复旦大学：《光子学器件与工艺 Photonics Devices and Technology》教学课件_第六章 光学材料简介

光学材料简介 主讲:张荣君 E-mail:richang(@fudan.edu.cn 复旦大学信息学院 光科学与工程糸 2013年1月4日

光学材料简介 复旦大学信息学院 光科学与工程系 2013年1月4日 主 讲：张荣君 E-mail：rjzhang@fudan.edu.cn

光学材料的分类 ■按照用途:光介质材料、光学纤维、光学薄膜和其它 光学材料。 ■光介质材料是指传输光线的材料,因此也可叫透射材 料。入射的光线经过光介质材料折射、反射会改变其 方向、相位或偏振态,还可以经过光介质材料的吸收 或散射改变其强度和光谱成分。因此可以制成透镜、 棱镜、反射镜、偏振器、窗口、光学纤维和光学薄膜 等器件。经过特殊烧结的陶瓷可以对红外线透明,有 的陶瓷对可见光也透明 rjzhang@fudan.edu.cn

光学材料的分类  按照用途：光介质材料、光学纤维、光学薄膜和其它 光学材料。  光介质材料是指传输光线的材料，因此也可叫透射材 料。入射的光线经过光介质材料折射、反射会改变其 方向、相位或偏振态，还可以经过光介质材料的吸收 或散射改变其强度和光谱成分。因此可以制成透镜、 棱镜、反射镜、偏振器、窗口、光学纤维和光学薄膜 等器件。经过特殊烧结的陶瓷可以对红外线透明，有 的陶瓷对可见光也透明。rjzhang@fudan.edu.cn

光学纤维是一种新型信息、能量传输材料。 光学薄膜是附加在光学器件表面用于提高或 实现器件光学性能的一类薄膜材料,在许多 方面有广泛的应用。 ■其它光学材料:包括发光材料、着色材料、 激光材料以及光信息存储、显示、处理材料 等,在现代光学领域有非常重要的地位。 rjzhang@fudan.edu.cn

 光学纤维是一种新型信息、能量传输材料。  光学薄膜是附加在光学器件表面用于提高或 实现器件光学性能的一类薄膜材料，在许多 方面有广泛的应用。  其它光学材料：包括发光材料、着色材料、 激光材料以及光信息存储、显示、处理材料 等，在现代光学领域有非常重要的地位。 rjzhang@fudan.edu.cn

光学器件常用的(基板)材料 、玻璃---在光学应用上最重要 二、陶瓷 、光学晶体 四、光学塑料(如PC、PMMA等) 五、金属

光学器件常用的（基板）材料 一、玻璃----在光学应用上最重要 二、陶瓷 三、光学晶体 四、光学塑料（如PC、PMMA等） 五、金属

光学基底材料及其特性 三大光学材料:光学玻璃、光学晶体、光学塑料 光学玻璃应用最广泛; 人工晶体生长困难,尺寸受限制,只有在玻璃不能 满足的情况下才使用,如红外、紫外、偏振、闪烁 等方面,以及激光技术、非线性晶体等; 光学塑料属于有机高分子化合物,具有价格低、容 易成型、质量轻等特点,近来获得广泛应用

一、光学基底材料及其特性  三大光学材料：光学玻璃、光学晶体、光学塑料。  光学玻璃应用最广泛；  人工晶体生长困难，尺寸受限制，只有在玻璃不能 满足的情况下才使用，如红外、紫外、偏振、闪烁 等方面，以及激光技术、非线性晶体等；  光学塑料属于有机高分子化合物，具有价格低、容 易成型、质量轻等特点，近来获得广泛应用

1、光学玻璃 ■光学玻璃与普通玻璃的主要区别是:具有更高的透明 度,并在物理和化学特性上具有高度的均匀性以及特 定和精确的光学常数。 ■光学玻璃的成分与工艺都严格保密。一般主要成分是 二氧化硅。它比玻璃的机械强度高、化学稳定性好、 热膨胀系数小、但熔点高(1700度以上)。 ■一般光学玻璃能透过波长为230nm-25μm的各色 光,超出该波长范围的光被强烈吸收

1、光学玻璃  光学玻璃与普通玻璃的主要区别是：具有更高的透明 度，并在物理和化学特性上具有高度的均匀性以及特 定和精确的光学常数。  光学玻璃的成分与工艺都严格保密。一般主要成分是 二氧化硅。它比玻璃的机械强度高、化学稳定性好、 热膨胀系数小、但熔点高（1700度以上）。  一般光学玻璃能透过波长为230nm-2.5μm的各色 光，超出该波长范围的光被强烈吸收

