光學(xué)設(shè)計(jì)第04章 光學(xué)材料

第四章光學(xué)材料光學(xué)材料包含光學(xué)玻璃、工程塑料、天然晶體、人工晶體，以及若干種金屬，如鋯、銀、金、鎳、鍺、鈹及其若干金屬和非金屬氧化物。作為光學(xué)材料，必須滿(mǎn)足一些基本要求，如要具有良好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，可加工性，具有均勻的折射率分布等。用作鏡頭的光學(xué)材料，最重要的性能是折射率和透過(guò)率，這兩個(gè)物理量都隨波長(zhǎng)變化，是波長(zhǎng)的函數(shù)。折射率隨波長(zhǎng)的變化稱(chēng)為色散。影響光學(xué)材料透過(guò)率的主要因素有界面的反射損失和材料的吸收損失。對(duì)反射用的光學(xué)材料而言，反射率是最重要的指標(biāo)。光學(xué)鍍膜是在光學(xué)元件(透鏡、棱鏡、反射鏡等)表面鍍上單層或多層金屬或非金屬薄膜以改善光學(xué)性能，例如：增透膜，反射膜，半反半透膜，以及其它特殊用途的膜層?！?.透射光學(xué)材料的特性一．光能的反射和吸收損失根據(jù)菲涅爾公式，光由普通介質(zhì)材料表面反射的系數(shù)為1R=-2sin2(I一I/)tan2(I一I/)+sin2(I+I/)tan2(I+I/)式中I和I/是入射角和折射角。當(dāng)光垂直入射時(shí)：(n/-n)2R=(n/+n)2式中：n和n/透鏡表面前后介質(zhì)的折射率。對(duì)于透鏡來(lái)說(shuō)，表面的反射是一種光能損失。對(duì)于由k個(gè)表面組成的光學(xué)系統(tǒng)，不計(jì)材料的吸收損失時(shí)，其透過(guò)率為：T=(1—R)k=tk11在光學(xué)系統(tǒng)中，膠合面兩邊介質(zhì)的折射率差通常小于0.3，因此，反射損失通常小于0.5%，可以忽略不計(jì)。光經(jīng)過(guò)光學(xué)材料時(shí)，光能量難免不被吸收，光經(jīng)過(guò)厚度為xmm的光學(xué)材料，如果只計(jì)吸收，其透過(guò)率為K=tx=e—ax2式中：a為材料的吸收系數(shù)如果把光學(xué)材料表面的反射損失和材料內(nèi)部的吸收損失均考慮在內(nèi)，則光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率是其表面透過(guò)率和材料內(nèi)部透過(guò)率的乘積：T=TK=tk-1x=tk-e一ax1121上面只是適用于各反射面的反射率相同的情況。對(duì)于空氣中的單透鏡來(lái)說(shuō)，兩個(gè)反射面折射面）的反射率以及透過(guò)率不同，則透過(guò)率為T(mén)TKT=1—K2RR12如果忽略材料的內(nèi)部吸收（K=1），則單透鏡TT1折射面）的反射率以及透過(guò)率不同，則透過(guò)率為T(mén)TKT=1—K2RR12如果忽略材料的內(nèi)部吸收（K=1），則單透鏡TT1—RR二．折射率光學(xué)材料的折射率是光學(xué)材料的另一個(gè)重要的指標(biāo)參數(shù)，它是波長(zhǎng)的函數(shù)，如圖4－1所示。光學(xué)材料的折射率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律現(xiàn)在還沒(méi)有找到一個(gè)統(tǒng)一的公式，只有一些經(jīng)驗(yàn)公式：1.柯西（Cauchy）公式:n（X）=b ca+ + +…X2 X42.哈特曼（Hartmann）公式之一:n（X）=b（c—X）1.23.哈特曼（Hartmann）公式之二:圖4－1光學(xué)材料的折射率隨光波長(zhǎng)的變化n（X）=4.康拉第（4.康拉第（Conrady）公式:5.cX3.55.cX3.5n2（X）=e+e—X2n（X）=凱特勒一德魯特（Kettler—Drude）公式:6.賽爾梅爾（Sellmeier）公式:TOC\o"1-5"\h\z（） bX2 dX2n2\X）=a+ + +…c—X2 e—X27.赫茲博格（Hertzberger）公式:n（7.赫茲博格（Hertzberger）公式:n（X）=2—0.035）+d2—0.035三.光學(xué)材料的特征折射率對(duì)于在可見(jiàn)光范圍內(nèi)使用的光學(xué)材料，一般用它對(duì)于d線(xiàn)（氦：X=587.6nm）的折射率或者D線(xiàn)（鈉：X=589.3nm）的折射率n或n（稱(chēng)為平均折射率），以及平均色散n—ndD Fc公式（F線(xiàn)，氫：X=486.1nm；C線(xiàn)，氫：X=656.3nm）,來(lái)表征材料的折射率特征。平均折射率和平均色散之間的關(guān)系為:

