光学设计 第10讲 光学材料与加工

1、1光学材料光学材料五邑大学五邑大学 应用物理与材料学院应用物理与材料学院主要内容第一节 光学玻璃第三节 光学塑料第一篇第一篇 光学玻璃光学玻璃一、玻璃的定义：一、玻璃的定义：玻璃：一种较为透明的固体物质，在熔融时形成连续玻璃：一种较为透明的固体物质，在熔融时形成连续网络结构，冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结网络结构，冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料。普通玻璃化学氧化物的晶的硅酸盐类非金属材料。普通玻璃化学氧化物的组成组成 Na2OCaO6SiO2),主要成份是二氧化硅。广主要成份是二氧化硅。广泛应用于建筑物，用来隔风透光，属于混合物泛应用于建筑物，用来隔风透光，属于混

2、合物 第一节第一节 普通玻璃普通玻璃二、玻璃的特性二、玻璃的特性 各向同性各向同性 介稳性介稳性 可逆性可逆性 连续性连续性 无固定熔点无固定熔点第二节第二节 光学玻璃光学玻璃 光学玻璃：用于制造光光学玻璃：用于制造光学仪器、或者透镜、棱学仪器、或者透镜、棱镜、反射镜的等的玻璃镜、反射镜的等的玻璃材料。材料。 与普通玻璃的区别在于与普通玻璃的区别在于光学玻璃具有很高的透光学玻璃具有很高的透明度、均匀性和化学稳明度、均匀性和化学稳定性以及特定而精确的定性以及特定而精确的光学常数。光学常数。第二节第二节 光学玻璃光学玻璃 一、光学玻璃的分类一、光学玻璃的分类 无色光学玻璃无色光学玻璃 普通光学玻璃

3、普通光学玻璃 耐辐射光学玻璃耐辐射光学玻璃 激光玻璃激光玻璃 有色光学玻璃有色光学玻璃光学玻璃的主要参数(一) 折射率 我国标准规定：主折射率：指光学玻璃对钠光d（波长0.5786m）的折射率，用nd表示；对F谱线(波长0.4861m的蓝光)的折射率用nF表示;对C谱线(波长0.6563m的红光)的折射率用nC表示。8色散表示光学玻璃对不同的光具有不同的折射率。色散大小用F谱线和C谱线之差表示，即nF nC ，称作中部色散。通常度量光学玻璃的色散程度用色散系数(又称阿贝数) vd :1ddFCnvnn（二）色散系数 1、组成、组成 玻璃形成体：玻璃形成体：B2O3、P2O5、SiO2、As2O

4、3 中间体：中间体：Al2O3 网络外体：网络外体：Na2O、K2O、CaO、BaO、PbOn二、光学玻璃的主要特性二、光学玻璃的主要特性 二、光学玻璃的主要特性二、光学玻璃的主要特性 光学玻璃与普通玻璃的区别：光学玻璃与普通玻璃的区别： 特定和精确的光学常数特定和精确的光学常数 物理和化学上高度均匀性物理和化学上高度均匀性 高度透明性高度透明性 极小的内应力极小的内应力 注重批次性注重批次性第三节第三节 无色光学玻璃无色光学玻璃一、无色光学玻璃的分类一、无色光学玻璃的分类1. 两大系列：两大系列： 普通光学玻璃系列（普通光学玻璃系列（P系列）系列） 耐辐射光学玻璃系列（耐辐射光学玻璃系列（N

5、系列）系列）冕牌玻璃（冕牌玻璃（K）火石玻璃（火石玻璃（F）折射率小（折射率小（1.50-1.55）折射率大（折射率大（1.53-1.85）色散系数大（色散系数大（55-62）色散系数小（色散系数小（30-45）质轻而硬、透明度好质轻而硬、透明度好质重而软、呈淡黄色、透质重而软、呈淡黄色、透明度差明度差硼酸盐玻璃硼酸盐玻璃加入氧化铅加入氧化铅2. 两大分类（按色散系数大小）两大分类（按色散系数大小）3. 183. 18个类型：个类型：冕牌玻璃：冕牌玻璃：F FK K、Q QK K、K K、P PK K、BaBaK K、Z ZK K、LaLaK K、T TK K火石玻璃：火石玻璃：K KF F、

