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常見光學材料介紹

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

所有光學制造過程的第一步都是選擇合適的光學材料。光學材料的光學參數(折射率,阿貝數,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,折射率VS溫度)都會影響光學部件及系統的性能。本文將簡單介紹常見的光學材料以及各種材料的特點。

 

光學材料通常有三大類:

光學玻璃、光學晶體、特種光學材料

 

01 光學玻璃

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

 

現在光學玻璃的生產廠商,主要有德國的肖特(SCHOTT)、美國的康寧(Corning)、日本的小原(OHARA)、國內的成都光明(CDGM)。在紫外波段我們常用的光學玻璃有紫外熔融石英(UVFS),常用的石英材料有國內的JGS1、JGS2、JGS3,Corning7980以及小原的高質量石英玻璃(SK-1300、SK-1310、SK-1320L、SK-1321等),我們的光學元件一般采用的是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。可見光及近紅外波段,常用的光學玻璃材料有肖特的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,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精退火光學玻璃是我們高質量光學元件中的玻璃。H-K9L精退火光學玻璃是一種硬質玻璃,能夠承受多種物理和化學刺激。它比較耐刮而且耐化學品。由于氣泡少、雜質含量低,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玻璃的折射率和色散圖

 

常見牌號光學玻璃的折射率曲線

 

常見牌號光學玻璃的透過率曲線

 

02 光學晶體

光學晶體是指用于光學介質材料的晶體材料總稱。由于光學晶體的結構特性,可廣泛用于制作各類紫外、紅外應用領域的窗口片、透鏡、棱鏡。按照晶體結構又分為單晶和多晶。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。

◆ 復消色差晶體:利用晶體特殊的色散特性制造復消色差物鏡,如螢石(CaF2)與玻璃組合制成復消色差系統,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,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,應用于半導體,激光等行業。

 

03 特種光學材料

微晶玻璃是一種非玻璃非晶體的特種光學材料,介于玻璃和晶體之間。微晶玻璃與普通光學玻璃的區別主要是具有結晶的結構,而與陶瓷的主要區別是,它的結晶結構要比陶瓷細得多。具有熱膨脹系數小、強度大、硬度高、密度小、穩定性高的特點,被廣泛用于加工平晶、標準米尺、大型反射鏡、激光制導陀螺儀等。

 

微晶材料

 

微晶光學材料的熱膨脹系數可達到0.0±0.2x10-7/℃(0~50℃)

 

碳化硅是一種特殊的陶瓷材料,也可做為光學材料使用。碳化硅具有剛度比好、熱變形系數小、熱穩定性優良以及減重效果等特點,被視為大尺寸輕質反射鏡的主要選材,廣泛應用在航天、強激光、半導體等領域。

聯合光科的碳化硅材料

 

以上幾大類光學材料也可稱為光介質材料,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材料,光學纖維材料、光學薄膜材料、液晶材料、發光材料等都屬于光學材料,光學技術的發展離不開光學材料技術,我們期待中國的光學材料技術更上一層樓。


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