06光学材料

第6章 光学材料
光 学 材 料 包 括 传 统 光 学 材 料 和 光 功 能 材 料 。 传 统 的 光 学 材 料 主 要 是 指 光 介 质 材 料 ， 这 些 材 料 以 折 射 、
反 射 和 透 射 的 方 式 ， 改 变 光 线 的 方 向 、 强 度 和 位 相 ， 使 光 线 按 照 预 定 的 要 求 传 输 ， 也 可 以 吸 收 或 透 过 一
定 波 长 范 围 的 光 线 而 改 变 光 线 的 光 谱 成 分 。 光 功 能 材 料 是 指 在 外 场 作 用 下 ， 诸 如 力 、 热 、 声 、 电 、 磁 、
光 ， 材 料 的 光 学 性 质 发 生 改 变 ， 用 于 探 测 、 功 能 转 换 等 方 面 的 材 料 。 光 功 能 材 料 按 其 功 能 可 分 为 ： 激 光
材 料 、 红 外 材 料 、 发 光 材 料 、 光 色 材 料 、 光 纤 材 料 、 光 存 储 材 料 和 非 线 性 材 料 等 等 。
近 代 光 学 的 发 展 ， 特 别 是 激 光 的 出 现 ， 使 光 功 能 材 料 得 到 了 发 展 ， 这 种 材 料 在 外 场 （ 力 、 声 、 热 、
电 、 磁 和 光 ） 的 作 用 下 ， 其 光 学 性 质 会 发 生 变 化 ， 因 此 可 作 为 探 测 和 能 量 转 换 的 材 料 ， 成 为 光 学 材 料 中
一 个 新 的 领 域 。 目 前 光 功 能 材 料 研 究 处 于 快 速 的 发 展 阶 段 ， 纳 米 技 术 在 材 料 制 备 上 的 应 用 ， 使 人 们 不 断
发 现 新 的 光 功 能 材 料 和 采 用 新 方 法 制 备 新 的 光 功 能 材 料 ， 例 如 ： 纳 米 晶 用 于 太 阳 能 转 换 材 料 ， 纳 米 稀 土
材 料 用 于 发 光 材 料 等 。
6 . 1 材 料 的 光 学 性 质
1 4 1 4
光 是 一 种 电 磁 波 ， 可 见 光 是 频 率 范 围 为 4 . 2 × 1 0 ～ 7 . 5 × 1 0 H z 的 电 磁 波 。 可 见 光 作 用 在 固 体 材 料 上 ，
宏 观 上 出 现 反 射 、 折 射 和 透 射 等 现 象 ， 微 观 上 则 引 起 组 成 材 料 的 原 子 发 生 电 子 极 化 和 （ 或 ） 电 子 能 态 的
变 化 。
6 .1.1 电磁辐射
从 经 典 意 义 上 讲 ， 电 磁 辐 射 是 一 种 波 ， 由 电 场 分 量 和 磁 场 分 量 组 成 。 两 个 分 量 彼 此 互 相 垂 直 并 都 垂
直 于 波 的 传 播 方 向 。 光 、 热 （ 辐 射 能 ） 、 雷 达 、 无 线 电 波 和 X 射 线 都 是 各 种 形 式 的 电 磁 波 ， 它 们 之 间 的 差
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别 是 波 长 （ 或 频 率 ） 范 围 不 同 。 电 磁 波 包 括 的 波 长 范 围 很 宽 ， 从 1 0 m 到 1 0 m 。 按 波 长 增 加 的 次 序 ， 分 为
γ 射 线 、 X 射 线 、 紫 外 线 、 可 见 光 、 红 外 线 和 无 线 电 波 ， 如 图 6 - 0 1 所 示 。
图 6 - 0 1 电 磁 波 谱可 见 光 是 眼 睛 能 感 知 的 电 磁 波 ， 在 整 个 电 磁 波 谱 中 只 占 很 窄 的 一 部 分 ， 其 波 长 范 围 为 0 . 4 μ m （ 4 ×
- 7 - 7
1 0 m ） 至 0 . 7 μ m （ 7 × 1 0 m ） 。 光 线 的 颜 色 取 决 于 波 长 ， 例 如 波 长 为 0 . 4 μ m 的 光 是 紫 色 ， 波 长 0 . 5 μ m 的
光 呈 绿 色 ， 波 长 为 0 . 6 5 μ m 的 光 呈 红 色 。 白 光 是 各 种 带 色 光 的 混 合 光 。
8
各 种 形 式 的 电 磁 波 在 真 空 中 的 传 播 速 度 都 是 3 × 1 0 m / s ， 通 常 用 c 表 示 。 c 与 真 空 介 电 系 数 ε 和 真 空
0
磁 导 率 μ 之 间 的 关 系 为
0
1
c ? （ 6 - 0 1 ）
? ? ?
0
0
c 与 电 磁 波 频 率 v 和 波 长 λ 之 间 的 关 为
c ? ? v （ 6 - 0 2 ）
v 为 单 位 为 H z ， 1 H z = 1 周 / 秒 。
有 时 ， 不 用 波 的 概 念 而 用 量 子 力 学 的 概 念 来 理 解 电 磁 辐 射 更 容 易 。 这 时 可 以 把 电 磁 辐 射 看 作 为 由 一
系 列 能 量 量 子 — 光 子 组 成 的 。 光 子 的 能 量 是 量 子 化 的 ， 即
hc
E ? hv ? （ 6 - 0 3 ）
?
式 中 ， h 为 普 朗 克 恒 量 。 由 上 式 可 见 ， 光 子 能 量 正 比 于 频 率 而 反 比 于 波 长 。
当 我 们 讨 论 与 物 质 之 间 的 相 互 作 用 时 ， 用 光 子 理 论 比 较 方 便 ， 而 在 另 外 一 些 情 况 下 ， 可 能 用 波 理 论
比 较 容 易 理 解 。
6 . 1 .2 光和固体的相 互作用
当 光 从 一 种 介 质 进 入 另 一 种 介 质 时 （ 例 如 从 空 气 中 进 入 固 体 中 ） ， 一 部 分 透 过 介 质 ， 一 部 分 被 吸 收 ，
还 有 一 部 分 在 两 个 介 质 的 界 面 上 被 反 射 ， 如 图 6 - 0 2 所 示 。
图 6 - 0 2 光 的 折 射 和 反 射
设 入 射 到 固 体 表 面 的 光 束 强 度 为 I ， 透 射 、 吸 收 和 反 射 光 的 强 度 分 别 为 I 、 I 和 I ， 则
0 T A RI ? I ? I ? I （ 6 - 0 4 ）
0 T A R
2
光 强 度 的 单 位 为 W / m , 表 示 单 位 时 间 内 通 过 单 位 面 积 （ 与 光 线 传 播 方 向 垂 直 ） 上 的 能 量 。 方 程 （ 6 - 0 4 ） 的
另 一 种 表 达 形 式 为
T ? A ? R ? 1 （ 6 - 0 5 ）
式 中 ， T 为 透 射 率 （ T = I / I ） ； A 为 吸 收 率 （ A = I / I ） ； R 为 反 射 率 （ R = I / I ） 。
T 0 A 0 R 0
透 明 材 料 是 透 射 率 较 高 而 吸 收 率 和 反 射 率 较 小 的 材 料 。 半 透 明 材 料 是 光 线 透 过 它 时 能 发 生 漫 散 射 的
材 料 。 不 透 明 材 料 是 透 射 率 极 小 的 材 料 。
金 属 对 整 个 可 见 光 谱 都 是 不 透 明 的 ， 即 所 有 的 入 射 光 不 是 被 吸 收 ， 就 是 被 反 射 。 所 有 的 电 绝 缘 材 料
都 可 能 制 成 透 明 材 料 。 半 导 体 材 料 中 ， 有 些 是 透 明 的 ， 有 些 是 不 透 明 的 。
在 固 体 材 料 中 出 现 的 光 学 现 象 是 电 磁 辐 射 与 固 体 材 料 中 原 子 、 离 子 或 电 子 之 间 相 互 作 用 的 结 果 。 最
重 要 的 两 种 作 用 是 电 子 极 化 和 电 子 能 态 的 转 变 。
（ 1 ） 电 子 极 化
电 磁 波 的 分 量 之 一 是 迅 速 交 变 的 电 场 分 量 。 在 可 见 光 频 率 范 围 内 ， 电 场 分 量 与 传 播 过 程 中 遇 到 的 每
一 个 原 子 发 生 相 互 作 用 ， 引 起 电 子 极 化 ， 即 造 成 电 子 云 与 原 子 核 的 电 荷 中 心 发 生 相 对 位 移 。 其 结 果 ， 当
光 线 通 过 介 质 时 ， 一 部 分 能 量 被 吸 收 ， 同 时 光 波 速 度 减 小 。 后 者 导 致 折 射 。
图 6 - 0 3 固 体 中 的 电 子 极 化 机 制
（ 2 ） 电 子 能 态 转 变
电 磁 波 的 吸 收 和 发 射 包 含 电 子 从 一 种 能 态 转 变 到 另 一 种 能 态 的 过 程 。 为 讨 论 方 便 起 见 ， 考 虑 一 个 孤立 的 原 子 ， 该 原 子 吸 收 了 光 子 的 能 量 之 后 ， 可 能 将 E 能 级 上 的 电 子 激 发 到 能 量 较 高 的 E 空 能 级 上 去 。 电
2 4
子 发 生 的 能 量 变 化 Δ E 与 电 磁 波 的 频 率 有 关 ：
? E ? h v （ 6 - 0 6 ）
式 中 ， h 为 普 朗 克 恒 量 。 在 这 里 ， 必 须 明 确 几 个 概 念 。 第 一 ， 原 子 中 电 子 的 能 级 是 分 立 的 ， 能 级 之 间 只 有
特 定 的 Δ E 值 。 因 此 只 有 能 量 为 Δ E 的 光 子 才 能 被 该 原 子 通 过 电 子 能 态 的 转 变 而 吸 收 ； 而 且 在 每 一 次 激 发
中 ， 每 个 光 子 的 能 量 将 全 部 被 吸 收 。 第 二 ， 受 激 电 子 不 可 能 无 限 长 时 间 地 保 持 在 激 发 状 态 ， 经 过 一 个 短
时 期 后 ， 它 又 会 衰 变 回 基 态 ， 同 时 发 射 出 电 磁 波 。 衰 变 的 途 径 不 同 ， 发 射 出 的 电 磁 波 频 率 就 不 同 。
6 . 1 .3 物体的光学性 质
6 . 1 . 3 . 1 金 属 的 光 学 性 质
金 属 对 可 见 光 是 不 透 明 的 ， 这 是 什 么 原 因 呢 ？ 这 需 要 从 金 属 的 电 子 能 带 结 构 来 讨 论 。 在 金 属 的 电 子
能 带 结 构 中 ， 费 米 能 级 以 上 存 在 许 多 空 能 级 。 因 此 当 金 属 受 到 光 线 照 射 时 ， 比 较 容 易 吸 收 入 射 光 线 的 光
子 能 量 ， 将 价 带 中 的 电 子 激 发 到 费 米 能 级 以 上 的 空 能 级 中 去 。 实 际 上 ， 只 要 金 属 箔 的 厚 度 为 0 . 1 μ m 就 可
能 吸 收 全 部 光 能 。 所 以 只 有 厚 度 小 于 0 . 1 μ m 的 金 属 箔 才 可 能 透 光 。 而 且 由 于 能 级 以 上 有 许 多 空 能 级 ， 因
而 各 种 不 同 频 率 的 可 见 光 ， 即 具 有 各 种 不 同 能 量 （ Δ E ） 的 光 子 都 能 被 吸 收 。 事 实 上 ， 金 属 对 所 有 的 低 频
电 磁 波 （ 从 无 线 电 波 到 紫 外 光 ） 都 是 不 透 明 的 ， 只 有 对 高 频 电 磁 波 X 射 线 和 γ 射 线 才 是 透 明 的 。
大 部 分 被 金 属 材 料 吸 收 的 光 又 会 从 表 面 上 以 同 样 波 长 的 光 被 发 射 出 来 表 现 为 反 射 光 。 大 多 数 金 属 的
反 射 率 为 0 . 9 ～ 0 . 9 5 ， 还 有 一 小 部 分 能 量 是 以 热 的 形 式 损 耗 掉 了 。
肉 眼 看 到 的 金 属 颜 色 不 是 由 吸 收 光 的 波 长 决 定 的 ， 而 是 由 反 射 光 的 波 长 决 定 的 。 在 白 光 照 射 下 表 现
为 银 色 的 金 属 （ 如 银 和 铝 ） ， 表 面 反 射 出 来 的 光 也 是 由 各 种 波 长 的 可 见 光 组 成 的 混 合 光 。 其 它 颜 色 的 金 属
（ 如 铜 为 桔 红 色 ， 金 为 黄 色 ） 表 面 反 射 出 来 的 光 可 见 光 中 以 某 种 波 长 的 可 见 光 为 主 要 成 分 。
6 . 1 . 3 . 2 非 金 属 材 料 的 光 学 性 质
非 金 属 材 料 对 可 见 光 可 能 透 明 ， 也 可 能 不 透 明 。 所 以 除 反 射 和 吸 收 以 外 ， 还 应 考 虑 折 射 和 透 射 。
光 线 进 入 透 明 材 料 内 部 时 ， 因 电 子 极 化 消 耗 部 分 能 量 致 使 光 速 减 小 ， 光 线 在 界 面 处 拐 弯 ， 这 种 现 象
叫 折 射 。 材 料 的 折 射 率 定 义 为
c
n ? （ 6 - 0 7 ）
?
式 中 ， c 和 v 分 别 是 光 线 在 真 空 中 和 材 料 中 的 传 播 速 度 ， n 为 折 射 率 。 折 射 率 的 大 小 不 仅 与 材 料 有 关 ， 还
与 光 的 波 长 有 关 。
由 于 光 速 在 介 质 中 的 减 小 是 电 子 极 化 引 起 的 ， 因 而 组 成 原 子 或 离 子 的 大 小 对 光 速 的 影 响 很 大 。 一 般
地 说 ， 原 子 或 离 子 愈 大 ， 则 电 子 极 化 程 度 愈 高 ， 光 速 就 愈 慢 ， 从 而 折 射 率 愈 高 。 例 如 ， 普 通 的 钠 钙 玻 璃
的 折 射 率 约 为 1 . 5 ， 在 玻 璃 中 加 入 的 钡 离 子 和 铅 离 子 （ 如 B a O 和 P b O ） 后 ， 折 射 率 就 提 高 。 含 9 0 % P b O 的
铅 玻 璃 的 折 射 率 可 高 达 2 . 1 。
晶 体 结 构 为 立 方 晶 型 的 陶 瓷 材 料 和 无 定 形 玻 璃 的 折 射 率 是 各 向 同 性 的 。 晶 体 结 构 为 非 立 方 晶 型 的 材
料 ， 折 射 率 各 向 异 性 。 离 子 密 度 最 大 的 方 向 上 折 射 率 最 高 。 表 6 - 0 1 给 了 几 种 玻 璃 、 透 明 陶 瓷 和 高 聚 物 的
折 射 率 。 对 于 折 射 率 各 向 异 性 的 结 晶 陶 瓷 ， 表 中 给 出 的 是 平 均 值 。高聚物陶瓷
表 6 - 0 1 几 种 透 明 材 料 的 折 射 率
材 料 平 均 折 射 率 材 料 平 均 折 射 率
氧 化 硅 玻 璃 1 . 4 5 8 聚 乙 烯 1 . 3 5
钠 钙 玻 璃 1 . 5 1 聚 四 氩 乙 烯 1 . 5 1
硼 硅 酸 玻 璃 1 . 4 7 聚 苯 乙 烯 1 . 6 0
重 火 石 玻 璃 1 . 6 5 聚 甲 基 丙 烯 酸 1 . 4 9
金 刚 砂 （ A l O ） 1 . 7 6 甲 酯 1 . 4 9
2 3
方 镁 石 （ M g O ） 1 . 7 4
石 英 （ S i O ） 1 . 5 5
2
尖 晶 石 （ M g A O ） 1 . 7 2
2 4
当 光 线 从 一 种 介 质 进 入 另 一 种 折 射 不 同 的 介 质 时 ， 即 使 两 种 介 质 都 是 透 明 的 ， 也 总 会 有 一 部 分 光 线
在 两 种 介 质 的 界 面 上 反 射 。 当 光 线 垂 直 时 ， 反 射 率 与 两 种 介 质 的 折 射 率 之 间 的 关 系 如 下 ：
2
? ?
n ? n
2 1
? ?
R ? （ 6 - 0 8 ）
? ?
n ? n
? 2 1 ?
式 中 ， n 和 n 分 别 为 两 种 介 质 的 折 射 率 。 在 非 垂 直 入 射 的 情 况 下 ， 反 射 率 与 入 射 角 有 关 。 当 光 线 从 真 空
1 2
或 空 气 中 垂 直 入 射 到 固 体 上 时 ， 则 因 为 真 空 （ 或 空 气 ） 的 折 射 率 为 1 ， 上 式 变 为
2
? n ? 1 ?
S
? ?
R ? （ 6 - 0 9 ）
? ?
n ? 1
? S ?