6、Q QF F、F F、BaBaF F、ZBaZBaF F、Z ZF F、LaLaF F、ZLaZLaF F、TiTiF F、T TF F4. 1354. 135个牌号。个牌号。各种氧化物对玻璃性质的影响各种氧化物对玻璃性质的影响名称名称减小减小增大增大二氧化硅二氧化硅相对密度、膨胀系数相对密度、膨胀系数化学稳定性、耐温性、机械强度、粘度化学稳定性、耐温性、机械强度、粘度氧化铝氧化铝析晶能力（当加析晶能力（当加2-5%时）时）机械强度、化学稳定性、粘度机械强度、化学稳定性、粘度氧化硼氧化硼析晶能力、粘度、膨胀系数析晶能力、粘度、膨胀系数化学稳定性、温度骤变抵抗性、折射率化学稳定性、温度骤变抵抗性

7、、折射率氧化钠、钾氧化钠、钾化学稳定性、耐温性、机械强化学稳定性、耐温性、机械强度、结晶能力、硬度度、结晶能力、硬度膨胀系数膨胀系数氧化镁氧化镁析晶能力、粘度（加析晶能力、粘度（加25%时）时）耐温性、化学稳定性、机械强度耐温性、化学稳定性、机械强度氧化钡氧化钡化学稳定性化学稳定性相对密度、折射率、析晶能力相对密度、折射率、析晶能力氧化铅氧化铅化学稳定性、硬度化学稳定性、硬度折射率折射率氧化锌氧化锌膨胀系数膨胀系数耐温性、化学稳定性、机械强度耐温性、化学稳定性、机械强度氧化钙氧化钙耐温性耐温性膨胀系数、硬度、化学稳定性、机械强膨胀系数、硬度、化学稳定性、机械强度、析晶能力度、析晶能力二、耐辐射

8、玻璃 光学玻璃在吸收x射线和射线后，会着色、变暗甚至变得不透明，导致仪器无法正常工作。 原因：光学玻璃在x射线和射线的作用下形成电子空穴对，这些电子空穴对与玻璃种的缺陷形成色中心；多价态金属氧化物在x射线和射线的作用下发生价态改变，形成吸收带。 解决方案：加入Ce离子。 作业：在普通光学玻璃种加入Ce离子，为什么可以抗辐射？19折射率、色散系数与标准数值的允许差值以及一折射率、色散系数与标准数值的允许差值以及一致性，光学均匀性，应力双折射，条纹度，气泡致性，光学均匀性，应力双折射，条纹度，气泡度，光学吸收系数，耐辐射性能度，光学吸收系数，耐辐射性能光学玻璃的主要质量指标光学玻璃的主要质量指标1

9、 1、折射率、色散系数与标准数、折射率、色散系数与标准数值的允许差值值的允许差值nd、d二、二、无无色色光光学学玻玻璃璃的的质质量量指指标标及及检检测测方方法法折射率？色散？ nD-钠光谱钠光谱D线线(589.3nm)测量值；测量值； nd-钠光谱钠光谱d线线(587.6nm)测量值（国测量值（国标规定）；标规定）； 通常说的玻璃折射率通常说的玻璃折射率指指d光的折射率光的折射率波长波长（nm）谱线符号谱线符号404.7h435.8g486.1F546.1e589.3D656.3C766.5 A类别类别 折射率折射率nd的允许的允许差值差值 00210-40310-41510-42710-43

10、1010-442010-4折射率与标准数值的允许差值 类别类别 色散系数色散系数d的允的允许差值许差值 000.2%00.3%10.5%20.7%30.9%41.5%色散系数与标准数值的允许差值 Nd1.82折射率及色散系数的测量：折射率及色散系数的测量：V棱镜法（国标规定）临界角法（常用方法）2、一致性、一致性3、光学均匀性、光学均匀性光学均匀性是指同一块玻璃中折射率的渐变。光学均匀性是指同一块玻璃中折射率的渐变。由于退火炉内各处温度不均匀所引起的。由于退火炉内各处温度不均匀所引起的。小块玻璃用鉴别率比值法测量。小块玻璃用鉴别率比值法测量。大块玻璃用多光束干涉仪测量。大块玻璃用多光束干涉仪测