n一1V=d n一nFc其中V稱(chēng)為材料的阿貝數(shù)。在一般情況下，用平均折射率n和阿貝數(shù)V來(lái)表征光學(xué)材料的折射率特性，但在分析d二級(jí)光譜時(shí)，還要知道相對(duì)部分色散："C■D"Cn一nFc§2.普通光學(xué)玻璃在可見(jiàn)光區(qū)域和近紅外區(qū)域，光學(xué)玻璃幾乎是一種理想的光學(xué)材料，它性能穩(wěn)定，容易加工，均勻性好，透過(guò)率高，價(jià)格適中，而且光學(xué)玻璃的折射率范圍較大（1.45?1.90）,色散范圍（V=25?70）。這些優(yōu)點(diǎn)是光學(xué)玻璃在光學(xué)儀器中廣泛應(yīng)用的主要原因。光學(xué)玻璃的折射率（n）和阿貝數(shù)V之間的關(guān)系可用圖表的形式表示出來(lái)，如圖4—2d圖4圖4—2玻璃光學(xué)材料的折射率與阿貝數(shù)光學(xué)玻璃的主要成分是二氧化硅（SO）,通過(guò)摻雜不同的元素而使其性能發(fā)生變化。i2光學(xué)玻璃分為兩大類(lèi)，即冕牌玻璃和火石玻璃。冕牌玻璃的阿貝數(shù)通常等于或大于50，火石玻璃的阿貝數(shù)V通常小于50。還有一類(lèi)光學(xué)玻璃是稀土玻璃，是在玻璃原料中加進(jìn)適量的稀土元素而構(gòu)成的。其特點(diǎn)是折射率和阿貝數(shù)都較高。光學(xué)玻璃主要按下列質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)和分級(jí)：折射率、色散系數(shù)等與標(biāo)準(zhǔn)值的允許差值同一批玻璃中，折射率與色散系數(shù)的一致性光學(xué)均勻性應(yīng)力雙折射條紋度6.氣泡度7.光吸收系數(shù)8.耐輻射性能§3.有色光學(xué)玻璃有色光學(xué)玻璃是這樣一類(lèi)材料，它們透過(guò)特定顏色的光。它在規(guī)定的光譜范圍內(nèi)的透過(guò)和吸收性能稱(chēng)為光譜特性。有色光學(xué)玻璃分為離子著色和膠體著色兩大類(lèi)。離子著色是利用過(guò)渡金屬和二價(jià)銅稀土元素等離子對(duì)光譜區(qū)的吸收作用制成的玻璃，包括紫色、藍(lán)色、綠色和中性濾光片等玻璃膠體著色是以硫化鎘、硒化鎘等半導(dǎo)體化合物為著色劑的，其光譜特性是吸收短波長(zhǎng)區(qū)域，在濾光玻璃中的黃、橙、紅色屬于這一類(lèi)玻璃。有色玻璃主要用來(lái)制作濾色鏡，用在觀察、電影、電視、色度等領(lǐng)域。有色光學(xué)玻璃按照吸收率的光譜曲線(xiàn)參數(shù)、雙折射、條紋度、氣泡度等質(zhì)量指標(biāo)分類(lèi)和分級(jí)?！?.特殊光學(xué)材料普通光學(xué)玻璃不能完全滿(mǎn)足光學(xué)儀器的基本物理要求，如在冷熱變化劇烈或在冷熱變化范圍大的環(huán)境中使用的光學(xué)儀器，在紅外波段工作的光學(xué)儀器，在核輻射環(huán)境下工作的光學(xué)儀器，在潮濕環(huán)境下工作的光學(xué)儀器等，均需要一些具有特殊性能的光學(xué)玻璃。低膨脹玻璃一些硼硅酸鹽玻璃的膨脹系數(shù)低于普通玻璃膨脹系數(shù)的一半，在（30?40）x10-7/C之間。熔石英，這種高純度的二氧化硅材料，其膨脹系數(shù)為2.1x10-7/Co它的紫外和紅外透過(guò)率均超過(guò)普通玻璃。它還具有很強(qiáng)的耐輻射能力。紅外光學(xué)材料在紅外波長(zhǎng)下工作的光學(xué)儀器越來(lái)越多，特別是在軍事方面，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。玻璃類(lèi)：（1） .密度較大的火石玻璃：其折射率為1.8?1.9，透過(guò)率可延伸到4?5卩m（2） .砷硒玻璃：透過(guò)率由0.8卩m延伸到8卩m，但它致命的缺點(diǎn)是，在70C時(shí)就軟化或變?yōu)榭闪鲃?dòng)的膠體了⑶.砷的三硫化合物玻璃：透過(guò)率為0.6卩m?13卩m（4）.熔石英玻璃：透過(guò)率為0.2卩m?0.3卩m金屬氯化物、氟化物、溴化物、碘化物。天然晶體和人工晶體。耐輻射材料高純度的熔石英是典型的耐核輻射的光學(xué)材料。耐潮濕及耐腐蝕玻璃在熱帶亞熱帶使用的光學(xué)儀器要求耐潮濕；在海上和水下使用的光學(xué)儀器不但要耐潮濕，還要耐鹽霧和水的直接侵蝕，這就需要耐潮濕和耐腐蝕的光學(xué)玻璃。通常，冕牌玻璃耐潮濕和耐腐蝕的能力要優(yōu)于火石玻璃?，F(xiàn)在多采用在光學(xué)元件表面鍍上三防膜（防潮、防腐、防鹽霧）的辦法來(lái)增加光學(xué)玻璃的耐潮濕和耐腐蝕的性能。

