常見光學材料介紹

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(shù)（折射率，阿貝數(shù)，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(shù)，折射率VS溫度）都會影響光學部件及系統(tǒng)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(tài)(玻璃態(tài))光介質(zhì)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(tǒng)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(wěn)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(shù)。光學玻璃在低溫固態(tài)下仍保留了高溫液態(tài)的無定形結構，理想情況下玻璃內(nèi)部沿各方向理化性能（如折射率、熱膨脹系數(shù)、硬度、熱導率、電導率、彈性模量等）相同，稱為各向同性。

現(xiàn)在光學玻璃的生產(chǎn)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(nèi)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(nèi)的JGS1、JGS2、JGS3，Corning7980以及小原的高質(zhì)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(zhì)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(zhì)，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(zhì)量光學元件中的玻璃。H-K9L精退火光學玻璃是一種硬質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(tǒng)，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(zhì)，如紅寶石、氟化鈣和摻釹釔鋁石榴石晶體等。

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(yè)。

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(qū)別主要是具有結晶的結構，而與陶瓷的主要區(qū)別是，它的結晶結構要比陶瓷細得多。具有熱膨脹系數(shù)小、強度大、硬度高、密度小、穩(wěn)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(shù)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(shù)小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良以及減重效果等特點，被視為大尺寸輕質(zhì)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(lián)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(zhì)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(zhì)材料，光學纖維材料、光學薄膜材料、液晶材料、發(fā)光材料等都屬于光學材料，光學技術的發(fā)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。