光學(xué)材料

光介質(zhì)材料是傳輸光線(xiàn)的材料。入射的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)折射、反射會(huì)改變光線(xiàn)的方向、位相和偏振態(tài)；還可經(jīng)過(guò)吸收或散射改變光線(xiàn)的強(qiáng)度和光譜成分。傳統(tǒng)上常把光學(xué)材料限定為晶態(tài)（光學(xué)晶體）、非晶態(tài)（光學(xué)玻璃）、有機(jī)化合物（光學(xué)塑料）。

光學(xué)玻璃根據(jù)對(duì)它的不同要求，可把光學(xué)玻璃分為：對(duì)光學(xué)常數(shù)有特定要求的無(wú)色光學(xué)玻璃；在γ 射線(xiàn)區(qū)具有一定抗輻射特性、在可見(jiàn)光區(qū)不產(chǎn)生強(qiáng)烈光吸收的耐輻射光學(xué)玻璃；對(duì)不同波長(zhǎng)具有特定光吸收或透射的有色光學(xué)玻璃以及石英玻璃等。

無(wú)色光學(xué)玻璃是使用量最大的光學(xué)材料。以折射率nd、色散系數(shù)（阿貝數(shù)v）和部分色散系數(shù)表示其特征性質(zhì)。各類(lèi)無(wú)色光學(xué)玻璃與nd、v的關(guān)系可統(tǒng)一表示在nd-v關(guān)系圖中。將nd-v圖分成若干個(gè)區(qū)域,每一區(qū)域內(nèi)都有折射率及色散系數(shù)相近的若干個(gè)玻璃牌號(hào)，統(tǒng)稱(chēng)為一類(lèi)品種。凡具有一定nd、v值的玻璃（在nd-v圖中為一個(gè)點(diǎn)）稱(chēng)為一個(gè)牌號(hào)。

光學(xué)玻璃按折射率、色散系數(shù)分為兩大類(lèi)，即冕牌和火石光學(xué)玻璃。根據(jù)國(guó)際慣例和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,K代表冕牌玻璃,F代表火石玻璃。中國(guó)光學(xué)玻璃共有18個(gè)品種、141個(gè)牌號(hào),生產(chǎn)的典型光學(xué)玻璃的nd-v關(guān)系如圖所示。 玻璃的光學(xué)性質(zhì)取決于化學(xué)成分。冕牌玻璃是硼硅酸鹽玻璃；加入氧化鉛后成為火石玻璃。在冕牌玻璃中，隨著氧化鋇含量的增加，折射率增加，分成鋇冕及重冕玻璃?；鹗Ａе?，隨著氧化鉛含量的增加，折射率增大，分成冕火石、輕火石、火石及重火石等品種。含氧化鋇的鉛玻璃又分鋇火石及重鋇火石玻璃。40年代以來(lái)，隨著光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展，為了擴(kuò)大光學(xué)常數(shù)的范圍，在玻璃中加入新的化學(xué)成分，玻璃品種日益增多。例如，加入氧化鑭及其他稀土氧化物形成高折射率低色散的鑭冕和鑭火石玻璃品種系列；加入二氧化鈦及氟化物形成高色散的特冕和鈦火石玻璃；以磷酸鹽和氟磷酸鹽為基礎(chǔ)發(fā)展了低折射率低色散玻璃（如氟冕和磷冕玻璃）。

耐輻射光學(xué)玻璃用于受γ 輻射照射場(chǎng)合下的光學(xué)儀器中。它除具有無(wú)色光學(xué)玻璃的各項(xiàng)性質(zhì)外，并要求在一定輻射劑量下光密度的變化必須保持在規(guī)定的數(shù)值以?xún)?nèi)。其品種及牌號(hào)與無(wú)色光學(xué)玻璃相同。玻璃的化學(xué)成分是在無(wú)色光學(xué)玻璃的基礎(chǔ)上，添加少量二氧化鈰來(lái)消除高能輻射在玻璃中所形成的色心。因?yàn)镺和Ce的吸收帶都處在紫外區(qū)，價(jià)態(tài)變化對(duì)可見(jiàn)區(qū)透過(guò)的影響不大，因此這種玻璃受輻照后光吸收變化很小。