式 中 ， n 是 固 体 材 料 的 折 射 率 。 由 该 式 可 知 ， 固 体 材 料 的 折 射 率 愈 高 ， 反 射 率 也 愈 高 。 同 时 ， 由 于
S
固 体 材 料 的 折 射 率 和 入 射 率 与 入 射 光 的 波 长 有 关 ， 因 此 反 射 率 也 与 波 长 有 关 。
非 金 属 材 料 对 可 见 光 可 能 是 透 明 的 ， 也 可 能 是 不 透 明 的 。 如 果 是 透 明 的 ， 往 往 带 有 某 种 颜 色 ， 原 则
上 ， 非 金 属 材 料 对 光 的 吸 收 有 下 列 三 种 机 理 ： （ 1 ） 电 子 极 化 。 但 只 有 当 光 的 频 率 与 电 子 极 化 松 弛 时 间 的
倒 数 处 于 同 一 数 量 级 时 ， 由 此 引 起 的 吸 收 才 变 得 比 较 重 要 。 （ 2 ） 电 子 受 激 越 过 禁 带 而 吸 收 光 。 （ 3 ） 电 子
受 激 进 入 位 于 禁 带 中 的 杂 质 或 缺 陷 能 级 上 而 吸 收 光 。
理 论 推 导 表 明 ， 对 于 禁 带 宽 度 小 于 1 . 8 e V 的 半 导 体 材 料 ， 所 有 的 可 见 光 都 可 以 通 过 激 发 价 带 电 子 向
导 带 的 转 移 而 被 吸 引 ， 因 而 不 是 透 明 的 。 对 于 禁 带 宽 度 介 于 1 . 8 e V 和 3 . 1 e V 之 间 的 非 金 属 材 料 ， 则 只 有
部 分 可 见 光 被 吸 收 。 这 类 材 料 常 常 是 带 色 透 明 的 。
每 一 种 非 金 属 材 料 对 特 定 波 长 以 下 的 电 磁 波 不 透 明 ， 具 体 波 长 取 决 于 禁 带 能 量 E 。 例 如 ， 金 刚 石 的
g
E = 5 . 6 e V ， 因 而 对 波 长 小 于 0 . 2 2 μ m 的 电 磁 波 是 不 透 明 的 。
g
禁 带 较 宽 的 介 电 固 体 还 可 能 吸 收 光 波 ， 不 过 吸 收 的 机 理 不 是 激 发 电 子 从 价 带 进 入 导 带 ， 而 是 因 杂 质
或 其 它 电 活 化 缺 陷 在 禁 带 中 引 进 了 能 级 （ 如 电 子 给 体 能 级 或 电 子 受 体 能 级 ） ， 使 电 子 能 够 在 吸 收 光 子 能 量
后 实 现 从 价 带 → 禁 带 或 从 禁 带 → 导 带 的 转 移 。
电 子 受 激 时 吸 收 的 电 磁 波 能 量 必 定 会 以 某 种 方 式 释 放 出 来 。 释 放 的 机 理 有 几 种 。 对 于 通 过 电 子 从 价
带 → 导 带 所 吸 收 的 能 量 ， 可 能 会 通 过 电 子 与 空 穴 的 征 重 新 结 合 而 释 放 出 来 ； 也 可 能 通 过 禁 带 中 的 杂 质 能
级 而 发 生 电 子 的 多 级 转 移 ， 从 而 发 射 出 两 个 光 子 。 一 个 光 子 的 能 量 等 于 电 子 从 导 带 回 到 杂 质 能 级 所 释 放的 能 量 ； 另 一 个 光 子 的 能 量 等 于 电 子 从 杂 质 能 级 回 到 基 态 时 释 放 出 来 的 能 量 。 此 外 ， 还 可 能 在 电 子 的 多
级 转 移 中 发 射 出 一 个 声 子 和 一 个 光 子 。
介 质 净 吸 收 的 光 波 能 量 不 仅 与 介 质 特 性 有 关 ， 还 与 光 程 有 关 。 透 射 强 度 随 光 程 的 增 加 而 减 小 。
有 些 透 明 材 料 之 所 以 带 颜 色 ， 是 因 为 它 选 择 性 地 吸 收 特 定 波 长 范 围 的 光 波 。 所 带 的 颜 色 取 决 于 透 射
光 中 的 光 波 分 布 。
任 何 选 择 性 吸 取 都 是 由 于 电 子 受 激 造 成 的 ， 当 电 子 从 激 发 态 回 到 低 能 态 时 ， 又 会 重 新 发 射 出 光 波 。
重 新 发 射 的 光 的 波 长 不 一 定 与 吸 收 光 的 波 长 相 同 。 因 此 透 射 光 波 的 波 长 分 布 是 非 吸 收 光 波 和 重 新 发 射 光
波 的 混 合 光 波 。 透 明 材 料 的 颜 色 就 是 由 混 合 光 波 的 颜 色 决 定 的 。
以 蓝 宝 石 和 红 宝 石 为 例 来 说 明 这 个 问 题 ， 蓝 宝 石 是 单 晶 氧 化 铝 ， 呈 无 色 ； 红 宝 石 是 在 单 晶 氧 化 铝 中
3 +
加 入 少 量 的 C r O 。 由 于 C r 离 子 的 存 在 ， 在 蓝 宝 石 的 禁 带 中 引 进 杂 质 能 级 ， 造 成 了 不 同 于 蓝 宝 石 的 选 择
2 3
性 吸 收 ， 呈 红 色 。 对 于 蓝 宝 石 来 说 ， 在 整 个 可 见 光 范 围 内 透 射 光 的 波 长 分 布 很 均 匀 ， 因 此 是 无 色 的 。 而
对 于 红 宝 石 ， 它 对 波 长 约 为 0 . 4 μ m 的 蓝 紫 色 光 和 波 长 约 0 . 6 μ m 的 黄 绿 光 有 强 烈 的 选 择 性 吸 收 ， 而 非 吸
收 光 和 重 新 发 射 光 的 光 波 决 定 了 其 呈 红 色 。
将 无 机 玻 璃 上 色 的 方 法 就 是 玻 璃 处 于 熔 融 状 态 时 加 入 过 渡 元 素 或 稀 土 元 素 的 离 子 。 典 型 的 离 子 — 颜
2 + 2 + 3 + 2 + 3 +
色 对 有 ： C u — 蓝 绿 ； C o — 蓝 紫 ； C r — 红 色 ； M n — 黄 色 ； M n — 紫 色 。
有 许 多 本 来 是 透 明 的 电 介 质 材 料 可 以 被 制 成 半 透 明 的 或 不 透 明 的 。 其 原 理 是 设 法 使 光 线 在 材 料 内 部
发 生 多 次 发 散 和 折 射 （ 漫 散 射 ） ， 致 使 透 射 光 线 变 得 十 分 弥 散 。 当 散 射 作 用 非 常 强 以 致 几 乎 没 有 光 线 透 过
时 ， 材 料 看 起 来 就 不 透 明 了 。
引 起 内 部 散 射 的 原 因 是 多 方 面 的 ， 一 般 地 说 ， 由 折 射 率 各 向 异 性 的 微 晶 组 成 的 多 晶 样 品 是 半 透 明 或
不 透 明 的 。 在 这 种 材 料 中 ， 微 晶 无 序 取 向 ， 因 而 光 线 在 相 邻 微 晶 界 面 上 必 然 发 生 反 射 和 折 射 。 光 线 经 无
数 次 反 射 与 折 射 便 变 得 十 分 弥 散 。 同 理 ， 当 光 线 通 过 分 散 得 很 细 的 两 相 体 系 时 ， 也 因 两 相 的 折 射 率 不 同
而 发 生 散 射 。 两 相 的 折 射 率 相 差 愈 大 ， 散 射 作 用 愈 强 烈 。
在 纯 高 聚 物 （ 不 加 添 加 剂 和 填 料 ） 中 ， 非 晶 态 均 相 高 聚 物 应 该 是 透 明 的 ， 而 结 晶 高 聚 物 一 般 是 半 透
明 甚 至 不 透 明 的 ， 如 聚 乙 烯 、 全 同 立 构 聚 丙 烯 、 聚 四 氟 乙 烯 、 尼 龙 、 聚 甲 醛 等 。 因 为 结 晶 高 聚 物 都 是 晶
区 和 非 晶 区 混 合 的 两 相 体 系 ， 晶 区 和 非 晶 区 折 射 率 不 同 ， 而 且 结 晶 高 聚 物 的 结 晶 程 度 愈 高 ， 散 射 愈 强 。
因 此 除 非 是 厚 度 很 薄 的 薄 膜 或 薄 膜 中 球 晶 的 尺 寸 与 可 见 光 波 同 一 数 量 级 或 更 小 ， 大 部 分 结 晶 高 聚 物 均 为
半 透 明 或 不 透 明 的 ， 另 外 ， 高 聚 物 中 的 共 聚 物 多 属 两 相 体 系 ， 因 此 除 非 特 意 使 两 相 的 折 射 率 接 近 ， 一 般
也 是 半 透 明 或 不 透 明 的 ， 如 A B S 。
陶 瓷 材 料 如 果 是 单 晶 体 ， 就 一 定 是 透 明 的 。 但 大 多 数 陶 瓷 材 料 不 仅 是 多 晶 体 ， 而 且 是 多 相 体 系 ， 由
晶 相 、 玻 璃 相 和 气 相 （ 气 孔 ） 组 成 ， 因 此 往 往 是 半 透 明 或 不 透 明 的 。 从 折 射 定 律 可 知 ， 当 光 线 从 折 射 率
较 大 的 透 明 介 质 入 射 到 折 射 率 较 小 的 透 明 介 质 时 ， 折 射 角 大 于 入 射 角 。 因 此 当 入 射 角 大 于 某 一 临 界 值 时 ，
折 射 角 将 ≥ 9 0 ° ， 从 而 发 生 全 反 射 。 光 学 纤 维 就 是 利 用 这 一 原 理 。 光 学 纤 维 是 由 一 根 折 射 率 （ n ） 较 大 的
g
玻 璃 纤 维 包 上 一 层 折 射 率 （ n ） 较 小 的 玻 璃 介 质 制 成 的 。 光 线 可 以 在 光 学 纤 维 内 部 通 过 多 次 反 射 传 到 另 一
c
端 。 如 果 用 大 量 的 这 类 化 学 纤 维 并 成 一 束 ， 并 使 纤 维 束 两 端 各 纤 维 的 排 列 顺 序 严 格 对 应 ， 便 可 用 来 传 递
图 象 信 息 。
光 学 纤 维 的 种 类 很 多 。 按 材 料 的 性 质 来 分 ， 主 要 有 玻 璃 纤 维 和 聚 合 纤 维 两 类 。 纤 维 材 料 要 求 在 某 个
波 段 （ 如 红 外 、 可 见 、 紫 外 等 ） 范 围 内 透 明 性 较 好 ， 这 样 才 能 保 证 主 导 传 递 的 图 像 失 真 较 小 。 另 外 还 要
考 虑 力 学 性 能 ， 如 拉 伸 容 量 大 、 抗 扭 曲 性 等 。 由 于 光 学 纤 维 具 有 内 部 光 线 可 弯 曲 的 传 播 、 抗 干 扰 性 强 、能 量 损 耗 小 ， 信 息 容 量 大 、 保 密 性 好 等 优 点 ， 已 被 广 泛 地 应 用 于 医 学 、 工 业 、 信 息 传 递 等 方 面 。 而 且 随
着 新 的 高 性 能 纤 维 材 料 的 发 展 ， 它 的 应 用 前 景 是 十 分 广 泛 的 。
6 .1.4 其它光学现象
6 . 1 . 4 . 1 发 光 现 象
有 些 材 料 在 吸 收 能 量 之 后 能 发 出 一 种 可 见 的 冷 光 ， 这 种 现 象 叫 发 光 现 象 。 光 子 是 固 体 中 的 电 子 从 受
激 高 能 态 返 回 较 低 能 态 时 发 射 出 来 的 。 当 发 出 的 光 子 能 量 在 1 . 8 ~ 3 . 1 e V 之 间 ， 便 是 可 见 光 。 要 使 材 料 发
光 所 需 吸 收 的 能 量 可 以 从 较 高 能 量 的 电 磁 辐 射 （ 如 紫 外 光 ） 得 到 ， 也 可 以 从 高 能 电 子 或 热 能 、 机 械 能 和
化 学 能 中 得 到 。
- 8
根 据 材 料 从 吸 收 能 量 到 发 光 之 间 延 迟 时 间 的 长 短 ， 可 以 把 冷 光 分 为 萤 光 和 磷 光 两 类 。 延 迟 时 间 ＜ 1 0 s
- 8
者 称 为 萤 光 ， 延 迟 时 间 ＞ 1 0 s 者 称 为 磷 光 。 能 发 出 萤 光 的 材 料 有 某 些 硫 化 物 、 氧 化 物 、 钨 酸 盐 和 一 些 有
机 物 质 。 纯 物 质 一 般 不 发 光 ， 必 须 加 进 适 量 的 杂 质 后 才 能 诱 导 出 发 光 现 象 。
发 光 现 象 具 有 重 要 的 实 际 应 用 。 萤 光 灯 就 是 一 个 在 内 表 面 涂 有 特 制 钨 酸 盐 或 硅 盐 的 玻 璃 罩 ， 由 水 银
辉 光 放 电 产 生 的 紫 外 激 发 涂 层 发 出 萤 光 。 我 们 在 电 视 屏 幕 上 看 到 的 图 象 也 是 利 用 这 种 发 光 现 象 ： 萤 光 屏
内 表 面 有 一 层 涂 层 ， 当 显 像 管 内 的 电 子 束 迅 速 扫 过 萤 光 屏 时 ， 涂 层 发 光 形 成 图 像 。 此 外 ， X 射 线 和 r 射 线
检 测 仪 也 正 是 利 用 某 些 含 磷 物 质 在 眼 睛 看 不 到 的 X 射 线 和 γ 射 线 的 激 发 下 能 发 光 的 原 理 。
利 用 电 致 发 光 原 理 ， 可 用 p - n 整 流 结 产 生 可 见 光 。 在 p - n 结 上 施 加 正 偏 压 ， 电 子 和 空 穴 在 结 区 复 合
而 放 出 能 量 。 在 某 些 情 况 下 ， 由 此 释 放 出 来 的 能 量 是 可 见 光 。 这 种 能 发 了 可 见 光 的 二 极 管 叫 做 发 光 二 极
管 （ L D E S ） ， 可 用 于 数 字 显 示 。 发 光 二 极 管 的 特 征 颜 色 取 决 于 所 用 的 半 导 体 材 料 。
6 . 1 . 4 . 2 光 电 性
如 前 所 述 ， 半 导 体 材 料 中 的 自 由 电 子 和 空 穴 数 能 通 过 热 激 发 而 增 加 。 有 些 半 导 体 材 料 在 光 激 发 下 也
能 提 高 电 导 率 ， 这 种 现 象 称 为 光 电 现 象 。
曝 光 表 就 是 利 用 半 导 体 的 发 电 性 测 定 光 照 下 产 生 的 电 流 程 度 。 入 射 光 愈 强 ， 测 得 的 电 流 强 度 愈 大 。
曝 光 表 中 最 常 用 的 材 料 是 硫 化 镉 。
太 阳 能 电 池 是 能 把 太 阳 能 量 直 接 转 换 为 电 能 的 半 导 体 元 件 。 这 种 元 件 的 工 作 原 理 正 好 与 发 光 二 极 管
的 相 反 ， 它 是 利 用 p - n 结 使 光 激 发 产 生 的 电 子 和 空 穴 朝 相 反 向 分 开 ， 形 成 外 部 电 路 中 的 电 流 。
6 . 1 . 4 . 3 激 光
激 光 ， 英 文 L A S E R ， 是 l i g h t A m p l i f i c a t i o n b y S t i m u l a t e d E m i s s i o n o f R a d i a t i o n 的 缩 写 ， 意 即 ：
经 受 激 辐 射 引 起 的 光 放 大 。 假 如 电 子 处 于 高 能 态 E ， 然 后 跃 迁 到 低 能 态 E ， 则 它 以 辐 射 形 式 发 出 能 量 。 可
2 1
以 有 两 种 途 径 ： 一 是 电 子 无 规 则 地 转 变 到 低 能 态 ， 称 为 自 发 发 射 。 二 是 一 个 具 有 能 量 等 于 两 能 级 间 能 量
差 的 光 子 与 处 于 高 能 态 的 电 子 作 用 ， 使 电 子 转 到 低 能 态 ， 同 时 产 生 第 二 个 光 子 ， 这 一 过 程 称 为 受 激 发 射 ，
即 用 一 个 光 子 去 激 发 位 于 高 能 级 的 电 子 使 之 放 出 光 子 ， 受 激 发 射 产 生 的 光 就 是 激 光 。
激 光 是 在 外 来 光 子 的 刺 激 下 诱 发 电 子 能 态 的 转 变 ， 而 发 射 出 的 与 外 来 光 子 的 频 率 、 相 位 、 传 输 方 向
和 偏 振 态 等 相 同 的 相 干 光 波 。 激 光 与 一 般 的 光 所 不 同 处 是 其 具 有 纯 单 色 性 和 相 干 性 ， 因 而 具 有 强 大 的 能
量 密 集 度 。
6 . 2 光 学 玻 璃
光 学 玻 璃 是 指 通 过 折 射 、 反 射 、 透 过 传 递 光 线 以 及 通 过 吸 收 改 变 光 的 强 度 或 光 谱 分 布 的 无 机 非 晶 态
光 学 介 质 材 料 。 光 学 玻 璃 在 透 镜 、 棱 镜 、 窗 口 、 反 射 镜 、 滤 光 镜 等 上 的 应 用 已 有 数 百 年 的 历 史 。 最 早 用来 制 造 简 单 光 学 零 件 的 材 料 是 水 晶 、 电 气 石 、 黄 晶 等 天 然 晶 体 。 天 文 、 航 海 和 生 物 的 发 展 ， 开 始 用 玻 璃
制 造 望 远 镜 和 显 微 镜 。 从 1 6 世 纪 开 始 ， 玻 璃 已 成 为 光 学 零 件 上 的 应 用 材 料 。 1 7 世 纪 ， 人 工 制 造 的 玻 璃 成
为 主 要 的 光 学 介 质 材 料 。 1 8 世 纪 ， 光 学 系 统 消 色 差 成 为 影 响 光 学 发 展 的 主 要 问 题 。 通 过 在 玻 璃 中 引 入 氧
化 铅 ， 获 得 了 阿 贝 数 小 的 玻 璃 ， 从 而 制 造 出 第 一 对 消 色 差 透 镜 。 1 9 世 纪 至 2 0 世 纪 初 是 世 界 光 学 工 业 形 成
