1、1 光学材料,光学材料的概念,是指能够与光直接发生相互作用的物质如对光的振幅（光强）、相位、频率、波长（红外光 0.7300um，可见光 380780nm，紫外光30380nm）、速度 （c=2.99792458m/s）、振动态（偏光、旋光） 、传输方向、光子数广义讲：所有的物质都和光有相互作用狭义讲：应用于光学系统中对光信息进行处理的材料更简要讲：能够对光具有高透射或高反射特性或对光信息某一特性具有改变作用的材料,1.1光学材料种类,通常分为四大类：玻璃晶体光学塑料特种光学材料,1.1.1玻璃,通常按主要组成来分： （1）单元系统玻璃 1）石英玻璃（SiO2） 2）氧化硼玻璃（B2O3） 3
2、）五氧化二磷玻璃（P2O5） （2）硅酸盐玻璃 1）碱硅酸盐玻璃（熔融石英玻璃中加入碱金属氧化物） 2）钠钙硅酸盐玻璃（熔融石英玻璃中加入碱土金属氧化物）：瓶罐、器皿、保温瓶、灯泡、显像管壳、平板玻璃（窗玻璃）,（3）硼酸盐玻璃 1）碱硼酸盐玻璃（碱或碱土金属氧化物加入B2O3 玻璃） 2）鈉硼硅酸盐玻璃（以Na2OB2O3SiO2为基本成分）也称硼硅酸盐玻璃或派莱克斯玻璃，热膨胀系数小，良好热稳定性 （4）磷酸盐玻璃 （熔融P2O5玻璃中加入Na2O） 常用于制造磷冕光学玻璃、透紫外线玻璃、吸热玻璃、耐氟酸玻璃,（5）其它氧化物玻璃 1）铝酸盐玻璃（Al2O3-CaO系统，CaO75%）透红
3、外线的波长比硅酸盐玻璃长，达6微米 2）铝硼硅酸盐玻璃（Al2O3-B2O3系统不能形成玻璃，只有加入二价氧化物MgO，CaO，SrO、BaO、ZnO、CdO才能形成玻璃） 3）铍酸盐、钒酸盐等玻璃,（6）硫系化合物玻璃 硫、硒、碲三元素为主要成分 （7）卤化物玻璃 金属卤化物（主要是氟化物） BeF4、BeF2-AlF3-LiF、BeF2-AlF3-KF（超低折射率和色散系数特性）,1.1.2晶体,晶体是人类最早使用的光学材料，在光学玻璃发明以前，人们主要靠天然的晶体制造透镜和平面镜。与光学玻璃不同的是，一般的晶体在紫外、可见、近红外甚至红外波段都有比较好的透过率，不像光学玻璃，在紫外和红外
4、波段，光谱透过率很低，这个特点是光学玻璃问世以后，人们还离不开晶体的一个重要原因,（1）晶体通常按主要组成来分： 1）氯化物晶体（氯化钠、钾、银） 2）氟化物晶体（氟化钠、锂、钙、钡、镁、锶） 3）溴化物晶体（溴化钾、铯） 4）碘化物晶体（碘化钾、铯） 5）氧化物晶体（氧化硅（石英）、铝（蓝宝石）、镁、钛、锌）,6）硫化物晶体（硫化铅、锌、镉） 7）其它化合物晶体 溴化铊-碘化铊（KRS-5）、溴化铊-氯化铊（KRS-6）、钛酸锶、碳酸钙、磷酸二氢铵（ADP）、磷酸二氢钾（KDP）、锑化铟、锑化钾、砷化镓、硒化锌、碲化镉 8）单一元素晶体 硅、锗、硒、碲、金刚石（碳）,（2）按照晶体的化学组成
5、成分又可分为离子晶体和半导体晶体，离子晶体又可分为碱卤化合物晶体、碱土卤族化合物晶体、氧化物晶体和某些无机盐晶体；半导体晶体主要包括族单元素晶体、族化合物晶体、族化合物晶体； （3）按晶体的光学性质晶体可以分为两轴晶体、单轴晶体和等轴晶体。 （4）按照晶体的生长特性晶体可以分为天然晶体和人造晶体；,（5）按照晶体的结晶性质晶体又可分为单晶光学晶体和多晶光学晶体； （6）按照晶体的用途晶体又可分为：电光晶体、声光晶体、磁光晶体、紫外晶体、红外晶体、激光晶体、热释电晶体、光折变晶体等等,1.1.3光学塑料,是以高分子合成的材料，分为热固性和热塑性塑料 （1）热固性塑料 烯丙基二甘醇碳酸脂（CR-3
6、9） （2）热塑性塑料 聚甲基丙烯酸酯（PMMA有机玻璃）；聚苯乙烯（PS）；苯乙烯和丙烯酸酯的共聚物（NAS）；聚碳酸酯（PC）；环烯烃共聚物（COC）；苯乙烯和丙烯共聚物（SAN）；甲基戊烯（TPX）；聚烯烃酯（COP）；苯乙烯-丁二烯-丙烯脂（ABS）,1.1.4特种光学材料,（1）光学液体 水（1.33）、甘油（1.46）、液体石蜡（1.48）、丁香油（1.533）、硝基苯（1.5529）、三溴甲烷（1.593）、碘苯（1.616）、磷-溴碘苯（1.66）、二碘甲烷（1.741）、二碘甲烷和硫磺饱和溶液（1.787）、溶于二碘甲烷的磷（1.94）,（2）激光材料 1）激光晶体 钇铝石榴
