光學(xué)設(shè)計(jì)-第10講-光學(xué)材料與加工

1光學(xué)材料五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院主要內(nèi)容2第一節(jié)光學(xué)玻璃第三節(jié)光學(xué)塑料第一篇光學(xué)玻璃一、玻璃的定義：玻璃：一種較為透亮的固體物質(zhì)，在熔融時(shí)形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，冷卻過(guò)程中粘度漸漸增大并硬化而不結(jié)晶的硅酸鹽類非金屬材料。一般玻璃化學(xué)氧化物的組成Na2O·CaO·6SiO2),主要成份是二氧化硅。廣泛應(yīng)用于建筑物，用來(lái)隔風(fēng)透光，屬于混合物第一節(jié)一般玻璃二、玻璃的特性各向同性介穩(wěn)性可逆性連續(xù)性無(wú)固定熔點(diǎn)其次節(jié)光學(xué)玻璃光學(xué)玻璃：用于制造光學(xué)儀器、或者透鏡、棱鏡、反射鏡的等的玻璃材料。與一般玻璃的區(qū)分在于光學(xué)玻璃具有很高的透亮度、均勻性和化學(xué)穩(wěn)定性以及特定而準(zhǔn)確的光學(xué)常數(shù)。其次節(jié)光學(xué)玻璃一、光學(xué)玻璃的分類無(wú)色光學(xué)玻璃一般光學(xué)玻璃耐輻射光學(xué)玻璃激光玻璃有色光學(xué)玻璃光學(xué)玻璃的主要參數(shù)(一)折射率我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：主折射率：指光學(xué)玻璃對(duì)鈉光d〔波長(zhǎng)0.5786μm〕的折射率，用nd表示；對(duì)F譜線(波長(zhǎng)0.4861μm的藍(lán)光)的折射率用nF表示;對(duì)C譜線(波長(zhǎng)0.6563μm的紅光)的折射率用nC表示。8色散表示光學(xué)玻璃對(duì)不同的光具有不同的折射率。色散大小用F譜線和C譜線之差表示，即nF－nC