的 重 要 时 期 ， 以 望 远 镜 （ 包 括 天 文 望 远 镜 和 军 用 望 远 镜 ） 、 显 微 镜 、 光 谱 仪 及 物 理 光 学 仪 器 （ 包 括 很 多
医 用 光 学 仪 器 ） 为 主 体 的 光 学 工 业 ， 已 在 发 达 的 资 本 主 义 国 家 建 立 起 来 ， 作 为 光 学 工 业 基 础 的 无 色 和 有
色 光 学 玻 璃 制 造 业 也 建 立 起 来 ， 光 学 玻 璃 成 为 光 学 介 质 材 料 的 主 要 部 分 。
6 .2.1 光学玻璃的性 质
光 学 玻 璃 具 有 特 定 的 光 学 性 质 和 高 度 光 学 均 匀 性 。
光 学 介 质 材 料 的 性 能 主 要 由 光 谱 透 过 率 和 光 学 色 散 （ 即 不 同 光 波 长 下 的 透 过 率 和 折 射 率 ） 表 征 。 每
种 光 学 介 质 材 料 都 有 特 定 的 光 谱 透 过 率 和 光 学 色 散 要 求 。 例 如 无 色 光 学 玻 璃 等 ， 希 望 在 宽 光 谱 区 域 有 很
高 的 透 过 率 ， 即 低 的 损 耗 系 数 。 损 耗 系 数 是 光 学 玻 璃 评 价 的 标 准 之 一 。 一 般 用 光 谱 光 度 计 测 量 。 对 损 耗
很 低 的 光 学 介 质 材 料 ， 用 量 热 计 法 和 光 声 法 测 量 。 对 于 光 学 色 散 ， 一 般 在 不 同 的 单 色 光 下 ， 用 精 密 测 角
仪 测 量 光 线 经 过 光 学 介 质 材 料 后 的 偏 折 。 对 光 学 薄 膜 用 偏 光 测 角 仪 测 量 。 对 光 学 纤 维 则 用 干 涉 法 测 定 光
纤 折 射 率 剖 面 的 分 布 。 对 不 同 的 材 料 都 有 特 定 的 光 学 色 散 的 允 许 偏 差 量 。
此 外 ， 光 学 均 匀 性 也 是 对 所 有 光 学 介 质 材 料 所 要 求 的 性 能 。 一 般 用 干 涉 仪 测 量 光 在 材 料 中 折 射 率 分
- 6 - 5
布 的 均 匀 性 。 高 质 量 的 光 学 介 质 材 料 的 折 射 率 的 偏 差 一 般 在 1 0 ～ 1 0 。
一 般 来 说 ， 光 学 玻 璃 的 主 要 缺 点 是 透 过 波 长 较 短 ， 软 化 温 度 较 低 ， 不 能 在 长 波 （ 大 于 2 0 μ m ） 和 高 温
（ 高 于 5 0 0 ℃ ） 下 使 用 。
6 .2.2 光学玻璃的种 类
光 学 玻 璃 通 常 按 光 学 特 性 和 应 用 分 为 无 色 光 学 玻 璃 、 有 色 光 学 玻 璃 、 防 辐 照 光 学 玻 璃 、 耐 辐 照 光 学
玻 璃 、 紫 外 光 学 玻 璃 、 红 外 光 学 玻 璃 、 光 学 石 英 玻 璃 、 光 学 薄 板 玻 璃 、 光 学 眼 镜 玻 璃 和 玻 璃 微 珠 等 。 其
中 紫 外 和 红 外 光 学 玻 璃 在 紫 外 和 红 外 波 段 具 有 特 定 的 光 学 常 数 和 高 透 过 性 。 紫 外 光 学 玻 璃 除 石 英 玻 璃 外 ，
还 发 展 了 过 渡 金 属 含 量 低 、 截 止 波 长 3 0 0 u m 的 硼 硅 酸 盐 玻 璃 ， 半 透 过 波 长 2 6 0 u m 的 含 氟 磷 酸 盐 玻 璃 和 含 磷
氟 化 物 玻 璃 。 红 外 光 学 玻 璃 以 铅 酸 盐 玻 璃 和 锗 酸 盐 玻 璃 为 主 ， 红 外 截 止 波 长 在 4 ～ 5 μ m 。
（ 1 ） 无 色 光 学 玻 璃
无 色 光 学 玻 璃 可 分 为 普 通 光 学 玻 璃 和 耐 辐 射 光 学 玻 璃 两 类 。 其 中 普 通 光 学 玻 璃 是 使 用 量 最 大 的 光 介 质
材 料 。 普 通 光 学 玻 璃 按 折 射 率 和 色 散 系 数 又 分 为 两 大 类 ： 冕 玻 璃 和 火 石 玻 璃 。 冕 玻 璃 是 硼 硅 酸 盐 玻 璃 ，
再 加 入 氧 化 铅 后 便 成 了 火 石 玻 璃 。 在 冕 玻 璃 中 ， 随 着 氧 化 钡 含 量 的 增 加 ， 折 射 率 增 大 ， 分 成 钡 冕 玻 璃 和
重 冕 玻 璃 。 火 石 玻 璃 中 ， 随 着 氧 化 铅 的 含 量 增 加 ， 折 射 率 增 大 ， 分 为 冕 火 石 玻 璃 、 轻 火 石 玻 璃 和 重 火 石 玻
璃 等 等 。 含 氧 化 钡 的 铅 玻 璃 又 分 钡 火 石 玻 璃 和 重 钡 火 石 玻 璃 两 类 。 随 着 光 学 行 业 的 发 展 ， 为 了 扩 大 光 学
常 数 的 范 围 ， 在 玻 璃 中 加 入 了 各 种 新 的 化 学 成 分 ， 无 色 玻 璃 的 品 种 也 日 益 增 多 。 例 如 ， 加 入 氧 化 镧 及 其
它 稀 土 氧 化 物 ， 形 成 了 高 折 射 率 低 色 散 的 镧 冕 玻 璃 和 镧 火 石 玻 璃 系 列 ； 加 入 二 氧 化 钛 及 氟 化 物 形 成 高 色
散 钛 冕 玻 璃 和 钛 火 石 玻 璃 ； 以 磷 酸 盐 和 氟 酸 盐 为 基 础 发 展 了 低 折 射 率 低 色 散 的 磷 冕 玻 璃 和 氟 冕 玻 璃 。
各 国 制 造 商 都 有 自 己 的 光 学 品 种 和 牌 号 表 示 方 法 ， 通 常 用 拉 丁 字 母 作 为 品 种 标 志 。 我 国 基 本 上 遵 循 上
述 原 则 ， 用 “ K ” 代 表 冕 类 ， “ F ” 代 表 火 石 类 玻 璃 。 在 品 种 划 分 上 ， 考 虑 到 化 学 组 成 和 制 造 工 艺 ， 使 每
一 品 种 的 玻 璃 在 化 学 组 成 上 相 似 、 工 艺 性 能 上 相 近 。 按 折 射 率 的 高 低 ， 分 别 用 “ 轻 ” （ Q ） 、 “ 重 ” （ Z ）
表 示 ； 按 化 学 组 成 的 特 点 ， 分 别 冠 以 化 学 元 素 符 号 。 各 品 种 内 的 玻 璃 以 序 号 区 分 ， 原 则 上 按 折 射 率 自 低
向 高 依 次 排 列 。 但 由 于 历 史 上 使 用 的 习 惯 ， 出 现 了 一 些 不 规 则 式 空 缺 。 如 F K 表 示 氟 冕 玻 璃 、 Q K 表 示 轻 冕玻 璃 、 L a K 表 示 镧 冕 玻 璃 、 Q F 表 示 轻 火 石 玻 璃 、 T i F 表 示 钛 火 石 玻 璃 等 等 。 到 了 二 十 世 纪 九 十 年 代 中 期 ，
我 国 普 通 无 色 光 学 玻 璃 已 有 1 8 个 品 种 、 1 4 1 个 牌 号 。
（ 2 ） 有 色 光 学 玻 璃
有 色 光 学 玻 璃 是 指 对 特 定 波 长 的 可 见 光 、 紫 外 光 或 红 外 光 具 有 选 择 性 吸 收 和 透 过 性 能 的 光 学 玻 璃 。 又
被 称 作 滤 光 玻 璃 。 有 色 光 学 玻 璃 为 了 具 有 一 定 的 光 谱 特 性 ， 通 常 在 其 原 料 中 加 入 了 适 量 的 着 色 剂 。 着 色
机 理 有 离 子 着 色 、 金 属 胶 体 着 色 和 硫 化 硒 化 合 物 着 色 。 有 色 光 学 玻 璃 按 光 谱 可 分 为 选 择 性 吸 收 型 有 色 光
学 玻 璃 、 截 止 型 有 色 光 学 玻 璃 和 中 性 灰 玻 璃 。 此 外 还 有 吸 热 玻 璃 、 色 温 变 换 玻 璃 、 特 殊 有 色 光 学 玻 璃 和
荧 光 玻 璃 等 。 其 中 选 择 性 吸 收 型 有 色 光 学 玻 璃 是 指 在 光 谱 透 过 曲 线 上 ， 具 有 一 个 或 几 个 透 过 峰 或 透 过 范
围 的 有 色 光 学 玻 璃 。 截 止 型 有 色 光 学 玻 璃 是 指 光 谱 特 性 曲 线 上 不 出 现 吸 收 峰 和 透 过 峰 ， 而 是 一 个 连 续 的
吸 收 区 和 透 过 区 的 有 色 光 学 玻 璃 。 中 性 灰 玻 璃 是 具 有 不 同 程 度 灰 色 的 有 色 光 学 玻 璃 ， 能 平 均 地 吸 收 可 见
光 ， 即 在 可 见 光 范 围 内 有 水 平 状 均 匀 的 透 过 曲 线 。 由 于 可 见 光 区 透 过 率 对 波 长 是 无 选 择 的 故 有 中 性 之 称 。
有 色 光 学 玻 璃 的 代 号 用 一 个 或 两 个 拉 丁 字 母 表 示 玻 璃 的 颜 色 和 性 质 ， 再 用 一 个 拉 丁 字 母 表 示 玻 璃 ， 并 加
阿 拉 伯 数 字 作 序 号 。 如 ， H B 表 示 红 色 玻 璃 ， C B 表 示 橙 色 玻 璃 ， G R B 表 示 隔 热 玻 璃 等 等 。
（ 3 ） 防 幅 照 光 学 玻 璃
防 幅 照 光 学 玻 璃 是 指 对 射 线 有 较 大 吸 收 能 力 的 光 学 玻 璃 。 按 所 防 射 线 的 种 类 分 为 防 γ 射 线 玻 璃 、 防 X
射 线 玻 璃 和 防 中 子 玻 璃 。
防 γ 射 线 玻 璃 γ 射 线 通 过 玻 璃 时 ， 与 物 质 互 相 作 用 ， 由 于 光 电 效 应 、 康 普 顿 效 应 、 电 子 对 形 成 和
散 射 等 原 因 而 受 到 衰 减 。 材 料 对 γ 射 线 的 吸 收 能 力 常 用 质 量 衰 减 系 数 衡 量 ， 它 随 光 子 能 量 的 增 加 而 下 降 。
玻 璃 的 质 量 衰 减 系 数 与 组 成 有 关 ， 符 合 加 和 性 公 式 。 以 0 . 5 M e V 光 子 为 例 ， 几 种 氧 化 物 的 质 量 吸 收 系 数
2
（ c m / g ） 为 ： S i O 0 . 0 8 7 、 B O 0 . 0 8 1 、 A l O 0 . 0 8 6 、 L i O 0 . 0 8 2 、 N a O 0 . 0 8 5 、 K O 0 . 0 8 6 、 B a O
2 2 3 2 3 2 2 2
0 . 0 9 6 7 、 Z n O 0 . 0 8 4 7 、 P b O 0 . 1 4 7 、 W O 0 . 1 2 2 、 B i O 0 . 1 4 9 。 镧 系 和 锕 系 氧 化 物 都 具 有 较 大 的 质 量 吸
2 3 2 3
收 系 数 ， 参 见 表 6 - 0 2 。
表 6 - 0 2 各 种 防 γ 射 线 玻 璃 的 线 性 衰 减 系 数
γ 射 线 能 量
（ M e V ）
0 . 5 1 0 . 0 0 3 . 0
线 性 衰 减 系 数
玻 璃
石 英 玻 璃 0 . 1 9 0 . 1 4 0 . 0 8
硼 硅 酸 盐 玻 璃 0 . 2 1 0 . 1 6 0 . 0 9
光 学 玻 璃 K 9 0 . 2 1 0 . 1 6 0 . 0 8
钡 晚 冕 玻 璃 0 . 2 2 0 . 1 5 0 . 0 9
重 火 石 玻 璃 0 . 8 0 0 . 4 1 0 . 2 4
γ 射 线 防 护 玻 璃 含 有 大 量 高 质 量 吸 收 系 数 的 B i 2 O 3 、 W 2 O 3 、 P b O 等 氧 化 物 。 考 虑 到 原 料 的 来 源 及 价 格 ，
使 用 最 广 的 是 含 少 量 碱 金 属 氧 化 物 的 高 氧 化 铝 硅 酸 盐 或 硼 硅 酸 盐 玻 璃 。 典 型 牌 号 为 Z F 6 重 火 石 玻 璃 ， 其
P b O 含 量 约 6 6 w t % 。 各 种 防 γ 射 线 玻 璃 的 线 性 衰 减 系 数 见 表 。
防 X 射 线 玻 璃 X 射 线 在 玻 璃 中 的 衰 减 比 γ 射 线 的 大 ， 防 护 X 射 线 常 用 P b O 含 量 较 低 的 Z F 2 重 火 石 玻璃 。 电 离 辐 射 常 在 玻 璃 中 形 成 色 心 ， 出 现 着 色 现 象 。 辐 射 防 护 玻 璃 必 须 考 虑 到 辐 照 的 稳 定 性 。
防 中 子 玻 璃 通 过 对 慢 中 子 和 热 中 子 的 俘 获 使 其 达 到 衰 减 。 玻 璃 中 含 有 大 量 B O 、 C d O 、 稀 土 氧 化 物
2 3
等 具 有 高 吸 收 截 面 的 氧 化 物 。 常 用 的 防 中 子 玻 璃 是 C d O B O 系 统 吸 收 热 中 子 玻 璃 。 为 改 善 化 学 稳 定 性 和 物
2 3
理 性 能 ， 可 添 加 适 量 S i O 、 A l O 。 若 要 求 在 吸 收 热 中 子 的 同 时 吸 收 中 子 反 应 过 程 中 所 产 生 的 γ 射 线 ， 玻
2 2 3
璃 中 可 引 入 P b O 。
（ 4 ） 耐 辐 照 光 学 玻 璃
耐 辐 照 光 学 玻 璃 是 指 经 γ 射 线 、 X 射 线 辐 照 后 ， 可 见 区 透 过 率 下 降 较 小 的 光 学 玻 璃 。
玻 璃 在 电 离 辐 射 下 产 生 电 子 和 空 穴 ， 它 们 分 别 与 玻 璃 中 的 缺 陷 形 成 色 心 。 含 变 价 阳 离 子 的 玻 璃 中 还
3
出 现 价 态 的 变 化 ， 形 成 新 的 吸 收 带 。 一 般 在 辐 射 剂 量 超 过 1 0 R 后 开 始 出 现 上 述 原 因 引 起 的 着 色 。 加 入 铈
3 ＋ 3 ＋ ( ＋ )
（ C e ） 离 子 能 防 止 这 种 现 象 出 现 ， 使 玻 璃 具 有 耐 辐 照 光 学 稳 定 性 。 在 玻 璃 中 C e 能 俘 获 空 穴 ， 形 成 C e ，
4 ＋ 4 ＋ ( － )
使 玻 璃 中 空 穴 与 缺 位 形 成 的 色 心 消 失 。 而 玻 璃 中 的 C e 则 俘 获 电 子 形 成 C e 。 当 铈 离 子 的 浓 度 达 到 一
定 数 量 级 时 ， 就 会 将 玻 璃 网 络 中 的 空 穴 和 电 子 俘 获 过 来 。 这 时 铈 离 子 的 吸 收 带 都 在 近 紫 外 区 ， 而 对 可 见
区 的 透 过 率 影 响 较 小 。
（ 5 ） 紫 外 光 学 石 英 玻 璃
紫 外 光 学 石 英 玻 璃 是 指 在 紫 外 光 和 可 见 光 谱 范 围 内 透 明 ， 通 常 在 1 8 0 ～ 1 2 0 0 n m 波 段 透 过 率 大 于 8 0 ％
的 一 种 光 学 玻 璃 。 按 照 透 光 性 质 紫 外 光 学 石 英 玻 璃 可 分 为 Ⅱ 型 （ Z S － 2 ） 和 Ⅲ 型 （ Z S － 1 ） 两 种 。
紫 外 光 学 石 英 玻 璃 的 紫 外 透 过 性 能 主 要 取 决 于 石 英 玻 璃 中 的 金 属 杂 质 离 子 的 含 量 ， 一 般 Z S － 1 型 玻
璃 的 金 属 杂 质 离 子 的 含 量 比 Z S － 2 型 玻 璃 的 金 属 杂 质 离 子 含 量 要 低 。 因 而 Z S — 1 型 玻 璃 具 有 透 真 空 紫 外
光 的 特 性 ， 但 这 类 玻 璃 红 外 透 过 性 能 差 。 Z S － 2 型 玻 璃 在 2 4 5 n m 处 存 在 吸 收 峰 ， 使 远 紫 外 段 透 过 率 降 低 。
且 在 一 定 波 长 的 紫 外 光 激 发 下 ， Z S － 2 型 玻 璃 能 产 生 浅 蓝 色 有 荧 光 ， 当 对 玻 璃 进 行 高 温 处 理 吸 收 及 荧 光 会
逐 渐 消 失 。 而 Z S － 1 型 玻 璃 即 无 吸 收 也 无 荧 光 产 生 。
Z S － 1 型 玻 璃 以 四 氯 化 硅 为 原 料 ， 在 氢 氧 火 焰 中 沉 积 成 石 英 玻 璃 ， 又 称 合 成 石 英 玻 璃 。 Z S － 2 玻 璃 则
以 高 纯 度 水 晶 粉 料 作 原 料 ， 在 氢 氧 焰 中 熔 制 成 玻 璃 。 由 于 不 接 触 耐 火 材 料 ， 且 原 料 中 部 分 杂 质 离 子 的 挥
发 ， 故 纯 度 较 电 加 热 熔 融 石 英 玻 璃 高 。
（ 6 ） 红 外 光 学 石 英 玻 璃
红 外 光 学 石 英 玻 璃 是 指 在 红 外 和 可 见 光 谱 区 透 明 ， 在 1 ～ 3 . 5 μ m 波 区 透 过 率 大 于 8 0 % 的 光 学 石 英 玻
璃 。 商 品 牌 号 为 H S 。
红 外 光 学 石 英 玻 璃 具 有 良 好 的 红 外 透 过 性 能 ； 但 它 含 有 2 0 ～ 5 0 p p m 的 金 属 杂 质 离 子 ， 故 紫 外 透 过 性