7、石（YAG ：Y3Al5O12 ) 、铝酸钇（YAP:YAlO3）、铍酸镧（La2Be2O5)、蓝宝石（Al2Be2O5）、过磷酸盐类（如CeP5O14）、偏磷酸盐类（如LiNdP4O12）、正磷酸盐类（如Na3Nd(PO4)2）、硼酸盐类（如NdAl(BO3)4）、含氟化合物（K5NdLi2F10）、氟化物（LiYF4）,2）激光玻璃 1.主要应用于强激光中，一般都是在普通玻璃中掺钕，种类繁多： 氧化物玻璃（硅酸盐、锗酸盐、碲酸盐、磷酸盐、硼酸盐） 卤化物玻璃（氟铍酸盐、氟锆酸盐、氟铪酸盐、氟铝酸盐、氯化物） 卤氧化物（氟磷酸盐、氯磷酸盐） 2.利用稀土离子上转换发光获得短波激光，在普通玻璃
8、中掺入稀土（钪、钇和镧系元素）的材料： 氟化物、硫系化合物、氧化物、卤化物,（3）红外材料 主要指在35微米和812微米波段透明的材料 ，主要有： 1）红外中波材料（0.95微米）： 氧化物陶瓷（Al2O3（蓝宝石单晶）、ZrO2、Y2O3、MgO、MgAL2O4（尖晶石）、ALON（氮氧化铝）、石英晶体、熔融石英 氟化物晶体（CaF2、MgF2、Si3N4、SiC、LiF） 2）红外长波材料（812微米）： Ge、Si、金刚石、GaAs、GaP、InP、ZnS、ZnSe、CaTe、锗硫系玻璃（SeSbGe、SeAsGe) 、硫化物(As3S3、Se2A3、CaLaS4),（4）光学纤维（光纤
9、） 光纤主要用于光信号的传输，用石英玻璃、特种玻璃、塑料拉制而成。 1）普通光纤（按光纤截面折射率分布）： 阶跃型 渐变型 三角型 2）特殊性能的光纤 光子晶体光纤、稀土摻杂的玻璃光纤,（5）陶瓷是将包含有玻璃相和结晶相特征的无机材料（陶土或瓷土等硅酸盐），经过成型烧结，部分熔融成玻璃态，通过玻璃态物质将微小的石英和其他氧化物晶体包裹结合而成。陶瓷包括了陶器和瓷器，陶器是多孔透气的、强度较低的产品，瓷器是加了釉层、质地致密而不透气的、强度较高的产品。,氧化铝、氧化镁、氧化钇、氧化铟等陶瓷可制作电光源发光管，透明电极等。 锆钛酸铅镧陶瓷（PLZT）具有偏光透光性，可制作光开关、护目镜等氧化锗陶瓷
10、用于光通信中有源器件中的激光工作物质、无源器件中光纤连接器,1.2光学材料的特性,1.2.1光学材料的微观结构光学材料大多数是固体，其内部组成的微观粒子（原子或分子、离子）按一定方式排列固定不变。固体按照微观粒子在三维空间的排列状态，分为：晶体、非晶态（玻璃态、无定形态（橡胶、石蜡、沥青）、准晶体（不同于晶体也不同于非晶体的固体）自然界中固体绝大多数物质是晶体,（1）固体中微观粒子间的维系力,微观粒子在物质内部空间固定不变的排列，是质点间的微观作用力使它们处于平衡位置，形成稳定的结构，这种维系力称为键。以化学结合力相维系时，称为化学键，由于原子得失电子的能力不同形成相互不同的化学键，典型的化学
11、键有离子键（正负离子相互形成吸引）、共价键（原子间通过共用电子对方式形成作用）、金属键（金属中运动的自由电子能吸引所有阳离子，使它们之间紧密的结合）,分子之间普遍存在着范德华力，是一种非化学性的弱的相互作用力，通常称为分子键（范德华键）某些化合物中，氢原子能与分子内或其它分子中的原子之间形成氢键。根据键性的不同分：离子晶体（盐）、共价晶体（金刚石）、金属晶体、分子晶体、氢键型晶体（含有氢键的矿物晶体、冰）,（2）晶体的微观结构,构成固体的原子或分子在 微米量级以上（大约上千个原子的间距）排列有序称为长程有序，该固体为晶体。又分：单晶（分子在整个固体中排列有序）：岩盐、金刚石、锗、硅、水晶多晶（
12、分子在固体中微米量级范围内排列有序，整个晶体是由这些微米量级晶粒随机堆砌而成）金属、合金、云母微晶（晶粒的线度小到纳米量级时）：磁记录材料r-Fe2O3磁粉、碳黑颗粒,1）晶体结构的周期性 1.晶格结构微观粒子在三维空间周期性地重复排列微观粒子是一种原子或多种原子（离子）造成的原子团微观粒子在晶体学中也称为基元，基元在空间的位子，可用基元中任一点来代表，这个代表点称为格点。某一基元在空间3个方向上作周期性排列，其格点一定作相同的排列，格点在空间形成的空间点阵（格子）称为晶格。,2.晶胞以三个不共面对称轴（晶轴）为棱边所围成的六面体组成晶格的重复单元。晶胞棱边长称为晶格常数。晶胞的重复排列形成了
13、晶体的周期性结构，是一个基本的单元。晶体学中通过晶胞来研究晶体的不同。以矢量a、b、c来表示晶胞的基矢。,2）晶体结构的对称性分为宏观对称性和微观对称性 1.旋转对称轴（C n）若晶体绕某一固定轴旋转360/n角度后能与自身重合，称为旋转对称操作，旋转轴称为晶体的n次对称轴例如：以立方晶体的4条体对角线为旋转轴转动360/3=120，立方体复原，称为3次对称轴。由于晶体周期性的限制，轴次只能取1、2、3、4、6五种，5次和大于6次的对称轴不存在。,发现一些固体5次旋转对称轴，把具有5次或6次以上旋转对称轴，但又不具备周期性结构的固体称为准晶体。,2.象转轴（S n）若晶体绕某一轴旋转360/n
