳使玻璃呈紫色或棕色。品種最多：ZWB、ZB、QB、LB、HWB、FB、BB。τλ－λ譜線特性：對某一光譜區(qū)有顯著的“攔截”或“透明”，圖1-22中的2線。,2.3 有色光學(xué)玻璃,2、中性玻璃 ：τλ－λ譜線特性：在可見光區(qū)域內(nèi)均勻降低光強度，而不改變其光譜成分，圖1-22中的3線。

21、牌號： ZAB1、ZAB2……ZAB10 3、硒鎘玻璃：著色劑是采用硒化鎘和硫化鎘 τλ-λ譜線特性：較寬的高透過區(qū)和一個高吸收區(qū)，過渡區(qū)愈窄截止性能就愈好。圖1-22中的1線。 品種：HB（紅色）、JB（金黃色）、CB（橙色）、ZJB（紫外）、HWB（紅外透可見吸收）。,2.4 特種光學(xué)玻璃,一、耐輻射光學(xué)玻璃 普通的無色光學(xué)玻璃：對短波光的吸收，在受到一定劑量的γ射線和X射線照射后，玻璃會變暗或著色，甚至完全失透。

22、加入一種含多價性離子的抑制劑，高能輻射線作用于玻璃時，首先改變多價性離子的價態(tài)，而不產(chǎn)生著色中心，這樣玻璃就具有耐輻射的穩(wěn)定性 。如含有CeO2抑制劑的玻璃在受高能輻射線輻射后，四價鈰離子變成三價，而三價和四價的鈰離子在紫外波段才有吸收帶，在可見光范圍內(nèi)均無吸收峰，玻璃不會著色。命名：如K509具有耐輻射能力為105倫琴，保持K9玻璃的光學(xué)常數(shù)和其它性質(zhì)。,2.4 特種光學(xué)玻璃,二、防輻射光學(xué)玻璃 具有吸收有害輻射線的能力 ：

23、原子核實驗中觀察窗γ射線是一種穿透能力最強的射線 ，玻璃吸收γ射線的能力，隨其密度增加而急劇增大。日前我國使用的防輻射玻璃是含鉛、鋇量高、密度大的ZF1、ZF6、ZF7玻璃。防輻射玻璃能吸收各種射線，對操作人員起到保護作用。為防止著色，必須加入耐輻射的抑制劑。,2.4 特種光學(xué)玻璃,三、透紅外和透紫外玻璃 只能在某一紅外波段內(nèi)具有一定的透過能力 紅外光學(xué)玻璃 ：1.光學(xué)石英玻璃：牌號有JGS1、JGS2、JGS3。其中

24、JGS1、JGS2為遠紫外和紫外光學(xué)石英玻璃，JGS3為紅外光學(xué)石英玻璃。2.鋁酸鈣玻璃：以CaO、Al2O3為主要成分的透紅外玻璃。其透過波長是1～5μm。牌號有HWC31。,2.5 光學(xué)玻璃的制造,制造過程： 配料 高溫熔煉 成形 精密退火 四個階段,一、配料：,光學(xué)玻璃原料的組成

25、 ：分主要原料和輔助原料。主要原料：構(gòu)成玻璃的主體，對玻璃的物理、化學(xué)性質(zhì)起決定性的作用。輔助原料：對玻璃的性能起一定的調(diào)節(jié)作用。著色劑：用來控制玻璃的透光性能。摻入不同的過渡金屬、稀土金屬離子后就能制成顯示不同顏色的只允許一定波長范圍的光通過的濾光玻璃; 澄清劑：促進熔融玻璃液中氣泡的排除 。如常用的澄清劑 As2O3 ;助熔劑：降低熔煉溫度，常用的助熔劑有Na2SO4、BaSO4等。,,光學(xué)玻璃對原料的要求：純度要高：著

26、色雜質(zhì)總量要求在0.01％以下，過量因著色而影響透過率;原料粒度：過大或過小都不易混合均勻而影響熔化時間和玻璃質(zhì)量。一般來說，難熔和比重大的：顆粒要小些;反之亦反。配料：配料計算 ：根據(jù)光學(xué)常數(shù)和物理、化學(xué)性質(zhì)上的要求，通過理論計算確定出該種玻璃的組成，再換算成各種原料配合量的百分比。根據(jù)所需熔煉的玻璃總量計算出各種配合料實際使用量。 稱料混合 ：根據(jù)計算結(jié)果，稱取各種配合料，原料經(jīng)混合均勻后送至玻璃熔煉爐。,二、玻璃的熔煉,將

