光学材料的种类以及说明

发布：光学小师太 2022-05-17 20:31 阅读：2417

1、光学材料的种类

光学玻璃：

光学晶体：

KDP类型晶体：

光学塑料：

光学玻璃:
①是光学设计最常用的光学材料；
②为满足光学设计对多种光学常数、高度均匀性、高度透明性及化学稳定性的要求，应具有复杂的组成和严格的熔炼过程。

（一）光学玻璃与普通玻璃的区别:
①折射率：
普通玻璃的组成：SiO2+Na2O+CaO
光学玻璃的组成：成分复杂
现代光学玻璃所含元素几乎遍及化学元素周期表，每一种光学玻璃都要由硅、磷、硼、铅、钾、钠、钡、钙、砷、铝等多种氧化物组成。
②高度透明：
③高度均匀性：各点各处的光学常数和其它一些物理化学性质一致

（二）光学玻璃的种类
按主要组成成份分：
以SiO2为主要成分的光学玻璃,称之为硅酸盐玻璃；占95%
以B2O3为主要成分的光学玻璃, 称之为硼酸盐玻璃；
以P2O5为主要成分的光学玻璃,称之为磷酸盐玻璃。
硅酸盐玻璃是制造透镜、棱镜等光学零件的主要材料。

2、物质的玻璃态

物质按结构分晶体和非晶体。

玻璃态的特点：物质内部氧化物的元素以元素的离子状态存在，它们之间的排列是没有规律的，无固化点和融化点。玻璃态：玻璃在低温固态下仍保留了高温液态的无定形结构，又称过冷却液体。

3、玻璃的物理特性

①各向同性：指玻璃内部沿任何方向测得的物理性能（如折射率、热膨胀系数、硬度等）都是同值。
各向异性：沿任何方向测得的物理性能都是不同值。

②介稳状态：在一定条件下，物质可能处于相对稳定的状态，但不是能量最低储存状态，叫介稳状态。说明玻璃有像晶体转化的趋势。

③玻璃从熔融状态向固态转化是连续可逆的。

④玻璃无固化点和熔化点。

4、玻璃的结构

(一)无规则网络学说认为：
1932年  荷兰查哈里阿生

1、内容：
①玻璃的原子、离子、或原子团之间的结合，构成一个连续的网络体；
②网络体呈现出很大的不规则性。

2、一元体系玻璃特性（一元体系玻璃结构）：
例如：SiO2  晶体：石英晶体
                    玻璃：熔石英玻璃
由一个硅原子和四个氧原子构成的硅氧四面体［SiO4］。

熔石英玻璃和石英晶体的结构模型如下石英晶华西

石英晶体

熔石英玻璃

化学结构式：

由于在熔石英玻璃结构中，只有Si－0键，且键力平衡，结合牢固。因此，熔石英玻璃具有较高的软化温度、化学稳定性、机械强度高以及较低的热膨胀系数等特性。

3、二元体系玻璃——Na2OSiO2

化学结构式：

（二）“晶子”学说
1921年苏联列别杰夫

内容：
①玻璃由无数“晶子”组成；
②所谓“晶子”不同于一般的“微晶”，而是带有点阵变形的有序排列区；
③它们分散在无定形介质区；
④从晶子区到无定形区的过渡是逐步完成的，两者之间并无明显的界限。
强调：远程无序、近程有序。

无色光学玻璃

一、光学玻璃的组成
光学玻璃是由多种氧化物组成的，这些氧化物分为两大类：

一类氧化物是能生成玻璃网络结构的氧化物，如SiO2、B2O3、P2O5等，属AO2、A2O3、A2O5型氧化物，称之为玻璃形成体或玻璃网络体；

另一类氧化物，不能生成玻璃的网络体，只是插入玻璃的网络结构中间，如Na2O、K2O、CaO、BaO、PbO等，属于A2O、AO型氧化物，他们称之为玻璃的网络外体。