14、后，再垂直于此轴的平面进行镜面反映而复原。 3.n度螺旋轴绕C轴旋转360/n后，再沿该轴的方向平移T/n的l倍，则晶体中的原子和相同的原子重合，其中T为沿C轴方向上的周期矢量，l为小于n的整数。 4.滑移反映面沿滑移反映面的镜面反映操作后，再沿平行于该面的某个方向平移T/n的距离，则晶体中相同原子重合，其中T是该方向上的周期矢量，n为2或4.,3）晶系,4）光学晶体的基本性质,1.均匀性：晶体的不同部位，其内部质点的性质和排列方式是相同的，表现出的物理和化学性质也是完全相同的，这种均匀性是光学晶体作为光学材料的基本条件。 2.各向异性：晶体的光学性质，往往随光束方向的不同而不同，这种各向异性
15、的特点，常常表现的形式就是双折射，而且双折射发生的程度随着方向的差异而规律性的变化，这种特点常常是使用光学晶体的需要。,3.对称性：相同的性质在晶体的不同方向或位置上有规律地重复出现，这就是晶体的对称性。晶体的对称性常常需要在制造光学零件的对称性中得到一致。 4.自范性：晶体具有自发地形成封闭几何多面体外形的性质，这种自范性是格子构造在三维空间规律堆积的结果，每个最外层面的结点、行列和面网总是表现为规则的点、线、面，从而构成规则的几何多面体外形。,5.最小内能性：热力学表明，对于成分相同但呈不同物相的物体比较而言，以结晶质的内能为最小，所谓内能是指物体内部质点作无规则运动以及由质点相互位置所决
16、定的势能之和，晶体的内能最小，表明了晶体质点相互位置的准确和稳定。 6.稳定性：所谓晶体的稳定性，就是晶体随时间变化，性能稳定的程度。晶体的稳定性好是最小内能性的必然结果，因为晶体具有最小内能，要破坏质点间的平衡位置而使其产生相变的话，没有外力作用，自发转变是不可能的。,（3）非晶体的微观结构,构成固体的粒子（原子、分子）排列具有长程无序，在原子间距量级范围（大约几个原子间距1.01.5nm）内排列有序，即短程有序。如玻璃、橡胶、石蜡、沥青、塑料短程有序时近邻原子的数目和种类、近邻原子的间距（键长）、近邻原子配置的几何方向（键角）都与晶体具有一样的规律,短程也叫近程：指物质的原子或离子周围的范
17、围一般小于 2nm微观尺度， 1.01.5nm相当于2-4个多面体的有规则排列。 非近程区域 大于2nm微观尺度,1）玻璃的微观结构现代玻璃结构理论：玻璃内部质点之间的结合，以玻璃形成体阳离子（如Si+4、B+3、P+5等），与氧离子在玻璃中形成配位关系，组成了多面体（通常是硅氧四面体），各个多面体之间通过顶角相互连接，形成向三维空间发展的连续的无规则的网络体结构；,一些阳离子（如Na+、K+等）与氧离子也有一定的配位关系，统计分布在无序的网络空间中称为玻璃网络外体。,网络体结构中一定的近程区域存在一些微晶结构，即微晶分散在无定形区域中，从微晶到无序的过渡是逐步形成的，无明显的界线，微晶中心区
18、域有序程度最高，离中心愈远，有序程度愈低，不规则程度也愈显著。这是典型的近程有序,2）非晶体的微分相与微晶态结构物质的分相：物质在变化过程中，内部质点发生迁移，使某些组成发生偏聚，形成内部质点结构不同（即化学成分不同）的两个区域物质的分相区域在纳米至几百纳米的区域范围属于微分相在无定形态物质中由于微分相的结果，内部质点形成纳米级微小晶态结构的区域，这个区域称为微晶体（简称微晶）,这种内部具有微晶体的无定形物质称为微晶态物质。介于无定形态和多晶态物质之间的物体，如玻璃、微晶玻璃玻璃是在无定形物质中含有微小晶态结构比较小和比较少的微晶物质，其中微晶大小约0.72.0nm，微晶含量约10%20%微晶
19、玻璃是在无定形物质中含有微小晶态结构比较大和比较多的微晶物质，微晶大小约0.11.0um，微晶含量大于50%，典型：95%98%,微晶玻璃是在制造玻璃时，在配料中添加金属氧化物作晶核，在熔制和冷却过程中，晶核长成微小晶粒，形成微晶玻璃。由于微晶粒的反射，这种微晶玻璃透光而不透明，并具有抗震抗击，耐冷热骤变而不易破碎的性能,3）光学塑料的微观结构,由树脂的分子结构所决定。合成树脂的分子结构主要可分为三类：线型结构、支链型结构和网型结构。分子结构是线型和支链型的合成树脂，就属于热塑性塑料，如果分子结构是网型的，就属于热固性塑料。图中每一个小黑点代表一个小分子。,4）玻璃的基本特性 1.各向同性：玻