能 较 差 。 这 种 玻 璃 结 构 中 存 在 较 多 氧 缺 位 ， 致 使 2 5 4 n m 波 长 处 出 现 较 强 吸 收 峰 。 在 2 5 3 . 7 n m 紫 外 光 激 发
下 ， 产 生 的 蓝 紫 色 荧 光 。 当 玻 璃 置 于 1 1 0 0 ℃ 空 气 中 处 理 时 ， 吸 收 和 荧 光 均 逐 渐 减 小 直 到 消 失 。 这 类 玻 璃
光 学 均 匀 性 较 差 ， 在 偏 光 下 常 可 观 察 到 颗 粒 状 不 均 匀 现 象 ， 称 为 颗 粒 结 构 。
（ 7 ） 光 学 石 英 玻 璃
光 学 石 英 玻 璃 对 紫 外 、 可 见 到 红 外 （ 0 . 2 ～ 3 . 5 μ m 波 段 ） 光 谱 区 具 有 优 良 透 过 性 能 。 其 光 学 和 其 他 物
理 性 能 取 决 于 玻 璃 的 纯 度 和 掺 杂 。 含 0 . 0 0 1 ％ 的 微 量 杂 质 将 对 光 谱 透 过 产 生 很 大 影 响 。 石 英 玻 璃 的 杂 质 成
分 主 要 是 金 属 离 子 和 羟 基 ， 杂 质 来 源 于 制 备 石 英 玻 璃 的 原 料 及 工 艺 过 程 。
根 据 原 料 、 制 备 工 艺 及 光 谱 透 过 性 能 ， 光 学 石 英 玻 璃 分 为 I 型 、 I I 型 、 I I I 型 、 I V 型 和 掺 杂 型 五 种 。
其 中 I 型 为 红 外 光 学 石 英 玻 璃 ， 以 天 然 水 晶 为 原 料 ， 采 用 真 空 电 熔 工 艺 制 成 。 I I 型 为 紫 外 光 学 石 英 玻 璃 ，
用 火 焰 法 （ 氢 氧 烙 ） 熔 融 天 然 水 晶 粉 料 制 成 。 由 于 不 使 用 坩 锅 ， 且 高 温 下 有 部 分 碱 金 属 离 子 的 挥 发 ， 故
金 属 杂 质 离 子 较 I 型 少 ， 但 羟 基 含 量 较 多 （ 1 5 0 ～ 3 0 0 p p m ） ， 在 红 外 区 出 现 强 吸 收 峰 ， 对 于 2 0 0 n m 以 后 紫 外
光 透 过 率 大 干 7 0 ％ 。 I I I 型 为 远 紫 外 光 学 石 英 玻 璃 ， 以 四 氯 化 硅 等 高 纯 液 体 为 原 料 ， 在 氢 氧 焰 中 经 水 解 、熔 制 而 成 。 又 称 合 成 石 英 玻 璃 。 玻 璃 中 金 属 杂 质 离 子 含 量 低 于 l p p m ， 但 会 有 9 0 0 ～ 1 2 0 0 p p m i 羟 基 和 约 1 0 0 p p m
氯 。 其 特 点 是 光 学 均 匀 性 好 ， 在 1 8 5 n m 波 长 处 透 过 率 大 于 8 0 ％ 。 Ⅵ 型 为 全 光 谱 光 学 石 英 玻 璃 ， 以 四 氯 化 硅
等 高 纯 原 料 在 无 水 氧 气 的 等 离 子 焰 中 合 成 。 这 种 玻 璃 纯 度 极 高 ， 羟 基 含 量 低 于 5 p p m ， 因 而 从 波 长 1 8 5 n m 的
紫 外 到 3 . 5 μ m 的 红 外 光 谱 区 透 过 率 都 大 于 8 0 ％ 。
掺 杂 型 光 学 石 英 玻 璃 掺 杂 过 渡 族 和 稀 土 元 素 离 子 ， 使 石 英 玻 璃 中 的 吸 收 光 谱 或 荧 光 性 质 发 生 变 化 ，
是 一 种 改 性 的 特 种 光 学 石 英 玻 璃 。 常 用 的 有 四 种 ： 无 臭 氧 石 英 玻 璃 、 滤 紫 外 石 英 玻 璃 、 掺 铈 石 英 玻 璃 和
低 膨 胀 石 英 玻 璃 。
（ 8 ） 光 学 薄 板 玻 璃
光 学 薄 板 玻 璃 种 类 主 要 有 以 下 五 种 : 钠 钙 玻 璃 、 白 冕 玻 璃 、 硼 硅 酸 盐 玻 璃 、 铝 硅 酸 盐 玻 璃 和 石 英 玻 璃 。
为 提 高 玻 璃 的 透 过 率 ， 常 用 铁 和 过 渡 金 属 含 量 低 的 原 材 料 ， 熔 化 池 用 低 铁 、 抗 玻 璃 侵 蚀 性 能 优 越 的
耐 火 砖 砌 筑 ， 以 减 少 对 玻 璃 的 污 染 。 成 型 后 的 玻 璃 先 检 查 气 泡 、 条 纹 等 缺 陷 和 表 面 平 整 度 ， 再 经 切 割 、
清 洗 ， 然 后 包 装 。
对 于 一 些 特 殊 用 途 的 薄 板 玻 璃 ， 往 往 选 用 不 同 组 成 的 玻 璃 ， 经 特 殊 工 艺 制 成 。 如 手 表 硬 质 玻 璃 表 面
和 大 尺 寸 影 象 光 盘 ， 选 用 含 碱 玻 璃 ， 通 过 离 子 交 换 技 术 以 增 加 强 度 和 抵 抗 变 形 的 能 力 。
（ 9 ） 光 学 眼 镜 玻 璃
用 于 制 造 各 种 眼 镜 片 的 光 学 玻 璃 。 分 为 矫 正 视 力 用 眼 镜 玻 璃 、 遮 阳 用 眼 镜 玻 璃 和 工 业 保 护 目 镜 玻 璃
矫 正 视 力 用 眼 镜 玻 璃 主 要 有 5 种 ， ① 白 冕 、 钠 钙 、 冕 牌 或 钡 冕 玻 璃 ， 折 射 率 为 1 . 5 2 3 或 1 . 5 3 ， 典 型 的
白 冕 或 白 托 眼 镜 玻 璃 的 组 成 为 ： S i O 7 0 . 6 ％ 、 N a O 1 1 . 1 ％ 、 K O 5 . 2 ％ 、 C a O 1 1 . 9 ％ S b O 0 . 6 ％ 、 T i O 0 . 6 ％ 。
2 2 2 2 3 3
能 吸 收 波 长 短 于 3 2 0 n m 的 紫 外 线 。 ② 克 罗 克 斯 眼 镜 玻 璃 是 用 氧 化 钕 和 氧 化 铈 着 色 的 玻 璃 ， 吸 收 3 4 5 n m 以 下
的 紫 外 线 ， 在 5 8 0 n m 有 一 个 显 著 的 吸 收 峰 ， 在 日 光 和 钨 丝 灯 下 呈 现 不 同 颜 色 的 双 色 效 应 。 ③ 克 罗 赛 脱 眼 镜
玻 璃 是 一 种 掺 入 硒 的 玻 璃 ， 能 吸 收 波 长 短 于 3 2 0 n m 的 紫 外 线 ， 可 见 区 平 均 透 过 率 8 5 ％ ， 呈 淡 红 色 ， 可 防 眩
晕 。 ④ 高 折 射 率 、 低 密 度 眼 镜 玻 璃 ， 又 称 超 薄 眼 镜 玻 璃 。 常 采 用 密 度 较 小 的 钙 硼 硅 酸 盐 系 统 ， 引 入 较 多
的 T i O 、 L a O 、 N b O 等 折 射 率 高 、 阿 贝 数 大 、 密 度 低 的 组 分 ， 有 时 也 加 入 着 色 剂 以 改 变 玻 璃 的 颜 色 。 典 型
2 2 3 2 5
3
产 品 光 学 参 数 为 ， 折 射 率 在 1 6 0 ～ 1 8 0 ， 密 度 在 2 6 ～ 3 5 g ／ c m 之 间 。 ⑤ 双 焦 眼 镜 玻 璃 是 在 完 成 研 磨 的 眼 镜 片
上 用 加 热 方 法 粘 贴 软 化 点 低 、 折 射 率 高 的 小 片 ， 并 与 大 片 一 起 完 成 最 后 加 工 。 小 片 采 用 轻 火 石 、 火 石 或
钡 火 石 玻 璃 ， 其 膨 胀 系 数 必 须 与 大 片 匹 配 。
遮 阳 眼 镜 玻 璃 又 称 太 阳 眼 镜 玻 璃 ， 它 对 可 见 光 区 各 波 长 的 光 线 具 有 相 似 的 吸 收 ， 紫 外 区 和 红 外 区 的
吸 收 更 大 一 些 。 遮 阳 眼 镜 玻 璃 中 常 掺 入 了 铈 、 铬 等 离 子 ， 以 吸 收 紫 外 区 光 线 ， 掺 入 铬 、 铁 、 钴 、 镍 、 铜
等 离 子 以 吸 收 可 见 区 和 红 外 区 光 线 。 通 常 这 种 玻 璃 呈 灰 色 、 深 绿 、 棕 色 、 粉 红 等 颜 色 ， 此 外 变 色 玻 璃 也
可 用 作 太 阳 眼 镜 玻 璃 ， 这 种 玻 璃 在 阳 光 照 射 下 透 过 率 降 低 或 出 现 选 择 性 吸 收 ， 玻 璃 呈 淡 棕 色 或 灰 色 ， 在
光 照 减 弱 后 透 过 率 增 加 ， 恢 复 到 原 来 的 颜 色 。
护 目 镜 玻 璃 是 一 种 对 特 定 波 长 光 线 有 选 择 吸 收 的 玻 璃 。 有 吸 收 5 0 0 n m 以 下 、 可 见 光 区 平 均 透 过 1 ％ 的
气 焊 护 目 镜 玻 璃 。 有 吸 收 紫 外 光 区 、 红 外 光 区 和 可 见 光 区 透 过 0 . 1 ％ 的 电 焊 、 氩 弧 焊 、 等 离 子 切 割 防 护 玻
璃 。 有 吸 收 紫 外 光 和 5 0 0 n m ～ 6 0 0 n m 波 长 光 、 消 除 眩 光 的 工 业 炉 护 目 镜 玻 璃 。 有 吸 收 6 0 0 n m 以 下 ， 硒 硫 化 镉
着 色 的 X 光 透 视 设 备 用 的 深 红 色 护 目 镜 玻 璃 。 还 有 对 不 同 激 光 波 长 有 强 烈 吸 收 的 激 光 防 护 镜 玻 璃 等 。
（ 1 0 ） 玻 璃 微 珠
直 径 从 几 微 米 至 几 毫 米 的 球 状 玻 璃 微 粒 。 按 用 途 分 为 标 志 用 玻 璃 微 球 和 工 业 用 玻 璃 微 珠 。 其 中 标 志
用 玻 璃 微 珠 是 利 用 玻 璃 微 珠 的 回 归 反 射 特 性 ， 用 作 各 种 标 志 。 标 志 用 玻 璃 微 珠 分 四 种 ： 高 折 射 率 玻 璃 微
珠 、 准 高 折 射 率 玻 璃 微 珠 、 中 等 折 射 率 玻 璃 微 珠 和 中 等 折 射 率 玻 璃 微 珠 。6 .2.3 光学玻璃的应 用
普 通 无 色 光 学 玻 璃 主 要 用 于 制 造 光 学 仪 器 和 机 械 的 透 镜 、 棱 镜 、 反 射 镜 、 窗 口 、 标 尺 等 。
有 色 光 学 玻 璃 是 重 要 的 滤 光 材 料 。 现 在 已 经 能 够 生 产 出 可 见 光 范 围 内 全 光 谱 颜 色 ， 以 及 透 紫 外 光 和
红 外 光 的 有 色 光 学 玻 璃 。 玻 璃 的 光 谱 特 性 有 了 极 大 的 改 善 ， 其 机 械 强 度 和 化 学 稳 定 性 得 以 提 高 ， 使 之 更
能 符 合 空 间 、 水 下 、 辐 射 等 环 境 的 使 用 要 求 。 有 色 光 学 玻 璃 在 影 像 行 业 中 应 用 是 非 常 广 泛 的 ， 如 彩 色 电
影 摄 制 中 用 作 滤 光 器 可 创 造 出 各 种 不 同 的 气 氛 。 彩 色 摄 影 中 可 用 滤 光 镜 强 化 或 减 弱 某 种 色 调 。 在 资 源 卫
星 、 气 象 卫 星 用 的 高 级 彩 色 摄 影 机 上 ， 遗 传 学 中 研 究 细 胞 内 部 结 构 用 的 荧 光 显 微 镜 ， 激 光 全 息 摄 影 装 置
中 ， 各 种 光 谱 仪 器 以 及 仪 器 仪 表 显 示 装 置 等 都 需 要 特 殊 性 能 的 有 色 光 学 玻 璃 。 现 代 有 色 玻 璃 还 用 于 航 天
测 距 和 光 通 信 等 方 面 。
防 幅 照 光 学 玻 璃 主 要 用 作 窥 视 窗 和 屏 蔽 材 料 ， 用 于 核 工 业 、 核 医 学 、 X 射 线 和 同 位 素 实 验 室 。 防 辐 照
光 学 玻 璃 的 制 造 和 普 通 光 学 玻 璃 相 似 。 为 增 加 透 明 度 ， 常 采 用 过 渡 金 属 低 的 原 料 ， 制 造 过 程 中 要 防 止 污
染 。
耐 辐 照 光 学 玻 璃 主 要 用 于 制 作 受 高 能 辐 照 的 光 学 仪 器 或 窥 视 窗 等 。 耐 辐 照 光 学 玻 璃 的 制 造 与 一 般 无
色 光 学 玻 璃 相 同 ， 其 光 学 、 物 理 化 学 性 能 和 质 量 指 标 也 采 用 无 色 光 学 玻 璃 标 准 。
紫 外 光 学 石 英 玻 璃 中 ， Z S － 1 玻 璃 适 合 制 作 高 均 匀 度 的 紫 外 光 学 部 件 、 耐 宇 宙 射 线 辐 射 的 航 天 光 学 部
件 及 光 导 纤 维 芯 材 。 Z S － 2 玻 璃 用 于 紫 外 、 可 见 分 光 光 度 计 的 棱 镜 、 透 镜 、 比 色 皿 及 窗 口 器 材 。
红 外 光 学 石 英 玻 璃 通 常 采 用 真 空 加 压 电 熔 工 艺 生 产 。 即 将 水 晶 料 置 于 石 墨 坩 埚 中 ， 在 真 空 电 加 热 炉
中 熔 融 ， 然 后 用 氮 气 在 1 5 个 大 气 压 下 加 压 2 0 分 钟 ， 使 玻 璃 中 气 泡 数 量 减 少 ， 气 泡 直 径 压 缩 到 0 . 0 0 7 ～
0 . 0 7 m m 。 H S 玻 璃 在 X 、 γ 电 子 射 线 辐 照 下 严 重 着 色 ， 呈 棕 褐 色 ， 在 2 1 5 、 3 0 0 和 5 5 0 n m 波 长 处 出 现 吸 收 峰 ，
色 心 由 玻 璃 中 含 有 较 多 铝 和 碱 金 属 离 子 引 起 。 这 类 玻 璃 不 宜 于 射 线 辐 照 环 境 。 H S 玻 璃 适 用 于 红 外 单 色 仪
棱 镜 、 透 镜 、 比 色 皿 及 窗 口 材 料 ， 太 阳 模 拟 装 置 和 1 ～ 3 . 5 μ m 波 段 的 光 学 系 统 材 料 。
一 般 光 学 石 英 玻 璃 中 ， 全 光 谱 光 学 石 英 玻 璃 ， 以 四 氯 化 硅 等 高 纯 原 料 在 无 水 氧 气 的 等 离 子 焰 中 合 成 。
这 种 玻 璃 纯 度 极 高 ， 羟 基 含 量 低 于 5 p p m ， 因 而 从 波 长 1 8 5 n m 的 紫 外 到 3 . 5 μ m 的 红 外 光 谱 区 透 过 率 都 大 于
8 0 ％ 。 可 用 于 制 作 全 波 段 光 学 透 镜 、 棱 镜 、 光 纤 芯 材 。
在 掺 杂 型 光 学 石 英 玻 璃 中 ， 无 臭 氧 石 英 玻 璃 掺 杂 微 量 （ 1 0 0 p p m 左 右 ） 钛 ， 具 有 吸 收 远 紫 外 （ 截 止 波
长 2 1 0 n m ） 光 而 不 影 响 石 英 玻 璃 可 见 光 透 过 的 特 性 ， 是 制 作 无 臭 氧 紫 外 光 源 的 理 想 材 料 。 通 常 以 水 晶 和 四
氯 化 钛 为 原 料 ， 以 溶 液 掺 杂 、 石 墨 电 阻 加 热 工 艺 制 成 。 滤 紫 外 石 英 玻 璃 掺 杂 少 量 （ < 1 % ） ＝ 铕 、 铈 等 稀 土
元 素 ， 具 有 切 除 紫 外 光 （ 截 止 波 长 3 3 0 ～ 3 4 0 n m ） 的 特 性 。 L E - 1 型 玻 璃 是 固 体 激 光 器 滤 紫 外 氙 灯 泡 壳 材 料 ；
L E － 2 型 滤 紫 外 石 英 玻 璃 用 作 固 体 激 光 器 紫 外 滤 光 材 料 。 此 类 玻 璃 由 于 光 学 质 量 及 规 格 尺 寸 要 求 高 ， 采 用
两 步 法 工 艺 制 备 ， 即 先 以 氢 氧 焰 熔 制 成 玻 璃 坯 体 ， 然 后 在 电 阻 炉 中 拉 制 成 型 。 掺 铈 石 英 玻 璃 中 掺 杂 少 量
（ < 1 % ） 氧 化 铈 。 具 有 将 波 长 2 5 0 ～ 3 2 0 n m 紫 外 光 转 换 成 3 6 0 ～ 6 0 0 n m 可 见 荧 光 的 特 性 ， 已 成 为 制 作 固 体 激
光 器 高 效 泵 浦 的 光 学 泡 壳 材 料 。 制 备 工 艺 同 滤 紫 外 石 英 玻 璃 。 低 膨 胀 石 英 玻 璃 是 一 种 掺 钛 的 石 英 玻 璃 。
膨 胀 系 数 比 一 般 石 英 玻 璃 低 一 个 数 量 级 ， 又 称 零 膨 胀 石 英 玻 璃 。 低 膨 胀 石 英 玻 璃 由 于 其 热 膨 胀 系 数 极 低 ，
热 稳 定 性 好 ， 比 重 小 ， 刚 度 高 ， 冷 热 加 工 性 能 良 好 ， 因 而 能 满 足 精 密 设 计 的 要 求 。 如 用 熔 接 法 制 成 的 蜂
窝 状 大 型 天 文 望 远 镜 坯 体 ， 直 径 达 3 . 9 6 米 ， 直 接 熔 制 成 型 的 镜 坯 直 径 可 达 1 . 5 米 ； 作 为 腔 体 材 料 可 提 高
双 频 激 光 器 的 频 率 和 功 率 稳 定 性 及 原 子 钟 的 计 测 精 度 ； 也 是 高 强 耐 热 窗 口 材 料 ， 可 制 作 宇 宙 飞 船 的 窥 视
窗 。
用 于 光 学 、 电 子 学 领 域 的 光 学 薄 板 玻 璃 ， 主 要 用 作 大 规 模 集 成 电 路 的 光 掩 膜 板 、 液 晶 显 示 器 面 板 、