11、量。光学均匀性测试（对于小块玻璃）光学均匀性测试（对于小块玻璃）光学均匀性测试（对于小块玻璃）光学均匀性测试（对于小块玻璃）对于测量结果为1和2类，补测星点图。1：圆亮环无断裂、无尾刺、畸角和变形现象。2：变形不严重，大体保持圆环、两环间距大体相等，每个环的宽度允许变化，但不应断裂。光学均匀性（对于大块玻璃）光学均匀性（对于大块玻璃）4 4、玻璃应力双折射、玻璃应力双折射 当玻璃受到外力作用，或者退火过当玻璃受到外力作用，或者退火过程中由于玻璃内外温度不一致，或程中由于玻璃内外温度不一致，或者退火炉内各处的炉温不一致等都者退火炉内各处的炉温不一致等都会产生双折射。可分为中部应力和会产生双折射。

12、可分为中部应力和边缘应力。边缘应力。应力双折射分类应力双折射分类应力双折射测试应力双折射测试5、玻璃的条纹度、玻璃的条纹度 条纹是玻璃内部折射率的局部不均匀，引条纹是玻璃内部折射率的局部不均匀，引起光的方向变异，主要由玻璃熔炼过程中起光的方向变异，主要由玻璃熔炼过程中各部分成分不同引起。最易引起条纹的玻各部分成分不同引起。最易引起条纹的玻璃是璃是ZF类，其次为类，其次为F、BaF、BaK等。等。玻璃的条纹度测试玻璃的条纹度测试玻璃的条纹度分类玻璃的条纹度分类6、玻璃的气泡度、玻璃的气泡度 玻璃内部气泡相当于微小的透镜，引起玻璃内部气泡相当于微小的透镜，引起光的散射和折射。最易引起气泡的玻璃光的

13、散射和折射。最易引起气泡的玻璃是是BaK、BaF、ZK等。等。气泡度检验气泡度检验玻璃气泡度分类玻璃气泡度分类(1)按最大气泡的直径分为3类(2)按气泡的总截面积分7级。级别级别100cm3玻璃中，直径玻璃中，直径0.05mm的气泡平均数的气泡平均数(个个)a00a0abcde123.3103090180(3)按气泡的数量多少分为7级7、光吸收系数、光吸收系数 1cm厚的光学玻璃所吸收的白光光通量与进入该玻璃的白光光通量之比。TRlE2)1 (ln1玻璃透射率测试装置玻璃透射率测试装置三、光学玻璃的化学稳定性三、光学玻璃的化学稳定性 玻璃抵抗潮湿空气、水、酸、碱、盐的侵玻璃抵抗潮湿空气、水、酸

14、、碱、盐的侵蚀能力。蚀能力。1 1、耐水性、耐水性( (耐潮稳定性耐潮稳定性) ) 水和水蒸气对玻璃具有侵蚀作用（玻璃的水解反应）；空气中的二氧化碳也能溶解在水中，生成少量碳酸，碳酸虽然为弱酸，但能于硅酸盐起化学反应，从而加剧玻璃的腐蚀。耐水性测试及分类耐水性测试及分类测试条件：701；RH=100%；一周1级:浊度值BaK7的浊度值，无水斑；2级:浊度值BaK7的浊度值，有水斑；3级:浊度值ZK9的浊度值；4级:浊度值ZK9的浊度值。浊度H=(TA-TB)/TA2、耐酸性、耐酸性 酸对玻璃的腐蚀主要是发生了Na+和H+的交换，生成易溶解的盐类，使玻璃的溶解加速。3 3、耐碱性、耐碱性 碱性溶

15、液中的OH-离子会对玻璃中的硅原子产生破坏，使硅氧键断裂，玻璃腐蚀严重。四、光学玻璃的其他性能四、光学玻璃的其他性能 密度密度 硬度硬度 脆性脆性 抗张强度抗张强度(3.0-8)106Pa、抗压强度、抗压强度(5.0-20)108Pa 弹性弹性 热性能热性能 线热膨胀系数线热膨胀系数 导热系数导热系数 转变温度转变温度 退火温度退火温度 折射率温度系数折射率温度系数第四节第四节 有色光学玻璃有色光学玻璃一、种类及光谱特性（一）截止型玻璃（硒镉着色玻璃）（一）截止型玻璃（硒镉着色玻璃） 着色剂：半导体化合物CdSe、CdS 特征：一个宽的高透过区和一个高吸一个宽的高透过区和一个高吸收区，在两者之