20、璃的微观粒子排列在各个方向上是统计均匀，物理化学性质在各个方向都是相同 （近程有序与远程无序的统计均质结构， 宏观上是均匀结构）折射率、硬度、热膨胀系数、导电系数、弹性模数 2.介稳性（亚稳性）：玻璃内部具有较高的内能却处于相对稳定的状态。玻璃形成过程并没有放出内部的全部热量，比同成分的晶态物质含有较高的内能；玻璃有放出这部分内能向晶态转变的可能，即析晶倾向，处于热力学不稳定状态，但玻璃具有很高的黏度，阻碍玻璃向晶态转变，仍然是比较 稳定的状态。,3.无固定熔点的可逆性变化：玻璃由固体转变为熔体时在没有明显的温度突变特征，一定的软化温度范围内进行，或者玻璃熔体在冷却过程中没有新相出现，而是逐渐
21、地稠化。上述两个过程没有固定熔点而且是可逆的，这是对玻璃进行热加工，使之精确成形的理论依据 4.玻璃转变过程中物理化学性质是连续渐变：玻璃的冷却/溶化过程是在一个相当宽的温度范围内完成，变化过程是连续的，一些物理化学性质也是连续渐变性。粘度、比热、比容、热膨胀系数、硬度,1.2.2光与固体相互作用,（1）固体介质的折射光是电磁波，具有波粒二象性，爱因斯坦方程表达出光的波动性和粒子性的关系，即E=h=h C/光在真空中的传播速度为3108km/sC=1/(00)1/20真空介电常数， 0真空磁导率光在固体介质中传播速度为v，v=C/(r r)1/2r介质的相对介电常数， r介质的相对磁导率,固体
22、介质的折射率：n= (r r)1/2 =C/v （n大于1） 一束平行光从折射率为n1介质入射到折射率为n2介质， QQ=v1.t OO=v2.t sinI1=QQ/OQ sinI2=OO/OQ sinI1/sinI2=QQ/OO=v1/v2=n1/n2,光学设计根据光学玻璃光学常数（折射率）设计和色散公式，得到成像要求和成像质量,（2）固体的透射特性一束光是许多光子的统计行为。当光束从一种介质中进入另一种介质时，光子和介质会发生相互作用，结果光束发生变化，如光能、振动态、波长等等。设入射到材料表面的光辐射流率为0，则通过介质发生反射、散射、吸收、透射分别为r、，0=r+则：R+ +T=1反射
23、系数: R=r/0散射系数:=0吸收系数:=/0透射系数: T=/0,（3）光与固体作用的机理1）电子极化电磁辐射的电场分量在传播过程中，和原子发生作用，引起电子云和原子核电荷中心发生相对位移，即电子极化，其结果是光的一部分能量被吸收，同时光速减小，导致折射产生。如果电子极化是均匀的，光折射满足定律；如果不均匀，就会造成复杂的变化情况，如双折射现象，一部分光的速度和另一部分光的速度不一致。不同波长光受到电子极化的影响不一样，光速变化也不一样，折射也不相同，这种折射率随波长的增加而减少的性质，称为色散。,2）电子能态转变光子的被吸收或发射，都可能涉及到固体材料中的电子能态的转变。如图，是一个原子
24、的电子能级情况，其E2能级上电子吸收光子的能量为h42，被激发到空的高能级E4上，电子发生的能量变化为EE=h42只有符合电子能级差的光子才能被吸收，当然还会出现多能级跃迁现象，也就是二次电子吸收。受激电子不可能长时间保持在激发态，经过一个短时间后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波，衰变的途径不同，发射出的电磁波频率就不同。,3）金属的光反射现象由于金属的电子能带结构和其他介质的不同，不存在禁带宽度，在费米能级上存在许多空能级。当金属受到光线照射时，电子很容易吸收入射光的能量。由于费米能级上有许多空能级，因而各种不同频率的光子，即具有不同能量的光子都能被吸收。,研究证明，只要金属箔厚度大于0
25、.1mm,便可以吸收全部入射光子。对低频电磁波（无线电波到紫外光）都是不透明的，对高频电磁波（X、射线）才是透明的大部分被金属材料吸收的光又会从表面上以同样波长的光波发射出来，表现为反射光，反射系数在0.80.95之间，还有部分光波以热能的形式被损失掉，即被吸收。,通常利用金属对光的反射性质，在其他材料上镀一层金属层作反光镜，图示常见金属膜的反射率曲线,4）非金属的透射性能非金属材料透射性能主要由介质界面的光反射、介质中光吸收和散射决定。 1.介质界面的光反射 由界面两边折射率的差值所决定：R=(n1-n2)2/(n1+n2)2如光线从空气中入射到1.52折射率为玻璃上时，界面反射率R约为4.