影 像 光 盘 等 。 实 际 应 用 中 ， 对 光 学 薄 板 玻 璃 的 性 能 要 求 有 以 下 四 点 ： ① 光 透 过 率 高 。 用 于 液 晶 显 示 器 的薄 板 玻 璃 要 求 可 见 区 的 高 透 过 ， 光 掩 膜 板 的 玻 璃 还 要 求 对 光 刻 光 源 的 高 透 过 。 随 着 集 成 度 的 增 加 ， 为 提
高 分 辨 率 ， 光 刻 波 长 向 短 波 方 向 移 动 ， 要 求 玻 璃 在 2 5 0 ～ 4 0 0 n m 的 紫 外 区 具 有 高 透 过 率 。 ② 化 学 性 能 稳 定 。
除 防 止 在 洗 涤 、 蚀 刻 过 程 中 各 种 介 质 对 玻 璃 的 腐 蚀 外 ， 特 别 要 防 止 玻 璃 中 易 迁 移 的 碱 金 属 离 子 在 光 刻 焙
烧 过 程 中 向 表 面 扩 散 ， 从 而 与 金 属 膜 反 应 ， 出 现 腐 蚀 速 度 差 别 而 形 成 针 孔 。 碱 金 属 从 表 面 溶 出 同 样 损 坏
液 晶 显 示 器 玻 璃 表 面 的 导 电 膜 ， 污 染 液 晶 。 为 避 免 这 种 现 象 发 生 ， 有 时 在 玻 璃 表 面 涂 敷 S i O 膜 层 。 ③ 尺 寸
2
稳 定 。 低 膨 胀 系 数 的 玻 璃 可 以 减 少 光 刻 过 程 中 固 温 升 而 引 起 的 尺 寸 变 化 。 同 时 希 望 玻 璃 本 身 不 出 现 明 显
的 时 效 现 象 ， 以 免 光 掩 膜 板 在 制 造 后 的 放 置 时 间 内 ， 出 现 连 续 的 尺 寸 变 化 。 ④ 光 学 均 匀 性 好 ， 缺 陷 少 ，
以 免 影 响 分 辨 率 。 对 用 于 大 尺 寸 基 板 玻 璃 ， 如 影 视 光 盘 、 大 尺 寸 显 示 器 ， 对 其 机 械 强 度 、 表 面 硬 度 等 方
面 的 性 能 要 求 更 高 。
光 学 眼 镜 玻 璃 主 要 用 于 眼 镜 业 矫 正 视 力 或 防 护 眼 睛 。
玻 璃 微 珠 中 高 折 射 率 玻 璃 微 珠 的 折 射 率 为 2 . 2 ～ 2 . 3 ， 玻 璃 的 主 要 成 分 有 T i O 、 B a O 、 B i O 、 Z r O 、 B b O 、
2 2 3 2
B O 、 S i O 或 S r O 等 氧 化 物 。 广 泛 使 用 的 是 含 有 T i O 和 B a O 的 高 折 射 率 玻 璃 微 珠 。 其 生 产 方 法 是 将 一 定 粒 径
2 3 2 2
的 玻 璃 粉 通 过 高 温 空 气 使 它 们 再 熔 融 ， 然 后 利 用 表 面 张 力 形 成 微 珠 。 也 可 用 高 压 空 气 或 高 温 气 体 将 熔 融
玻 璃 雾 化 制 成 微 珠 。 高 折 射 率 玻 璃 微 珠 主 要 用 于 制 造 交 通 管 理 标 志 用 工 程 级 反 光 膜 ， 它 要 求 玻 璃 微 珠 的
粒 径 范 围 为 3 7 ～ 9 0 μ m 。 此 外 ， 由 于 光 线 在 玻 璃 微 珠 内 往 复 传 播 ， 所 以 要 求 微 珠 玻 璃 光 吸 收 尽 可 能 少 而 透
明 度 高 。 准 高 折 射 率 玻 璃 微 珠 的 折 射 率 为 1 . 9 ～ 2 . 0 。 玻 璃 组 成 和 生 产 方 法 与 高 折 射 率 玻 璃 微 珠 类 同 ， 但
玻 璃 成 分 中 T i O 含 量 减 少 ， 而 B a O 与 S i O 含 量 增 加 。 折 射 率 为 1 . 9 的 准 高 折 射 率 玻 璃 微 珠 主 要 用 于 制 造 高 强
2 2
度 反 光 膜 。 这 类 反 光 膜 反 光 强 度 大 ， 常 用 作 高 速 公 路 的 交 通 标 志 和 海 上 救 生 标 志 等 ， 还 用 于 制 作 反 光 织
物 ， 如 反 光 市 和 反 光 带 等 。 其 中 大 粒 径 的 玻 璃 微 珠 可 作 为 机 场 起 落 跑 道 和 导 航 跑 道 的 区 划 线 等 。 中 等 折
射 率 玻 璃 微 珠 ： 折 射 率 为 1 . 6 5 ～ 1 . 8 。 主 要 混 合 于 或 散 布 在 交 通 管 理 用 油 漆 中 ， 用 于 需 要 高 辨 别 性 的 高 速
公 路 区 划 线 等 。 低 折 射 率 玻 璃 微 珠 的 折 射 率 为 1 . 5 2 左 右 。 是 玻 璃 微 珠 中 产 量 最 大 、 应 用 最 多 的 一 种 。 通
常 以 钠 钙 硅 系 平 板 玻 璃 或 瓶 罐 玻 璃 为 原 料 ， 采 用 喷 吹 法 和 回 转 窑 法 形 成 微 珠 。 前 者 适 用 于 做 1 m m 以 下 的 玻
璃 微 珠 ； 后 者 适 用 于 做 0 . 2 m m 以 上 的 玻 璃 微 珠 。 低 折 射 率 玻 璃 微 珠 通 常 用 于 路 面 区 划 线 。 在 工 业 中 利 用 玻
璃 微 珠 的 形 状 、 硬 度 和 化 学 稳 定 性 等 特 性 ， 玻 璃 微 珠 主 要 用 于 以 下 几 个 方 面 ： 金 属 部 件 的 喷 砂 清 洗 和 喷
丸 处 理 ， 以 提 高 金 属 工 件 的 抗 疲 劳 性 能 和 抗 应 力 腐 蚀 能 力 。 一 般 要 求 玻 璃 微 珠 具 有 高 的 硬 度 和 耐 磨 性 ；
将 空 心 或 实 心 玻 璃 珠 添 加 到 塑 料 中 ， 作 为 塑 料 填 充 剂 ， 可 减 少 收 缩 率 ， 增 加 流 动 性 。 对 强 度 和 电 绝 缘 性
能 有 要 求 时 ， 塑 料 中 常 采 用 E 玻 璃 微 珠 作 为 填 充 剂 ； 利 用 玻 璃 微 珠 的 球 形 和 稳 定 填 充 的 特 点 以 获 得 一 定 的
孔 隙 度 ， 制 作 过 滤 材 料 。 因 其 化 学 性 能 稳 定 和 耐 热 而 便 于 清 洗 和 灰 化 处 理 。 一 般 使 用 高 二 氧 化 硅 含 量 的
玻 璃 珠 ； 玻 璃 微 珠 因 无 色 和 化 学 性 能 稳 定 ， 还 可 用 于 染 料 、 颜 料 、 食 品 和 微 生 物 的 粉 碎 和 混 合 中 作 为 研
磨 介 质 ； 利 用 空 心 玻 璃 珠 容 重 小 、 耐 压 、 耐 热 、 绝 热 等 特 点 ， 制 成 绝 热 和 浮 体 材 料 ， 例 如 ， 用 于 潜 艇 的
隔 热 、 海 洋 开 发 浮 体 等 。
6 . 3 光 学 晶 体
光 学 晶 体 是 作 为 光 学 介 质 材 料 应 用 的 晶 体 材 料 。 它 具 有 非 线 性 光 学 效 应 。
中 国 西 汉 就 有 用 冰 块 磨 成 透 镜 聚 焦 的 历 史 记 载 。 以 后 发 展 为 用 自 然 界 存 在 较 多 的 石 英 单 晶 （ S i O ） 作
2
透 镜 。 中 国 在 元 代 已 磨 制 成 眼 镜 。 1 9 世 纪 至 2 0 世 纪 ， 岩 盐 （ N a C l ） 和 荧 石 （ C a F ） 等 天 然 晶 体 被 用 作 分 光
元 件 和 复 消 色 差 镜 头 。 其 中 用 方 解 石 等 单 轴 晶 体 做 成 的 偏 振 光 学 元 件 等 至 今 仍 在 使 用 ， 因 为 人 工 难 以 生
长 出 大 的 方 解 石 。
天 然 晶 体 很 难 达 到 高 的 光 学 质 量 和 大 尺 寸 的 要 求 ， 2 0 世 纪 初 出 现 用 各 种 人 工 晶 体 生 长 方 法 制 取 的 单
晶 ， 如 用 温 度 梯 度 法 生 长 的 大 尺 寸 卤 化 物 晶 体 ， 用 高 温 焰 熔 法 和 提 拉 法 生 长 的 氧 化 物 晶 体 等 。 至 今 已 有几 十 种 人 工 制 造 的 光 学 晶 体 用 作 窗 口 、 透 镜 、 棱 镜 、 偏 振 器 等 材 料 ， 特 别 是 在 紫 外 和 红 外 波 段 光 学 玻 璃
较 难 透 过 的 光 谱 区 域 。 现 在 人 工 生 长 的 卤 化 物 光 学 晶 体 仍 是 用 作 紫 外 和 红 外 分 光 元 件 和 窗 口 的 主 要 材 料 。
一 些 重 要 的 高 温 氧 化 物 晶 体 ， 如 蓝 宝 石 、 尖 晶 石 等 均 能 人 工 生 长 。 光 学 玻 璃 和 光 学 晶 体 已 成 为 光 学 介 质
材 料 的 主 要 部 分 。
6 .3.1 光学晶体的特 性
光 学 晶 体 的 重 要 性 能 表 现 在 光 谱 透 过 范 围 和 光 学 色 散 。 虽 然 玻 璃 比 人 造 晶 体 易 于 制 造 而 且 价 格 低 廉 ，
在 可 见 光 区 大 多 采 用 玻 璃 制 作 光 学 器 件 ， 但 在 紫 外 和 红 外 波 段 ， 则 仍 然 大 量 使 用 各 种 天 然 或 人 造 晶 体 。
晶 体 的 优 点 是 透 过 长 波 限 较 长 （ 有 的 可 达 6 0 μ m ） ， 折 射 率 和 色 散 的 变 化 大 ， 物 理 化 学 性 能 多 样 化 ， 不
少 晶 体 的 熔 点 高 ， 热 稳 定 性 好 ， 能 满 足 特 殊 要 求 。 另 外 ， 只 有 晶 体 具 有 双 折 射 性 能 。
6 .3.2 光学晶体的种 类
光 学 晶 体 通 常 分 为 单 晶 和 多 晶 两 类 。 单 晶 材 料 具 有 高 的 晶 体 完 整 性 和 透 过 率 ， 低 的 插 入 损 耗 ， 故 光
学 晶 体 多 以 单 晶 为 主 。 按 照 化 学 组 成 ， 光 学 单 晶 可 分 为 卤 化 物 单 晶 、 氧 化 物 单 晶 、 无 机 盐 化 合 物 单 晶 、
硫 化 物 单 晶 和 半 导 体 单 晶 。 常 用 的 光 学 晶 体 有 氧 化 物 光 学 晶 体 、 卤 化 物 光 学 单 晶 、 半 导 体 光 学 单 晶 和 热
压 光 学 多 晶 。
化 学 组 成 为 氧 化 物 的 光 学 晶 体 叫 氧 化 物 光 学 晶 体 。 有 简 单 氧 化 物 晶 体 和 复 杂 氧 化 物 晶 体 两 大 类 。 简 单
氧 化 物 晶 体 主 要 有 蓝 宝 石 （ A l O ） 、 水 晶 （ S i O ） 及 金 红 石 （ T i O ） 等 。 这 类 晶 体 与 卤 化 物 相 比 ， 其 硬 度
2 3 2 2
大 ， 熔 点 高 ， 耐 腐 蚀 、 耐 磨 损 、 耐 冲 击 、 热 稳 定 性 和 化 学 稳 定 性 好 ， 在 可 见 和 近 红 外 光 谱 区 透 过 性 能 良
好 。 其 中 M g O 晶 体 的 禁 带 宽 度 大 ， 是 一 种 良 好 的 耐 高 温 近 红 外 光 学 晶 体 。 复 杂 氧 化 物 晶 体 有 钛 酸 锶 （ S r T i O ） 、
3
钽 酸 钡 （ B a T a O ） 、 尖 晶 石 （ M g A l O ） 、 钛 酸 铋 （ B i T i O ） 、 钛 酸 钡 （ B a T i O ） 、 铌 酸 锂 （ L i N b O ） 、
5 4 1 5 2 4 4 3 1 2 3 3
钽 酸 锂 （ L i T a O ） 、 方 解 石 （ C a C O ） 、 磷 酸 盐 如 K H P O （ K D P ） 、 N H H P O （ A D P ） 等 等 。
3 3 2 4 4 2 4
卤 化 物 光 学 晶 体 有 碱 卤 化 合 物 晶 体 和 碱 土 － 卤 族 化 合 物 晶 体 （ 主 要 是 氟 化 物 ） ， 它 们 一 般 具 有 较 高 透
过 率 。 碱 卤 化 合 物 晶 体 有 很 长 的 透 过 长 波 限 ， 并 且 很 容 易 培 育 成 尺 寸 较 大 而 均 匀 的 单 晶 体 。 它 的 缺 点 是
有 吸 湿 性 ， 需 要 镀 保 护 膜 ， 并 且 熔 点 较 低 ， 硬 度 较 低 ， 机 械 性 能 差 。 碱 土 － 卤 族 化 合 物 晶 体 硬 度 及 机 械
强 度 较 高 ， 微 溶 或 不 溶 于 水 。 但 这 类 晶 体 一 般 透 过 长 波 限 较 短 ， 且 不 易 培 育 成 大 尺 寸 的 单 晶 体 。
半 导 体 晶 体 一 般 是 共 价 晶 体 ， 其 光 谱 透 过 性 取 决 于 本 征 吸 收 、 杂 质 吸 收 和 载 流 子 吸 收 ， 因 而 与 温 度 有
较 敏 感 的 关 系 ， 在 与 禁 带 宽 度 对 应 的 波 长 λ 以 下 ， 由 于 入 射 光 子 的 能 量 是 用 以 激 发 电 子 跃 过 禁 带 ， 本 征
0
吸 收 很 强 ， 因 此 对 于 小 于 λ 的 光 线 （ 一 般 可 见 光 ） 常 常 是 不 透 明 的 。 由 于 共 价 晶 体 中 的 原 子 是 中 性 的 ，
0
在 一 级 近 似 下 ， 这 些 原 子 振 动 不 产 生 偶 极 矩 的 变 化 ， 很 少 从 与 振 动 频 率 相 对 应 的 入 射 光 中 吸 收 能 量 ， 因
此 对 于 大 于 λ 的 光 线 （ 一 般 为 红 外 线 ） 常 常 是 透 明 的 。 但 是 由 于 载 流 子 吸 收 与 波 长 的 平 方 成 正 比 ， 于 是
0
半 导 体 晶 体 又 成 为 不 透 明 的 。 加 热 时 ， 透 过 率 明 显 地 随 温 度 升 高 而 下 降 。 半 导 体 晶 体 的 折 射 率 一 般 都 比
较 高 ， 但 反 射 损 失 大 ， 须 经 过 镀 增 透 膜 。
热 压 光 学 多 晶 是 用 热 压 烧 结 工 艺 以 高 纯 度 、 高 细 度 粉 末 为 原 料 （ 或 掺 入 少 量 添 加 剂 ） 制 备 成 的 、 具 有
一 定 晶 粒 尺 寸 显 微 结 构 的 透 明 光 学 晶 体 。 热 压 光 学 多 晶 除 具 有 优 良 的 透 光 性 外 ， 还 具 有 耐 高 温 、 耐 腐 蚀
和 耐 冲 击 、 高 强 度 等 优 良 的 机 械 性 、 能 物 理 性 能 和 化 学 性 能 。 热 压 光 学 多 晶 主 要 有 氧 化 物 、 氟 化 物 、 半
导 体 多 晶 。
6 .3.3 光学晶体的应 用
氧 化 物 光 学 晶 体 中 ， 金 红 石 （ T i O ） 晶 体 在 1 ～ 5 μ m 范 围 内 的 折 射 率 较 高 ， 因 而 常 用 于 制 作 元 件 窗 口
2或 探 测 器 的 前 置 透 镜 。 水 晶 （ S i O ） 具 有 旋 光 性 ， 高 纯 度 水 晶 在 0 . 1 2 ～ 4 . 5 μ m 波 段 范 围 内 透 光 性 能 良 好 ，
2
在 光 学 仪 器 上 应 用 广 泛 。 蓝 宝 石 （ A l O ） 单 晶 具 有 优 良 的 光 学 、 物 理 、 机 械 等 特 性 ， 其 光 谱 透 过 波 段 为
2 3
0 . 1 5 ～ 6 . 5 μ m ， 透 过 率 超 过 8 0 ％ ， 还 具 有 高 硬 度 、 高 强 度 、 高 导 热 率 低 膨 胀 系 数 、 耐 磨 损 及 优 良 的 化 学
稳 定 性 ， 不 仅 可 以 制 作 从 紫 外 光 到 近 红 外 光 谱 区 的 各 种 光 学 元 件 、 电 子 绝 缘 基 片 以 及 用 于 人 造 卫 星 及 火
箭 导 弹 上 的 光 学 屏 蔽 罩 ， 而 且 还 可 利 用 其 双 折 射 特 性 做 成 滤 光 片 和 延 迟 器 等 光 学 元 件 。
强 激 光 技 术 的 发 展 要 求 光 学 晶 体 具 有 极 低 的 光 吸 收 损 耗 和 高 的 光 损 伤 功 率 阈 值 。 目 前 用 化 学 气 氛 反 应
法 （ R A P ） 制 备 的 卤 化 物 单 晶 可 明 显 降 低 晶 体 的 光 吸 收 损 耗 。 例 如 ， 用 R A P 纯 化 并 生 长 的 K C I 单 晶 的 光
- 5
学 吸 收 系 数 小 于 1 0 。 采 用 热 锻 和 热 压 方 法 使 单 晶 形 成 微 晶 集 聚 体 提 高 了 断 裂 及 抗 热 冲 击 性 。 如 热 锻 多 晶
K C I 的 强 度 比 单 晶 提 高 了 6 倍 ， 化 学 稳 定 性 也 明 显 提 高 。 目 前 正 努 力 减 少 散 射 颗 粒 和 晶 界 损 耗 等 。
半 导 体 晶 体 大 都 具 有 较 强 的 二 次 非 线 性 极 化 率 和 较 宽 的 红 外 透 光 波 段 ， 可 用 于 红 外 激 光 的 倍 频 、 电
光 和 声 光 材 料 。
热 压 光 学 多 晶 是 由 火 箭 、 导 弹 、 人 造 卫 星 、 宇 宙 飞 船 、 高 功 率 红 外 激 光 器 等 新 技 术 发 展 的 需 要 而 发