27、各種配合料高溫加熱熔融成合乎成型要求的玻璃液的過程 。是玻璃生產(chǎn)最重要的環(huán)節(jié)之一。坩堝熔煉：同一空間不同時間內(nèi)進行。連續(xù)熔煉：將幾個坩堝串聯(lián)起來，使玻璃的熔煉在同時于不同的坩堝中進行。過程：包括玻璃生成反應(yīng)、澄清、均化、降溫等相互影響的分過程。玻璃生成反應(yīng)：配合料被加熱直至全部熔融成玻璃液的過程中所發(fā)生的一系列錯綜復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)。（冕牌為例）,熔煉過程,硅酸鹽形成：爐料加熱發(fā)生分解生成共融化合物，進而形成了硅酸鹽和硼酸鹽。

28、（800～900℃ ）玻璃生成：硅酸鹽熔融液互相溶解并將游離的固體SiO2,PbO等溶解于其中，最后成為透明和均一的玻璃態(tài)物質(zhì)。（ 1250～1300℃ ）玻璃液的澄清 ：消除可見氣泡的過程。（ 1400～1500℃）提高玻璃液的溫度：將玻璃液在一定溫度下擱置一段時間，可達澄清目的。加澄清劑：微氣泡（直徑 <0.1mm），常用As2O3、Sb2O3 。玻璃液的均化：除去玻璃中的條紋，在化學(xué)成分上達高度均勻性。攪拌過程：

29、溶解擴散：玻璃液的降溫：將已澄清和均化玻璃液降溫，使其具有成型所需要的粘度。,三、玻璃的成形,是指把經(jīng)過高溫熔煉后的玻璃液做成所要求的的形狀，并冷卻到固化狀態(tài)的過程。是玻璃生產(chǎn)過程中重要的工序，其方法和技術(shù)水平的高低決定玻璃成品經(jīng)和質(zhì)量。成型方法：傳統(tǒng)成型：在坩堝中熔煉玻璃，把坩堝取出在爐外成型。分破堝法（古典法）、澆注法、滾壓法三種。（見附圖）,傳統(tǒng)成型：,在坩堝中熔煉玻璃，把坩堝取出在爐外成型。 分破堝法（古典

30、法）、澆注法、滾壓法三種。（見附圖）,傳統(tǒng)成型法,漏料成型：,在玻璃池爐的成形部或坩堝的底部裝接漏料管，讓玻璃液沿著管子連續(xù)流出，根據(jù)需要將玻璃液漏注成不同形狀的成品?？煞譃槔茥l狀玻璃、壓制元件毛坯和漏注大尺寸制品三類。 （見附圖）,漏料成型法,精密壓型（無研磨壓型）：,不需要研磨、拋光、磨邊等光學(xué)加工，直接裝置到光學(xué)儀器上。20世紀(jì)70年代：日本保谷：古典170日、鉑金坩堝34日縮短到3日;成品率40％提高到90％以上。

31、80年代中期在德國、日本：面形精度λ/10 ;雙折射<λ/100;厚度和直徑公差達10μm 等,四、精密退火,玻璃放在退火爐里升溫到退火點溫度（玻璃中消除應(yīng)力的上限溫度）后再徐緩冷卻到室溫的過程。退火目的：消除玻璃中應(yīng)力。玻璃中應(yīng)力的存在破壞了光學(xué)玻璃光學(xué)性質(zhì)的均化(如產(chǎn)生應(yīng)力雙折射、折射率分布不均勻等)。 精密退火規(guī)程：根據(jù)不同牌號的玻璃和所要求達到的質(zhì)量指標(biāo) ，其退火溫度、退火速率、保溫時間及加熱和冷卻速率不同。,四

32、、精密退火(2),左圖為直徑為120mm，厚40mm的ZK589/612光學(xué)玻璃，要求退火到一類應(yīng)力及二類光學(xué)均勻性的退火曲線。升溫（加熱速率25℃/h）恒溫（630℃，保持20h）退火（速率1℃/h，溫度范圍100℃ ）快速冷卻（速率10℃/h）慣性冷卻（ 200℃以下依靠電爐）,思考與習(xí)題,1、概念：物質(zhì)的玻璃態(tài)，化學(xué)穩(wěn)定性、光學(xué)常數(shù)。2、光學(xué)玻璃的分類、命名。3、無色光學(xué)玻璃的質(zhì)量指標(biāo)4、有色光學(xué)玻璃的特性。5