26、2%；若是锗（折射率约为4.4）表面，反射达36%,2.非金属介质对可见光的作用机理 a.电子极化只有光的频率与电子极化时间处于同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要,b.电子吸收光子越过禁带，电子能态变化当光子能量h大于禁带宽度Eg才能产生电子吸收h Eg =C/hC/Eg禁带宽度越大，透过电磁波的范围越宽，不易吸收，禁带宽度大于3.1eV，则对可见光透明；材料无色透明金刚石禁带宽度为5.6eV，则短波长可达0.22微米；禁带宽度越小，易吸收，不透明,禁带宽度小于1.8eV时，所有可见光都可以通过激发价带电子向导带转移而被吸收，对可见光不透明。禁带宽度在1.8eV-3.1eV时,只有部
27、分可见光被材料吸收，带色透明。,c.电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级而吸收光子禁带较宽的电介质，产生吸收较难，电子不易跃迁，所以材料透过电磁波的范围越宽。但是，如果此时材料不纯，会产生杂质或缺陷能级处于禁带中，则光子就可能被吸收，电子通过杂质或缺陷能级进入禁带或导带,d.电子受激时吸收的电磁波能量，会释放出来： a)电子和价带的空穴重新结合而释放出来 b)也可能通过禁带中的杂质能级而发生多级转移，从而发射出两个光子,c)还可能在电子能级转移中，放出一个声子和光子光子能量被吸收并转化为晶格的弹性振动，即离子的弹性振动与光子辐射产生谐振消耗能量，称为声子吸收。,3.介质的吸收系数光子在介质中
28、吸收，不仅与介质的电子能带结构有关，还与光程有关，即光通过介质的厚度，最后影响透射，光的强度变化：I=I0e x（朗伯定律）为介质对光的吸收系数，x为穿过的介质厚度。,空气：10-5cm-1 玻璃：10-2cm-1 金属：104cm-1（对可见光不透明）,1.2.3光学材料的温度特性,（1）晶体与玻璃态的转变特性1）晶体熔点晶体随着温度的升高，体积会线性增大，达到熔点时体积会急剧增大，变成熔体或液体有些液体或熔体，随着温度下降，达到熔点，会迅速结晶，减小体积变成晶体。,2）玻璃态材料的转变温度玻璃态材料随温度升高，体积增大，固体线性膨胀，当温度继续上升，到一定的温度范围时，膨胀加快，线性度破坏
29、，由固体变成熔体，温度再升高，熔体成为液体，这时液体体积增大又是线性膨胀过程。反过来，液体随温度的下降体积逐渐减小，不会产生体积剧变而析成晶体，减小的过程正好和融化过程相反，是一个可逆的变化过程。玻璃态材料从固体变成液体或液体变成固体的转变过程中，是一个渐变的过程，没有明显的固液相分界点，称为玻璃态材料的转变温度特性将两个线性温度变化区变化直线交点所对应的温度点，成为转变温度Tg（精度+/-15）,（2）材料的粘度粘度是材料性能的重要参数之一 所谓粘度，是描述粘滞流动的物理量，它指截面积为s的两平行液层，以一定速度梯度dv/dl移动时需克服的内摩擦阻力 ff=s.dv/dl称粘度（粘度系数：单
30、位帕秒 pa.s=10泊）,转变温度Tg约550C，此时的粘度1013泊，温度高于Tg时，粘度为1021012泊 玻璃热加工范围： 102103泊：一次压形 105泊左右：二次压形，误差较小 106109泊：吹制玻璃器皿 1081012泊：玻璃精密压形,（3）固体材料的热膨胀系数固体的点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大，导致微观上晶胞参数增大，宏观上晶体膨胀。 平均线膨胀系数为：aL=(L2-L1)/L0(T2-T1)+aL 分别是样品在温度时的长度，是温度在20时的样品长度，是石英玻璃在温度范围内的平均线膨胀系数，单位/C 国标规定用石英膨胀仪测量，规定的温度范围为-6020和2012
31、0,几种材料的线膨胀系数：aL*10-6/(1/C)铸铁 10.512黄铜 18.52140%C碳钢 11.3铝 23.6316不锈钢 16.0氧化铝 8.8尖晶石（MgAl2O4) 7.6玻璃 0.9石英玻璃 0.5聚乙烯 60220聚苯乙烯 5085,（4）固体材料的比热容,在某一温度下，单位质量的玻璃升高1C所需要的热量称为玻璃的比热容，用c表示，若以m表示玻璃的质量，Q表示热量，T表示温度，则：玻璃的比热随温度的升高而增加，从测量的角度，在到T1T2温度范围内，一般也采用平均比热的概念，常用单位是J/(kg.C),（5）玻璃的内应力又称为热应力，在玻璃冷却过程中，玻璃内外层温度变化的速