16、间有一个过渡区，此收区，在两者之间有一个过渡区，此外光谱透过率的变化是异常迅速的；外光谱透过率的变化是异常迅速的；其光谱特性是吸收短波，透过长波区。其光谱特性是吸收短波，透过长波区。 品种：HB、JB、CB（二）选择吸收玻璃（离子着色玻璃）（二）选择吸收玻璃（离子着色玻璃） 离子着色利用过渡金属和二价铜稀土元素等离子对光谱区的吸收作用制成的玻璃。 着色剂：Co、Ni、Cu、Mn、Cr、Ti、Mo、U等的氧化物。 特征：对某一光谱区有显著的对某一光谱区有显著的“拦截拦截”或或“透明透明”，即对某一波段吸收多一些，而对，即对某一波段吸收多一些，而对另一波段透过多一些另一波段透过多一些。 种类：ZW

17、B、ZB、QB、LB、HWB，FB、BB（三）中性玻璃（三）中性玻璃特征：在可见光区域内能比较均匀在可见光区域内能比较均匀地降低光源的光强度，而不改变其地降低光源的光强度，而不改变其光谱成分光谱成分。牌号：AB1、AB2、 AB3、AB10有色光学玻璃的特点和用途有色光学玻璃的特点和用途玻璃种类玻璃种类着色剂着色剂特点特点用途用途硒镉玻璃硒镉玻璃 胶体胶体CdSe,CdSCdSe,CdS宽的高透射、高反射区；宽的高透射、高反射区；（截止滤光片型）（截止滤光片型）截止滤光片或与截止滤光片或与薄膜组合应用。薄膜组合应用。黄、橙、红色滤黄、橙、红色滤光片。光片。离子着色离子着色选择吸收选择吸收玻璃玻

18、璃Co,Ni,Cu,Co,Ni,Cu,Mn,Cr,Ti,Mn,Cr,Ti,Mo,UMo,U等氧等氧化物化物具有一定的通带（阻具有一定的通带（阻带）；（带通带阻滤光带）；（带通带阻滤光片型）片型）多用于光源；多用于光源；紫、紫、蓝、绿滤光片蓝、绿滤光片中性玻璃中性玻璃在可见区内均匀改变光在可见区内均匀改变光强度；（均匀衰减型）强度；（均匀衰减型）中性滤光片或衰中性滤光片或衰减片减片第五节第五节 特种光学玻璃特种光学玻璃 一、光学石英玻璃一、光学石英玻璃优良的光谱特性优良的光谱特性耐高温和热膨胀系数小耐高温和热膨胀系数小化学稳定性好化学稳定性好机械性能好机械性能好各种光学石英玻璃所能达到的最高类别

19、各种光学石英玻璃所能达到的最高类别 JGS-1 JGS-2 JGS-3 生产方法生产方法 合成合成 CVD 气炼气炼 电熔电熔气泡类别气泡类别 0 2 2 双折射双折射 1-2 1-2 1-2 颗粒结构颗粒结构 1 2 2 条纹条纹 1-2 1-2 2均匀性均匀性 1-2 2 2 荧光荧光 1 2 2防辐射性能防辐射性能 不变色不变色 轻微变色轻微变色 变色变色 其在可见光的透过率均大于其在可见光的透过率均大于90%第四篇第四篇 光学塑料光学塑料光学塑料非球面元件光盘读出光学系统的变迁 一、组成一、组成 主要成分：高分子聚合物主要成分：高分子聚合物树脂。树脂。添加增强剂、增塑剂、稳定剂和添加增强剂、增塑剂、稳定剂和润滑剂来改善性能。润滑剂来改善性能。 光学塑料分为热塑性和热固型光光学塑料分为热塑性和热固型光学塑料。学塑料。二、光学塑料的主要特性二、光学塑料的主要特性（一）优点（一）优点相对密度小相对密度小0.83-1.460.83-1.46耐冲击强度高耐冲击强度高透红外、紫外性能好透红外、紫外性能好耐温度骤变能力强耐温度骤变能力强易成型、成本低易成型、成本低 （二）主要缺点（二）主要缺点热膨胀系数高，吸水性大热膨胀系数高，吸水性大耐磨性差耐磨性差光学常数选择范围有限光学常数选择范围有限难以达到