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1、光学材料复习 光学玻璃：折射率与吸收，紫外与红外玻璃 光学晶体：晶体结构、张量、光学非线性 光学有机材料：有机电致发光 光学玻璃：光学玻璃的结构 o需掌握玻璃的形成体、中间体与网络外体 能独立形成网络的玻璃生成体氧化物，单键强度大334.94kJ/mol SiO4,GeO4,PO4,BO3 在一定条件能进入网络的中间体氧化物。 BeO,B2O3,Al2O3,TiO2,ZnO,MgO,Nb2O5 只能破裂网络的网络外体氧化物，单键强度小于251.21kJ/ mol、 Li2O, Na2O, K2O, CaO, SrO,BaO, In2O3, Y2O3, La2O3, ZrO2 光学玻璃的物理化学
2、性能（折射率、色散、吸收系数、密度、机械性 能、化学稳定性、热膨胀系数）由玻璃的结构所决定 例题1 o以下哪组成分是氧化物玻璃的网络形成体：（ ） oA. Li2O,Na2O,K2O,BaO; oB. GeO2, P2O5, SiO2, B2O3; oC. SiO2, PbO, B2O3, P2O5; oD. B2O3, Al2O3, TiO2, Nb2O5 oE. Al2O3, La2O3, K2O, MgO 光学玻璃的折射率和色散 o折射率： nD: 钠D线（589.3nm） nd : 钠光谱d线（587.6nm） o阿贝（abbe）数(平均色散系 数)： nF: F线486.1nm, n
3、C: C线656.3nm, nF-nC平均色散 部分色散，x,y可以是不同 的谱线波长。P.8 需要知道的谱线波长： F,C,D,d,i(365nm) 以阿贝数等于50为限， 区分冕牌玻璃与火石玻璃 无色光学玻璃的阿贝图 *第一部分一般 标为“N-”、“P-” 、或缺失，代表 了玻璃是否环保 。 *牌号的第二部 分符号代表了玻 璃的类型： K,F,L,S,LL,SS, *光学玻璃的数 字代号：A B.C 673323.286 光学玻璃的基本组成 冕牌K(crown): R2O-B2O3-SiO2(R代表碱金属)，硼硅酸盐与铝硅酸盐系统。 火石F(Flint): K2O-PbO-SiO2,因原料
4、中含有氧化铅，所以称为火石玻璃（TiO2,Nb2O5) L,S分别代表折射率的低与高，最低折射率的玻璃FK(含氟冕牌玻璃),最高折射率的玻璃 是含La的重火石、冕牌玻璃。 有色玻璃： o基质玻璃，即为N-WG玻璃，吸收带在紫外，表现为无色透明，成分中 没有可见光范围的着色剂。 o离子着色玻璃，成分中含有显色的重金属离子或稀土离子。 o胶体着色玻璃，在熔体冷却成型之后是不显色的，经过热处理之后，会 显示不同的颜色。吸收光谱中存在一条非常陡峭的吸收边，且显色深浅 （吸收边的位置）与掺杂离子种类与浓度，热处理温度与时间密切相关 。 光学玻璃的色散 Sellmeier 模型 Cauthy模型 对于大多
5、数无色光学玻璃而 言，色散来源于紫外与红外 波段的两个吸收带 光学玻璃的折射率与成分之间的关系 o密度：对原子价相同的的氧 化物来说，其阳离子半径越 大，玻璃分子体积就越大， 密度越小。 o分子折射度：原子价相同的 阳离子其半径越大（原子核 对外层电子吸引力越弱）则 离子极化率越高。 o离子极化率还受其周围离子 极化的影响，当阳离子半径 增加时不仅其本身极化率上 升也提高了氧离子的极化率 ，因而促使玻璃分子折射度 迅速上升。 外场作用下玻璃折射率的变化 o 折射率的温度系数： o 光学非线性折射率 与玻璃的紫外吸收波长有关 与玻璃的结构有关 三阶非线性极化率张量，在玻璃中 也存在，与玻璃的分子