32、率不同，从而造成内外层的结构不同，形成的残留应力。内应力对玻璃的影响：1）玻璃的均匀性，影响光学常数2）对玻璃产生破坏，产生裂纹，甚至崩裂光学玻璃由于均匀性的极高要求，必须使得其内应力尽可能地消除到最小的程度，通常通过对玻璃的粗退火和精密退火。,退火是将玻璃加热到低于玻璃转变温度Tg附近的某一温度，进行保温均热，以消除玻璃各部分的温度梯度，使应力松驰释放，然后再按应力消除的允许程度恒速缓慢降温的工艺过程。光学玻璃的精密退火要求在特制的、温度梯度很小的精密退火炉中进行，保温时间一般不低于24小时，线性降温很慢，大块的光学玻璃开始降温的速度大约是每小时1度的水平，以便内应力的良好消除。,1.2.4
33、固体的力学性能,（1）密度单位体积的质量称为密度。固体的密度主要取决于构成固体的原子质量，也与原子堆积紧密程度有关，所以密度是表征固体结构的参数。玻璃的密度与成份关系十分密切、十分敏感，成分不同，密度差别很大，如石英玻璃的密度最小，为2.2g/cm3,而牌号中带有重字的玻璃密度大，如重火石(ZF)玻璃可达6.5g/cm3，普通的钠、钙、硅玻璃密度约为 2.5g/cm3,（2）硬度指抵抗其它物体侵入能力。硬度是影响零件加工的重要因素，不同硬度的材料加工工艺条件要不一样。硬度取决于化学成分和微观结构，玻璃中石英和含有1012%的硼硅酸盐玻璃硬度最大，多铅或碱性氧化物含量大的玻璃硬度最小。,1）抗压
34、硬度（显微硬度仪测定） 1.努普硬度（Knoop）：压头采用对称棱角为172.5度和130度的四角锥金刚石，加压负荷F（0.981N），垂直压在样品表面，保持一定时间（5S）后，撤出负荷，6min内测出样品上压痕的长度d，求出HK=0.102F/0.07028d2=1.451F/d2 2.维克硬度（Vicker）：压头采用对称棱角为136度的正方锥金刚石， Hv以负荷除以压痕表面积计算，,Hv=P/d2/2sin(136/2)=1.854P/d2 加压负荷P ，压痕的对角线长度d,2）刻划硬度 矿物抵抗刻划作用力 1.显微刻划 用钢针（缝纫针）和铜针（纯铜电线磨制）刻划矿物表面， a.高硬度：
35、钢针刻不动（黄铁矿、赤铁矿） b.中硬度：钢针能刻动，铜针刻不动（黄铜矿、闪锌矿） c.低硬度：铜针刻得动（方铅矿、辉钼矿）,2.莫氏硬度,矿物对刻，改进的Mohs硬度标度和相应的材料 硬度标度 材料 1（1） 滑石 Mg3Si4O10(OH)2 2（2） 石膏 CaSO42H2O 3（3） 方解石 CaCO3 4（4） 萤石 CaF2 5（5） 磷灰石 Ca5(PO4)3(OH,F,Cl) 6（6） 正长石 KAlSi3O8 7 玻璃态硅石 SiO2 8（7） 石英 SiO2,9（8） 黄玉 Al2SiO3(OH,F)2 10 锌光晶石 ZnAl2O4 11 玻璃态锆石 ZrO2 12（9）
36、 玻璃态氧化铝 Al2O3 13 碳化硅 Si C 14 碳化硼 BC 15（10） 金刚石 C,3）抗磨硬度固体抵抗研磨的能力 1.相对研磨硬度在相同的研磨条件下，被测玻璃相对于标准玻璃（K9）的研磨硬度A=V0/V （标准玻璃样品的被研磨体积V0与被测玻璃的研磨体积V的比值） 2.光片比较硬度将不同固体毗邻，然后研磨抛光一起制成光片，显微镜下观察，毗邻的固体软硬不同，之间形成一个斜面，交界线上产生暗条纹，交界线一边比另一边亮，产生亮线方向的固体比另一边的软，或调节物镜焦点上升，亮线向低硬度固体方向移动。,（3）固体的脆性是指当负荷超过固体的极限强度时，立即破裂的特性。固体没有屈服延伸阶段，
37、当受到突然施加的负荷冲击时，固体内部的质点来不及作适应性的流动，从而产生破裂，其破裂常常会呈辐射状的条纹。固体的脆性，可以用显微硬度计，测得开始产生裂纹时的负荷来表示。一般玻璃脆性比较明显,（4）固体机械强度一般用固体抗压、抗张、抗折、抗冲击强度等指标表示。玻璃的机械强度的特点是，抗压强度高，抗张、抗折、抗冲击强度不高，玻璃的抗压强度一般在之间（520）*108 Pa ，而抗张强度一般在（3.48.3）*106 Pa之间。影响玻璃机械强度的因素主要有：化学键强度、微不均匀性、结构缺陷、微裂纹和外界条件如温度、活性介质、疲劳等。,（5）固体弹性固体在外力作用下发生变形，当外力去掉后能恢复原来的形
