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1、光学制造技术,西安工业大学 徐均琪,第一篇 光学材料及辅料,光学材料 光学玻璃 光学晶体 光学塑料 特种光学材料,第一节 玻璃的特性及结构,一、玻璃的定义： 德国标准：玻璃是一种在凝固时基本不结晶的无机熔融物。 不论化学成分和固化温度范围如何，一切由熔体过冷却所得的无定形体，由于粘度逐渐增加而具有固体的机械性质的，均称之为玻璃。而且由液态变为玻璃态的过程是可逆的。,图2-1 玻璃与晶体的体积与温度特性,二、玻璃的特性,各向同性 介稳性 可逆性 连续性 无固定熔点,三、玻璃的结构,1、无规则网络学说（查哈里-瓦伦学说） 玻璃的原子、离子或原子团之间的结合，构成一个连续的网络体，而网络体呈现出很大
2、的不规则性。该学说强调了玻璃结构的连续性、均匀性和无序性。,2、晶粒学说（别捷列夫） 玻璃是有无数“晶粒”组成的，它们分散在无定形介质中，并且从晶粒区到无定形区的过渡是逐步完成的，两者间并无明显界限。该学说揭示了玻璃的微不均匀性及近程有序性。,3、无定形-晶粒学说 玻璃是具有近程有序（晶粒）区域的无定形物质。,第二节 光学玻璃的特性,一、光学玻璃的分类 无色光学玻璃 普通光学玻璃 耐辐射光学玻璃 激光玻璃 有色光学玻璃,二、光学玻璃的主要特性 1、组成 玻璃形成体：B2O3、P2O5、SiO2、As2O3 中间体：Al2O3 网络外体：Na2O、K2O、CaO、BaO、PbO,各种氧化物对玻璃
3、性质的影响,二、光学玻璃的主要特性 光学玻璃与普通玻璃的区别： 特定和精确的光学常数 物理和化学上高度均匀性 高度透明性 极小的内应力 注重批次性,第三节 无色光学玻璃,一、无色光学玻璃的分类 1. 两大系列： 普通光学玻璃系列（P系列） 耐辐射光学玻璃系列（N系列）,2. 两大分类（按色散系数大小）,两大类玻璃的差异,3. 18个类型： 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、TF 4. 135个牌号。,A 普通光学玻璃牌号（P系列:1-99）,FK1 FK2 QK1 QK2 QK3 K1 K2
4、K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 K10 K11 K12 K16 PK1 PK2 BaK1 BaK2 BaK3 BaK4 BaK5 BaK6 BaK7 BaK8 BaK9 BaK10 BaK11 ZK1 ZK2 ZK3 ZK4 ZK5 ZK6 ZK7 ZK8 ZK9 ZK10 ZK11 ZK14 ZK15 ZK19 ZK20 LaK1 LaK2 LaK3 LaK4 LaK5 LaK6 LaK7 LaK8 LaK10 LaK11 LaK12 TK1 KF1 KF2 KF3 QF1 QF2 QF3 QF5 QF6 QF9 QF11 QF14 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F12
5、 F13 BaF1 BaF2 BaF3 BaF4 BaF5 BaF6 BaF7 BaF8 ZBaF1 ZBaF2 ZBaF3 ZBaF4 ZBaF8 ZBaF11 ZBaF13 ZBaF15 ZBaF16 ZBaF17 ZBaF18 ZBaF20 ZBaF21 ZF1 ZF2 ZF3 ZF4 ZF5 ZF6 ZF7 ZF8 ZF9 ZF10 ZF11 ZF12 ZF13 ZF14LaF1 LaF2 LaF3 LaF4 LaF5 LaF6 LaF7 LaF8 LaF9 LaF10 ZLaF1 ZLaF2 ZLaF3 ZLaF4 TiF1 TiF2 TiF3 TiF4 TF1 TF3 TF4 TF