例如：K9的成分
由Sio2:69.13%;B2O3:10.75%;K2O:6.29%;Na2O:10.40%;As2o3:0.36%;Bao:3.07%

加入氧化铝（Al2O3），能提高光学玻璃的化学稳定性和机械强度；Ø加入氧化铅（PbO）和氧化钡（BaO），可增大光学玻璃折射率，但化学稳定性降低；

加入氧化钠（ NaCl），使光学玻璃化学稳定性和机械性能变差，但可降低熔炼温度；等等。

二、无色光学玻璃的分类及命名（牌号）
大都采用拉丁字母作为品种的标志，在品种标志之后附有牌号的标志。
1、分类划分界限：
按光学玻璃折射率和阿贝数的大小将其分为冕牌玻璃和火石玻璃两大类。

例如：德国规定nd＜1.6，υd＞50为冕牌类，其余则为火石类；日本规定nd＜1.6，υd＞55为冕牌类，其余则为火石类。

我国光学玻璃标准规定：将玻璃分为2大类，用K代表冕牌玻璃，F代表火石玻璃。每一大类又进一步按nd及υd分为18个品种。

冕牌玻璃

火石玻璃

2、牌号：ZF9（1～99）
其中F——种类；ZF——品种；ZF9——牌号
l同一品种玻璃，它的折射率大致相同相差不多。

三、无色光学玻璃的质量指标（七项）

（一）折射率、色散系数的允差及一致性
折射率：表示光在空气中的传播速度与在玻璃中的传播速度之比。
n=C/V （nd、nF、nc）

色散系数：不同波长的光经过折射后，出射点不同。

用中部色散nF-nc衡量
①nd、υd的允差（允许差值）
分 0 、 1 、 2 、 3 、 4 四类

u例如：K9： nd=1.5163 0类K9的nd： 1.5158～1.5168

②nd、υd的一致性
同一批玻璃中要控制nd、υd的差值不能过大。
分 A 、 B 、 C 、 D 四级

u例如：K9： nd=1.5163   0类A级时nd的大小
0类：1.5158-1.5168
A级：1.51625-1.51635
0类A级去它们交集。

选取时：
①小批量生产时，高级照相机物镜和高倍的望远镜物镜可选用△nd为1～3类和υd为2～3类玻璃。大批量生产时选用均为1～2类的玻璃。
②对于望远镜的第二组分和光焦度不大的透镜、目镜、会聚光路上的棱镜，可用△nd和υd均为3～4类玻璃。
③保护玻璃、分划板、毛玻璃、反射镜、聚光镜、场镜、平行光路中的棱镜级弯月透镜，对玻璃的△nd和υd不做要求。

（二）光学均匀性
1、定义：同一块玻璃中，各部分折射率变化的不均匀程度
依据Ф/Ф0的比值，分   1  、  2  、  3  、 4   四类。
Ф/Ф0    1.0 、1.1 、1.2 、1.5

根据光学系统选择均匀性：
①提高分辨率和高像质观察仪器的物镜，如高精度干涉仪、天文仪、测地仪、准直仪和显微镜等应用光学均匀性第1类的玻璃。
②制作精密的望远镜、瞄准镜、观察镜以及具有高分辨和高像质的复制镜，用2-3类玻璃。
③对普通的照相物镜，应使用第3-4类玻璃。
④对望远物镜的第二组分、广角物镜的弯月透镜、位置靠近像平面的光学零件（场景、分划板、棱镜），均可采用第4类玻璃。
⑤对于有一面为毛面的分化镜，均匀性不作规定；对于保护玻璃、棱镜和滤光镜，其玻璃的均匀性要求可与其位置靠近的零件的均匀性要求相同。

（三）应力双折射
按o光、e光通过每1cm厚的玻璃产生的光程差大小
分         1  、1a、 2  、 3  、 4  五类
nm/cm    2、6、10、20、50
以毛坯光程差最大方向之最大部分测的为准。
选取原则：
①干涉仪和天文仪，只能使用双折射为第1类的玻璃。
②对于高精度的望远镜、准直镜和复制显微镜的物镜以及反射镜，玻璃的应力双折射应该是第2～3类
③照相物镜使用双折射第3～4类玻璃。
④聚光镜、普通仪器的目镜、放大镜采用双折射第4～5类玻璃。

