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光學(xué)材料的種類 光學(xué)玻璃： 光學(xué)晶體： KDP類型晶體： 光學(xué)塑料： 光學(xué)玻璃: ①是光學(xué)設(shè)計最常用的光學(xué)材料； ②為滿足光學(xué)設(shè)計對多種光學(xué)常數(shù)、高度均勻性、高度透明性及化學(xué)穩(wěn)定性的要求，應(yīng)具有復(fù)雜的組成和嚴(yán)格的熔煉過程。 （一）光學(xué)玻璃與普通玻璃的區(qū)別: ①折射率： 普通玻璃的組成：SiO2+Na2O+CaO 光學(xué)玻璃的組成：成分復(fù)雜 現(xiàn)代光學(xué)玻璃所含元素幾乎遍及化學(xué)元素周期表，每一種光學(xué)玻璃都要由硅、磷、硼、鉛、鉀、鈉、鋇、鈣、砷、鋁等多種氧化物組成。 ②高度透明： ③高度均勻性：各點各處的光學(xué)常數(shù)和其它一些物理化學(xué)性質(zhì)一致 （二）光學(xué)玻璃的種類 按主要組成成份分： 以SiO2為主要成分的光學(xué)玻璃,稱之為硅酸鹽玻璃；占95% 以B2O3為主要成分的光學(xué)玻璃, 稱之為硼酸鹽玻璃； 以P2O5為主要成分的光學(xué)玻璃,稱之為磷酸鹽玻璃。 硅酸鹽玻璃是制造透鏡、棱鏡等光學(xué)零件的主要材料。 物質(zhì)的玻璃態(tài) 物質(zhì)按結(jié)構(gòu)分晶體和非晶體。 玻璃態(tài)的特點：物質(zhì)內(nèi)部氧化物的元素以元素的離子狀態(tài)存在，它們之間的排列是沒有規(guī)律的，無固化點和融化點。 玻璃態(tài)：玻璃在低溫固態(tài)下仍保留了高溫液態(tài)的無定形結(jié)構(gòu)。 又稱過冷卻液體。 玻璃的物理特性 ①各向同性：指玻璃內(nèi)部沿任何方向測得的物理性能（如折射率、熱膨脹系數(shù)、硬度等）都是同值。 各向異性：沿任何方向測得的物理性能都是不同值。 ②介穩(wěn)狀態(tài)：在一定條件下，物質(zhì)可能處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，但不是能量最低儲存狀態(tài)，叫介穩(wěn)狀態(tài)。 說明玻璃有像晶體轉(zhuǎn)化的趨勢。 ③玻璃從熔融狀態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化是連續(xù)可逆的。 ④玻璃無固化點和熔化點。 玻璃的結(jié)構(gòu) (一)無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說認(rèn)為： 1932年 荷蘭 查哈里阿生 1、內(nèi)容： ①玻璃的原子、離子、或原子團之間的結(jié)合，構(gòu)成一個連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)體； ②網(wǎng)絡(luò)體呈現(xiàn)出很大的不規(guī)則性。 2、一元體系玻璃特性（一元體系玻璃結(jié)構(gòu)）： 例如：SiO2 晶體：石英晶體 玻璃：熔石英玻璃 由一個硅原子和四個氧原子構(gòu)成的硅氧四面體［SiO4］。 熔石英玻璃和石英晶體的結(jié)構(gòu)模型如下石英晶華西
化學(xué)結(jié)構(gòu)式：
3、二元體系玻璃——Na2OSiO2