6、5 TF6,B 耐辐射光学玻璃牌号（N系列：501-599）,45个牌号 K502 K505 K507 K509 K510 BaK501 BaK502 BaK503 BaK506 BaK507 BaK508 ZK501 ZK503 ZK505 ZK506 ZK507 ZK508 ZK509 ZK510 ZK511 KF501 KF502 QF502 QF503 F502 F503 F504 F505 F506 BaF502 BaF503 BaF504 BaF506 BaF508 ZBaF501 ZBaF502 ZBaF503 ZBaF504 ZBaF505 ZF501 ZF502 ZF503
7、ZF504 ZF505 ZF506,光学玻璃二次色散图冕类光学玻璃K: 折射率较低，阿贝数较大，在图中左侧；火石光学玻璃F: 折射率较高，阿贝数较低，在图中右侧；玻璃的加工性能一般根据玻璃的化学稳定性（对潮湿大气RC（S）、对酸溶液RA（S）、研磨相对硬度Fa确定。,二、无色光学玻璃的质量指标及检测方法,美英新光学系统“Lucky” 拍下最清晰太空照片 胜过哈勃(2019-11-10),“猫眼”星云(NGC6543)外观,球状星团M13 距离地球2.5万光年；这幅照片中，我们可以对M13中最小相距1光天的恒星加以区分。,哈勃,Lucky,谷歌地球拍下的卫星照，曝光了美国的后备舰队2019-2-
8、24,1、折射率、色散系数与标准数值的允许差值nd、d,二、无色光学玻璃的质量指标及检测方法,折射率？色散？,nD-钠光谱D线(589.3nm)测量值； nd-钠光谱d线(587.6nm)测量值（国标规定）； 通常说的玻璃折射率指d光的折射率,折射率与标准数值的允许差值,色散系数与标准数值的允许差值,Nd1.82,折射率及色散系数的测量： V棱镜法（国标规定） 临界角法（常用方法）,2、一致性,同一批玻璃中，折射率及色散系数的一致性。,3、光学均匀性,光学均匀性是指同一块玻璃中折射率的渐变。 由于退火炉内各处温度不均匀所引起的。 小块玻璃用鉴别率比值法测量。 大块玻璃用多光束干涉仪测量。,光学
9、均匀性测试（对于小块玻璃）,光学均匀性测试（对于小块玻璃）,对于测量结果为1和2类，补测星点图。 1：圆亮环无断裂、无尾刺、畸角和变形现象。 2：变形不严重，大体保持圆环、两环间距大体相等，每个环的宽度允许变化，但不应断裂。,光学均匀性（对于大块玻璃）,4、玻璃应力双折射,当玻璃受到外力作用，或者退火过程中由于玻璃内外温度不一致，或者退火炉内各处的炉温不一致等都会产生双折射。可分为中部应力和边缘应力。,应力双折射分类,应力双折射测试,5、玻璃的条纹度,条纹是玻璃内部折射率的局部不均匀，引起光的方向变异，主要由玻璃熔炼过程中各部分成分不同引起。最易引起条纹的玻璃是ZF类，其次为F、BaF、BaK
10、等。,玻璃的条纹度测试,玻璃的条纹度分类,6、玻璃的气泡度,玻璃内部气泡相当于微小的透镜，引起光的散射和折射。最易引起气泡的玻璃是BaK、BaF、ZK等。,气泡度检验,玻璃气泡度分类,(1)按最大气泡的直径分为3类 (2)按气泡的总截面积分7级。,(3)按气泡的数量多少分为7级,7、光吸收系数,1cm厚的光学玻璃所吸收的白光光通量与进入该玻璃的白光光通量之比。,玻璃透射率测试装置,三、光学玻璃的化学稳定性,玻璃抵抗潮湿空气、水、酸、碱、盐的侵蚀能力。,1、耐水性(耐潮稳定性),水和水蒸气对玻璃具有侵蚀作用（玻璃的水解反应）；空气中的二氧化碳也能溶解在水中，生成少量碳酸，碳酸虽然为弱酸，但能于硅
11、酸盐起化学反应，从而加剧玻璃的腐蚀。,耐水性测试及分类,测试条件：701；RH=100%；一周,1级:浊度值BaK7的浊度值，无水斑； 2级:浊度值BaK7的浊度值，有水斑； 3级:浊度值ZK9的浊度值； 4级:浊度值ZK9的浊度值。,浊度H=(TA-TB)/TA,2、耐酸性,酸对玻璃的腐蚀主要是发生了Na+和H+的交换，生成易溶解的盐类，使玻璃的溶解加速。,3、耐碱性,碱性溶液中的OH-离子会对玻璃中的硅原子产生破坏，使硅氧键断裂，玻璃腐蚀严重。,四、光学玻璃的其他性能,密度 硬度 脆性 抗张强度(3.0-8)107Pa、抗压强度(5.0-20)108Pa 弹性 热性能 线热膨胀系数 导热系
