1、光學(xué)材料復(fù)習(xí) 光學(xué)玻璃：折射率與吸收，紫外與紅外玻璃 光學(xué)晶體：晶體結(jié)構(gòu)、張量、光學(xué)非線性 光學(xué)有機材料：有機電致發(fā)光 光學(xué)玻璃：光學(xué)玻璃的結(jié)構(gòu) o需掌握玻璃的形成體、中間體與網(wǎng)絡(luò)外體 能獨立形成網(wǎng)絡(luò)的玻璃生成體氧化物玻璃生成體氧化物，單鍵強度大334.94kJ/mol SiO4,GeO4,PO4,BO3 在一定條件能進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的中間體氧化物中間體氧化物。 BeO,B2O3,Al2O3,TiO2,ZnO,MgO,Nb2O5 只能破裂網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)外體氧化物網(wǎng)絡(luò)外體氧化物，單鍵強度小于251.21kJ/ mol、 Li2O, Na2O, K2O, CaO, SrO,BaO, In2O3, Y2O3,

2、La2O3, ZrO2 光學(xué)玻璃的物理化學(xué)性能（折射率、色散、吸收系數(shù)、密度、機械性 能、化學(xué)穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)）由玻璃的結(jié)構(gòu)所決定 例題1 o以下哪組成分是氧化物玻璃的網(wǎng)絡(luò)形成體：（ ） oA. Li2O,Na2O,K2O,BaO; oB. GeO2, P2O5, SiO2, B2O3; oC. SiO2, PbO, B2O3, P2O5; oD. B2O3, Al2O3, TiO2, Nb2O5 oE. Al2O3, La2O3, K2O, MgO 光學(xué)玻璃的折射率和色散光學(xué)玻璃的折射率和色散 o折射率折射率： nD: 鈉D線（589.3nm） nd : 鈉光譜d線（587.6nm） o阿

3、貝（阿貝（abbe）數(shù)）數(shù)(平均色散系 數(shù))： nF: F線486.1nm, nC: C線656.3nm, nF-nC平均色散 1 D D Fc n nn xy xy FC nn P nn 部分色散，x,y可以是不同 的譜線波長。P.8 需要知道的譜線波長： F,C,D,d,i(365nm) 以阿貝數(shù)等于以阿貝數(shù)等于50為限，為限， 區(qū)分冕牌玻璃與火石玻璃區(qū)分冕牌玻璃與火石玻璃 無色光學(xué)玻璃的阿貝圖 *第一部分一般 標(biāo)為“N-”、 “P-”、或缺失， 代表了玻璃是否 環(huán)保。 *牌號的第二部 分符號代表了玻 璃的類型： K,F,L,S,LL,SS, *光學(xué)玻璃的數(shù) 字代號：A B.C 67332

4、3.286 光學(xué)玻璃的基本組成 冕牌K(crown): R2O-B2O3-SiO2(R代表堿金屬)，硼硅酸鹽與鋁硅酸鹽系統(tǒng)。 火石F(Flint): K2O-PbO-SiO2,因原料中含有氧化鉛，所以稱為火石玻璃（TiO2,Nb2O5) L,S分別代表折射率的低與高，最低折射率的玻璃FK(含氟冕牌玻璃),最高折射率的玻璃 是含La的重火石、冕牌玻璃。 有色玻璃： o基質(zhì)玻璃，即為N-WG玻璃，吸收帶在紫外，表現(xiàn)為無色透明，成分中 沒有可見光范圍的著色劑。 o離子著色玻璃，成分中含有顯色的重金屬離子或稀土離子。 o膠體著色玻璃，在熔體冷卻成型之后是不顯色的，經(jīng)過熱處理之后，會 顯示不同的顏色。吸