，稱作中部色散。通常度量光學(xué)玻璃的色散程度用色散系數(shù)(又稱阿貝數(shù))vd

:〔二〕色散系數(shù)1、組成玻璃形成體：B2O3、P2O5、SiO2、As2O3中間體：Al2O3網(wǎng)絡(luò)外體：Na2O、K2O、CaO、BaO、PbO二、光學(xué)玻璃的主要特性二、光學(xué)玻璃的主要特性光學(xué)玻璃與一般玻璃的區(qū)分：特定和準(zhǔn)確的光學(xué)常數(shù)物理和化學(xué)上高度均勻性高度透亮性微小的內(nèi)應(yīng)力留意批次性第三節(jié)無(wú)色光學(xué)玻璃一、無(wú)色光學(xué)玻璃的分類1.兩大系列：一般光學(xué)玻璃系列〔P系列〕耐輻射光學(xué)玻璃系列〔N系列〕冕牌玻璃（K）火石玻璃（F）折射率小（1.50-1.55）折射率大（1.53-1.85）色散系數(shù)大（55-62）色散系數(shù)?。?0-45）質(zhì)輕而硬、透明度好質(zhì)重而軟、呈淡黃色、透明度差硼酸鹽玻璃加入氧化鉛2.兩大分類〔按色散系數(shù)大小〕3.18個(gè)類型：冕牌玻璃：FK、QK、K、PK、BaK、ZK、LaK、TK火石玻璃：KF、QF、F、BaF、ZBaF、ZF、LaF、ZLaF、TiF、TF4.135個(gè)牌號(hào)。各種氧化物對(duì)玻璃性質(zhì)的影響名稱減小增大二氧化硅相對(duì)密度、膨脹系數(shù)化學(xué)穩(wěn)定性、耐溫性、機(jī)械強(qiáng)度、粘度氧化鋁析晶能力（當(dāng)加2-5%時(shí)）機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性、粘度氧化硼析晶能力、粘度、膨脹系數(shù)化學(xué)穩(wěn)定性、溫度驟變抵抗性、折射率氧化鈉、鉀化學(xué)穩(wěn)定性、耐溫性、機(jī)械強(qiáng)度、結(jié)晶能力、硬度膨脹系數(shù)氧化鎂析晶能力、粘度（加25%時(shí)）耐溫性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度氧化鋇化學(xué)穩(wěn)定性相對(duì)密度、折射率、析晶能力氧化鉛化學(xué)穩(wěn)定性、硬度折射率氧化鋅膨脹系數(shù)耐溫性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度氧化鈣耐溫性膨脹系數(shù)、硬度、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、析晶能力二、耐輻射玻璃光學(xué)玻璃在吸取x射線和γ射線后，會(huì)著色、變暗甚至變得不透亮，導(dǎo)致儀器無(wú)法正常工作。緣由：光學(xué)玻璃在x射線和γ射線的作用下形成電子空穴對(duì)，這些電子空穴對(duì)與玻璃種的缺陷形成色中心；多價(jià)態(tài)金屬氧化物在x射線和γ射線的作用下發(fā)生價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)變，形成吸取帶。解決方案：參加Ce離子。作業(yè)：在一般光學(xué)玻璃種參加Ce離子，為什么可以抗輻射？19折射率、色散系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的允許差值以及全都性，光學(xué)均勻性，應(yīng)力雙折射，條紋度，氣泡度，光學(xué)吸取系數(shù)，耐輻射性能光學(xué)玻璃的主要質(zhì)量指標(biāo)1、折射率、色散系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的允許差值Δnd、Δνd二、無(wú)色光學(xué)玻璃的質(zhì)量指標(biāo)及檢測(cè)方法折射率？色散？nD------鈉光譜D線(589.3nm)測(cè)量值；nd------鈉光譜d線(587.6nm)測(cè)量值〔國(guó)標(biāo)規(guī)定〕；通常說(shuō)的玻璃折射率指d光的折射率波長(zhǎng)（nm）譜線符號(hào)404.7h435.8g486.1F546.1e589.3D656.3C766.5A’類別折射率nd的允許差值00±2×10-40±3×10-41±5×10-42±7×10-43±10×10-44±20×10-4折射率與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的允許差值類別色散系數(shù)νd的允許差值00±0.2%0±0.3%1±0.5%2±0.7%3±0.9%4±1.5%色散系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的允許差值Nd＞1.82折射率及色散系數(shù)的測(cè)量：V棱鏡法〔國(guó)標(biāo)規(guī)定〕臨界角法〔常用方法〕2、全都性3、光學(xué)均勻性光學(xué)均勻性是指同一塊玻璃中折射率的漸變。由于退火爐內(nèi)各處溫度不均勻所引起的。小塊玻璃用鑒別率比值法測(cè)量。大塊玻璃用多光束干預(yù)儀測(cè)量。光學(xué)均勻性測(cè)試〔對(duì)于小塊玻璃〕光學(xué)均勻性測(cè)試〔對(duì)于小塊玻璃〕對(duì)于測(cè)量結(jié)果為1和2類，補(bǔ)測(cè)星點(diǎn)圖。1：圓亮環(huán)無(wú)斷裂、無(wú)尾刺、畸角和變形現(xiàn)象。2：變形不嚴(yán)峻，大體保持圓環(huán)、兩環(huán)間距大體相等，每個(gè)環(huán)的寬度允許變化，但不應(yīng)斷裂。光學(xué)均勻性〔對(duì)于大塊玻璃〕4、玻璃應(yīng)力雙折射當(dāng)玻璃受到外力作用，或者退火過(guò)程中由于玻璃內(nèi)外溫度不全都，或者退火爐內(nèi)各處的爐溫不全都等都會(huì)產(chǎn)生雙折射?？煞譃橹胁繎?yīng)力和邊緣應(yīng)力。應(yīng)力雙折射分類應(yīng)力雙折射測(cè)試5、玻璃的條紋度條紋是玻璃內(nèi)部折射率的局部不均勻，引起光的方向變異，主要由玻璃熔煉過(guò)程中各局部成分不同引起。最易引起條紋的玻璃是ZF類，其次為F、BaF、BaK等。玻璃的條紋度測(cè)試玻璃的條紋度分類6、玻璃的氣泡度玻璃內(nèi)部氣泡相當(dāng)于微小的透鏡，引起光的散射和折射。最易引起氣泡的玻璃是BaK、BaF、ZK等。氣泡度檢驗(yàn)玻璃氣泡度分類(1)按最大氣泡的直徑分為3類(2)按氣泡的總截面積分7級(jí)。級(jí)別100cm3玻璃中，直徑≥0.05mm的氣泡平均數(shù)(個(gè))a00a0abcde123.3103090180(3)按氣泡的數(shù)量多少分為7級(jí)7、光吸取系數(shù)1cm厚的光學(xué)玻璃所吸取的白光光通量與進(jìn)入該玻璃的白光光通量之比。玻璃透射率測(cè)試裝置三、光學(xué)玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性玻璃反抗潮濕空氣、水、酸、堿、鹽的侵蝕力量。1、耐水性(耐潮穩(wěn)定性)水和水蒸氣對(duì)玻璃具有侵蝕作用〔玻璃的水解反響〕；空氣中的二氧化碳也能溶解在水中，生成少量碳酸，碳酸雖然為弱酸，但能于硅酸鹽起化學(xué)反響，從而加劇玻璃的腐蝕。耐水性測(cè)試及分類測(cè)試條件：70±1℃；RH=100%；一周1級(jí):濁度值≤BaK7的濁度值，無(wú)水斑；2級(jí):濁度值≤BaK7的濁度值，有水斑；3級(jí):濁度值＜ZK9的濁度值；4級(jí):濁度值＞ZK9的濁度值。濁度H=(TA-TB)/TA2、耐酸性