12、数 转变温度 退火温度 折射率温度系数,第四节 有色光学玻璃,一、种类及光谱特性,（一）截止型玻璃（硒镉着色玻璃）,着色剂：半导体化合物CdSe、CdS 特征：一个宽的高透过区和一个高吸收区，在两者之间有一个过渡区，此外光谱透过率的变化是异常迅速的；其光谱特性是吸收短波，透过长波区。 品种：HB、JB、CB,（二）选择吸收玻璃（离子着色玻璃）,离子着色利用过渡金属和二价铜稀土元素等离子对光谱区的吸收作用制成的玻璃。 着色剂：Co、Ni、Cu、Mn、Cr、Ti、Mo、U等的氧化物。 特征：对某一光谱区有显著的“拦截”或“透明”，即对某一波段吸收多一些，而对另一波段透过多一些。 种类：ZWB、ZB
13、、QB、LB、HWB，FB、BB,（三）中性玻璃,特征：在可见光区域内能比较均匀地降低光源的光强度，而不改变其光谱成分。 牌号：AB1、AB2、 AB3、AB10,有色光学玻璃的特点和用途,二、其他质量指标,应力双折射 条纹度 气泡度,第五节 特种光学玻璃,一、光学石英玻璃 优良的光谱特性 耐高温和热膨胀系数小 化学稳定性好 机械性能好,JGS1是用SiCl4为原料，用氢氧焰生产的合成石英玻璃，其特性是没有气泡，极高的纯度，透紫外光谱良好，应用波长为175-2500nm，由于用氢氧焰生产，所以含有大量的羟基（2000ppm）, 合成石英玻璃在2730nm处具有很强的吸收峰，无颗粒结构。 JGS
14、2是用石英原料和氢氧焰生产的石英玻璃，含有几十ppm的金属杂质。在2730nm处有吸收峰（羟基含量100-200ppm），其应用波长为200-2500nm。有小气泡，条纹和颗粒结构。 JGS3是用石英原料和真空电熔法生产的石英玻璃，含有几十ppm的金属杂质。有小气泡、颗粒结构和条纹，几乎不含（OH），是理想的透红外光谱材料，其应用波长为260-3500nm。,各种光学石英玻璃所能达到的最高类别,JGS-1 JGS-2 JGS-3 生产方法 合成 CVD 气炼 电熔气泡类别 0 2 2 双折射 1-2 1-2 1-2 颗粒结构 1 2 2 条纹 1-2 1-2 2均匀性 1-2 2 2 荧光 1
15、 2 2防辐射性能 不变色 轻微变色 变色 其在可见光的透过率均大于90%,二、微晶玻璃（零膨胀系数玻璃）,1、概述 既具有玻璃态，又具有微晶态的两个相的光学材料。 2、性能 1.热膨胀系数小 2.强度大 3.硬度高、相对密度小 4.稳定性极高,三、其他特种光学玻璃,耐辐射光学玻璃 防辐射光学玻璃 激光玻璃 红外和紫外光学玻璃 光学功能玻璃,第三章 光学晶体,一、晶体的概念,晶体可以定义为具有格子结构的固体。构成晶体内部的质点（分子、原子、离子），是以点阵的形式在三维空间作有规律的、重复的排列，构成空间格子结构。,铌酸锂晶体,硝酸钡晶体,CaF2晶体,二、晶体的基本性质,均匀性 各向异性 对称
16、性 自范性 最小内能性 稳定性,三、晶体的光学性质,透光波段宽,吸收率低,色散小,双折射 旋光性 吸收性和多色性,四、晶体的其他性质,解理 硬度（莫氏硬度） 热膨胀系数,五、晶体的溶解度,晶体的溶解度表示在一定的温度下，该晶体在100克水中所能溶解的克数。,六、光学晶体的分类及应用,（一）按晶体的用途分类 偏光晶体 分光晶体 消色差晶体 闪烁晶体 窗口晶体,（二）按晶体的硬度分类 硬质晶体 软质晶体 水溶性晶体,第四章 光学塑料,光学塑料非球面元件,一、组成,主要成分：高分子聚合物树脂。添加增强剂、增塑剂、稳定剂和润滑剂来改善性能。 光学塑料分为热塑性和热固型光学塑料。,二、光学塑料的主要特性,（一）优点 相对密度小0.83-1.46 耐冲击强度高 透红外、紫外性能好 耐温度骤变能力强 易成型、成本低,（二）主要缺点 热膨胀系数高，吸水性大 耐磨性差 光学常数选择范围有限 难以达到很高的面形精度 存在双折射,PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）有机玻璃、王冕塑料、雅克利 PS（聚苯