5、收光譜中存在一條非常陡峭的吸收邊，且顯色深淺 （吸收邊的位置）與摻雜離子種類與濃度，熱處理溫度與時間密切相關(guān)。 光學(xué)玻璃的色散 222 2 312 222 123 ( ) 1 BBB n CCC 222468 012345 ( )nAAAAAA Sellmeier 模型 Cauthy模型 對于大多數(shù)無色光學(xué)玻璃而 言，色散來源于紫外與紅外 波段的兩個吸收帶 光學(xué)玻璃的折射率與成分之間的關(guān)系 o密度：對原子價相同的的氧 化物來說，其陽離子半徑越 大，玻璃分子體積就越大， 密度越小。 o分子折射度：原子價相同的 陽離子其半徑越大（原子核 對外層電子吸引力越弱）則 離子極化率越高。 o離子極化率還受

6、其周圍離子 極化的影響，當(dāng)陽離子半徑 增加時不僅其本身極化率上 升也提高了氧離子的極化率， 因而促使玻璃分子折射度迅 速上升。 外場作用下玻璃折射率的變化 o 折射率的溫度系數(shù)： o 光學(xué)非線性折射率 22 (1)(2) 1 =(3 ) 6 nnnd TndT 與玻璃的紫外吸收波長有關(guān) 與玻璃的結(jié)構(gòu)有關(guān) InEnn , 2 2 2 3 0 2 2 )( n En 三階非線性極化率張量，在玻璃中 也存在，與玻璃的分子極化度有關(guān)， 與玻璃的線性折射率有關(guān) 線性折射率n0與1(1/s)成反比，那么非線性折 射率n2(E)應(yīng)與紫外本征頻率21(1/2s)成反比。 光學(xué)玻璃的吸收 o紫外：電子躍遷，(玻

7、璃結(jié)構(gòu)的完整 性、非橋氧數(shù)目、堿金屬氧化物數(shù)目 與種類、形成體類型等因素決定了玻 璃的紫外吸收波長）：SiO2石英玻璃 o可見：過渡金屬離子與稀土離子，鉑 污染：過渡金屬離子與稀土離子可見 光吸收特點。 o紅外：網(wǎng)絡(luò)振動，陰陽離子的質(zhì)量對 于紅外特征吸收波長的影響、玻璃是 否含有堿金屬氧化物（吸附水或其他 氣體） 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 Si-O反鍵反鍵 非橋氧非橋氧O- Si-O成鍵成鍵 SiO2 12.4eV 10eV 8eV 6eV Na-O反鍵反鍵 Na-O成鍵成鍵 非橋氧非橋氧O- Na2O.2SiO2 Na+ ) 11 (2 2 0 mM 硅酸鹽玻璃中的硼反常 在硅酸鹽玻璃中逐漸增加氧化硼的含量

8、，其性質(zhì)變化曲線往往會出現(xiàn)極大 或極小值，稱為“硼反常”，合理地應(yīng)用這一反常現(xiàn)象可以改善玻璃的某 些物理化學(xué)性質(zhì)，制得化學(xué)穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)小，折射率高而色散小 的玻璃。 玻璃中硼離子配位數(shù)的變化所引起玻璃中硼離子配位數(shù)的變化所引起 極大值與極小值往往出現(xiàn)于極大值與極小值往往出現(xiàn)于Na2O /B2O3 =1處處 可以調(diào)節(jié)：折射率、熱膨脹系數(shù)、化學(xué)穩(wěn)定性、密度、 硬度等參數(shù) 在在K9玻璃玻璃15(K2O+Na2O) 10B2O3 75SiO2） 中加入氧化硼，玻璃的折射率將變大。中加入氧化硼，玻璃的折射率將變大。 （ ） 紫外光學(xué)玻璃 o色碼(color code) 80/5的定義 oi線玻璃