展 起 来 的 ， 它 可 制 作 各 种 特 殊 需 要 的 光 学 元 件 及 窗 口 材 料 。 氧 化 物 多 晶 可 用 于 制 作 透 3 ～ 5 μ m 波 段 红 外 光
学 元 件 ， 如 窗 口 及 整 流 罩 等 。 氟 化 物 热 压 多 晶 其 中 M g F 不 仅 在 3 ～ 5 μ m 波 段 透 光 性 好 ， 而 且 也 是 中 红 外 波
2
段 透 光 性 好 的 红 外 光 学 材 料 ， 已 有 半 球 整 流 罩 用 于 导 弹 系 统 。 但 的 机 械 强 度 和 热 冲 击 性 能 都 较 差 ， 不 能
承 受 第 二 代 导 弹 的 高 速 度 ， 从 而 使 应 用 受 到 限 制 。 S r F 、 B a F 、 C a F 及 L a F 多 晶 在 紫 外 、 可 见 、 红 外 到 1 0
2 2 2 3
μ m 处 均 有 很 宽 波 段 的 透 光 性 能 ， 在 5 μ m 处 的 透 光 率 大 于 8 0 ％ ， 是 很 好 的 红 外 透 光 材 料 。 半 导 体 热 压 多 晶
包 括 Ⅱ － Ⅵ 族 、 Ⅲ － Ⅴ 族 及 Ⅵ 族 化 合 物 多 晶 。 Ⅱ － Ⅵ 族 化 合 物 如 Z n S 、 Z n S e 、 C d S 和 C d S e 都 是 透 远 红 外 波
段 的 光 学 材 料 。 Ⅲ － Ⅴ 族 热 压 多 晶 G a A s 和 G a P 等 和 Ⅵ 族 热 压 多 晶 如 G e 等 ， 在 8 ～ 1 2 μ m 波 段 具 有 高 透 过 率 、
低 电 阻 率 、 低 吸 收 、 射 频 屏 蔽 性 质 ， 可 用 作 透 8 ～ 1 2 μ m 波 段 的 高 速 窗 口 材 料 和 整 流 罩 材 料 。 新 发 现 的 C a L a S
2 4
多 晶 是 优 良 透 过 8 ～ 1 2 μ m 波 段 的 红 外 材 料 ， 其 透 过 波 段 与 Z n S 相 似 ， 而 硬 度 比 Z n S 高 1 倍 多 。
6 . 4 光 学 塑 料
塑 料 是 一 种 无 定 型 有 机 高 分 子 聚 合 物 ， 光 学 塑 料 是 用 作 光 学 介 质 的 塑 料 材 料 。 用 塑 料 制 作 光 学 器 件
有 很 多 优 点 ， 如 易 成 型 ， 能 制 成 一 般 玻 璃 或 晶 体 难 以 制 造 的 器 件 ， 重 量 轻 ， 耐 冲 击 强 度 高 ， 耐 酸 碱 腐 蚀 ，
不 溶 于 水 。 有 些 塑 料 有 相 当 好 的 红 外 和 紫 外 透 过 性 能 ， 而 且 一 般 价 格 低 廉 。 光 学 塑 料 的 缺 点 是 易 擦 伤 ，
热 膨 胀 系 数 大 ， 软 化 温 度 较 低 ， 机 械 性 能 较 差 。 将 塑 料 材 料 应 用 于 光 学 工 业 始 于 2 0 世 纪 初 。 由 于 需 要 用
廉 价 不 易 破 碎 的 透 镜 生 产 立 体 图 像 明 信 片 ， A . 金 斯 顿 （ K i n g t o n e ） 用 塑 料 注 模 的 方 法 生 产 出 透 镜 ， 并 于 1 9 3 4
年 9 月 申 请 了 专 利 。 此 后 ， 由 光 学 塑 料 制 备 的 物 镜 和 光 学 元 件 相 继 进 入 精 密 光 学 领 域 。
6 .4.1 光学塑料的种 类
光 学 塑 料 分 为 热 塑 型 、 热 固 型 和 共 聚 物 三 大 类 。
热 塑 型 光 学 塑 料 具 有 链 状 的 线 型 结 构 ， 受 热 软 化 ， 可 以 反 复 塑 制 。 常 用 的 热 塑 型 光 学 塑 料 有 聚 甲 基
丙 烯 酸 甲 酯 （ P M M A ， 俗 称 有 机 玻 璃 ） ， 聚 碳 酸 酯 （ P C ） ， 聚 酰 胺 （ P A ， 俗 称 尼 龙 ） ， 聚 苯 乙 烯 碳 酸 纤 维
等 等 。
热 固 型 光 学 塑 料 具 有 网 状 的 体 型 结 构 ， 受 热 不 软 化 ， 不 能 反 复 塑 制 。 常 用 的 热 固 型 光 学 塑 料 有 透 明
的 环 氧 树 脂 ， 二 丙 烯 基 二 乙 二 醇 碳 酸 脂 ， 甲 基 丙 烯 酸 羟 乙 酯 等 等 。
共 聚 物 光 学 塑 料 是 两 种 或 两 种 以 上 的 单 体 经 共 聚 反 应 得 到 的 材 料 ， 如 苯 乙 烯 － 丙 烯 酸 酯 ， 丙 烯 腈 －
苯 乙 烯 树 脂 等 。 这 些 材 料 通 常 可 通 过 互 补 而 保 持 各 单 体 的 优 良 性 能 并 克 服 其 缺 点 。 常 用 的 有 甲 基 丙 烯 酸甲 酯 和 苯 乙 烯 共 聚 物 （ N A S ） ， 丙 烯 腈 、 丁 二 烯 和 苯 乙 烯 三 元 共 聚 物 （ A B S ） ， 苯 乙 烯 和 丙 烯 腈 共 聚 物 （ S A N ） ，
甲 基 戊 烯 聚 合 物 （ T P X ） 等 等 。
6 .4.2 光学塑料的性 能
与 光 学 玻 璃 相 比 ， 光 学 塑 料 有 以 下 几 个 特 点 ： ① 折 射 率 发 生 变 化 。 通 常 光 学 塑 料 的 折 射 率 在 1 . 4 5 ～
1 . 6 0 。 塑 料 元 件 的 折 射 率 均 匀 性 变 化 可 维 持 在 ± 0 . 0 0 0 5 ， 但 光 学 塑 料 的 折 射 率 温 度 系 数 d n / d t 值 比 相 应
玻 璃 高 出 5 ～ 5 0 倍 。 ② 产 生 双 折 射 和 膨 胀 。 用 注 模 和 模 压 生 产 的 光 学 塑 料 元 件 以 及 机 械 加 工 过 程 由 于 残
- 3
余 应 力 的 影 响 ， 都 可 能 使 塑 料 产 生 正 交 两 个 方 向 不 同 的 折 射 率 ， 即 双 折 射 。 丙 烯 酸 双 折 射 可 达 0 . 0 6 × 1 0 ，
- 3
而 聚 苯 乙 烯 可 以 高 达 8 × 1 0 。 因 此 使 用 中 需 要 特 种 退 火 处 理 ， 以 消 除 双 折 射 。 塑 料 的 热 膨 胀 系 数 要 比 玻
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璃 大 得 多 。 丙 烯 酸 类 线 膨 胀 系 数 约 7 × 1 0 / ℃ ， 而 普 通 冕 牌 玻 璃 为 0 . 7 × 1 0 / ℃ 。 常 用 光 学 塑 料 的 性 能 见
表 6 - 0 3 。
表 6 - 0 3 常 用 光 学 塑 料 性 能
种 类 聚 丙 烯
聚 苯 乙 烯 N A S S A N 聚 碳 酸 酯 T P X A B S 尼 龙
性 能 酸 脂
1 . 5 3 3 ～ 1 . 5 6 7 ～ 1 . 5 3
n 1 . 4 9 1 1 . 5 9 0 1 . 5 8 6 1 . 4 6 7 1 . 5 3 8
d
折 射 1 . 5 6 7 1 . 5 7 1 5
n 1 . 4 8 8 1 . 5 8 5 1 . 5 8 1 1 . 4 6 4
c
率 1 . 5 5 8 1 . 5 6 3
n 1 . 4 9 6 1 . 6 0 4 1 . 5 9 8 1 . 4 7 3
F
1 . 5 7 5 1 . 5 7 8
折 射 率 温 度 系 数
- 1 1 . 8
d n / d t - 8 . 5 - 1 2 . 0 - 1 4 . 0
f
- 1 4 . 3
- 5
（ × 1 0 / ℃ ）
线 膨 胀 系 数 6 . 7 4 6 . 0 ～
6 . 0 ～ 8 . 0 6 . 5 ～ 6 . 7 0 . 8 5 6 . 8
- 5
（ × 1 0 / ℃ ） ( 7 0 ° ) 7 . 0
使 用 最 高 温 度
9 2 8 2 9 3 7 9 ～ 8 8 1 2 4 8 2
（ ℃ ）
热 导 率
- 4
[ × 1 0 c a l / 4 . 9 6 2 . 4 ～ 3 . 3 4 . 5 2 . 9 4 . 6 5 4 . 0 5 . 0
（ s · c m · ℃ ） ]
光 透 过 率 （ % ） 7 9 ～
9 2 8 8 9 0 8 8 8 9 9 0 8 8
（ 3 . 1 7 5 m m 厚 ） 9 0 . 6
水 吸 收 率 ( % ) 0 . 3 0 . 2 0 . 1 5 0 . 2 ～ 0 . 3 5 0 . 1 5 3 . 3
6 .4.3 光学塑料的应 用
塑 料 作 为 一 种 光 学 材 料 在 光 学 工 业 中 应 用 尚 不 广 泛 ， 主 要 用 于 制 备 一 些 批 量 较 大 的 光 学 仪 器 、 各 种
光 学 基 板 和 眼 镜 。
聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 （ P M M A ） 是 一 种 普 遍 使 用 的 光 学 塑 料 。 其 价 格 适 中 ， 易 于 注 射 成 型 和 机 械 加 工 ，
光 学 透 明 性 、 抗 裂 性 、 光 学 稳 定 性 、 抗 水 吸 收 等 性 能 较 好 。
聚 苯 乙 烯 折 射 率 为 1 . 5 9 0 ， 价 格 较 低 ， 注 射 成 型 性 能 好 。 但 在 近 紫 外 区 透 过 性 较 差 ， 且 不 稳 定 ， 使 用
中 易 划 伤 。
甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 和 苯 乙 烯 共 聚 物 （ N A S ） 约 含 7 0 ％ 聚 丙 烯 酸 酯 和 3 0 ％ 聚 苯 乙 烯 ， 折 射 率 1 . 5 3 3 ～ 1 . 5 6 7
（ 取 决 于 组 成 ） 。 可 以 机 械 加 工 、 抛 光 、 注 模 ， 但 易 变 黄 。
苯 乙 烯 丙 烯 腈 的 共 聚 物 （ S A N ） 折 射 率 为 1 . 5 6 7 ， 材 料 热 稳 定 性 好 ， 可 以 注 模 ， 但 易 变 黄 ， 常 用 作 反射 型 元 件 。
聚 碳 酸 酯 （ P C ） 折 射 率 为 1 . 5 8 6 ， 在 很 宽 温 度 范 围 内 （ － 1 3 7 ～ 1 2 0 ℃ ） 性 能 良 好 ， 抗 冲 击 ， 耐 久 性 好 ，
适 于 户 外 使 用 。 P C 比 丙 烯 酸 类 和 聚 苯 乙 烯 难 于 注 模 ， 并 且 在 表 面 易 产 生 划 痕 。 由 于 材 料 较 软 不 易 机 械 加
工 和 抛 光 。 此 外 ， 价 格 较 高 。
甲 基 戊 烯 聚 合 物 （ T P X ） 的 光 学 性 能 类 似 于 丙 烯 酸 类 ， 折 射 率 约 1 . 4 6 7 。 性 韧 不 易 磨 损 ， 耐 化 学 腐 蚀 ，
具 有 良 好 的 电 性 能 。 缺 点 是 模 注 时 收 缩 率 较 高 ， 达 0 . 1 5 ～ 0 . 3 0 c m / c m 。
- 5
丙 烯 腈 、 丁 二 烯 和 苯 乙 烯 三 元 共 聚 物 （ A B S ） 具 有 韧 性 ， 透 过 性 较 差 。 线 膨 胀 系 数 为 0 . 8 3 × 1 0 / ℃ 。
尼 龙 （ N y l o n ） 的 折 射 率 为 1 . 5 3 5 ， 透 明 性 好 ， 抗 溶 剂 和 化 学 试 剂 侵 蚀 能 力 强 ， 流 动 性 好 ， 熔 化 稳 定 ，
易 于 加 工 ， 还 具 有 优 良 的 电 性 能 和 高 强 度 。 缺 点 是 水 吸 收 率 较 高 ， 二 维 稳 定 性 较 差 ， 价 格 高 。
烯 丙 基 二 甘 醇 碳 酸 酯 （ C R 3 9 ） 是 一 种 热 固 性 塑 料 。 其 成 分 为 烯 丙 基 二 丙 醇 碳 酸 酯 ， 又 称 A D C 脱 塑 料 。
具 有 优 良 的 光 学 透 明 性 、 耐 腐 蚀 和 抗 冲 击 等 特 性 ， 可 以 连 续 工 作 温 度 达 1 0 0 ℃ ， 短 期 使 用 温 度 1 5 0 ℃ 。 可
代 替 玻 璃 镜 片 用 于 眼 镜 工 业 。 缺 点 是 收 缩 率 较 高 ， 且 价 格 昂 贵 。
6 . 5 先 进 光 学 材 料
先 进 光 学 材 料 主 要 是 指 现 代 光 电 子 材 料 。 光 电 子 材 料 是 光 电 子 技 术 的 先 导 和 基 础 ， 光 电 子 材 料 的 研
制 和 发 展 ， 对 光 电 子 技 术 起 推 动 和 促 进 作 用 。 光 电 子 技 术 主 要 应 用 于 信 息 科 学 与 技 术 和 工 程 中 ， 在 工 业 、
国 防 、 科 学 技 术 等 领 域 发 挥 越 来 越 重 要 的 作 用 。
光 电 子 材 料 的 品 种 类 别 很 多 ， 通 常 以 其 在 光 电 子 系 统 中 所 起 的 作 用 来 分 类 。 一 种 材 料 可 能 有 多 种 功
能 而 隶 属 于 不 同 类 型 的 光 电 子 材 料 。 常 见 的 有 激 光 材 料 、 光 电 探 测 材 料 、 光 学 功 能 材 料 、 光 纤 材 料 、 光
电 显 示 材 料 、 发 光 材 料 、 光 存 储 材 料 、 光 电 功 能 转 化 材 料 等 。 下 面 将 重 点 介 绍 激 光 材 料 、 发 光 材 料 、 红
外 材 料 。
6 .5.1 激光材料
激 光 技 术 是 光 电 子 技 术 的 核 心 组 成 部 分 ， 为 光 电 子 技 术 提 供 了 高 亮 度 、 高 单 色 性 、 高 方 向 性 的 相 干
光 源 。 激 光 材 料 是 激 光 器 的 工 作 物 质 ， 是 光 电 子 材 料 的 重 要 一 类 。 激 光 材 料 主 要 指 能 产 生 激 光 的 凝 聚 态
介 质 ， 包 括 无 机 晶 体 和 玻 璃 、 半 导 体 材 料 、 有 机 燃 料 等 。 由 于 激 励 机 制 不 同 激 光 工 作 波 长 和 应 用 范 围 不
同 ， 有 很 多 种 激 光 材 料 。
6 . 5 . 1 . 1 对 激 光 材 料 的 要 求
激 光 材 料 应 具 有 良 好 的 物 理 化 学 性 能 ， 即 要 求 热 膨 胀 系 数 小 、 弹 性 模 量 大 、 热 导 率 高 ， 光 照 稳 定 性
和 化 学 稳 定 性 要 好 。
晶 体 激 光 工 作 物 质 要 在 基 质 晶 体 中 掺 入 适 量 的 激 活 离 子 。 激 活 离 子 的 作 用 是 在 固 体 中 提 供 亚 稳 态 能
级 ， 由 光 泵 作 用 激 发 振 荡 出 一 定 波 长 的 激 光 。 对 激 活 离 子 的 要 求 总 是 希 望 是 四 能 级 的 ， 即 被 光 泵 激 发 到
高 能 级 上 的 粒 子 ， 由 感 应 激 发 跃 迁 到 低 能 级 发 生 激 光 振 荡 时 ， 不 直 接 降 到 基 态 ， 而 是 降 到 中 间 的 能 级 ，
这 比 直 接 降 到 基 态 的 三 能 级 工 作 的 激 活 离 子 效 率 高 ， 振 荡 的 阈 值 也 低 。 目 前 ， 激 活 离 子 来 自 三 价 和 二 价
的 铁 系 、 镧 系 和 锕 系 元 素 。 激 光 的 波 长 是 由 激 活 离 子 的 种 类 决 定 的 。
基 质 晶 体 必 须 有 良 好 的 机 械 强 度 、 良 好 的 导 热 性 和 较 小 的 光 弹 性 。 为 降 低 热 损 耗 和 输 入 ， 基 质 对 产
生 激 光 的 吸 收 应 接 近 零 。 用 作 基 质 的 晶 体 应 能 制 成 较 大 尺 寸 ， 且 光 学 性 能 均 匀 。 基 质 晶 体 基 本 上 有 三 类 ：
氟 化 物 晶 体 这 类 晶 体 熔 点 较 低 ， 易 于 生 长 单 晶 ， 是 早 期 研 究 的 激 光 晶 体 材 料 ， 如 C a F 、 B a F 、 S r F 、
2 2 2
L a F 、 M g F 等 。 但 是 ， 它 们 大 多 要 在 低 温 下 才 能 工 作 ， 所 以 现 在 较 少 应 用 。
2 2金 属 含 氧 酸 化 合 物 晶 体 这 类 材 料 是 较 早 研 究 的 激 光 晶 体 材 料 之 一 ， 均 以 三 价 稀 土 离 子 为 激 活 离 子 ，
掺 杂 时 需 要 电 荷 补 偿 ， 是 一 种 四 能 级 机 构 的 工 作 物 质 ， 如 C a W O 、 C a M n O 、 L i N b O 、 C a （ P O ） F 等 。
4 4 4 4 3
金 属 氧 化 物 晶 体 这 类 晶 体 如 A l O 、 Y A l O 、 E r O 、 Y O 等 ， 掺 入 三 价 过 渡 族 金 属 离 子 或 三 价 稀 土
2 3 3 1 2 2 3 2 3