1921年 蘇聯(lián) 列別杰夫 內(nèi)容： ①玻璃由無數(shù)“晶子”組成； ②所謂“晶子”不同于一般的“微晶”，而是帶有點陣變形的有序排列區(qū)； ③它們分散在無定形介質(zhì)區(qū)； ④從晶子區(qū)到無定形區(qū)的過渡是逐步完成的，兩者之間并無明顯的界限。 強調(diào)：遠(yuǎn)程無序、近程有序。 §1-2 無色光學(xué)玻璃 一、光學(xué)玻璃的組成 光學(xué)玻璃是由多種氧化物組成的，這些氧化物分為兩大類： 一類氧化物是能生成玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氧化物，如SiO2、B2O3、P2O5等，屬AO2、A2O3、A2O5型氧化物，稱之為玻璃形成體或玻璃網(wǎng)絡(luò)體； 另一類氧化物，不能生成玻璃的網(wǎng)絡(luò)體，只是插入玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中間，如Na2O、K2O、CaO、BaO、PbO等，屬于A2O、AO型氧化物，他們稱之為玻璃的網(wǎng)絡(luò)外體。 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% 加入氧化鋁（Al2O3），能提高光學(xué)玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性和機械強度；加入氧化鉛（PbO）和氧化鋇（BaO），可增大光學(xué)玻璃折射率，但化學(xué)穩(wěn)定性降低； 加入氧化鈉（ NaCl），使光學(xué)玻璃化學(xué)穩(wěn)定性和機械性能變差，但可降低熔煉溫度；等等。 二、無色光學(xué)玻璃的分類及命名（牌號） 大都采用拉丁字母作為品種的標(biāo)志，在品種標(biāo)志之后附有牌號的標(biāo)志。 1、分類劃分界限： ˉ按光學(xué)玻璃折射率和阿貝數(shù)的大小將其分為冕牌玻璃和火石玻璃兩大類。 ˉ例如：德國規(guī)定nd＜1.6，υd＞50為冕牌類，其余則為火石類；日本規(guī)定nd＜1.6，υd＞55為冕牌類，其余則為火石類。 ˉ我國光學(xué)玻璃標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：將玻璃分為2大類，用K代表冕牌玻璃，F代表火石玻璃。每一大類又進一步按nd及υd分為18個品種。 冕 牌 玻 璃
火 石玻 璃
其中F——種類；ZF——品種；ZF9——牌號 l同一品種玻璃，它的折射率大致相同相差不多。 三、無色光學(xué)玻璃的質(zhì)量指標(biāo)（七項） （一）折射率、色散系數(shù)的允差及一致性 折射率：表示光在空氣中的傳播速度與在玻璃中的傳播速度之比。 n=C/V （nd、nF、nc） 色散系數(shù)：不同波長的光經(jīng)過折射后，出射點不同。
用中部色散nF-nc衡量 ①nd、υd的允差（允許差值） 分 0 、 1 、 2 、 3 、 4 四類
u例如：K9： nd=1.5163 0類K9的nd： 1.5158～1.5168 ②nd、υd的一致性 同一批玻璃中要控制nd、υd的差值不能過大。 分 A 、 B 、 C 、 D 四級
u例如：K9： nd=1.5163 0類A級時nd的大小 0類：1.5158-1.5168 A級：1.51625-1.51635 0類A級去它們交集。 選取時： ①小批量生產(chǎn)時，高級照相機物鏡和高倍的望遠(yuǎn)鏡物鏡可選用△nd為1～3類和υd為2～3類玻璃。大批量生產(chǎn)時選用均為1～2類的玻璃。 ②對于望遠(yuǎn)鏡的第二組分和光焦度不大的透鏡、目鏡、會聚光路上的棱鏡，可用△nd和υd均為3～4類玻璃。 ③保護玻璃、分劃板、毛玻璃、反射鏡、聚光鏡、場鏡、平行光路中的棱鏡級彎月透鏡，對玻璃的△nd和υd不做要求。 （二）光學(xué)均勻性 1、定義：同一塊玻璃中，各部分折射率變化的不均勻程度 依據(jù)Ф/Ф0的比值，分 1 、 2 、 3 、 4 四類。 Ф/Ф0 1.0 、1.1 、1.2 、1.5 根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)選擇均勻性： ①提高分辨率和高像質(zhì)觀察儀器的物鏡，如高精度干涉儀、天文儀、測地儀、準(zhǔn)直儀和顯微鏡等應(yīng)用光學(xué)均勻性第1類的玻璃。 ②制作精密的望遠(yuǎn)鏡、瞄準(zhǔn)鏡、觀察鏡以及具有高分辨和高像質(zhì)的復(fù)制鏡，用2-3類玻璃。 ③對普通的照相物鏡，應(yīng)使用第3-4類玻璃。 ④對望遠(yuǎn)物鏡的第二組分、廣角物鏡的彎月透鏡、位置靠近像平面的光學(xué)零件（場景、分劃板、棱鏡），均可采用第4類玻璃。 ⑤對于有一面為毛面的分化鏡，均勻性不作規(guī)定；對于保護玻璃、棱鏡和濾光鏡，其玻璃的均勻性要求可與其位置靠近的零件的均勻性要求相同。 （三）應(yīng)力雙折射 按o光、e光通過每1cm厚的玻璃產(chǎn)生的光程差大小 分 1 、1a、 2 、 3 、 4 五類 nm/cm 2、6、10、20、50 以毛坯光程差最大方向之最大部分測的為準(zhǔn)。 選取原則： ①干涉儀和天文儀，只能使用雙折射為第1類的玻璃。 ②對于高精度的望遠(yuǎn)鏡、準(zhǔn)直鏡和復(fù)制顯微鏡的物鏡以及反射鏡，玻璃的應(yīng)力雙折射應(yīng)該是第2～3類 ③照相物鏡使用雙折射第3～4類玻璃。 ④聚光鏡、普通儀器的目鏡、放大鏡采用雙折射第4～5類玻璃。 （四）光吸收系數(shù) E E：表示白光通過1cm厚的玻璃所吸收的光通量與進入該玻璃光通量之比。 E﹤0.015=1.5%
選取原則： ①凡是與空氣臨接面較多，玻璃內(nèi)光程長度較短（20～50mm）的復(fù)雜系統(tǒng)，光的主要損失是反射。因此，這種系統(tǒng)中以及較薄的光學(xué)零件，應(yīng)采用4～6類玻璃。 ②玻璃內(nèi)光程較長的零件（棱鏡、天文和照相儀器的透鏡）、光的透過系數(shù)的降低主要是光的吸收造成的，因此這類零件應(yīng)選用00～3類玻璃。 （五）條紋度 按檢驗條件分 00、0、1、2四類； 按觀察方向分A、B、C三級。 選取原則： ①對于具有極限分辨率和高像質(zhì)的干涉儀、天文儀、平行光管以及顯微鏡的物鏡必須采用C級0類玻璃。 ②對于目鏡、聚光鏡、毛玻璃用的玻璃可選用條紋第2類的玻璃。 （六）氣泡度 首先按所含最大氣泡的直徑分為 0、1、2三類； 并按每100立方厘米玻璃內(nèi)允許含有的氣泡總截面積（平方毫米）分為A00、A0、A、B、C、D、E七級。
①對于位置靠近或處于像平面上的零件，其材料不允許有氣泡，應(yīng)使用第0類玻璃。 ②大倍率觀察儀器的分劃板、分度盤、平行光管、分辨率板，應(yīng)采用0類和1類玻璃。 ③照相物鏡、雙筒望遠(yuǎn)鏡和大地測量儀器的物鏡，允許選用2類D、E級玻璃材料。 ④在望遠(yuǎn)鏡和大口徑照像物鏡中允許氣泡度為E級。 § 1-3 有色光學(xué)玻璃
①能選擇地透過特定波長的光線； ②透過連續(xù)光譜中一定寬度的光譜范圍的光線； ③均勻地減弱白光的光譜等。 2、組成: 是在基本的無色光學(xué)玻璃成分中，加入少量著色劑而 成。 （一）離子著色選擇吸收玻璃 著色劑在玻璃中呈離子狀態(tài)，稱離子著色選擇吸收玻璃，簡稱離子著色玻璃 離子著色劑，通常采用金屬鈷、鎳、鉬、錳、鉻、鈦、銅的氧化物。 種類： 透紫外線玻璃（ZWB)、紫色玻璃（ZB)、青色（藍(lán)色）玻璃（QB）、綠色玻璃（LB）、透紅外線玻璃（HWB）、防護玻璃（FB）、透紫外線白色玻璃（BB等）。 （二）中性玻璃 特點：在可見光區(qū)域內(nèi)能比較均勻地降低光源的光強度，而不改變其光譜成分 作用：主要是做中性濾光片、減光鏡。 牌號：AB1，AB2，AB3……，AB10等。 （三）硒鎘玻璃 著色劑是采用硒化鎘和硫化鎘，故稱硒鎘玻璃。 由于著色劑在玻璃中呈膠態(tài)，亦稱膠態(tài)著色玻璃。 品種：紅色（HB） 金色（JB） 橙色（CB）