33、、特種光學(xué)玻璃的特性。6、光學(xué)玻璃的制造過程。,,,第三節(jié) 光學(xué)晶體,3.1 晶體結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)3.2 晶體的質(zhì)量指標(biāo)3.3 晶體的生長3.4 晶體的應(yīng)用,3.1 晶體結(jié)構(gòu)及其性質(zhì),一、光學(xué)晶體結(jié)構(gòu) 　　與光學(xué)玻璃間的主要差別是內(nèi)部結(jié)構(gòu)是有序的，即組成晶體的質(zhì)點(原子、分子或離子)在空間有規(guī)律地排列在一定的格位上。結(jié)晶質(zhì)：凡是質(zhì)點有規(guī)則排列而具有格子構(gòu)造的物質(zhì)。晶體：是結(jié)晶質(zhì)在空間的有限部分。質(zhì)點是以點陣的

34、形式在三度空間作規(guī)律的重復(fù)排列——格子結(jié)構(gòu)。晶胞：組成晶體的最小單位。,晶胞的特性參數(shù),晶胞三個棱的方向稱為晶軸。實際上代表表格中三個行列的方向通常以a,b,c（或x,y,z）表示，如圖2-1所示。晶胞在三個不同行列上的結(jié)點間距a0,b0和c0，分別表示晶軸a、b、c方向上的單位長度。各晶軸間的夾角稱為軸角，分別以希臘字母α(b^c)、β（a^c）和γ（a^b）表示。a0,b0、c0、α、β和γ是決定晶胞形狀和大小的特征參數(shù)，稱為

35、晶胞常數(shù)。,,晶體分類：,根據(jù)晶胞常數(shù)的不同，晶體可分為 三大晶族七大晶系，如表2-1。光學(xué)晶體多用中級和高級晶族的晶體，如石英晶體是屬中級晶族中的六方晶系，螢石是高級晶族，屬立方晶系。,二、基本性質(zhì),1 自限性：晶體在一定的條件下，可以自發(fā)地形成封閉的幾何多面體，該性質(zhì)稱為晶體的自限性。2、 均一性：晶體內(nèi)部質(zhì)點的排列方式及性質(zhì)是重復(fù)的，稱為晶體的均一性。3、 對稱性：晶體的性質(zhì)是各向異性的，但在某一個或幾個特定方向上具有

36、相同的性質(zhì)，此方向稱為晶軸。其它方向的性質(zhì)是以晶軸為對稱軸作對稱分布。。,二、基本性質(zhì),4、異向性：晶體的空間點陣的排列方式在各個方向上是不同的，因此，晶體的性質(zhì)隨觀察方向不同而異。晶體的這種性質(zhì)稱為晶體的異向性。5、最小內(nèi)能性和穩(wěn)定性：物體的內(nèi)能是指內(nèi)部質(zhì)點作無規(guī)則運動的動能及由質(zhì)點相互位置所決定的勢能之和。勢能：取決于物質(zhì)內(nèi)部質(zhì)點的排列方式和相互間的距離。動能：主要取決于物體的熱力學(xué)條件 。,二、基本性質(zhì),最小內(nèi)能性:在

37、一定的熱力學(xué)條件下，對于具有相同化學(xué)成分而呈不同物相的物體而言，以晶體的內(nèi)能為最小，故稱晶體具有最小內(nèi)能性。晶體的穩(wěn)定性:是最小內(nèi)能性的必然結(jié)果。正是由于晶體的內(nèi)能最小，因此，它不能自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌鼱顟B(tài)，也就是說結(jié)晶態(tài)是一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，晶體具有穩(wěn)定性。,三、晶體的特性,1、光學(xué)性質(zhì)：Ｐ４１雙折射性：三大晶族對于雙折射的情況是不同的。有正、負光性之分。旋光性：當(dāng)平面偏振波沿著光軸方向傳播時，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。　　　　

38、吸收性與多色性：對光的吸收具有各向異性。2、機械性質(zhì)：解理：解理是指晶體在外界定向機械力的作用下，按著一定的方向分裂成光滑平面的能力。晶體的解理對加工雖然不是好事，但加工者有時卻可以利用晶體的解理特性進行晶體切割。,三、晶體的特性（2）,硬度：硬度通常表示物體對外來機械侵入所表現(xiàn)的抵抗能力。硬度的標(biāo)準(zhǔn)因測定方法不同而異。對晶體最常用的是莫氏硬度。掌握晶體的硬度，對于合理地選擇晶體加工的磨料和拋光劑是十分必要的。溶解度：表示在一