（四）光吸收系数 E
E：表示白光通过1cm厚的玻璃所吸收的光通量与进入该玻璃光通量之比。
E﹤0.015=1.5%

分 00、0、1、2、3、4、5、6 八类。

选取原则：
①凡是与空气临接面较多，玻璃内光程长度较短（20～50mm）的复杂系统，光的主要损失是反射。因此，这种系统中以及较薄的光学零件，应采用4～6类玻璃。
②玻璃内光程较长的零件（棱镜、天文和照相仪器的透镜）、光的透过系数的降低主要是光的吸收造成的，因此这类零件应选用00～3类玻璃。

（五）条纹度
按检验条件分 00、0、1、2四类；
按观察方向分A、B、C三级。
选取原则：
①对于具有极限分辨率和高像质的干涉仪、天文仪、平行光管以及显微镜的物镜必须采用C级0类玻璃。
②对于目镜、聚光镜、毛玻璃用的玻璃可选用条纹第2类的玻璃。

（六）气泡度
首先按所含最大气泡的直径分为
0、1、2三类；
并按每100立方厘米玻璃内允许含有的气泡总截面积（平方毫米）分为A00、A0、A、B、C、D、E七级。

选取原则：
①对于位置靠近或处于像平面上的零件，其材料不允许有气泡，应使用第0类玻璃。
②大倍率观察仪器的分划板、分度盘、平行光管、分辨率板，应采用0类和1类玻璃。
③照相物镜、双筒望远镜和大地测量仪器的物镜，允许选用2类D、E级玻璃材料。
④在望远镜和大口径照像物镜中允许气泡度为E级。

有色光学玻璃
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1、作用:
①能选择地透过特定波长的光线；
②透过连续光谱中一定宽度的光谱范围的光线；
③均匀地减弱白光的光谱等。

2、组成:
是在基本的无色光学玻璃成分中，加入少量着色剂而成。

（一）离子着色选择吸收玻璃
着色剂在玻璃中呈离子状态，称离子着色选择吸收玻璃，简称离子着色玻璃
离子着色剂，通常采用金属钴、镍、钼、锰、铬、钛、铜的氧化物。
种类：透紫外线玻璃（ZWB)、紫色玻璃（ZB)、青色（蓝色）玻璃（QB）、绿色玻璃（LB）、透红外线玻璃（HWB）、防护玻璃（FB）、透紫外线白色玻璃（BB等）。

（二）中性玻璃
特点：在可见光区域内能比较均匀地降低光源的光强度，而不改变其光谱成分
作用：主要是做中性滤光片、减光镜。
牌号：AB1，AB2，AB3……，AB10等。

（三）硒镉玻璃
着色剂是采用硒化镉和硫化镉，故称硒镉玻璃。
由于着色剂在玻璃中呈胶态，亦称胶态着色玻璃。
品种：红色（HB）
金色（JB）
橙色（CB）

1—硒镉玻璃；2—离子着色选择吸收玻璃； 3—离子着色中性玻璃

特种光学玻璃

（一）耐辐射光学玻璃
加入多价离子做抑制剂。二氧化铈（CeO2）就是抑制剂之一。
牌号：例如K609 。
Kn09以K9玻璃为基底耐辐射能力为10ⁿ伦琴，而且还保持K9玻璃的光学常数和其它性质。

（二）防辐射光学玻璃
目前我国使用的防辐射玻璃是含铅、含钡量高、密度大的ZF1、ZF6、ZF7玻璃。

（三）透红外和透紫外玻璃
目前，国内外红外光学材料发展的重点是适用于1～3μm、3～5μm和8～14μm波段的光学材料。

1、光学石英玻璃
含SiO2 99.9%，即可以透红外线，又能透过紫外线。
牌号：JGS1、JGS2、JGS3 。
光谱特性：0.2～4.7μm。
2、铝酸钙玻璃
以CaO、Al2O3为主要成分透过波长：1～1.5μm。
牌号：HWC31。

3、高硅氧玻璃
含SiO2达96%，其性能接近于石英玻璃。它的膨胀系数小，软化温度高，化学稳定性好，熔制温度比石英玻璃低得多。

（四）石英玻璃
1．优良的光谱特性，在0.2～4.7μm光谱范围内。
2．耐高温、热膨胀系数小，它的熔化温度在1713℃以上，软化温度是1580℃±10℃。
3．化学稳定性好，耐碱性差。
4．机械性能高。

（五）光学功能材料
激光、电光、声光、磁光等光学功能材料。

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