光學材料正文

光介質材料是傳輸光線的材料。入射的光線經(jīng)過折射、反射會改變光線的方向、位相和偏振態(tài)；還可經(jīng)過吸收或散射改變光線的強度和光譜成分。傳統(tǒng)上常把光學材料限定為晶態(tài)（光學晶體）、非晶態(tài)（光學玻璃）、有機化合物（光學塑料）。

光學玻璃根據(jù)對它的不同要求，可把光學玻璃分為：對光學常數(shù)有特定要求的無色光學玻璃；在γ 射線區(qū)具有一定抗輻射特性、在可見光區(qū)不產(chǎn)生強烈光吸收的耐輻射光學玻璃；對不同波長具有特定光吸收或透射的有色光學玻璃以及石英玻璃等。

無色光學玻璃是使用量最大的光學材料。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。各類無色光學玻璃與nd、v的關系可統(tǒng)一表示在nd-v關系圖中。將nd-v圖分成若干個區(qū)域,每一區(qū)域內都有折射率及色散系數(shù)相近的若干個玻璃牌號，統(tǒng)稱為一類品種。凡具有一定nd、v值的玻璃（在nd-v圖中為一個點）稱為一個牌號。

光學玻璃按折射率、色散系數(shù)分為兩大類，即冕牌和火石光學玻璃。根據(jù)國際慣例和中國國家標準規(guī)定,K代表冕牌玻璃,F代表火石玻璃。中國光學玻璃共有18個品種、141個牌號,生產(chǎn)的典型光學玻璃的nd-v關系如圖所示。 玻璃的光學性質取決于化學成分。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。火石玻璃中，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，隨著光學系統(tǒng)的發(fā)展，為了擴大光學常數(shù)的范圍，在玻璃中加入新的化學成分，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）。

耐輻射光學玻璃用于受γ 輻射照射場合下的光學儀器中。它除具有無色光學玻璃的各項性質外，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)值以內。其品種及牌號與無色光學玻璃相同。玻璃的化學成分是在無色光學玻璃的基礎上，添加少量二氧化鈰來消除高能輻射在玻璃中所形成的色心。因為O和Ce的吸收帶都處在紫外區(qū)，價態(tài)變化對可見區(qū)透過的影響不大，因此這種玻璃受輻照后光吸收變化很小。

有色光學玻璃 亦稱濾光玻璃,目前已有百余種。由它制成的各種濾光鏡廣泛應用于觀察、照相系統(tǒng)和紅外波段工作的光學儀器中。按光譜特性分為選擇性吸收型、截止型和中性灰色型三類。選擇性吸收型有色光學玻璃能夠吸收或透過一些特定波長的光線，以其透過率為特征性質，按顏色分品種；截止型有色光學玻璃以截止透過界限波長為特征；中性灰色型有色光學玻璃對各波長的光線是無選擇地均勻吸收，以平均透過率為特征。

有色光學玻璃是在基質玻璃中添加著色劑獲得的，所需的光譜性質取決于著色劑的種類和含量。第四周期過渡元素離子及個別鑭系和錒系元素離子產(chǎn)生離子吸收，是選擇吸收型和個別截止型有色光學玻璃的著色劑；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。

紫外和紅外光學玻璃 它們在該光譜區(qū)域具有良好的透過率。目前紫外光學玻璃以光學熔石英為主，正在發(fā)展氟化物光學玻璃,其紫外透過極限為200nm。紅外光學玻璃以鋁酸鹽和鍺酸鹽玻璃為主,紅外透過截止在4～5μm。硫系化合物玻璃透過截止在15μm。

近年出現(xiàn)了一些特殊品種的光學玻璃，如光沿著磁力線方向通過玻璃時偏振面發(fā)生旋轉的磁光玻璃；光按一定方向通過一傳播超聲波的玻璃時，能發(fā)生光的衍射、反射、會聚式光頻移動的聲光玻璃，在外界電場作用下產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象的電光玻璃等等。

光學晶體結晶材料的光學應用范圍極其廣泛，可制作各種光學零件，紫外、可見、紅外波段的窗口，棱鏡和透鏡，偏振器、推遲板和補償器，電光、聲光、光彈、磁光調制器以及諧波發(fā)生和多波混頻器。玻璃比晶體易于制造且價格較低。在可見光波段大多采用玻璃制作光學元件，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列于下表中。光學塑料光學有機塑料是另一類光介質材料，它易于成形、價格低，主要應用于眼鏡工業(yè)、復制光學元件和纖維光學工業(yè)。光學塑料分為熱塑型材料、熱固材料和共聚物三大類，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)氧樹脂、二丙烯基二乙二醇碳酸酯（商品牌號C-39）和甲基丙烯酸羥乙酯等；共聚物有苯乙烯-丙烯酸樹脂、丙烯腈-苯乙烯樹脂或熱塑和熱固材料間的共聚物。

參考書目

干福熹等著：《光學玻璃》，科學出版社,北京,1982。

《光學儀器設計手冊》編輯組編：《光學儀器設計手冊》，上冊，國防工業(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，需要防止?jié)駳鈱鈱W材料的損害。很多類型的材料暴露在短波紫外波段(小于320nm左右)會受到損害，玻璃將變暗，塑料將變黃和出現(xiàn)裂紋。