§5.晶體材料隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)晶體的應(yīng)用已超出了傳統(tǒng)的應(yīng)用范疇，進(jìn)入到聲光、電光、磁光和激光領(lǐng)域。絕大多數(shù)光學(xué)晶體的透光范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通玻璃，在紫外和紅外均有很好的透過(guò)，因此可以用它們制作紫外和紅外儀器中的窗口、分光棱鏡、透鏡等。此外，利用晶體的雙折射性質(zhì)，還可以制作偏振元件。石英晶體和方解石因其雙折射而限制了他們的應(yīng)用，主要用來(lái)制作偏振元件。藍(lán)寶石特別硬，通常用做窗口材料和干涉濾光片的基底。鹵素類(lèi)具有良好的透過(guò)率，但物理性能較差，較軟，易碎，有時(shí)還吸濕和潮解。鍺和硅是紅外裝置中廣泛采用的材料。氧化鈣，在超紫外和紅外有很好的透過(guò)率。此外，它的部分色散特性使得它同光學(xué)玻璃組合后，可以消除二級(jí)光譜。天然晶體遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了現(xiàn)代光學(xué)工程發(fā)展的需要，特別是激光技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，對(duì)晶體材料的性能和質(zhì)量都提出了更高的要求，為此，人工晶體得到迅速發(fā)展，除了很早的熔石英外，固體激光器用的很多晶體都被生長(zhǎng)出來(lái)了。光學(xué)晶體按下列各項(xiàng)指標(biāo)分級(jí)和分類(lèi)：折射率n和平均色散（n-n）與標(biāo)準(zhǔn)值的允許偏差DFC紫外（0.2卩m）和紅外（5卩m）處的透過(guò)率與標(biāo)準(zhǔn)值的比較應(yīng)力雙折射散射顆粒度白光吸收系數(shù)光學(xué)均勻性§6.塑料光學(xué)材料光學(xué)塑料符號(hào)a:PMMAb:P-styrc：光學(xué)塑料符號(hào)a:PMMAb:P-styrc：SANd:PEIe:P-carbfrPCHMA圖4－3塑料材料的折射率與阿貝數(shù)塑料也有優(yōu)點(diǎn)，如容易壓膜成型，可大規(guī)模生產(chǎn)成本低，重量小，耐沖擊力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前，只在放大鏡、玩具光學(xué)、眼鏡光學(xué)、中低檔自動(dòng)相機(jī)中得到應(yīng)用。某些照明系統(tǒng)的聚光鏡有時(shí)也采用光學(xué)塑料。圖4－3給出了部分光學(xué)塑料的折射率和阿貝數(shù)。