39、定的溫度下，該晶體在100g水中所能溶解的克數(shù)。晶體溶解的大小是晶體潮解性能的重要標(biāo)志，它決定了晶體在什么條件下進行加工和使用。 3、熱性能：根據(jù)晶族的不同而不同。導(dǎo)熱性能：導(dǎo)熱系數(shù)γ熱膨脹系數(shù)：熱膨脹系數(shù)α,3.2 晶體的質(zhì)量指標(biāo),1、折射率與中部色散的允差：2、光學(xué)均勻性：3、應(yīng)力：4、散射顆粒：5、光吸收系數(shù)：6、線位錯密度：7、單晶大?。?3.3 晶體的生長,人類最初利用天然礦物晶體制作光學(xué)元件。由于天然晶

40、體產(chǎn)量有限，且一般有缺陷和雜質(zhì)，難以滿足科研和生產(chǎn)發(fā)展的需要，人們開始研究用人工方法培育單晶。1902年，維納爾(Verneuil)發(fā)明了以氫氧焰生長紅寶石單晶的焰熔法，為人工培育單晶以替代天然晶體開創(chuàng)了先例。之后，科學(xué)工作者先后研制成功了制備有實用價值的大晶體的多種方法。這些方法中適于生長光學(xué)晶體的有焰熔法、提拉法、溫梯法、熔劑法和從溶液中生長晶體的方法等 。任一晶體生長過程都包含成核與生長兩個階段。結(jié)晶時，一般總是先從系統(tǒng)內(nèi)某一處

41、(局部)形成新相的原子集團(即形成晶核)，接著晶核上的界面不斷擴大，直至結(jié)晶過程完成,焰熔法（又稱維納爾法）,圖2-8是生長激光寶石時所使用的焰熔法結(jié)晶爐。從O2處輸入氧氣，從H2處輸入氫氣，兩種氣體在燃燒器頂端混合后燃燒，產(chǎn)生2000℃以上的高溫。貯料筒中的粉料受伺服系統(tǒng)控制，均勻、定量地往下撒落，經(jīng)高溫火焰熔融后滴落在馬弗爐內(nèi)的定向籽晶上，形成熔液層。然后將籽晶逐漸下降使液層凝固，同時，調(diào)節(jié)供料速度使其與溶液凝固速度相平衡，晶體便

42、逐漸長大。,焰熔法（又稱維納爾法）（2）,能夠生長出直徑15～30mm,長500～1000mm的大尺寸激光紅寶石，生長速率為6～8mm/h。特點：不使用坩堝，避免坩堝雜質(zhì)對晶體的污染；裝置比較簡單，晶體生長速度快?！　∪秉c：氫氧焰所形成的熱場，溫度梯度太大，且不易實現(xiàn)精密溫度控制，所以長出的晶體熱應(yīng)力大，光學(xué)均勻性較差?，F(xiàn)在，焰熔法已廣泛應(yīng)用于生長工業(yè)寶石。一些難熔氧化物激光晶體，如紅寶石(Al2O3:Cr3+)、摻釹氧化釔(Y2

43、O3:Nd3+)等，都曾經(jīng)使用焰熔法生長。,3.4 晶體的分類及應(yīng)用,一、按用途：紫外、紅外晶體、偏振晶體、復(fù)消色差晶體和激光晶體。 主要特點是透光范圍寬： 0.12～50μm（玻璃為0.3～5μm）。一些晶體具有明顯的雙折射性能，另一些晶體則具有特殊色散性能。1、在更寬的波段上選作紫外與紅外的分光棱鏡、窗口、成像透鏡的材料，補充光學(xué)玻璃的不足。如石英（SiO2）、螢石（CaF2）氟化鋰（LiF）、巖鹽（NaCl）、硅（Si）、

44、鍺（Ge）等。,一、按用途：,2、偏振：具有明顯雙折射特性的晶體(如冰洲石，水晶等)可制作偏光鏡、波片、補償器等光學(xué)元件。3、復(fù)消色差鏡頭：如氟化鋰(LiF)．氟化鈣(CaF2)等，在可見光波段色散特別小(V＝95～99)。4、晶體光柵：用于X射線、γ射線等高能射線譜儀上作分光元件。5、激光晶體：如紅寶石、氟化鈣和釔鋁石榴石等 。,二、按硬度和工藝方法：,可分為硬質(zhì)晶體、軟質(zhì)晶體和水溶性晶體。1.硬質(zhì)晶體：莫氏硬度比玻璃高的晶