38、状和尺寸的能力称为固体弹性。可立即恢复的变形称为弹性形变。材料在弹性变形范围内，其应力与应变之间都服从胡克定律： 正应变力：=E（ 正应变，E弹性模量（杨氏模量） 切应变力：=G（ 切应变，G切变模量）,材料的弹性模量E、剪切模量G和泊松比 ，三者之间有如下关系：E/G=2（1+） 表示材料 在拉伸试验时系指材料横向收缩率与纵向伸长率的比值。,一般玻璃的泊松比在0.110.30内变化，弹性模量为441882GPa大多数无机材料的泊松比在0.290.33，弹性模量0.1100GPa一般金属的泊松比在0.290.33，弹性模量0.1100GPa 显然，玻璃的弹性远不如金属。,1.2.5光学玻璃的化
39、学稳定性,（1）耐潮湿稳定性是指光学玻璃抗水气、CO2、SO2等潮湿大气的侵蚀能力1）侵蚀过程玻璃表面某些离子吸附空气中的水分子，水分子以OH-1离子基团形式覆盖在表面，并不断吸收其它水分子或其它物质，形成几十个分子厚的薄层，玻璃表面的碱金属氧化物就会和水膜作用，变成碱金属氢氧化物的溶液，并进一步吸收水分，使玻璃表面受到破坏，产生“白班”或“雾蚀”等变质层实践表明：水气比水溶液对玻璃具有更大的侵蚀性开始都是以离子交换为主的释碱过程后期碱的浓度增大，水溶液对碱有稀释作用，水气却不能，浓度大到一定时就过渡到以破坏玻璃网络结构为主CO2、SO2溶于水生成酸，与水解析出的碱作用，加快水解,2）浊度值H
40、评价玻璃耐潮湿稳定性的能力：表面“白斑”“雾蚀” 变质层使平行光的散射性增大，利用散射光测量来评价侵蚀程度 方法：两面抛光的玻璃样品置于70+/-1 饱和蒸汽条件下侵蚀7昼夜，测量散射光，计算浊度值H 。国标把玻璃耐潮湿稳定性分为4级：1级浊度值小于或等于BaK7玻璃的浊度值，且无水斑；2级浊度值小于或等于BaK7玻璃的浊度值，但有水斑；3级浊度值，虽大于BaK7玻璃的浊度值，但小于或等于ZK9玻璃的浊度值；4级浊度值大于或ZK9等于玻璃的浊度值。,（2）耐酸稳定性一般酸并不直接与玻璃起反应，酸通常都是在玻璃产生水解后才参与，浓酸中水的含量低，所以浓酸对玻璃的侵蚀能力反而低于稀酸。 氢氟酸对玻
41、璃的硅离子有较强的作用，对玻璃的腐蚀较大通常用酸度为PH2.9醋酸、PH4.6标准醋酸盐、PH6.0的蒸馏水来侵蚀玻璃样品，来判断耐酸稳定性（在白炽灯下观察样品表面出现紫蓝干涉色的时间）,耐酸稳定性的分类级别,1.3常用光学材料-光学玻璃,在在玻璃的家族中，光学玻璃是一种特种玻璃，它具有更严格的光学常数，更好的均匀性和更高的透明度，好的化学稳定性。 大多数的光学玻璃以硅酸盐玻璃为主组成，添加铅、钾、钠、钡、砷、铝等多种氧化物按一定比例在高温时形成盐溶液体，经过冷却获得一种过冷的无定型熔融液体。 其次还有硼酸盐玻璃和磷酸盐玻璃为主组成，添加铅、钾、钠、钡、砷、铝等多种氧化物。 主要分为：无色光学
42、玻璃（呈透明无色状、应用最广泛、用量最多）有色光学玻璃（呈一定颜色状态）特种光学玻璃（红外、紫外、石英、防/耐辐射、激光玻璃 、非线性玻璃）,1.3.1无色光学玻璃,（1）无色光学玻璃分类按照色散系数的大小分两大类，根据玻璃在领域图的位置（即折射率和色散系数不同）和化学组分，分成18小类：1）火石玻璃（d小于50，代号F）色散大、折射率高、透明低差呈淡黄色、含PbO量大于3% 、质软而重分为9个类型：轻火石QF、火石F、钡火石BaF、重钡火石ZBaF、重火石ZF、镧火石LaF、重镧火石ZLaF、钛火石TiF、特种火石TF2）冕牌玻璃（ d大于50， 代号K）色散小、折射率低、透明、含PbO量小
