第四章 光学材料光学材料包含光学玻璃、工程塑料、天然晶体、人工晶体，以及若干种金属，如锆、 银、金、镍、锗、铍及其若干金属和非金属氧化物作为光学材料，必须满足一些基本要求，如要具有良好的机械性能和化学稳定性，可 加工性，具有均匀的折射率分布等用作镜头的光学材料，最重要的性能是折射率和透过率，这两个物理量都随波长变化， 是波长的函数折射率随波长的变化称为色散影响光学材料透过率的主要因素有界面的反 射损失和材料的吸收损失对反射用的光学材料而言，反射率是最重要的指标光学镀膜是在光学元件(透镜、棱镜、反射镜等)表面镀上单层或多层金属或非金属 薄膜以改善光学性能，例如：增透膜，反射膜，半反半透膜，以及其它特殊用途的膜层§1.透射光学材料的特性一． 光能的反射和吸收损失根据菲涅尔公式，光由普通介质材料表面反射的系数为1R =-2sin 2 (I 一 I/) tan 2 (I 一 I/) +sin 2 (I + I/) tan 2 (I + I/)式中I和I /是入射角和折射角当光垂直入射时：(n/ - n)2R =(n/ + n )2式中： n 和 n /透镜表面前后介质的折射率对于透镜来说，表面的反射是一种光能损失。
对于由 k 个表面组成的光学系统，不计材 料的吸收损失时，其透过率为：T = (1 — R) k = t k11 在光学系统中，胶合面两边介质的折射率差通常小于 0.3，因此，反射损失通常小于 0 .5 % ，可以忽略不计光经过光学材料时，光能量难免不被吸收，光经过厚度为x mm的光学材料，如果只计 吸收，其透过率为K = t x = e —ax2式中：a为材料的吸收系数 如果把光学材料表面的反射损失和材料内部的吸收损失均考虑在内，则光学系统的透过 率是其表面透过率和材料内部透过率的乘积：T = TK = t k -1 x = t k - e 一ax1 1 2 1 上面只是适用于各反射面的反射率相同的情况对于空气中的单透镜来说，两个反射面折射面）的反射率以及透过率不同，则透过率为T T KT =1 — K 2 R R12如果忽略材料的内部吸收（ K = 1 ），则单透镜TT1—RR二． 折射率光学材料的折射率是光学材料的另 一个重要的指标参数，它是波长的函数， 如图 4－1 所示光学材料的折射率随波长的变化规律现在还没有找到一个统一的公式，只有一些经验公式：1.柯西（Cauchy）公式:n（X ）=b ca + + + …X2 X42. 哈特曼（Hartman n）公式之一:n（X ）=b（c — X ） 1.23. 哈特曼（Hartman n）公式之二:图 4 － 1 光学材料的折射率随光波长的变化n（X ）=4.康拉第（Conrady）公式:5.cX3.5n2（X ）=e+e — X2n（X ）=凯特勒一德鲁特（Kettler—Drude）公式:6.赛尔梅尔（Sellmeier）公式:（） b X2 d X2n2 \X ） = a + + + …c—X2 e—X27.赫兹博格（Hertzberger）公式:n（X ）=2 — 0 .035）+d2 — 0 .035三.光学材料的特征折射率对于在可见光范围内使用的光学材料，一般用它对于d线（氦：X =587.6nm）的折射 率或者D线（钠：X =589.3nm）的折射率n或n （称为平均折射率），以及平均色散n — nd D F c公式（F线，氢：X =486.1nm； C线，氢：X =656.3nm）,来表征材料的折射率特征。