§1-4 特種光學(xué)玻璃 （一）耐輻射光學(xué)玻璃 加入多價離子做抑制劑。二氧化鈰（CeO2）就是抑制劑之一。 牌號：例如K609 。 Kn09以K9玻璃為基底耐輻射能力為10?倫琴，而且還保持K9玻璃的光學(xué)常數(shù)和其它性質(zhì)。 （二）防輻射光學(xué)玻璃 目前我國使用的防輻射玻璃是含鉛、含鋇量高、密度大的ZF1、ZF6、ZF7玻璃。 （三）透紅外和透紫外玻璃 目前，國內(nèi)外紅外光學(xué)材料發(fā)展的重點是適用于1～3μm、3～5μm和8～14μm波段的光學(xué)材料。 1、光學(xué)石英玻璃 含SiO2 99.9%，即可以透紅外線，又能透過紫外線。 牌號：JGS1、JGS2、JGS3 。 光譜特性：0.2～4.7μm。 2、鋁酸鈣玻璃以CaO、Al2O3為主要成分透過波長：1～1.5μm。 牌號：HWC31。 3、高硅氧玻璃含SiO2達96%，其性能接近于石英玻璃。它的膨脹系數(shù)小，軟化溫度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，熔制溫度比石英玻璃低得多。 （四）石英玻璃 1．優(yōu)良的光譜特性，在0.2～4.7μm光譜范圍內(nèi)。 2．耐高溫、熱膨脹系數(shù)小，它的熔化溫度在1713℃以上，軟化溫度是1580℃±10℃。 3．化學(xué)穩(wěn)定性好，耐堿性差。 4．機械性能高。 （五）光學(xué)功能材料 激光、電光、聲光、磁光等光學(xué)功能材料。 §1-5 微晶玻璃 一、結(jié)構(gòu) 介于玻璃與晶體之間——玻璃陶瓷，按Li2O-Al2O3-SiO2做系統(tǒng)的玻璃。 經(jīng)歷兩個階段： ①在玻璃內(nèi)部各處形成晶核； ②形成晶核的玻璃在晶體生長過程中逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾伞?/span> 微晶玻璃與普通玻璃的區(qū)別主要是具有結(jié)晶的結(jié)構(gòu)，而與陶瓷的主要區(qū)別是，它的結(jié)晶結(jié)構(gòu)要比陶瓷細(xì)得多。 二、微晶玻璃的性能 1、熱膨脹系數(shù)小溫度±160℃范圍內(nèi)，熱膨脹系數(shù)均很小，室溫膨脹系數(shù)接近于零。 2、強度大微晶玻璃比普通壓延玻璃的強度高八倍。 3、硬度高，比重小硬度比熔石英玻璃高，比重小，約為2.44～2.62，比鋁還輕。 4、穩(wěn)定性極高它比目前使用的其它反射鏡材料都好。 三、應(yīng)用 平晶、標(biāo)準(zhǔn)米尺、大型反射鏡、激光制導(dǎo)陀螺等。 §1-6 光學(xué)晶體 一、概念 晶體是具有格子結(jié)構(gòu)的固體。 定義：晶體的結(jié)構(gòu)與玻璃不同，即構(gòu)成晶體內(nèi)部的質(zhì)點（原子和離子），是以點陣的形式在三度空間作有規(guī)律的、重復(fù)的排列，構(gòu)成所謂的格子結(jié)構(gòu)。
格子結(jié)構(gòu)： 空間格子中的點，稱為結(jié)點；結(jié)點在直線上的排列稱為行列；結(jié)點在平面上的分布稱為面網(wǎng)；在三度空間中, 空間格子的最小單位稱為平行六面體。 實際晶體的最小單位稱為晶胞。 組成晶體多面體外形的平面稱為晶面；兩個晶面相交而成的直線稱為晶棱；三條晶棱會聚的點稱為角頂。晶胞三個棱的方向稱為晶軸。 晶體分為三大晶族，七大晶系，光學(xué)晶體多屬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、晶體的基本性質(zhì) （一）均勻性晶體內(nèi)部質(zhì)點性質(zhì)和排列方式都是相同的。
（三）對稱性晶體光軸為對稱軸單軸
（四）自范性（自限性）晶體具有自發(fā)地形成封閉集合多面體外形的性質(zhì)。（五）最小內(nèi)能行及穩(wěn)定性 三、光學(xué)性質(zhì) （一）雙折射 與晶體結(jié)構(gòu)對稱程度有關(guān)。
（二）旋光性 當(dāng)平面偏振波沿光軸方向傳播時，偏振面旋轉(zhuǎn)一定角度的現(xiàn)象。 （三）吸收性和多色 吸收性：各項異性。多色性：除等軸晶體外，同一晶體的不同方向上呈現(xiàn)出不同的顏色。 四、力學(xué)性質(zhì) （一）解理解理性：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。解理面：因解理而成的平面。斷口：依一定方向破裂而成的凹凸不平的表