6、极化度有关 ，与玻璃的线性折射率有关 线性折射率n0与1(1/s)成反比，那么非线性折 射率n2(E)应与紫外本征频率21(1/2s)成反比。 光学玻璃的吸收 o紫外：电子跃迁，(玻璃结构的完整 性、非桥氧数目、碱金属氧化物数目 与种类、形成体类型等因素决定了玻 璃的紫外吸收波长）：SiO2石英玻璃 o可见：过渡金属离子与稀土离子，铂 污染：过渡金属离子与稀土离子可见 光吸收特点。 o红外：网络振动，阴阳离子的质量对 于红外特征吸收波长的影响、玻璃是 否含有碱金属氧化物（吸附水或其他 气体） 导带 Si-O反键 非桥氧O- Si-O成键 SiO2 12.4eV 10eV 8eV 6eV Na-
7、O反键 Na-O成键 非桥氧O- Na2O.2SiO2 Na+ 硅酸盐玻璃中的硼反常 在硅酸盐玻璃中逐渐增加氧化硼的含量，其性质变化曲线往往会出现极大 或极小值，称为“硼反常”，合理地应用这一反常现象可以改善玻璃的某些 物理化学性质，制得化学稳定性好，热膨胀系数小，折射率高而色散小的 玻璃。 玻璃中硼离子配位数的变化所引起 极大值与极小值往往出现于Na2O /B2O3 =1处 可以调节：折射率、热膨胀系数、化学稳定性、密度、 硬度等参数 在K9玻璃15(K2O+Na2O)10B2O375SiO2） 中加入氧化硼，玻璃的折射率将变变大。 （ ） 紫外光学玻璃 o色码(color code) 80
8、/5的定义 oi线玻璃（365nm）：氟冕，超轻火石与轻火石玻璃 （含氟，折射率较小 ） o光学石英Lithosil-Q ：控制石英中Fe3+的含量，无氢火焰、气相沉积，石 英在185-2500nm范围内都能保持高的透明性，既是优秀的透紫外材料，又 是很好的近红外材料 o氟化物晶体Lithotec-CaF2 ：优秀的真空紫外材料 红外光学玻璃 三类红外光学玻璃： 硅酸盐（光学石英需要去除玻 璃中的OH-，大折射率高硅氧 玻璃，不含碱金属氧化物的硅 酸盐玻璃） 非硅酸盐玻璃（碲酸盐， ZBLAN氟化物玻璃） 非氧化物玻璃（硫硒碲化合物 玻璃Chalcogenide Glass ） 激光玻璃：稀土
9、离子 o激活离子一般是发光谱带窄，色纯度高，转换效率高，荧光寿命跨度大， 具有四能级（或三能级系统）的稀土元素或离子。 o基质玻璃是具有优良光学性能、机械性能以及热性能的硅酸盐玻璃，硼酸 盐及硼硅酸盐玻璃，磷酸盐玻璃和氟磷酸盐玻璃。 基态的光谱项 2s+1LJ 稀土离子： 均具有内层4f电子能级，稀土化合物的发光 是基于它们的4f电子在内层f-f或f-d组态之间 的跃迁。 Nd 3+离子的4F3/24I11/2的跃迁 ：1.064m，室温 激光玻璃：基质玻璃 o在激发光源的辐射光谱 内有宽而多的吸收带， 高的吸收系数，玻璃的 吸收光谱带与光源的辐 射谱带的峰值尽可能地 重合，有利于充分利用 泵
10、浦能量 。 o对于激光波长的吸收尽 可能小 ，透明度高。 o极低的光学非线性折射 率 o良好的光学均匀性 o良好的热光稳定性 硅酸盐玻璃：具有较长的荧光寿命， 较高的量子效率 硼硅酸盐玻璃：荧光寿命较短，量子 效率较低，但是Nd 3+在硼玻璃中吸收 系数较高，易获得较低的阈值能量。 磷酸盐玻璃：受激发射截面大，非线 性折射率小。荧光量子寿命较短，荧 光谱线窄。 光学晶体：7大晶系，14种布拉维格子，8种对称 要素 o低级晶族：三斜(Triclinic)，单斜(Monoclinic)，正交(Orthorhombic) ， o中级晶族：三角(Trigonal)，四方(Tetragonal)，六方(
11、Hexagonal)， o高级晶族：立方(Cubic) o各晶系的对称性高低 o各晶系晶格常数的特点 o14种布拉维格子 o8种对称要素，特别是反演对称轴的特点 一种晶体的单胞有以下特征：a=bc请问它 可能属于什么晶系： ( ) A.四方 B.三斜 C.三方 D. 单斜 E. 六 方 32种点群 晶系第一方向第二方向第三方向 立方 aa+b+ca+b 六方 ca2a+b 四方 caa+b 三方 ca2a+b 正交 cab 单斜 b 三斜因为其中只包含1或i，故无特殊方向 *点群是8种对称要素 的组合 *点群符号表示在三个 特定方向存在对称要 素，对于不同的晶系 ，特定方向均不同。 要知道立方