平均折射率和平均色散之间的关系为:n 一 1V = d n 一 nFc其中V称为材料的阿贝数在一般情况下，用平均折射率n和阿贝数V来表征光学材料的折射率特性，但在分析d二级光谱时，还要知道相对部分色散："C■Dn 一 nFc§2.普通光学玻璃 在可见光区域和近红外区域，光学玻璃几乎是一种理想的光学材料，它性能稳定，容易加工，均匀性好，透过率高，价格适中，而且光学玻璃的折射率范围较大（1.45〜1.90）, 色散范围（V =25〜70）这些优点是光学玻璃在光学仪器中广泛应用的主要原因光学玻璃的折射率（n ）和阿贝数V之间的关系可用图表的形式表示出来，如图4—2d图 4 — 2 玻璃光学材料的折射率与阿贝数光学玻璃的主要成分是二氧化硅（ S O ） ,通过掺杂不同的元素而使其性能发生变化i2 光学玻璃分为两大类，即冕牌玻璃和火石玻璃冕牌玻璃的阿贝数通常等于或大于 50，火 石玻璃的阿贝数V通常小于50还有一类光学玻璃是稀土玻璃，是在玻璃原料中加进适量的稀土元素而构成的其特 点是折射率和阿贝数都较高光学玻璃主要按下列质量指标进行分类和分级：1. 折射率、色散系数等与标准值的允许差值2. 同一批玻璃中，折射率与色散系数的一致性3. 光学均匀性4. 应力双折射5. 条纹度6. 气泡度7. 光吸收系数8. 耐辐射性能§3.有色光学玻璃有色光学玻璃是这样一类材料，它们透过特定颜色的光。
它在规定的光谱范围内的透 过和吸收性能称为光谱特性有色光学玻璃分为离子着色和胶体着色两大类离子着色是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，包括紫色、蓝色、绿色和中性滤光片等玻璃 胶体着色是以硫化镉、硒化镉等半导体化合物为着色剂的，其光谱特性是吸收短波长区域， 在滤光玻璃中的黄、橙、红色属于这一类玻璃有色玻璃主要用来制作滤色镜，用在观察、电影、电视、色度等领域有色光学玻璃按照吸收率的光谱曲线参数、双折射、条纹度、气泡度等质量指标分类 和分级§4.特殊光学材料普通光学玻璃不能完全满足光学仪器的基本物理要求，如在冷热变化剧烈或在冷热变 化范围大的环境中使用的光学仪器，在红外波段工作的光学仪器，在核辐射环境下工作的光 学仪器，在潮湿环境下工作的光学仪器等，均需要一些具有特殊性能的光学玻璃一. 低膨胀玻璃一些硼硅酸盐玻璃的膨胀系数低于普通玻璃膨胀系数的一半，在（30〜40） x 10 -7 /C之 间熔石英，这种高纯度的二氧化硅材料，其膨胀系数为2.1 x 10 -7 /Co它的紫外和红外透 过率均超过普通玻璃它还具有很强的耐辐射能力二. 红外光学材料在红外波长下工作的光学仪器越来越多，特别是在军事方面，应用越来越广泛。
1. 玻璃类：（1） .密度较大的火石玻璃：其折射率为1.8〜1.9，透过率可延伸到4〜5卩m（2） .砷硒玻璃：透过率由0.8卩m延伸到8卩m，但它致命的缺点是，在70 C时就软化或变为可流动的胶体了⑶.砷的三硫化合物玻璃：透过率为0.6卩m〜13卩m（4）.熔石英玻璃：透过率为0.2卩m〜0.3卩m2. 金属氯化物、氟化物、溴化物、碘化物3. 天然晶体和人工晶体三. 耐辐射材料高纯度的熔石英是典型的耐核辐射的光学材料四. 耐潮湿及耐腐蚀玻璃在热带亚热带使用的光学仪器要求耐潮湿；在海上和水下使用的光学仪器不但要耐潮 湿，还要耐盐雾和水的直接侵蚀，这就需要耐潮湿和耐腐蚀的光学玻璃通常，冕牌玻璃耐潮湿和耐腐蚀的能力要优于火石玻璃现在多采用在光学元件表面镀 上三防膜（防潮、防腐、防盐雾）的办法来增加光学玻璃的耐潮湿和耐腐蚀的性能§5.晶体材料随着现代科学技术的发展，光学晶体的应用已超出了传统的应用范畴，进入到声光、 电光、磁光和激光领域绝大多数光学晶体的透光范围远远超过普通玻璃，在紫外和红外均 有很好的透过，因此可以用它们制作紫外和红外仪器中的窗口、分光棱镜、透镜等此外， 利用晶体的双折射性质，还可以制作偏振元件。