9、（365nm）：氟冕，超輕火石與輕火石玻璃氟冕，超輕火石與輕火石玻璃 （含氟，折射率較小） o光學(xué)石英Lithosil-Q ：控制石英中Fe3+的含量，無氫火焰、氣相沉積，石 英在185-2500nm范圍內(nèi)都能保持高的透明性，既是優(yōu)秀的透紫外材料，又 是很好的近紅外材料 o氟化物晶體Lithotec-CaF2 ：優(yōu)秀的真空紫外材料 紅外光學(xué)玻璃 三類紅外光學(xué)玻璃： 硅酸鹽（光學(xué)石英光學(xué)石英需要去除玻 璃中的OH-，大折射率高硅氧 玻璃，不含堿金屬氧化物的硅 酸鹽玻璃） 非硅酸鹽玻璃（碲酸鹽碲酸鹽， ZBLAN氟化物玻璃） 非氧化物玻璃（硫硒碲化合物硫硒碲化合物 玻璃玻璃Chalcogenide

10、 Glass ） 激光玻璃：稀土離子 o激活離子一般是發(fā)光譜帶窄，色純度高，轉(zhuǎn)換效率高，熒光壽命跨度大， 具有四能級（或三能級系統(tǒng)）的稀土元素或離子稀土元素或離子。 o基質(zhì)玻璃是具有優(yōu)良光學(xué)性能、機械性能以及熱性能的硅酸鹽玻璃硅酸鹽玻璃，硼酸硼酸 鹽及硼硅酸鹽玻璃鹽及硼硅酸鹽玻璃，磷酸鹽玻璃和氟磷酸鹽玻璃磷酸鹽玻璃和氟磷酸鹽玻璃。 基態(tài)的光譜項基態(tài)的光譜項 2s+1LJ 稀土離子稀土離子： 均具有內(nèi)層4f電子能級，稀土化合物的發(fā)光 是基于它們的4f電子在內(nèi)層f-f或或f-d組態(tài)之間 的躍遷。 Nd 3+離子的離子的4F3/24I11/2的躍遷的躍遷 ：1.064m，室溫 激光玻璃：基質(zhì)玻璃 o

11、在激發(fā)光源的輻射光譜 內(nèi)有寬而多的吸收帶寬而多的吸收帶， 高的吸收系數(shù)，玻璃的 吸收光譜帶與光源的輻 射譜帶的峰值盡可能地 重合，有利于充分利用 泵浦能量 。 o對于激光波長的吸收盡 可能小 ，透明度高。透明度高。 o極低的光學(xué)非線性折射 率 o良好的光學(xué)均勻性 o良好的熱光穩(wěn)定性 硅酸鹽玻璃：具有較長的熒光壽命， 較高的量子效率 硼硅酸鹽玻璃：熒光壽命較短，量子 效率較低，但是Nd 3+在硼玻璃中吸收 系數(shù)較高，易獲得較低的閾值能量。 磷酸鹽玻璃：受激發(fā)射截面大，非線 性折射率小。熒光量子壽命較短，熒 光譜線窄。 光學(xué)晶體：7大晶系，14種布拉維格子，8種對稱 要素 o低級晶族：三斜(Tri

12、clinic)，單斜(Monoclinic)，正交(Orthorhombic)， o中級晶族：三角(Trigonal)，四方(Tetragonal)，六方(Hexagonal)， o高級晶族：立方(Cubic) o各晶系的對稱性高低 o各晶系晶格常數(shù)的特點 o14種布拉維格子 o8種對稱要素，特別是反演對稱軸的特點 一種晶體的單胞有以下特征：一種晶體的單胞有以下特征：a=bc請問它請問它 可能屬于什么晶系：可能屬于什么晶系： ( ) A.四方四方 B.三斜三斜 C.三方三方 D. 單斜單斜 E. 六六 方方 32種點群 晶系第一方向第二方向第三方向 立方 aa+b+ca+b 六方 ca2a+b