离 子 构 成 激 光 晶 体 ， 应 用 较 广 ， 研 制 最 多 。 掺 杂 时 不 需 电 荷 补 偿 ， 但 它 们 的 熔 点 均 高 ， 制 取 优 质 单 晶 较
困 难 。
6 . 5 . 1 . 2 常 用 激 光 材 料 介 绍
3 +
红 宝 石 激 光 晶 体 （ A l O ： C r ） 红 宝 石 是 世 界 上 第 一 台 固 体 激 光 器 的 工 作 物 质 。 红 宝 石 是 在 蓝 宝 石
2 3
3 +
单 晶 体 （ α — A l O ） 中 加 入 了 0 . 0 5 % 的 C r 离 子 得 到 的 产 物 。 α — A l O 为 六 方 晶 系 ， 铬 原 子 的 外 层 电 子 为
2 3 2 3
2 1 2 1 3
3 d 4 s 。 将 铬 原 子 掺 杂 至 A l O 晶 格 中 去 后 ， 铬 原 子 失 去 3 d 4 s 三 个 电 子 ， 只 剩 下 3 d 三 个 外 层 电 子 ， 成 为
2 3
3 + 3 +
C r 。 C r 离 子 使 红 宝 石 呈 红 色 ， 更 重 要 的 是 提 供 了 产 生 激 光 所 必 要 的 电 子 能 态 。 通 常 将 红 宝 石 制 成 柱 状 ，
两 端 为 高 度 抛 光 相 平 行 的 平 面 端 面 镀 银 ， 其 中 一 个 端 面 是 部 分 镀 银 ， 能 部 分 透 光 ； 另 一 个 端 面 充 分 镀 银 ，
3 +
使 之 对 光 波 有 完 全 反 射 的 作 用 。 在 激 光 管 内 ， 用 氩 气 闪 光 灯 辐 照 红 宝 石 。 红 宝 石 在 被 照 以 前 ， 所 有 的 C r
3 +
都 处 于 基 态 ， 即 其 中 的 电 子 都 占 据 最 低 的 能 级 。 但 在 氩 灯 光 （ 波 长 为 0 . 5 6 μ m ） 照 射 下 ， C r 离 子 中 的 电
子 受 激 转 变 为 高 能 态 。 受 激 高 能 态 电 子 可 通 过 如 下 两 个 途 径 返 回 基 态 ： 一 是 直 接 从 受 激 高 能 态 返 回 基 态 ，
同 时 发 出 光 子 。 由 此 产 生 的 光 不 是 激 光 。 另 一 是 受 激 高 能 电 子 首 先 衰 变 为 介 稳 定 的 中 间 状 态 ， 停 留 3 m s
后 再 返 回 基 态 同 时 发 出 光 子 。 在 电 子 运 动 过 程 中 ， 3 m s 是 一 段 很 长 的 时 间 ， 这 意 味 着 在 介 稳 定 状 态 中 可 同
时 存 在 许 多 电 子 ， 在 这 几 个 光 子 的 刺 激 下 ， 介 稳 定 状 态 的 其 它 电 子 以 “ 雪 崩 ” 形 式 愈 来 愈 多 地 返 回 基 态 ，
发 射 出 愈 来 愈 多 的 同 频 光 子 。 那 些 基 本 平 行 于 红 宝 石 柱 轴 向 运 动 的 光 子 ， 一 部 分 穿 过 部 分 镀 银 的 端 面 ，
一 部 分 被 充 分 镀 银 的 端 面 反 射 回 来 。 光 波 沿 红 宝 石 轴 向 来 回 传 播 ， 强 度 愈 来 愈 强 。 从 部 分 镀 银 的 端 面 发
射 出 来 的 光 束 就 是 高 度 准 直 的 高 强 度 相 干 波 — 激 光 。 这 种 单 色 激 光 的 波 长 为 0 . 6 9 4 μ m 。 从 激 光 器 对 工 作
物 质 的 物 化 性 能 和 光 谱 性 能 要 求 来 看 ， 红 宝 石 激 光 器 堪 称 一 种 较 为 理 想 的 材 料 。 红 宝 石 激 光 器 的 结 构 如
图 6 - 0 4 所 示 。
图 6 - 0 4 红 宝 石 激 光 器 的 构 造
红 宝 石 晶 体 物 化 性 能 很 好 ， 材 料 坚 硬 、 稳 定 、 导 热 性 好 、 抗 破 坏 能 力 高 ， 对 泵 浦 光 的 吸 收 特 性 也 好 ，
可 在 室 温 条 件 下 获 得 0 . 6 9 4 3 n r n 的 可 见 激 光 振 荡 。 其 主 要 缺 点 是 属 三 能 级 结 构 ， 产 生 激 光 的 阈 值 较 高 。
红 宝 石 的 激 光 发 射 波 长 为 可 见 光 - 红 光 的 波 长 ， 这 一 波 长 的 光 ， 不 但 为 人 眼 可 见 ， 而 且 对 于 绝 大 多 数的 各 种 光 敏 材 料 和 光 电 探 测 元 件 来 说 ， 都 易 于 进 行 探 测 和 定 量 测 量 。 因 此 红 宝 石 激 光 器 在 激 光 器 基 础 研
究 、 强 光 （ 非 线 性 ） 光 学 研 究 、 激 光 光 谱 学 研 究 、 激 光 照 相 和 全 息 技 术 、 激 光 雷 达 与 测 距 技 术 等 方 面 都
有 广 泛 的 应 用 。
3 + 3 +
钕 钇 铝 石 榴 石 激 光 晶 体 （ Y A G ： N d ） 激 光 工 作 物 质 是 Y A l O 作 为 基 质 ， N d 作 为 激 光 离 子 。 钇 铝
3 5 1 2
3 +
石 榴 石 （ Y A G ） 属 立 方 晶 系 ， Y A G ： N d 激 光 跃 迁 能 级 属 于 四 能 级 系 统 ， 具 有 良 好 的 力 学 、 热 学 和 光 学 性 能 。
3 +
与 红 宝 石 相 比 ， Y A G ： N d 晶 体 的 荧 光 寿 命 较 短 ， 荧 光 谱 线 较 窄 ， 工 作 粒 子 在 激 光 跃 迁 高 能 级 上 不 易
得 到 大 量 积 累 ， 激 光 储 能 较 低 。 以 脉 冲 方 式 运 转 时 ， 输 出 激 光 脉 冲 的 能 量 和 峰 值 功 率 都 受 到 限 制 ， 鉴 于
3 +
上 述 原 因 ， Y A G ： N d 器 件 一 般 不 用 来 作 单 次 脉 冲 运 转 。 但 由 于 其 阈 值 比 红 宝 石 低 ， 增 益 系 数 比 红 宝 石 大 ，
适 合 于 作 重 复 脉 冲 输 出 运 转 。 重 复 率 可 高 达 每 秒 几 百 次 ， 每 次 输 出 功 率 达 百 兆 瓦 以 上 。 军 用 激 光 测 距 仪
和 制 导 用 激 光 照 明 器 都 采 用 钕 钇 铝 石 榴 石 激 光 器 。 这 种 激 光 器 也 是 唯 一 能 在 常 温 下 连 续 工 作 ， 且 有 较 大
功 率 的 固 体 激 光 器 。
半 导 体 激 光 材 料 半 导 体 激 光 器 是 固 体 激 光 器 中 重 要 的 一 类 。 这 类 激 光 器 的 特 点 是 体 积 小 、 效 率 高 、
运 行 简 单 、 便 宜 。
半 导 体 激 光 器 的 基 本 结 构 极 为 简 单 ， 它 是 半 导 体 器 件 p － n 结 二 极 管 ， 在 电 流 正 向 流 动 时 会 引 起 激 光
振 荡 。 但 是 ， 在 普 通 电 路 用 的 二 极 管 中 ， 即 使 有 电 流 流 动 也 不 会 产 生 激 光 振 荡 。 引 起 激 光 振 荡 的 第 一 个
条 件 是 ， 利 用 电 流 注 入 的 少 数 载 流 子 复 合 时 放 出 的 能 量 必 须 以 高 效 率 变 换 为 光 。 因 此 ， 在 进 行 复 合 的 区
域 （ 在 p － n 结 附 近 ， 称 此 区 域 为 活 性 区 ） ， 一 般 必 须 是 具 有 直 接 迁 移 型 能 带 结 构 的 材 料 。 在 这 一 方 面 ，
最 常 用 的 半 导 体 材 料 S i 与 C e 已 失 去 作 为 激 光 材 料 的 资 格 。 以 G a A s 为 代 表 的 许 多 I I I A － V A 族 化 合 物 ， 由 于
具 有 直 接 迁 移 型 能 带 结 构 ， 可 作 为 激 光 材 料 ， 大 部 分 I I A － V I A 族 半 导 体 也 有 可 能 作 为 激 光 材 料 。 半 导 体
激 光 器 的 第 二 个 条 件 是 ， 在 引 起 反 转 分 布 时 要 注 入 足 够 浓 度 的 截 流 子 。 某 阈 值 以 下 的 电 流 ， 在 普 通 的 发
光 二 极 管 中 会 引 起 注 入 发 光 ， 但 不 会 发 生 激 光 。 第 三 个 条 件 是 有 诸 振 器 （ 空 腔 ） 。 激 光 器 的 谐 振 器 一 般
是 由 二 片 反 射 镜 组 成 的 法 布 里 一 珀 罗 结 构 构 成 。 半 导 体 激 光 器 由 于 增 益 极 高 ， 不 一 定 要 求 具 有 高 反 射 率
的 反 射 镜 ， 可 利 用 垂 直 于 结 面 而 且 平 行 的 二 极 管 两 个 侧 面 作 为 反 射 镜 。
大 部 分 半 导 体 激 光 器 具 有 双 异 质 结 结 构 ， 该 结 构 可 减 小 阈 值 电 流 密 度 ， 可 在 室 温 下 连 续 工 作 。 双 异
质 结 激 光 器 的 p - n 结 是 用 带 隙 和 折 射 率 不 同 的 两 种 材 料 ， 在 适 当 的 基 片 上 外 延 生 长 形 成 的 。 不 同 种 类 的 材
料 所 形 成 的 结 （ 异 质 结 ） ， 由 于 晶 格 常 数 不 同 而 易 于 产 生 晶 格 缺 陷 。 结 面 的 晶 格 缺 陷 作 为 注 人 截 流 子 的
非 发 光 中 心 而 使 发 光 效 率 下 降 ， 器 件 寿 命 缩 短 。 因 此 ， 作 为 双 异 质 结 激 光 器 材 料 ， 要 求 采 用 晶 格 常 数 大
致 相 同 的 两 种 材 料 来 组 合 。 在 室 温 下 G a A S 和 A l A s 的 晶 格 常 数 分 别 为 0 . 5 6 5 3 n r n 和 0 . 5 6 6 1 n r n ， 两 者 仅 差
0 . 1 4 ％ 。
目 前 ， 制 作 半 导 体 激 光 器 的 材 料 很 多 ， 有 短 波 也 有 长 波 ， 它 的 激 发 方 式 可 以 是 电 注 入 式 ， 也 有 电 子
束 激 励 及 光 激 励 等 方 式 。
6 .5.2 发光材料
发 光 是 一 种 物 体 把 吸 收 的 能 量 不 经 过 热 的 阶 段 ， 直 接 转 换 为 特 征 辐 射 的 现 象 。 发 光 现 象 广 泛 存 在 于
各 种 材 料 中 ， 在 半 导 体 、 绝 缘 体 、 有 机 物 和 生 物 中 都 有 不 同 形 式 的 发 光 。 发 光 材 料 的 种 类 也 很 多 ， 可 以
提 供 作 为 新 型 和 有 特 殊 性 能 的 光 源 ， 可 以 用 于 显 示 、 显 像 、 探 测 辐 射 场 及 其 他 技 术 手 段 。
发 光 材 料 指 吸 收 光 照 ， 然 后 转 化 为 光 的 材 料 。 发 光 材 料 可 根 据 发 光 的 颜 色 分 为 绿 光 材 料 、 红 光 材 料 、
红 外 光 材 料 、 高 亮 光 材 料 。
6 . 5 . 2 . 1 发 光 原 理高 能 电 子 轰 击 发 光 体 时 产 生 高 能 电 子 及 空 穴 ， 它 们 经 过 碰 撞 ， 又 产 生 能 量 较 低 的 电 子 及 空 穴 。 这 个
过 程 一 直 继 续 下 去 ， 直 到 电 子 的 能 量 降 到 和 发 光 体 的 禁 带 相 匹 配 时 为 止 ， 这 些 低 能 量 的 电 子 及 空 穴 激 发
发 光 中 心 。 光 照 时 ， 材 料 中 的 “ 缺 陷 ” 成 为 发 光 中 心 ， 激 发 导 带 电 子 ， 主 能 级 电 子 向 低 能 级 跃 迁 ， 放 出
光 子 产 生 光 。
6 . 5 . 2 . 2 发 光 的 特 征
颜 色 发 光 材 料 的 发 光 颜 色 彼 此 不 同 ， 都 有 它 们 各 自 的 特 征 。 已 有 发 光 材 料 的 种 类 很 多 ， 它 们 发 光 的
颜 色 也 足 可 覆 盖 整 个 可 见 光 的 范 围 。 材 料 的 发 光 光 谱 （ 发 射 光 谱 ） 可 分 为 下 列 三 种 类 型 ： 宽 带 ， 半 宽 度
3 +
— — 1 0 0 n m ， 如 C a W O ； 窄 带 ， 半 宽 度 — — 5 0 n m ， 如 S r （ P O ） C l ； E u 线 谱 ， 半 宽 度 — — 0 . 1 n m ， 如 G d V O ：
4 4 3 4
3 +
E u 。
一 个 材 料 的 发 光 光 谱 属 于 哪 一 类 ， 既 与 基 质 有 关 ， 又 与 杂 质 有 关 。 随 着 基 质 的 改 变 ， 发 光 的 颜 色 也
可 改 变 。
由 于 发 光 强 度 是 随 激 发 强 度 而 变 的 ， 通 常 用 发 光 效 率 来 表 征 材 料 的 发 光 本 领 ， 发 光 效 率 也 同 激 光 强
度 有 关 。 在 激 光 出 现 前 ， 电 子 束 的 能 量 较 高 ， 强 度 也 较 大 ， 所 以 一 般 不 发 光 或 发 光 很 弱 的 材 料 ， 在 阴 极
7 - 2
射 线 激 发 下 能 发 出 可 觉 察 的 光 或 较 强 的 光 。 激 光 出 现 后 ， 因 激 光 的 强 度 > > 1 0 W · c m ， 在 它 激 发 下 除 了 容
易 引 起 发 光 外 ， 还 容 易 出 现 非 线 性 效 应 ， 包 括 双 光 子 或 多 光 子 效 应 ， 易 引 起 转 换 ， 如 将 红 外 光 转 换 为 可
见 光 。 发 光 效 率 有 三 种 表 示 方 法 ： 量 子 效 率 、 能 量 效 率 及 光 度 效 率 。 量 子 效 率 是 指 发 光 的 量 子 数 与 激 发
源 输 入 的 量 子 数 的 比 值 ； 能 量 效 率 是 指 发 光 的 能 量 与 激 发 源 输 入 的 能 量 的 比 值 ； 光 度 效 率 是 指 发 光 的 光
度 与 激 发 源 输 人 的 能 量 的 比 值 。
最 初 发 光 分 为 荧 光 及 磷 光 两 种 。 荧 光 是 指 在 激 发 时 发 出 的 光 ， 磷 光 是 指 在 激 发 停 止 后 发 出 的 光 。 发
- 8 - 8
光 时 间 小 于 1 0 s 为 荧 光 ， 大 于 1 0 s 为 磷 光 。 当 时 对 发 光 持 续 时 间 很 短 的 发 光 无 法 测 量 ， 才 有 这 种 说 法 。
- 1 2 - 1 5
现 在 瞬 态 光 谱 技 术 已 经 把 测 量 的 范 围 缩 小 到 l p s （ 1 0 s ） 以 下 ， 最 快 的 脉 冲 光 输 出 可 短 到 8 f s ( 1 f s = 1 0 s ) 。
所 以 ， 荧 光 、 磷 光 的 时 间 界 限 已 不 清 楚 。 但 发 光 总 是 延 迟 于 激 发 的 。
6 . 5 . 2 . 3 发 光 类 型
（ 1 ） 阴 极 射 线 发 光
阴 极 射 线 发 光 是 在 真 空 中 从 阴 极 出 来 的 电 子 经 加 速 后 轰 击 荧 光 屏 所 发 出 的 光 。 所 以 ， 发 光 区 域 只 局
限 于 电 子 所 轰 击 的 区 域 附 近 。 又 由 于 电 子 的 能 量 在 几 千 电 子 伏 以 上 ， 所 以 除 发 光 以 外 ， 还 产 生 X 射 线 。 X
射 线 对 人 体 有 害 ， 因 而 在 显 示 屏 的 玻 璃 中 常 添 加 一 些 重 金 属 （ 如 P b ） ， 以 吸 收 在 电 子 轰 击 下 荧 光 屏 所 产
生 的 X 射 线 。
在 可 以 连 续 激 发 的 条 件 下 ， 改 变 加 速 电 压 时 ， 发 光 亮 度 也 有 相 应 的 变 化 。 但 是 ， 在 高 速 电 子 的 轰 击
下 ， 发 光 屏 的 温 度 将 要 上 升 ， 而 当 温 度 上 升 到 一 定 值 后 发 光 的 亮 度 将 下 降 ， 这 种 现 象 称 为 温 度 猝 灭 。 它
和 发 光 中 心 的 结 构 密 切 相 关 。
在 晶 体 中 发 光 中 心 的 电 子 态 和 它 周 围 离 子 的 数 目 、 价 态 、 方 位 及 距 离 都 有 关 系 。 但 是 由 于 晶 格 的 振
动 ， 周 围 离 子 的 方 位 及 距 离 都 在 变 化 。 随 着 晶 格 的 振 动 ， 发 光 中 心 的 电 子 态 也 将 发 生 相 应 的 变 化 。
使 用 阴 极 射 线 发 光 材 料 时 ， 除 了 考 虑 它 的 亮 度 及 影 响 亮 度 的 几 种 因 素 外 ， 还 必 须 选 择 另 外 两 个 重 要
的 特 性 ， 即 发 光 颜 色 及 衰 减 。