有色光學(xué)玻璃 亦稱(chēng)濾光玻璃,目前已有百余種。由它制成的各種濾光鏡廣泛應(yīng)用于觀察、照相系統(tǒng)和紅外波段工作的光學(xué)儀器中。按光譜特性分為選擇性吸收型、截止型和中性灰色型三類(lèi)。選擇性吸收型有色光學(xué)玻璃能夠吸收或透過(guò)一些特定波長(zhǎng)的光線(xiàn)，以其透過(guò)率為特征性質(zhì)，按顏色分品種；截止型有色光學(xué)玻璃以截止透過(guò)界限波長(zhǎng)為特征；中性灰色型有色光學(xué)玻璃對(duì)各波長(zhǎng)的光線(xiàn)是無(wú)選擇地均勻吸收，以平均透過(guò)率為特征。

有色光學(xué)玻璃是在基質(zhì)玻璃中添加著色劑獲得的，所需的光譜性質(zhì)取決于著色劑的種類(lèi)和含量。第四周期過(guò)渡元素離子及個(gè)別鑭系和錒系元素離子產(chǎn)生離子吸收，是選擇吸收型和個(gè)別截止型有色光學(xué)玻璃的著色劑；硫化鎘、硒化鎘、碲化合物作為著色劑,可制成400～1000nm截止吸收的黃、橙、紅及紅外濾光玻璃。

紫外和紅外光學(xué)玻璃 它們?cè)谠摴庾V區(qū)域具有良好的透過(guò)率。目前紫外光學(xué)玻璃以光學(xué)熔石英為主，正在發(fā)展氟化物光學(xué)玻璃,其紫外透過(guò)極限為200nm。紅外光學(xué)玻璃以鋁酸鹽和鍺酸鹽玻璃為主,紅外透過(guò)截止在4～5μm。硫系化合物玻璃透過(guò)截止在15μm。

近年出現(xiàn)了一些特殊品種的光學(xué)玻璃，如光沿著磁力線(xiàn)方向通過(guò)玻璃時(shí)偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的磁光玻璃；光按一定方向通過(guò)一傳播超聲波的玻璃時(shí)，能發(fā)生光的衍射、反射、會(huì)聚式光頻移動(dòng)的聲光玻璃，在外界電場(chǎng)作用下產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象的電光玻璃等等。

光學(xué)晶體結(jié)晶材料的光學(xué)應(yīng)用范圍極其廣泛，可制作各種光學(xué)零件，紫外、可見(jiàn)、紅外波段的窗口，棱鏡和透鏡，偏振器、推遲板和補(bǔ)償器，電光、聲光、光彈、磁光調(diào)制器以及諧波發(fā)生和多波混頻器。玻璃比晶體易于制造且價(jià)格較低。在可見(jiàn)光波段大多采用玻璃制作光學(xué)元件，但在紅外和紫外波段則廣泛使用各種晶體。若干用途較廣的材料的性質(zhì)列于下表中。光學(xué)塑料光學(xué)有機(jī)塑料是另一類(lèi)光介質(zhì)材料，它易于成形、價(jià)格低，主要應(yīng)用于眼鏡工業(yè)、復(fù)制光學(xué)元件和纖維光學(xué)工業(yè)。光學(xué)塑料分為熱塑型材料、熱固材料和共聚物三大類(lèi)，以熱塑型為主。熱塑型材料中較普遍采用的是聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯醋酸纖維素等；熱固材料中包括透明環(huán)氧樹(shù)脂、二丙烯基二乙二醇碳酸酯（商品牌號(hào)C-39）和甲基丙烯酸羥乙酯等；共聚物有苯乙烯-丙烯酸樹(shù)脂、丙烯腈-苯乙烯樹(shù)脂或熱塑和熱固材料間的共聚物。

參考書(shū)目

干福熹等著：《光學(xué)玻璃》，科學(xué)出版社,北京,1982。

《光學(xué)儀器設(shè)計(jì)手冊(cè)》編輯組編：《光學(xué)儀器設(shè)計(jì)手冊(cè)》，上冊(cè)，國(guó)防工業(yè)出版社，北京，1951。

紫外材料的折射率不高，許多材料(特別是氟化物)很難加工，并具有吸濕性，所以在加工和裝配時(shí)，需要防止?jié)駳鈱?duì)光學(xué)材料的損害。很多類(lèi)型的材料暴露在短波紫外波段(小于320nm左右)會(huì)受到損害，玻璃將變暗，塑料將變黃和出現(xiàn)裂紋。