■日常窗户用普通玻璃仅仅由砂子、纯碱和石灰石组 成(Sio2-Na20-CaO)。 光学玻璃则由Si、B、P、Pb、K、Na、Ba、As、 A等元素的氧化物按一定的配方在高温时形成盐溶 液(熔融体),经过冷却得到的一种过冷的无定型 熔融体。大多数光学玻璃是以Sio2为主要成分,属 于硅酸盐玻璃;其次,以B2◎3为主要成分,属于硼 酸盐玻璃;以P2◎5为主要成分,属于磷酸盐玻璃。 ■为改善玻璃性能和满足光学器件的需要,需要加入 其它成分:如氧化铝(提高稳定性与机械强度) 氧化铅(增大折射率,但化学稳定性下降)、氧化 纳(降低熔炼温度,但稳定性和机械性能下降), 等等

 日常窗户用普通玻璃仅仅由砂子、纯碱和石灰石组 成（ SiO2 - Na2O-CaO ）。  光学玻璃则由Si、B、P、Pb、K、Na、Ba、As、 Al等元素的氧化物按一定的配方在高温时形成盐溶 液（熔融体），经过冷却得到的一种过冷的无定型 熔融体。大多数光学玻璃是以SiO2为主要成分，属 于硅酸盐玻璃；其次，以B2O3为主要成分，属于硼 酸盐玻璃；以P2O5为主要成分，属于磷酸盐玻璃。  为改善玻璃性能和满足光学器件的需要，需要加入 其它成分：如氧化铝（提高稳定性与机械强度）、 氧化铅（增大折射率，但化学稳定性下降）、氧化 纳（降低熔炼温度，但稳定性和机械性能下降）， 等等

光学玻璃还具有其它特性: (1)各向同性 由于玻璃的均一结构,其内部沿任何方向度量的 物理性能(折射率、硬度、弹性模量、热膨胀系数、 导电系数等)相同。 (2)稳定性 常温下,玻璃态具有较高的黏度,阻止玻璃态向晶态 的转变。 (3)从熔融态向固态转变过程连续可逆 玻璃从熔融态冷却到固态在一个相当宽的温度范围 内完成,变化过程连续可逆,没有固化点,只有固化 温度范围。这个性质对玻璃的热处理工艺非常重要

光学玻璃还具有其它特性： （1）各向同性 由于玻璃的均一结构，其内部沿任何方向度量的 物理性能（折射率、硬度、弹性模量、热膨胀系数、 导电系数等）相同。 （2）稳定性 常温下，玻璃态具有较高的黏度，阻止玻璃态向晶态 的转变。 （3）从熔融态向固态转变过程连续可逆 玻璃从熔融态冷却到固态在一个相当宽的温度范围 内完成，变化过程连续可逆，没有固化点，只有固化 温度范围。这个性质对玻璃的热处理工艺非常重要

光学玻璃可以分为: (1)、无色光学玻璃 (2)、有色光学玻璃 (3)、特殊玻璃等

（1）、无色光学玻璃 （2）、有色光学玻璃 （3）、特殊玻璃等 光学玻璃可以分为：

(1)、无色光学玻璃:分类 根据化学成分,无色光学玻璃可以分为两类: (a)、冕牌玻璃--K带头的玻璃,折射率n较小,色散系 数大,可分为氟冕(FK)、磷冕(PK)、轻冕(QK)、钡 冕(BaK)、重冕(zK)、镧冕(LaK)、特冕(TK)等; (b)、火石玻璃-F带头的玻璃,折射率n较大。色散系 数大,可分为冕火石(KF)、轻火石(QF)、钡火石 (BaF)、重火石(ZF)、镧H火石(LaF)等。 共有160多种之多

（1）、无色光学玻璃：分类 根据化学成分，无色光学玻璃可以分为两类： (a)、冕牌玻璃----K带头的玻璃，折射率n较小，色散系 数大，可分为氟冕（FK）、磷冕（PK）、轻冕（QK）、钡 冕（BaK）、重冕（ZK）、镧冕（LaK）、特冕（TK）等； (b)、火石玻璃----F带头的玻璃，折射率n较大。色散系 数大，可分为冕火石（KF）、轻火石（QF）、钡火石 （BaF）、重火石（ZF）、镧H火石（LaF）等。 共有160多种之多