13、 四方 caa+b 三方 ca2a+b 正交 cab 單斜 b 三斜因為其中只包含1或i，故無特殊方向 *點群是8種對稱要素 的組合 *點群符號表示在三個 特定方向存在對稱要 素，對于不同的晶系， 特定方向均不同。要 知道立方晶系的三個立方晶系的三個 方向方向（特別是第二個 方向3），中級晶族晶中級晶族晶 體第一個方向體第一個方向是高次 軸的方向C *看見點群符號能夠說看見點群符號能夠說 出是什么晶系的晶體，出是什么晶系的晶體， 如如m3m, 4mm, mm2 等等 晶向與晶面 o注意晶向與晶面的符號區(qū)別 o注意在非立方晶系中，符號的次 序與正負(fù)不能隨意替換 o晶向符號代表向量 o晶面符號為截

14、距的倒數(shù) o晶面符號中0表示與該晶軸平行 張量的定義 o一種描述各向異性性質(zhì)的數(shù)學(xué)方法就是張量張量方法 o作用矢量、感生矢量、自由下標(biāo)、啞下標(biāo) o張量的階數(shù) o張量在不同坐標(biāo)系之間的形式轉(zhuǎn)換（如果使用舊坐標(biāo)系中張量的 定義來表示新坐標(biāo)系中張量的值(即x1,x2,x3舊x1,x2,x3新),各 啞下標(biāo)盡可能地靠近 o奇數(shù)階的張量在具有反演中心i的晶體中是不存在的 o晶體中具有物理意義的二階張量都是對稱張量：如應(yīng)變張量不是 位移對位置的偏導(dǎo)eij,而是其中的對稱部分。 3 iijj j 1 pT q ijikjlkl Ta a T 張量的定義 o張量的示性面：二階張量的示性面是橢球或雙曲面橢球或雙

15、曲面，其中橢球上 任意一點的徑矢與法矢分別表示該二階張量所跨居的作用矢量及 感生矢量。 o二階張量的示性面具有最低的對稱性是mmm。 o諾伊曼規(guī)則諾伊曼規(guī)則表明：描述晶體物理性質(zhì)的張量的示性面，其對稱性 必然高于晶體結(jié)構(gòu)的對稱性。對于立方晶系而言，具有3次對稱軸 的橢球就是球，所以立方晶系的二階張量是各向同性的各向同性的。 o二階張量在不同坐標(biāo)系中的表現(xiàn)形式：張量的主軸與主值（同作 業(yè)） o光率體的概念（證明折射率橢球是逆介電常數(shù)張量的示性面）， 折射率不是二階張量。 由于立方晶系二階張量的示性面是一個球， 所以對于所有的二階張量來說，在立方晶系 中都是各向同性的。（ ） 晶體中的折射率橢球說

16、明了折射率是一個二 階對稱張量。（ ） 試證明逆介電常數(shù)張量的示性面是光率體。 晶體結(jié)構(gòu)的對稱性必然高于描述晶體物理性 質(zhì)的張量示性面的對稱性。（ ） 壓電性能與壓電晶體 o壓電效應(yīng)的定義 o壓電常數(shù)：三階張量，20種點群 （32-11-432）可以簡化成矩陣的 形式din(i=1-3,n=1-6) o逆壓電效應(yīng)，電致伸縮效應(yīng)，逆 壓電系數(shù)與壓電系數(shù)在符號與數(shù) 值上均是相等的，注意逆壓電系 數(shù)在使用時必須將矩陣轉(zhuǎn)置。轉(zhuǎn)置。 o電致伸縮系數(shù)是四階張量，存在 于所有晶體與非晶體中。 o可以證明，立方晶系中的四階張 量并不是各向同性的。 111213141516 212223242526 31323