§7.漫射材料漫射材料就是入射到其表面上的光向所有方向散射，從而導(dǎo)致在不同方向觀察，都具有幾乎相同的亮度。一個(gè)完善的漫射體，在任何角度下均有相同的表觀亮度。反射漫射體，如氧化鎂和碳化鎂，常用在光學(xué)計(jì)量中。透射漫射體，最常用的是乳白玻璃和毛玻璃，常用作后視投影屏。近年來(lái)，出現(xiàn)了臘質(zhì)屏、微棱鏡屏、光珠式屏等透明式漫射體，它們?cè)谕该鞫群途鶆蛐缘确矫娑純?yōu)于乳白玻璃和毛玻璃。§8.反射膜雖然拋光的金屬平面或球面有時(shí)候也可以用作反射鏡表面，但絕大多數(shù)光學(xué)反射鏡是通過(guò)在基底的拋光表面上鍍一層或多層薄膜的方法得到的。基底材料主要是玻璃，也有用金屬做的。最常使用的反射膜是鋁，其次是銀和金，是采用在真空中使用蒸鍍的方法把金屬沉積在基底上。鋁膜在寬的光譜范圍內(nèi)有較高的反射率，在使用合理時(shí)還具有相當(dāng)好的穩(wěn)定性。銀膜反射率略高于鋁膜，但是銀膜會(huì)隨著時(shí)間變暗，因此反射率會(huì)隨著時(shí)間而降低，特別是在短波長(zhǎng)處，只有對(duì)銀膜加以保護(hù)，才能發(fā)揮它的高反射率特性。金膜可以在可見(jiàn)光的長(zhǎng)波部分和近紅外區(qū)還有較高的反射率，可以超過(guò)95％，但要對(duì)金膜進(jìn)行保護(hù)?！?.增透膜增透膜，有時(shí)也稱(chēng)為單層減反膜，是最簡(jiǎn)單的光學(xué)薄膜。圖4－4光線(xiàn)在增透膜中的折射薄膜的光學(xué)厚度（n-d）,就是光線(xiàn)在介質(zhì)中的幾何路徑長(zhǎng)度與其折射率的乘積。如果在其基底上鍍上增透的單層膜，其光學(xué)厚度等于4圖4－4光線(xiàn)在增透膜中的折射單層膜的反射率為：r2+r2+2rrcosxR=2?r2匕1+rr+2rrcosx12124冗ndcosI式中：x= 1 1入一sin（I-I）sin（I一sin（I-I）sin（I■0一sin（I0sin（itan（I一I）或r= 0 1'1 tan（I+I丿十tan（I一I）或r= 1 込2tan\I+I丿12121212上式中，九為波長(zhǎng)，上式中，九為波長(zhǎng)，d為膜層的幾何厚度，n0、n］、n2為入射介質(zhì)、膜層材料、基底材料的折射率，I、I、I為入射角和折射角。如圖4－4所示。012至于反射率r和r是用正弦還是用正切來(lái)表示則取決于入射光的偏振狀態(tài)。對(duì)于非偏12振光，它由兩組偏振組成，R對(duì)每種偏振都要計(jì)算，并對(duì)二值加以平均。當(dāng)入射光垂直入射時(shí)：(I=I=I=0),則012nr=-o

1nr=-o

1n0-n

1+n1當(dāng)r=r時(shí)，12則總反射率為零，此時(shí)，n-n―0 1當(dāng)r=r時(shí)，12則總反射率為零，此時(shí)，n-n―0 1n+n01n-n=—1 ?n+n

12得：n=n10如果入射介質(zhì)為空氣，基底為玻璃，則：n1；n2這樣，如果要在空氣—玻璃界面間完全消除反射，則要求在二者之間鍍一層薄膜，其光學(xué)厚度為24，折射率為玻璃折射率的平方根值。如果玻璃的折射率為1.6，則要求薄膜材料的折射率為1.265，目前還很難找到折射率這么低的可用材料，氟化鎂的折射率為1.38，是目前發(fā)現(xiàn)的能滿(mǎn)足要求的最好材料之一，此外，它質(zhì)地堅(jiān)硬，穩(wěn)定性好，因此，它除了起增透作用外，還是一層保護(hù)膜，增加了某些玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性。鍍膜表面的反射率是隨波長(zhǎng)變化的，對(duì)于某一波長(zhǎng)，膜厚度滿(mǎn)足四分之一波長(zhǎng)的光學(xué)厚度要求了。鍍膜的光學(xué)表面通常是對(duì)黃綠光的反射率最低，而對(duì)于紅光和藍(lán)光的反射率會(huì)高于對(duì)黃綠光的反射率