石英晶体和方解石因其双折射而限制了他们的应用，主要用来制作偏振元件蓝宝石特别硬，通常用做窗口材料和干涉滤光片的基底卤素类具有良好的透过率，但物理性能较差，较软，易碎，有时还吸湿和潮解 锗和硅是红外装置中广泛采用的材料氧化钙，在超紫外和红外有很好的透过率此外，它的部分色散特性使得它同光学玻 璃组合后，可以消除二级光谱天然晶体远远满足不了现代光学工程发展的需要，特别是激光技术的出现和发展，对 晶体材料的性能和质量都提出了更高的要求，为此，人工晶体得到迅速发展，除了很早的熔 石英外，固体激光器用的很多晶体都被生长出来了光学晶体按下列各项指标分级和分类：1. 折射率n和平均色散（n - n ）与标准值的允许偏差D F C2. 紫外（0.2卩m ）和红外（5卩m ）处的透过率与标准值的比较3. 应力双折射4. 散射颗粒度5. 白光吸收系数6. 光学均匀性§6.塑料光学材料光学塑料符号a:PMMA b:P-styr c：SAN d:PEI e:P-carb frPCHMA图 4 － 3 塑料材料的折射率与阿贝数在精密光学 工程中，现在还很 少使用 塑料光学 材料，主要是因为 塑料太软，加工困 难，膨胀系数大， 工作温度太低，折 射率温度系数大， 不适于 在温 差大 的环境中使用。
塑料也有优 点，如容易压膜成 型，可大规模生产 成本低，重量小， 耐冲击力强等优点目前，只在放大镜、玩具光学、眼镜光学、中低档自动相机中得到应用某些照明系 统的聚光镜有时也采用光学塑料图 4－3 给出了部分光学塑料的折射率和阿贝数§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，从而导致在不同方向观察，都具 有几乎相同的亮度一个完善的漫射体，在任何角度下均有相同的表观亮度反射漫射体，如氧化镁和碳化镁，常用在光学计量中 透射漫射体，最常用的是乳白玻璃和毛玻璃，常用作后视投影屏 近年来，出现了腊质屏、微棱镜屏、光珠式屏等透明式漫射体，它们在透明度和均匀 性等方面都优于乳白玻璃和毛玻璃§8.反射膜虽然抛光的金属平面或球面有时候也可以用作反射镜表面，但绝大多数光学反射镜是 通过在基底的抛光表面上镀一层或多层薄膜的方法得到的基底材料主要是玻璃，也有用金属做的 最常使用的反射膜是铝，其次是银和金，是采用在真空中使用蒸镀的方法把金属沉积 在基底上铝膜在宽的光谱范围内有较高的反射率，在使用合理时还具有相当好的稳定性 银膜反射率略高于铝膜，但是银膜会随着时间变暗，因此反射率会随着时间而降低， 特别是在短波长处，只有对银膜加以保护，才能发挥它的高反射率特性。
金膜可以在可见光的长波部分和近红外区还有较高的反射率，可以超过 95％，但要对 金膜进行保护§9.增透膜增透膜，有时也称为单层减反膜，是最简单的光学薄膜图 4 － 4 光线在增透膜中的折射薄膜的光学厚度（n - d ）,就是光线在介质中 的几何路径长度与其折射率的乘积如果在其基 底上镀上增透的单层膜，其光学厚度等于4 当光垂直入射到膜层上时，由膜层的第二个表面 反射的光同膜层第一个表面反射的光之间的光程 差为人;'2，从而产生了相消干涉如果膜层上下 表面反射的光强度相等，就会出现完全相消的干 涉，反射光完全消失了，这就是四分之一波长低 反膜的基本原理单层膜的反射率为：r 2 + r 2 + 2 r r cos xR = 2 • r 2 匕1 + r r + 2 r r cos x12 1 24冗n d cos I式中：x = 1 1入一 sin（I - I ）sin。