对 于 必 须 保 证 特 定 颜 色 的 彩 色 电 子 束 管 来 说 ， 则 要 牺 牲 一 定 的 亮 度 。 因 为 在 能 合 成 这 特 定 颜 色 的 三
基 色 中 ， 第 三 种 颜 色 要 和 其 他 两 种 颜 色 匹 配 ， 如 果 它 发 光 不 亮 ， 其 他 两 种 颜 色 的 发 光 亮 度 也 就 要 压 低 使用 。 在 显 示 会 成 色 时 ， 如 果 它 们 的 饱 和 特 性 和 老 化 特 性 不 同 ， 也 容 易 出 现 颜 色 漂 移 。 在 飞 点 扫 描 管 中 要
求 发 光 余 辉 特 别 短 ， 雷 达 屏 中 则 要 求 发 光 余 辉 特 别 长 ， 这 时 可 用 的 发 光 体 的 种 类 就 很 有 限 。
在 雷 达 管 中 常 用 双 层 屏 在 电 子 束 轰 击 下 ， 第 一 层 发 出 短 余 辉 的 蓝 光 ， 它 再 激 发 长 余 辉 的 第 二 层 材 料 ，
发 射 黄 光 。
（ 2 ） 场 致 发 光
半 导 体 材 料 在 外 电 场 作 用 下 ， 出 现 发 光 现 象 ， 称 为 场 致 发 光 。 场 致 发 光 材 料 是 禁 带 宽 度 比 较 大 的 半
导 体 。 在 这 些 半 导 体 内 场 致 发 光 的 微 观 过 程 主 要 是 碰 撞 激 发 或 离 化 杂 质 中 心 ， 它 在 与 金 属 电 权 相 接 的 界
面 上 将 形 成 一 个 势 垒 ， 电 子 从 金 属 电 极 一 侧 隧 穿 到 半 导 体 的 几 率 明 显 增 大 。 当 电 压 提 高 时 ， 几 率 进 一 步
增 大 。 电 子 进 入 半 导 体 后 随 即 被 半 导 体 内 的 电 场 加 速 ， 动 能 增 加 ， 在 沿 电 场 方 向 的 整 个 自 由 程 内 ， 能 量
愈 积 愈 高 。 当 它 与 发 光 中 心 或 基 质 的 某 个 原 子 发 生 碰 撞 ， 它 就 会 将 一 部 分 能 量 交 给 中 心 或 基 质 的 电 子 ，
使 它 们 被 激 发 或 被 离 化 。 前 者 ， 由 于 电 子 没 有 离 开 中 心 ， 当 它 从 激 发 态 跃 迁 到 基 态 时 ， 就 发 射 出 光 来 。
后 者 ， 由 于 电 子 离 开 了 中 心 ， 进 入 导 带 而 为 整 个 晶 格 所 有 ， 电 子 与 离 化 中 心 复 合 时 ， 就 发 出 光 束 。 在 使
用 场 致 发 光 材 料 时 ， 最 主 要 的 依 据 是 发 光 亮 度 随 电 压 的 变 化 规 律 。
最 常 用 的 直 流 场 致 发 光 粉 末 材 料 有 Z n S ： M n 、 C u 可 发 黄 光 ， Z n S ： A g 可 发 蓝 光 ， （ Z n C d ） S ： A g 可 发
绿 光 ， 换 配 比 （ Z n C d ） S ： A g 可 发 红 光 ， 它 们 都 是 在 约 1 0 0 V 电 压 下 激 发 。
（ 3 ） X 射 线 激 发 发 光
X 射 线 发 光 材 料 在 发 光 材 料 中 使 用 较 早 ， 而 且 应 用 量 很 大 。 发 光 材 料 在 X 射 线 照 射 下 可 以 发 生 康 普 顿
效 应 ， 也 可 以 吸 收 X 射 线 ， 它 们 都 产 生 高 速 的 光 电 子 。 光 电 子 经 过 非 弹 性 碰 撞 ， 产 生 第 二 代 、 第 三 代 电 子 。
当 这 些 电 子 的 能 量 接 近 发 光 跃 迁 所 需 的 能 量 时 ， 即 可 激 发 发 光 中 心 ， 或 者 离 化 发 光 中 心 ， 随 后 发 出 光 来 。
一 个 X 射 线 的 光 子 可 以 引 起 很 多 个 发 光 光 子 。
X 射 线 发 光 屏 是 利 用 发 光 材 料 使 X 光 转 换 为 可 见 光 ， 并 显 示 成 像 的 屏 幕 。 目 前 已 研 制 出 一 系 列 X 射 线 发
光 材 料 ， 这 些 材 料 的 发 光 或 起 源 于 原 子 团 ， 或 起 源 于 掺 杂 离 子 的 能 级 间 的 电 子 跃 迁 。
最 早 应 用 于 X 射 线 探 测 的 钨 酸 钙 现 在 仍 然 被 广 泛 地 应 用 。 这 主 要 由 于 它 有 几 个 优 点 ： 吸 收 效 率 高 ， 发
光 光 谱 和 胶 片 灵 敏 波 段 相 适 应 ， 物 理 化 学 性 质 稳 定 ， 而 且 在 制 备 中 对 原 料 纯 度 的 要 求 不 是 很 高 。
硫 化 物 的 发 光 效 率 较 高 ， 像 Z n S 、 C d S 这 样 的 材 料 ， 通 用 性 较 强 。 它 既 可 用 于 透 视 屏 又 可 用 于 增 感 屏 ，
还 可 用 于 像 加 强 器 。 碘 化 铯 的 发 光 效 率 和 硫 化 物 相 同 ， 都 比 较 高 ， 但 它 们 对 X 射 线 的 吸 收 效 率 却 比 硫 化
物 高 ， 在 X 射 线 激 发 下 ， 总 的 效 率 较 高 ， 是 很 好 的 材 料 ， 常 用 在 像 加 强 器 中 。
稀 土 材 料 的 发 光 光 谱 和 钨 酸 钙 的 相 近 ， 在 医 用 X 射 线 （ 3 0 ～ 1 0 0 k e V ） 的 激 发 下 ， 它 的 发 光 效 率 比 钨 酸
钙 还 高 。
（ 4 ） 发 光 二 极 管
发 光 二 极 管 是 一 种 在 低 电 压 下 发 光 的 器 件 ， 使 用 单 晶 或 单 晶 薄 膜 材 料 ， 可 以 制 成 指 示 器 、 数 字 显 示
器 、 计 算 机 及 仪 表 。
低 压 驱 动 是 指 在 p － n 结 加 上 正 向 偏 压 时 引 起 的 发 光 。 常 用 的 是 同 质 结 ， 也 就 是 在 P 型 及 n 型 材 料 接 触
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面 两 侧 是 同 一 种 基 质 ， 通 过 结 的 电 流 主 要 是 少 数 载 流 子 的 注 入 。 p － n 突 变 结 的 厚 度 只 有 1 0 ～ 1 0 － c m ，
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其 静 电 动 势 约 1 V 。 所 以 ， 尽 管 外 加 电 压 很 低 ， 在 给 区 内 的 局 部 电 场 还 是 很 高 的 ， 可 以 达 到 1 0 ～ 1 0 V · c m ，
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少 数 载 流 子 注 入 到 此 区 后 ， 与 空 穴 的 复 合 或 者 几 率 小 ， 或 者 无 辐 射 ， 因 此 这 一 区 域 的 发 光 可 不 考 虑 。 此
区 中 ， 通 过 扩 散 复 合 是 器 件 发 光 的 主 要 来 源 。
在 复 合 过 程 中 ， 既 要 求 跃 迁 前 后 的 能 量 守 恒 ， 还 要 求 动 量 守 恒 。 所 以 直 接 带 材 料 容 易 产 生 符 合 这 一选 择 定 则 的 光 学 跃 迁 ， 而 间 接 带 材 料 则 必 须 有 声 子 参 加 跃 迁 ， 几 率 就 大 为 减 少 。 可 是 ， 在 容 易 做 出 两 种
导 电 性 能 的 I I I A － V A 族 材 料 中 ， G a A s 虽 是 直 接 带 材 ， 其 禁 带 宽 度 却 只 有 1 . 4 3 e V ， 达 不 到 可 见 光 的 波 段 。
而 G a P 的 禁 带 宽 度 是 2 . 2 4 e V ， 却 是 间 接 带 材 ， 复 合 发 光 的 跃 迁 几 率 小 。 所 以 ， 人 们 想 出 了 混 合 两 种 材 料 的
办 法 ， 以 求 得 到 禁 带 宽 度 尽 量 大 ， 又 是 直 接 带 的 材 料 。
发 光 二 极 管 所 用 材 料 应 具 下 述 特 性 ： ① 发 光 在 可 见 区 ， E ≥ 1 . 8 e V ， λ ≤ 7 0 0 n r n ② 材 料 必 须 容 易 作 成 n
g
型 及 p 型 ； ③ 有 效 率 高 的 发 光 中 心 或 复 合 发 光 。
所 用 材 料 的 成 分 和 添 加 杂 质 种 类 不 同 ， 颜 色 也 不 同 ， 而 且 容 易 产 生 多 种 颜 色 。 一 般 采 用 G a P （ 绿 色 、
黄 色 及 红 色 ） 、 G a A s P （ 红 色 、 橙 色 ） 、 G a A l A s （ 红 色 ） 。
1 - x x 1 - x x
G a P 红 色 发 光 二 极 管 ， 能 带 结 构 为 间 接 迁 移 型 ， 发 光 机 理 为 激 子 的 复 合 ， 对 于 发 光 波 长 来 说 ， 见 较 大 ，
透 射 性 较 好 ， 可 采 用 气 相 外 延 生 长 法 或 液 相 外 延 生 长 法 。 若 在 p 型 层 中 掺 入 Z n 和 O ， 并 分 别 置 换 C a 和 P
的 阵 点 ， 则 在 这 些 施 主 、 受 主 中 ， 占 据 最 邻 近 阵 点 的 施 主 与 受 主 对 便 作 为 激 子 中 心 而 起 作 用 ， 利 用 这 些
复 合 可 得 到 峰 值 波 长 7 0 0 n m ， 频 谱 半 值 宽 度 约 1 0 0 n m 的 红 色 发 光 。 n 型 层 的 掺 杂 剂 一 般 为 T e 。
G a P 绿 色 发 光 二 极 管 采 用 液 封 直 拉 晶 体 作 为 基 片 ， 并 在 其 上 以 液 相 外 延 生 长 法 形 成 有 源 层 时 ， 在 H 气
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氛 中 混 入 N H 进 行 掺 杂 氮 ， 作 为 施 主 采 用 硫 ， 在 p － n 结 形 成 中 ， 要 向 n 型 层 中 扩 散 Z n 。 氮 在 晶 体 中 起 着 等 电
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子 陷 饼 的 作 用 ， 可 利 用 它 所 捕 获 的 激 子 复 合 发 光 。
G a A s P 红 色 发 光 二 极 管 是 采 用 舟 皿 生 长 的 G a A s 单 晶 作 为 基 片 ， 在 其 上 以 气 相 外 延 生 长 法 生 长 掺 有 T e
1 - x x
的 n 型 G a A s P 层 ， 并 向 其 一 部 分 内 扩 散 Z n 而 制 成 p － n 结 。
1 - x x
G A l A s 红 色 发 光 二 极 管 是 在 G a A s 基 片 上 ， 利 用 掺 有 少 量 A l 的 C a － G a A s 溶 液 ， 用 液 相 外 延 生 长 法 进 行
a 1 - x
生 长 。 x 值 取 0 . 3 5 左 右 可 得 到 峰 值 波 长 6 6 0 n m 左 右 的 红 色 发 光 。
G a N 和 I I I A 族 氮 化 物 材 料 是 近 年 来 光 电 子 材 料 研 究 的 热 门 课 题 。 这 些 材 料 具 有 宽 的 直 接 带 隙 、 高 热
导 率 、 强 的 抗 辐 照 能 力 ， 可 以 发 出 绿 光 、 蓝 绿 光 、 蓝 光 和 蓝 紫 光 ， 可 以 作 为 高 温 半 导 体 器 件 的 换 代 材 料 。
蓝 光 发 射 特 性 在 高 亮 度 全 彩 色 发 光 二 极 管 （ L E O ） 和 具 有 高 密 度 记 录 的 数 字 视 盘 （ D V D ） 等 发 光 器 件 中 有
着 潜 在 的 重 要 作 用 。
6 .5.3 红外材料
红 外 光 同 可 见 光 一 样 都 是 电 磁 波 ， 它 的 波 长 范 围 很 宽 ， 从 0 . 7 μ m 到 1 0 0 0 μ m 。 红 外 线 按 波 长 可 分 为 三
个 光 谱 区 ： 近 红 外 （ 0 . 7 ～ 1 5 μ m ） ， 中 红 外 （ 1 5 ～ 5 0 μ m ） 和 远 红 外 （ 5 0 ～ 1 0 0 0 μ m ） 。
红 外 材 料 指 能 够 透 过 红 外 光 ， 并 对 不 同 波 长 红 外 光 具 有 不 同 透 过 率 、 折 射 率 及 色 散 的 材 料 。 红 外 材
料 要 求 有 一 定 的 机 械 强 度 及 物 理 、 化 学 稳 定 性 。 红 外 材 料 一 般 都 是 晶 体 ， 主 要 有 碱 卤 化 合 物 晶 体 、 碱 上
一 卤 族 化 合 物 晶 体 、 氧 化 物 晶 体 、 无 机 盐 晶 体 及 半 导 体 晶 体 。
碱 卤 化 合 物 晶 体 一 类 离 子 晶 体 ， 如 氟 化 理 （ L i F ） 、 氟 化 钠 （ N a F ） 、 氯 化 钠 （ N a C l ） 、 氯 化 钾 （ K C l ） 、
溴 化 钾 （ K B r ） 等 。
这 类 晶 体 熔 点 不 高 ， 易 生 成 大 单 晶 ， 具 有 较 高 的 透 过 率 和 较 宽 的 透 过 波 段 。 缺 点 是 晶 体 易 受 潮 解 、
硬 度 低 、 机 械 强 度 差 、 应 用 范 围 受 限 。
碱 土 - 卤 族 化 合 物 晶 体 另 一 类 重 要 的 离 子 晶 体 ， 如 氟 化 钙 （ C a F ） 、 氟 化 钡 （ B a F ） 、 氟 化 银 （ S r F ） 、
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氟 化 镁 （ M g F ） 。 这 类 晶 体 具 有 较 高 的 机 械 强 度 和 硬 度 ， 几 乎 不 溶 于 水 ， 适 于 窗 口 、 滤 光 片 、 基 板 等 方 面
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的 应 用 。
氧 化 物 晶 体 包 括 蓝 宝 石 （ A l O ） 、 石 英 （ S i O ） 、 氧 化 镁 （ M g O ） 和 金 红 石 （ T i O ） 等 ， 其 具 有 优 良
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的 物 理 和 化 学 性 质 ， 它 们 的 熔 点 高 、 硬 度 大 、 化 学 稳 定 性 好 ， 作 为 优 良 的 红 外 材 料 ， 在 火 箭 、 导 弹 、 人造 卫 星 、 通 讯 、 遥 测 等 方 面 使 用 的 红 外 装 置 中 被 广 泛 地 用 作 窗 口 和 整 流 罩 。
无 机 盐 化 合 物 单 晶 体 可 作 为 红 外 透 射 光 学 材 料 使 用 的 主 要 有 S r T i O 、 B a T a O 、 B i T i O 等 。 S r T i O
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单 晶 在 红 外 装 置 中 主 要 作 浸 没 透 镜 使 用 ， B a T a O 单 晶 是 一 种 耐 高 温 的 近 红 外 透 光 材 料 。 金 属 铭 的 卤 化 合
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物 晶 体 ， 如 溴 化 铊 （ T l B r ） 、 氯 化 铝 （ T l C l ） 、 溴 化 铊 一 碘 化 铊 （ K B S - 5 ） 和 溴 化 铊 一 氯 化 铊 （ K B S - 6 ）
等 也 是 一 类 常 用 的 红 外 光 学 材 料 。 这 类 晶 体 具 有 很 宽 的 透 过 波 段 ， 且 只 微 溶 于 水 ， 所 以 是 一 种 适 于 在 较
低 温 度 下 使 用 的 良 好 的 红 外 窗 口 与 透 镜 材 料 。
半 导 体 材 料 有 些 晶 体 也 具 有 良 好 的 红 外 透 过 特 性 ， 如 硫 化 铝 （ P b S ） 、 晒 化 铝 （ P b S e ） 、 硒 化 镉 （ C d S e ） 、
碲 化 镉 （ C d T e ） 、 锑 化 铟 （ I n S b ） 、 硅 化 铂 （ P t S i ） 、 碲 镉 汞 （ H g C d T e ） 等 。 其 中 H g C d T e 材 料 是 目 前 最
重 要 的 红 外 探 测 器 材 料 ， 探 测 器 可 覆 盖 1 ～ 2 5 μ m 的 红 外 波 段 ， 是 目 前 国 外 制 备 光 伏 列 阵 器 件 、 焦 平 面 器
件 的 主 要 材 料 。