1、第八章 透光和导光材料,一、透光材料的特征值 1. 透射率 T 透射率T为透射光强IT 与入射光强I0 之比T=IT/I0，也称透光率。 入射光强Io，射入介质的光强为(1-R)Io，反射掉部分光强为IoR。,8.1 透光材料,第八章 透光和导光材料,射入介质的光在穿过介质时被吸收一部分后，达到介质另一面的光强为:Io(1-R)e-al 又被反射回介质内的光强为: IoR(1-R) e-al 最后透射出介质的光强:IT Io(1-R)2e-al,透射率T为: T=(1-R)2e-al 试中，吸收系数；l介质长度。 一般取介质长度为1Omm的值作为标准。,第八章 透光和导光材料,2. 光密度 D
2、,3. 内透射率内透射率所表示光线在透过介质时，只考虑吸收不考虑反射的特征值。,Dr为反射修正值。 光密度的物理意义：吸收(0.434l)和反射(Dr)两部分损失之和。,吸收系数越大时，值就越小，材料的透光性能就越不好。,第八章 透光和导光材料,4. 平均色散系数D 透光材料中光学玻璃通常按折射率nD和平均色散系数D两个光学常数进行分类。 平均色散系数的表示为:,D平均色散系数，也称阿贝数；（数值越小色散现象越厉害） nF材料对标准谱线 F(=4861.3) 的折射率； nC材料对标准谱线 C(=6562.7) 的折射率； nD材料对标准谱线 D(=5892.9) 的折射率。 nF-nC平均色
3、散，也称中部色散。,第八章 透光和导光材料,二、透光材料的种类 透可见光的材料常用的有玻璃和高聚物两大类。 1. 玻璃材料玻璃材料的优点：透射率最高(可高达98以上)，折射率范围大(1.441.94)，色散系数范围大(D= 2090)光学稳定性好，耐磨损。玻璃材料的缺点：密度大(2.276.26g/cm3)，耐冲击强度低，加工困难，制造周期长。目前玻璃是制造各种光学元件特别是高、精光学元件的主要的材料，各种经过特殊加工的玻璃也广泛用于其他用途。,第八章 透光和导光材料,2. 高聚物材料 另一类透光材料，发展较快，主要有聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、苯乙烯丙烯腈共聚体、聚甲基异戍二烯、透
4、明聚酰胺等。 高聚物透光材料的优点：重量轻、成本低、制造工艺简单、不易破碎。 高聚物透光材料的缺点：折射率范围窄，热胀系数、双折射和色散大，耐热、耐磨、硬度、耐湿和抗化学性能差。 高聚物材料材料的透射率已达到90左右，有的原来透射率不太高的树脂也已经制出透射率达到90的产品，正逐步应用于各种光学仪器以及其他用途上。,第八章 透光和导光材料,二、透光材料的应用举例,1.钢化玻璃 优点：第一是强度较之普通玻璃提高数倍，抗弯。第二是使用安全，其承载能力增大改善了易碎性质，即使钢化玻璃破坏也呈无锐角的小碎片，对人体的伤害极大地降低了。且一般可承受250度以上的温差变化，对防止热炸裂有明显的效果。 平钢
5、化、弯钢化玻璃属于安全玻璃。广泛应用于高层建筑门窗、玻璃幕墙、室内隔断玻璃、采光顶棚、观光电梯通道、家具、玻璃护栏等。,第八章 透光和导光材料,钢化玻璃的缺点： 1 .钢化后的玻璃不能再进行切割和加工，只能在钢化前就对玻璃进行加工至需要的形状，再进行钢化处理。 2 .钢化玻璃强度虽然比普通玻璃强，但是钢化玻璃有自爆（自己破裂）的可能性，普通玻璃不存在自爆的可能性。 3 .钢化玻璃的表面会存在凹凸不平的现象（风斑），有轻微的厚度变薄。,4.通过钢化炉（物理钢化）后的建筑用的平板玻璃，一般都会有变形，变形程度由设备与技术人员工艺决定。在一定程度上，影响了装饰效果。,第八章 透光和导光材料,2.聚甲
6、基丙烯酸甲酯（ PMMA）,又叫有机玻璃，俗称亚克力。有极好的透光性能，机械强度较高，有一定的耐热耐寒性，耐腐蚀，绝缘性能良好，尺寸稳定，易于成型，可作要求有一定强度的透明结构件，广泛应用于门窗、灯箱、铭牌等，且正常使用对人体几乎没有危害，所以也用于制作各种生活用品，如家具、卫浴设备、工艺品。它的缺点是质地较脆，易溶于有机溶剂，表面硬度不够，容易擦毛。,第八章 透光和导光材料,3.防弹玻璃 防弹玻璃是由玻璃透光材料或高聚物透光塑料经特殊加工得到的一种复合型材料。它具有普通玻璃的外观和传送光的行为，对小型武器的射击可以提供一定的保护，根据用途有的防弹玻璃还具备防爆功能的。,第八章 透光和导光材料
7、,二、比较新的透光材料 （一）透光高聚物 1. 高折射率高聚物透光材料 高折射率的聚合物，特别是密度较低的，其色散往往较大。2.低折射率高聚物透光材料含氟的透光聚合物折射率是透光高聚物中最低的，且具有良好的色散性、耐热性和耐腐蚀性。 3. 低双折射透光高聚物 透光高聚物的双折射来源于高聚物加工成形时的取向所产生的折射率各向异性。 4. 耐热的透光高聚物 在透光聚合物分子中引入耐热单体、大的侧基和提高交联度都可以提高其耐热性。,第八章 透光和导光材料,5. 硬度高的透光高聚物 提高透光高聚物的硬度的主要方法是提高交联度。交联型含有氨基甲酸酯官能团树脂的铅笔硬度可达 5H9H。但交联太高，刚性也增