45、體。玻璃的莫氏硬度為六，石英晶體、紅寶石、釔鋁石榴石等，莫氏硬度在7～9之間。2.軟質(zhì)晶體：大部分光學(xué)晶體均屬于軟質(zhì)晶體，其莫氏硬度為2～4。常用的軟質(zhì)晶體有螢石和方解石等。3.水溶性晶體：水溶性晶體的種類很多，如氯化鈉、氯化鉀和ADP、KDP等。這類晶體主在光譜儀器和激光中具有重要作用。但由于具有潮解性，加工困難，因此使用受到限制。,3.4　常用光學(xué)晶體,Ｐ４４,思考與習(xí)題,1、晶體的概念2、晶體的基本性質(zhì)3、晶體的特性

46、4、晶體的分類與應(yīng)用,第四節(jié) 光學(xué)塑料,4.1　塑料的結(jié)構(gòu)與分類4.2　光學(xué)塑料的特性和使用4.3　幾種常用光學(xué)塑料,4.1　結(jié)構(gòu)與分類,一、塑料：是可塑性材料的簡稱。主要成分：樹脂，占總重量的40～100％；樹脂：天然樹脂：　　　合成樹脂：由低分子量化合物經(jīng)過各種聚合反應(yīng)或縮聚反應(yīng)而制得高分子量樹脂狀物質(zhì)。添加劑：增強材料、填料、增塑劑、穩(wěn)定劑和色料。二、合成樹脂：1、按性質(zhì)分為：熱塑性塑料：由可以多次反復(fù)加熱而仍

47、可塑性的合成樹脂所制成的塑料。熱固性塑料：由加熱固化的合成所制成的塑料。,4.1　結(jié)構(gòu)與分類（2）,按制造方法分：聚合反應(yīng)：一種或多種單體（低分子化合物）依靠外界能量（光、輻射、熱、過氧化物等）活化，靠雙鍵反應(yīng)而制得高分子聚合物。特點：聚合物與單體組成相同，聚合過程中不放出其他低分子物質(zhì)。縮聚反應(yīng)：靠單體中的反應(yīng)基團（官能團）之間逐步進行反應(yīng)而成高分子聚合物。特點：聚合過程中不斷放出低分子化合物（水、氨、甲醇等）。,4.2　特

48、性和使用,光學(xué)塑料：具有穩(wěn)定而優(yōu)良的光學(xué)性能的塑料。一、優(yōu)點1、成形方便，成本低；　　復(fù)雜的、非球面零件，單件成本是光學(xué)玻璃的1/10～1/30。2、耐沖擊強度高；25×103Ｎ.m/m2,比玻璃大10倍；3、比重小，0.83～1.40；4、透光性好；可見光92％，近紫外和近紅外區(qū)比玻璃好，截止λ為0.3～2μm。5、折射率和色散值范圍不及光學(xué)玻璃寬，但能滿足要求；6、可調(diào)性；可通過不同途徑調(diào)整其各種性能以滿足

49、要求。,二、缺點,1、n溫度梯度大，約為2×10-4/℃。2、熱膨脹系數(shù)比玻璃大約10倍。3、導(dǎo)熱性、耐熱性差，軟化溫度低，易變形。4、加熱時會變色和分解。5、不耐有機溶液。6、耐磨性差。7、吸濕嚴(yán)重。,三、性能要求：,光學(xué)級塑料：優(yōu)良的光學(xué)性能和相應(yīng)的物理性能、熱性能、化學(xué)性能等。1、光學(xué)性能：n、ν、τ。圖3-2示丙烯酸系：n=1.49~1.51，相當(dāng)Ｋ。苯乙烯系：n=1.58~1. 6，相當(dāng)Ｆ。Τ：一

50、般白光不低于80％。2、熱性能：熱膨脹系數(shù)應(yīng)低3、表面硬度：是表面抗壓入、抗劃痕、抗磨耗的綜合概念。光學(xué)塑料零件的表面硬度較低、易劃傷。,四、使用,由于光學(xué)塑料具有質(zhì)輕、價廉等優(yōu)點，以及易于成型加工等特點，使其應(yīng)用日趨廣泛。1、新型相機：取景器、對焦屏、透鏡組。2、菲涅爾透鏡：電視放大鏡、投影儀、信號燈。3、條形柱面透鏡組、施米特校正鏡、球面反射鏡：彩色電視、投影電視及電子計算機生產(chǎn)中。4、醫(yī)療衛(wèi)生：人工晶體、接觸眼鏡。