（二）硬度硬度：表示物體對外來機械侵入所表現(xiàn)的抵抗能力。測定方法不同，硬度的標(biāo)準(zhǔn)也不同。對晶體最常用的是莫氏硬度。
（10種）滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、正長石、石英、黃玉、剛玉、金剛石。 新莫氏硬度： （15種）滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、正長石、熔融石英、石英、黃玉、石榴石、碳化鋯、剛玉、碳化硅、碳化硼、金剛石。 五、晶體的溶解度 晶體的溶解度表示在一定的溫度下，該晶體在100g水中所能溶解的克數(shù)。 六、分類及應(yīng)用 （一）按晶體的用途分類 1、紫外、紅外晶體有石英（SiO2）、螢石（CaF2）、氟化鋰（LiF）、巖鹽（NaCl）、硅（Si）、鍺（Ge）等。 石英：
常用的偏振晶體有方解石（CaCO3）、石英和硝酸鈉（硝石）等。 方解石：
3、復(fù)消色差晶體利用晶體特殊的色散特性制造復(fù)消色差物鏡，如螢石與玻璃組合制成復(fù)消色差系統(tǒng)，可以消除球差和二級光譜。 4、激光晶體可用作固體激光器的工作物質(zhì)，如紅寶石、氟化鈣和釔鋁石榴石等。 剛玉：
石榴石：
（二）按硬度和工藝方法分類 1、硬質(zhì)晶體 硬質(zhì)晶體的硬度比玻璃高。玻璃的莫氏硬度約為6，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)晶體均屬軟質(zhì)晶體，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，例如氯化鈉、氯化鉀和ADP（磷酸氰氨）、KDP （磷酸氰鉀）等。 §1-7 光學(xué)塑料 一、光學(xué)塑料的組成及種類 （一）組成
在樹脂中添加增強劑、增塑劑、穩(wěn)定劑和潤滑劑等。塑料的基本性質(zhì)，主要取決于樹脂的性質(zhì)，添加劑對改善塑料的性能起著重要作用。 （二）分類光學(xué)塑料按其性質(zhì)分為： ①熱塑性塑料：是線性分子鏈結(jié)構(gòu)。 ②熱固性塑料：是網(wǎng)狀分子鏈結(jié)構(gòu) 1、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）高度透明，對可見光的透過率高達92%，并能透過73%的紫外光。它的折射率為1.492，與冕牌玻璃相近，故稱王冕塑料。缺點：表面硬度低、易劃傷。 優(yōu)點：沖擊強度高、不易碎、質(zhì)輕、價格低、已成型。 成型方法：澆注成型法、注射成型法、機械加工成型法、熱成型法。 2、聚苯乙烯 它的折射率為1.591。與火石玻璃相近，故稱火石塑料。 缺點：強度低，耐熱性差。 優(yōu)點： 自由著色、無臭無味無毒、吸濕性小。 3、烯丙基二甘醇碳酸脂（CR39） 是目前使用的唯一的熱固性光學(xué)塑料，通常采用澆鑄成型。 缺點：收縮率大、價格貴。 優(yōu)點：耐磨、抗沖擊、抗化學(xué)腐蝕性強。 4、苯乙烯——丙烯酸酯共聚物70%的苯乙烯和30%的丙烯酸酯的共聚物。 可調(diào)其2者的成份，成份不同折射率不同。 二、光學(xué)塑料的優(yōu)缺點優(yōu)點： 1．比重小 光學(xué)塑料的比重在0.83-1.4之間，而光學(xué)玻璃為2.5-4.7。 2．耐沖擊強度高 3．透紅外、紫外性能好 4．耐溫度驟變能力強5．易成型、成本低 缺點： 1．熱膨脹系數(shù)高，吸水性大 2．硬度低、易劃傷 3．光學(xué)常數(shù)選擇范圍有限 4．耐溶劑性能差 感謝作者的努力！ 光學(xué)人生編輯 |
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