43、于3% 、质硬而轻分为9个类型：轻冕QK、氟冕FK、冕K、磷冕PK、钡冕BaK、重冕ZK、镧冕LaK、特冕TK、冕火石KF,3）色散系数光学玻璃可以控制光的传播和改变光波的相对光谱能量分布，它是由折射率决定，随不同波长的变化而折射率不同，即色散存在。折射率和色散都称为光学常数，色散大小用色散系数d，也称阿贝数表示：d=（nd-1）/（nF-nC）nF-nC表示中部色散（也称主色散）nd 、nF、 nC分别表示不同波长下的折射率国际上统一规定以下列波长为标准： d、F、C分别表示587.56nm（氦He光谱中的d线）、 486.13 nm （氢H光谱中的F线）、656.27nm（氢H光谱中的C线
44、）波长,4）无色光学玻璃nd-d领域图,（2）无色光学玻璃的牌号按照国家标准GB903-87规定，无色光学玻璃分为：普通（P）和耐辐射（N）两个光学玻璃系列，其序号分别为199和501599例：K9-517642 表示普通P系列的冕牌光学玻璃9号，色散系数51.7，折射率1.642例：K509 表示耐辐射N系列的冕牌光学玻璃509号例：BaF502表示耐辐射N系列的钡火石光学玻璃502号,耐辐射（N）系列光学玻璃，在折射率和色散 系数上和普通（P）系列光学玻璃对应。N系列玻璃具有抗辐射的性能，在具有射线和X射线的环境中能温度工作，P系列玻璃在此环境中会变暗甚至时间长不透光了。耐辐射玻璃，要在出
45、厂前，经过射线辐照（剂量105伦琴）后检测每厘米厚度上光密度增量D/cm；或等剂量X射线辐照后检测每厘米厚度上光密度增量D1/cm,（3）无色光学玻璃的化学成分光学玻璃是由多种化合物形成的含有微晶体的网络状固体1）光学玻璃主要组分氧化物光学玻璃多是以氧化物为主：网络体由A2O3/AO2/A2O5型氧化物构成，如SiO2、B2O3、P2O5、As2O3、Sb2O3、Al2O3、Ta2O5；其中As2O3、Sb2O3可作为澄清剂，改善玻璃透光性能网络外体由A2O/AO型氧化物构成，如Na2O、K2O、CaO、PbO、BaO、ZnO。其中Na2O、K2O主要降低熔炼时玻璃粘度和熔炼温度， CaO、P
46、bO、BaO、ZnO主要用于调整光学常数,2）各类氧化物对玻璃结构和性质的影响 各类氧化物的含量不同，形成玻璃的结构和性质不同,3）耐辐射玻璃的成分在普通光学玻璃玻璃中加入少量的多价离子，如CeO2、As2O3、Sb2O3、Cr2O3,增强耐辐射性。普通光学玻璃在受到高能辐射时，会产生自由电子或空穴，其中自由电子占据玻璃中网络结构点阵的空位，就形成一个色心，从而在可见光区域产生新的吸收带，引起变色或发黑。另外，强辐射会导致玻璃中化合物原有的键断裂和形成，从而是玻璃变坏、变质。加入少量的多价离子，可以使辐射产生的自由电子或空穴与多价离子反应，使其价态改变，不产生新的色心。,（4）光学玻璃供货状态
47、 1）熔炼玻璃成形方法 1.浇注法成形在坩埚内将玻璃熔炼，然后浇注在运动的金属模中成形 2.滚压法成形在坩埚内将玻璃熔炼，然后浇注在运动的滚压台上成型 3.玻璃扁条料成形在池炉内将玻璃熔炼，然后在连续退火炉内石墨槽中成形，从退火炉内传送出来，划割分成玻璃扁条料 4.牵引成形 5.浮法成形 6.滴料成型,2）供货形状 1.扁条料：厚度大于15mm，厚度与宽度比大于1:8，切断面为自然透明面，其余四面为自然成型面，经过粗退火和精密退火 2.板料：厚度等于或小于15mm，厚度与宽度比小于1:8，切断面为自然透明面，其余四面为自然成型面，经过粗退火和精密退火 3.切割块料：两个大面细磨，其余四面粗磨，
48、边角稍倒棱，经精密退火 4.浇注大块料：直径或边长大于或等于200mm，厚度50mm以上的浇注玻璃，经精密退火，表面不加工 5.果形料：横截面几乎为圆形的毛坯，重量和体积按用户需要确定，未经精密退火。 6.薄板料：浮法玻璃法生产厚度2mm左右,7.热压型料：压制成透镜或棱镜形状的毛坯。分为直接滴料压制成型的型料毛坯（DP）和块料玻璃再次加工热压成型的型料毛坯（RP），均精密退火。型料尺寸公差：,3）批次与批号光学玻璃生产方式分为坩埚熔炼和铂金池熔炼。坩埚熔炼一次一批，批量小；铂金池熔炼连续熔炼，批量大；但都是批次生产。玻璃生产随原料的产地变化和批量、熔炼工艺参数的微量变化，不同批的玻璃光学常数有微量变化，通常情况下不同批玻璃生产的光学零件是可以互换的，但是必须满足零件对玻璃光学常数的要求。要求高时就尽可能的采用同一批玻璃。即使同一批玻璃也不能满足要求是，就必须每块玻璃都进行光学常数的检测生产厂家供应的玻璃都有批号：熔炼号和退火号,