12、晶系的三 个方向（特别是第二 个方向3），中级晶族 晶体第一个方向是高 次轴的方向C *看见点群符号能够说 出是什么晶系的晶体 ，如m3m, 4mm, mm2 等 晶向与晶面 o注意晶向与晶面的符号区别 o注意在非立方晶系中，符号的次 序与正负不能随意替换 o晶向符号代表向量 o晶面符号为截距的倒数 o晶面符号中0表示与该晶轴平行 张量的定义 o一种描述各向异性性质的数学方法就是张量方法 o作用矢量、感生矢量、自由下标、哑下标 o张量的阶数 o张量在不同坐标系之间的形式转换（如果使用旧坐标系中张量的 定义来表示新坐标系中张量的值(即x1,x2,x3旧x1,x2,x3新),各 哑下标尽可能地靠近
13、 o奇数阶的张量在具有反演中心i的晶体中是不存在的 o晶体中具有物理意义的二阶张量都是对称张量：如应变张量不是 位移对位置的偏导eij,而是其中的对称部分。 张量的定义 o张量的示性面：二阶张量的示性面是椭球或双曲面，其中椭球上 任意一点的径矢与法矢分别表示该二阶张量所跨居的作用矢量及 感生矢量。 o二阶张量的示性面具有最低的对称性是mmm。 o诺伊曼规则表明：描述晶体物理性质的张量的示性面，其对称性 必然高于晶体结构的对称性。对于立方晶系而言，具有3次对称轴 的椭球就是球，所以立方晶系的二阶张量是各向同性的。 o二阶张量在不同坐标系中的表现形式：张量的主轴与主值（同作 业） o光率体的概念（
14、证明折射率椭球是逆介电常数张量的示性面）， 折射率不是二阶张量。 由于立方晶系二阶张量的示性面是一个球， 所以对于所有的二阶张量来说，在立方晶系 中都是各向同性的。（ ） 晶体中的折射率椭球说明了折射率是一个二 阶对称张量。（ ） 试证明逆介电常数张量的示性面是光率体。 晶体结构的对称性必然高于描述晶体物理性 质的张量示性面的对称性。（ ） 压电性能与压电晶体 o压电效应的定义 o压电常数：三阶张量，20种点群 （32-11-432）可以简化成矩阵的 形式din(i=1-3,n=1-6) o逆压电效应，电致伸缩效应，逆 压电系数与压电系数在符号与数 值上均是相等的，注意逆压电系 数在使用时必须
15、将矩阵转置。 o电致伸缩系数是四阶张量，存在 于所有晶体与非晶体中。 o可以证明，立方晶系中的四阶张 量并不是各向同性的。 压电晶体及应用 oPbZrxTi1-xO3,即PZT压电晶体及压电陶瓷 oBaTiO3， LiNbO3 oPVDF(聚偏氟乙烯) o各类振荡器、滤波器、惯性传感器、表面波器件、水声器件、电 声器件、超声器件以及压电马达、压电变压器与压电发电机等 o在光学中的应用：可调谐FP滤光片（调节腔长），在自适应光学 中的应用（可变形的微反射镜阵列） 热释电效应 o热释电效应的定义：具有自发极化的压电晶体。 o一阶张量，具有方向性，存在于10种点群（ 1,2,3,4,6,m,mm2,
16、3m,4mm,6mm ） o主要应用：热释电探测器、热释电显像管等红外非制冷热型热探 测仪器，能在室温下工作，具有广谱响应 oFD=p/Cv(rtg)1/2 ，在选择材料的过程中，要求具有较大的热释电 系数，较低的介电常数，较低的介电损耗以及较低的体积热容 ， 对于热释电阵列器件来说要求具有较大的介电常数 o热释电器件用材料：TGS(硫酸三甘肽) ，LiTaO3 ，SBN-50 ， PVDF与其二聚物P(VDF-TrFE) 热释电晶体的热释电电流与所探测的温度 成正比。 （ ） 铁电效应 o定义：在外电场作用下，自发极化的方向可以逆转或者可以重新 取向的热释电晶体称为铁电晶体。 o电滞回线、剩余极化、矫顽场 o居