8、大。 6. 高吸水率透光高聚物 随着隐形眼镜等接触透镜的实用化，要求高吸水率透光聚合物。常用单体MMA、HEMA、乙烯基吡咯烷酮等。 （二）透光玻璃 1. 透紫外玻璃 透紫外玻璃仍是应用最普遍的透紫外光学材料，包括有光学石英玻璃、透紫外黑色玻璃、钠钙硅透短波紫外玻璃以及钠钙透紫外玻璃等。2. 水合玻璃和梯度折射率光学材料在透光材料的开发研究中，值得提出的是水合玻璃和梯度折射率光学材料。,第八章 透光和导光材料,光纤材料：光通信中用于传播光信息的光学纤维所用的材料，又称为光波导纤维材料。光通讯可能是未来重要的通讯方式，通讯用光纤材料成为当今最引人注目的新型光传输材料，并得到了日益广泛的应用。,8
9、.2 光纤材料,一、光在光纤中传输的基本原理 1、全反射现象 光的全内反射现象是一切光纤的工作基础。 折射率n1n2，入射角1临界角0。,第八章 透光和导光材料,2、光在光纤中传播原理 光学纤维中光的传送是利用光的全反射原理。,入射光束以大于0的角度入射到芯子与包层的界面上，光线在界面上发生全反射，在芯中以锯齿状路径曲折前进，不会穿出包层，避免光在传播时的折射损耗。,3、传输模式 光在纤维中传输有一定的传输模式。具有一定频率、一定的偏振状态和传播方向的光波，叫做光波的一种模式。单模光纤：一种光纤只允许传输一个模式的光波。多模光纤：一种光纤允许同时传输多个模式的光波。,第八章 透光和导光材料,4
10、、子午光线和斜光线 光纤具有均匀的芯子（半径r，折射率n1）和均匀的包层（折射率n2，且n2n1）。 通过光纤的光线有子午光线和斜光线两种。 子午光线：在一个平面内弯曲行进的光线，在一个周期内和光学纤维的中心轴相交两次。 斜光线：不通过光学纤维的中心轴的光线。,作为子午光线行进的条件：,第八章 透光和导光材料,5、数值孔径NA 光学纤维的数值孔径NA定义为:,根据子午光线行进的条件，NA 值越大，0可以越大，因而有较多的光线进入芯子。但NA太大时，对单模传输不利，因为它易激发光的高次模传播方式。,第八章 透光和导光材料,二、光纤材料特征值 1、传输损耗 Q 传输损耗指光在纤维中传输途中的损耗，
11、表示为： Q=10log(I2/I1) (dB/km) I1入射光强；I2出射光强；Q传输损耗 (dB/km)。|Q|越大，光信息传播的距离就越短；|Q|越小，光信息传播的距离就越远。传输损耗Q值是衡量光学纤维通信介质质量好坏的一个最重要的指标。,第八章 透光和导光材料,形成光学纤维传播损耗的机理有吸收损耗、本征散射、波导散射三种。 （1）吸收损耗吸收损耗是指光纤本身或杂质粒子对光的吸收带来的损耗，又细可分为本征吸收、杂质吸收和 OH- 离子吸收。 （2）本征散射 本征散射又称为瑞利散射。由玻璃熔制过程造成的密度不均匀而产生的折射率不均匀所引起的散射，这种损耗随波长的增加而很快减小。另外，制作
12、中掺杂粒子不均匀也能引起散射，产生损耗。 （3）波导散射 波导散射是由波导的结构缺陷产生的，如波导芯的直径有起伏，界面粗糙，凹凸不平，就会引起传导模的附加损耗，即波导散射损耗。,第八章 透光和导光材料,2、传输带宽 传输带宽是影响信息传输能力的一个重要因素。 在光纤通信中，以光脉冲方式进行传输，光脉冲的调制频率愈高，传输的信息容量愈大。 影响传输带宽的两方面主要因素： （1）光脉波形冲畸变和展宽经输送的光脉冲传输一段距离后发生畸变和展宽(从方波窄脉冲变为钟形的方波脉冲)，展宽的结果使光脉冲波型重叠，结果分辨不出所携带的信息。 （2）色散 光学纤维的传输带宽受到色散的限制，不能无限制地增高光脉冲
13、的调制频率，提高传输的信息容量。介质材料、传输模式和光纤构造都会造成一定程度的色散现象。,第八章 透光和导光材料,四、光纤材料的应用 光纤通信是光纤的重要应用领域。光纤通信具有通信容量大，抗干扰，保密性好，重量轻、抗潮湿和抗腐蚀等优点。 另外光纤在医学、传感器、收发器、艺术等方面都有不同的应用。,第八章 透光和导光材料,医学应用：内窥镜 内窥镜是一种与电子胃镜类似，带有微型摄像头的器械，腹腔镜手术就是利用腹腔镜及其相关器械进行的手术：使用冷光源提供照明，将腹腔镜镜头（直径为310mm）插入腹腔内，运用数字摄像技术使腹腔镜镜头拍摄到的图像通过光导纤维传导至后级信号处理系统，并且实时显示在专用监视器上。然后医生通过监视器屏幕上所显示患者器官不同角度的图像，对病人的病情进行分析判断，并且运用特殊的腹腔镜器械进行手术。,
