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常見光學(xué)材料介紹

來源:聯(lián)合光科技(北京)有限公司   2025年03月05日 15:37  

所有光學(xué)制造過程的第一步都是選擇合適的光學(xué)材料。光學(xué)材料的光學(xué)參數(shù)(折射率,阿貝數(shù),透過率,反射率)、物理特性(硬度,形變,氣泡度,泊松比)、甚至溫度特性(熱膨脹系數(shù),折射率VS溫度)都會影響光學(xué)部件及系統(tǒng)的性能。本文將簡單介紹常見的光學(xué)材料以及各種材料的特點。

 

光學(xué)材料通常有三大類:

光學(xué)玻璃、光學(xué)晶體、特種光學(xué)材料

 

01 光學(xué)玻璃

光學(xué)玻璃是一種可以傳輸光線的非晶態(tài)(玻璃態(tài))光介質(zhì)材料。光線通過它以后可改變傳播方向、相位及強度等,常用于光學(xué)儀器或光學(xué)系統(tǒng)中棱鏡、透鏡、反射鏡、窗口片、濾光片等光學(xué)元件制作。光學(xué)玻璃具有高度的透明性、化學(xué)穩(wěn)定性及物理學(xué)(結(jié)構(gòu)和性能)上的高度均勻性,具有特定和準(zhǔn)確的光學(xué)常數(shù)。光學(xué)玻璃在低溫固態(tài)下仍保留了高溫液態(tài)的無定形結(jié)構(gòu),理想情況下玻璃內(nèi)部沿各方向理化性能(如折射率、熱膨脹系數(shù)、硬度、熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率、彈性模量等)相同,稱為各向同性。

 

現(xiàn)在光學(xué)玻璃的生產(chǎn)廠商,主要有德國的肖特(SCHOTT)、美國的康寧(Corning)、日本的小原(OHARA)、國內(nèi)的成都光明(CDGM)。在紫外波段我們常用的光學(xué)玻璃有紫外熔融石英(UVFS),常用的石英材料有國內(nèi)的JGS1、JGS2、JGS3,Corning7980以及小原的高質(zhì)量石英玻璃(SK-1300、SK-1310、SK-1320L、SK-1321等),我們的光學(xué)元件一般采用的是JGS1,其在180nm開始具有較高的透過率。Corning7980的均勻性好、氣泡雜質(zhì)含量少,所以多用于激光元件中,可以提供更高激光損傷閾值??梢姽饧敖t外波段,常用的光學(xué)玻璃材料有肖特的N-BK7、浮法玻璃B270、成都光明的H-K9L等。N-BK7和H-K9L具有相似的性質(zhì),可以互相代替。它們在可見光和近紅外(350 nm - 2.0 µm)提供高透過率。H-K9L精退火光學(xué)玻璃是我們高質(zhì)量光學(xué)元件中的玻璃。H-K9L精退火光學(xué)玻璃是一種硬質(zhì)玻璃,能夠承受多種物理和化學(xué)刺激。它比較耐刮而且耐化學(xué)品。由于氣泡少、雜質(zhì)含量低,因此它很適合制造精密透鏡、窗口片、棱鏡等元件。

 

 

 

成都光明各牌號光學(xué)玻璃的折射率和色散圖

 

常見牌號光學(xué)玻璃的折射率曲線

 

常見牌號光學(xué)玻璃的透過率曲線

 

02 光學(xué)晶體

光學(xué)晶體是指用于光學(xué)介質(zhì)材料的晶體材料總稱。由于光學(xué)晶體的結(jié)構(gòu)特性,可廣泛用于制作各類紫外、紅外應(yīng)用領(lǐng)域的窗口片、透鏡、棱鏡。按照晶體結(jié)構(gòu)又分為單晶和多晶。單晶材料具有更高的晶體完整性和光透過率,以及較低的輸入損耗,因此常用的光學(xué)晶體以單晶為主。

◆ 常見的紫外、紅外晶體材料有:石英(SiO2)、螢石(CaF2)、氟化鋰(LiF)、巖鹽(NaCl)、硅(Si)、鍺(Ge)等。

◆ 偏振晶體:常用的偏振晶體有方解石(CaCO3)、石英(SiO2)和硝酸鈉(硝石)等。

◆ 復(fù)消色差晶體:利用晶體特殊的色散特性制造復(fù)消色差物鏡,如螢石(CaF2)與玻璃組合制成復(fù)消色差系統(tǒng),可以消除球差和二級光譜。

◆ 激光晶體:可用作固體激光器的工作物質(zhì),如紅寶石、氟化鈣和摻釹釔鋁石榴石晶體等。

常見晶體特點對比

 

晶體材料分天然和人工生長。天然晶體較少,人工生長難度大,尺寸受限,價格昂貴,一般在玻璃材料滿足不了的情況下才會考慮,可工作于非可見光波段,應(yīng)用于半導(dǎo)體,激光等行業(yè)。

 

03 特種光學(xué)材料

微晶玻璃是一種非玻璃非晶體的特種光學(xué)材料,介于玻璃和晶體之間。微晶玻璃與普通光學(xué)玻璃的區(qū)別主要是具有結(jié)晶的結(jié)構(gòu),而與陶瓷的主要區(qū)別是,它的結(jié)晶結(jié)構(gòu)要比陶瓷細(xì)得多。具有熱膨脹系數(shù)小、強度大、硬度高、密度小、穩(wěn)定性高的特點,被廣泛用于加工平晶、標(biāo)準(zhǔn)米尺、大型反射鏡、激光制導(dǎo)陀螺儀等。

 

微晶材料

 

微晶光學(xué)材料的熱膨脹系數(shù)可達(dá)到0.0±0.2x10-7/℃(0~50℃)

 

碳化硅是一種特殊的陶瓷材料,也可做為光學(xué)材料使用。碳化硅具有剛度比好、熱變形系數(shù)小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良以及減重效果等特點,被視為大尺寸輕質(zhì)反射鏡的主要選材,廣泛應(yīng)用在航天、強激光、半導(dǎo)體等領(lǐng)域。

聯(lián)合光科的碳化硅材料

 

以上幾大類光學(xué)材料也可稱為光介質(zhì)材料,光線通過它以后可改變傳播方向、相位及強度等。除了這幾大類光介質(zhì)材料,光學(xué)纖維材料、光學(xué)薄膜材料、液晶材料、發(fā)光材料等都屬于光學(xué)材料,光學(xué)技術(shù)的發(fā)展離不開光學(xué)材料技術(shù),我們期待中國的光學(xué)材料技術(shù)更上一層樓。


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