酸對(duì)玻璃的腐蝕主要是發(fā)生了Na+和H+的交換，生成易溶解的鹽類，使玻璃的溶解加速。3、耐堿性堿性溶液中的OH-離子會(huì)對(duì)玻璃中的硅原子產(chǎn)生破壞，使硅氧鍵斷裂，玻璃腐蝕嚴(yán)峻。四、光學(xué)玻璃的其他性能密度硬度脆性抗張強(qiáng)度(3.0-8)×106Pa、抗壓強(qiáng)度(5.0-20)×108Pa彈性熱性能線熱膨脹系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)轉(zhuǎn)變溫度退火溫度折射率溫度系數(shù)第四節(jié)有色光學(xué)玻璃一、種類及光譜特性〔一〕截止型玻璃〔硒鎘著色玻璃〕著色劑：半導(dǎo)體化合物CdSe、CdS特征：一個(gè)寬的高透過(guò)區(qū)和一個(gè)高吸取區(qū)，在兩者之間有一個(gè)過(guò)渡區(qū)，此外光譜透過(guò)率的變化是特別快速的；其光譜特性是吸取短波，透過(guò)長(zhǎng)波區(qū)。品種：HB、JB、CB〔二〕選擇吸取玻璃〔離子著色玻璃〕離子著色—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)的吸取作用制成的玻璃。著色劑：Co、Ni、Cu、Mn、Cr、Ti、Mo、U等的氧化物。特征：對(duì)某一光譜區(qū)有顯著的“攔截”或“透亮”，即對(duì)某一波段吸取多一些，而對(duì)另一波段透過(guò)多一些。種類：ZWB、ZB、QB、LB、HWB，F(xiàn)B、BB〔三〕中性玻璃特征：在可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)能比較均勻地降低光源的光強(qiáng)度，而不轉(zhuǎn)變其光譜成分。牌號(hào)：AB1、AB2、AB3、…、AB10有色光學(xué)玻璃的特點(diǎn)和用途玻璃種類著色劑特點(diǎn)用途硒鎘玻璃膠體CdSe,CdS寬的高透射、高反射區(qū)；（截止濾光片型）截止濾光片或與薄膜組合應(yīng)用。黃、橙、紅色濾光片。離子著色選擇吸收玻璃Co,Ni,Cu,Mn,Cr,Ti,Mo,U等氧化物具有一定的通帶（阻帶）；（帶通帶阻濾光片型）多用于光源；紫、藍(lán)、綠濾光片中性玻璃在可見(jiàn)區(qū)內(nèi)均勻改變光強(qiáng)度；（均勻衰減型）中性濾光片或衰減片第五節(jié)特種光學(xué)玻璃一、光學(xué)石英玻璃優(yōu)良的光譜特性耐高溫順熱膨脹系數(shù)小化學(xué)穩(wěn)定性好機(jī)械性能好各種光學(xué)石英玻璃所能到達(dá)的最高類別

JGS-1

JGS-2

JGS-3生產(chǎn)方法合成CVD氣煉電熔

氣泡類別

0

2

2

雙折射

1-2

1-2

1-2

顆粒構(gòu)造

1

2

2

條紋

1-2

1-2

2

均勻性

1-2

2

2

熒光

1

2

2

防輻射性能不變色稍微變色變色其在可見(jiàn)光的透過(guò)率均大于90%第四篇光學(xué)塑料光學(xué)塑料非球面元件光盤讀出光學(xué)系統(tǒng)的變遷一、組成主要成分：高分子聚合物—樹(shù)脂。添加增加劑、增塑劑、穩(wěn)定劑和潤(rùn)滑劑來(lái)改善性能。光學(xué)塑料分為熱塑性和熱固型光學(xué)塑料。二、光學(xué)塑料的主要特性〔一〕優(yōu)點(diǎn)相對(duì)密度小耐沖擊強(qiáng)度高透紅外、紫外性能好耐溫度驟變力量強(qiáng)易成型、本錢低〔二〕主要缺點(diǎn)熱膨脹系數(shù)高，吸水性大耐磨性差光學(xué)常數(shù)選擇范圍有限難以到達(dá)很高的面形精度存在雙折射PMMA〔聚甲基丙烯酸甲酯〕—王冕塑料、有機(jī)玻璃、雅克利PS〔聚苯乙烯〕—火石塑料PC〔聚碳酸酯〕ADC或CR39〔烯丙基二甘醇硝酸酯〕環(huán)氧光學(xué)塑料三、幾種常用光學(xué)塑料名稱折射率基本特性工作溫度PMMA有機(jī)玻璃1.49~1.5176PS聚苯乙烯1.58~1.6便宜，著色力強(qiáng)，易于成型。與PMMA組合構(gòu)成消色差系統(tǒng)。用于低溫環(huán)境93PC聚碳酸酯1.585~1.587耐高沖擊韌性，強(qiáng)度是熱塑性光學(xué)材料中最好的