17、3343536 () in dddddd ddddddd dddddd ( , ,1,2,3) iijkjk Pdi j k ( , , ,1,2,3) jkijkiiljkil Sd Ei j k lE E 壓電晶體及應(yīng)用 oPbZrxTi1-xO3,即PZT壓電晶體及壓電陶瓷 oBaTiO3， LiNbO3 oPVDF(聚偏氟乙烯) o各類振蕩器、濾波器、慣性傳感器、表面波器件、水聲器件、電 聲器件、超聲器件以及壓電馬達(dá)、壓電變壓器與壓電發(fā)電機等 o在光學(xué)中的應(yīng)用：可調(diào)諧FP濾光片（調(diào)節(jié)腔長），在自適應(yīng)光學(xué) 中的應(yīng)用（可變形的微反射鏡陣列） 熱釋電效應(yīng) o熱釋電效應(yīng)的定義：具有自發(fā)極化的壓

18、電晶體。 o一階張量，具有方向性，存在于10種點群 （1,2,3,4,6,m,mm2,3m,4mm,6mm ） o主要應(yīng)用：熱釋電探測器、熱釋電顯像管等紅外非制冷熱型熱探 測儀器，能在室溫下工作，具有廣譜響應(yīng) oFD=p/Cv(rtg)1/2 ，在選擇材料的過程中，要求具有較大的熱釋電 系數(shù)，較低的介電常數(shù)，較低的介電損耗以及較低的體積熱容 ， 對于熱釋電陣列器件來說要求具有較大的介電常數(shù) o熱釋電器件用材料：TGS(硫酸三甘肽) ，LiTaO3 ，SBN-50 ， PVDF與其二聚物P(VDF-TrFE) (1,2,3) ii PpT i 熱釋電晶體的熱釋電電流與所探測的溫度 成正比。 （

19、） 鐵電效應(yīng) o定義：在外電場作用下，自發(fā)極化的方向可以逆轉(zhuǎn)或者可以重新 取向的熱釋電晶體稱為鐵電晶體鐵電晶體。 o電滯回線、剩余極化、矯頑場 o居里溫度、鐵電相與順電相 oBaTiO3的鐵電相及順電相 o120以上，立方晶系，m3m o1200, 四方晶系，4mm o0-80,正交晶系，mm2 o-80以下，三方晶系，3m o120為居里點，其余為轉(zhuǎn)變溫度。 下圖為羅息鹽晶體的自發(fā)極化與溫度的關(guān)系，以下哪種說法是正確 的：（ ） A. 在24和-18時晶體都經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)的變化，24是羅息鹽晶體的 居里溫度，-18不是。 B. 羅息鹽晶體在24以上是鐵電相，24以下是兩個順電相，所以 24是居里

20、溫度。 C. 羅息鹽 晶體在24以下是兩個不同的鐵電相， -18不是居里溫 度。 D. 24是羅息鹽晶體的上居里點，而-18是羅息鹽的下居里點。 鐵電晶體及應(yīng)用 o非揮發(fā)性鐵電隨機存取存儲器FRAM(Ferroelectric random access memories) ：具有非揮發(fā)性和基于自發(fā)極化的取向，斷電后保存存 儲數(shù)據(jù)，存取速度快，能耗低。 PZT (PbZrxTi1-xO3)， SBT(SrBi2Ta2O9) （non-fatigue) o鐵電微波調(diào)諧器件 :BST(BaxSr1-xTiO3) ,在一定的溫度與微波頻率范 圍內(nèi)介電損耗較低、介電調(diào)諧率較高、介電調(diào)諧響應(yīng)快 晶體的非

21、線性光學(xué)性能 o二階光學(xué)非線性極化率張量：三階張量，存在于20種不具反演中 心的點群中（晶體的對稱性對于晶體的對稱性對于(2)in的影響完全相同于對壓電系數(shù)的影響完全相同于對壓電系數(shù) din的影響的影響 ） o三階光學(xué)非線性極化率張量：四階張量，存在于所有的晶體與非 晶體中 o和頻、差頻、倍頻、光學(xué)整流、多光子吸收、參量振蕩、受激拉 曼散射等都是光學(xué)非線性效應(yīng) (2)(2) 312312 ()(,)()(),( , ,1,2,3) iijkjk PEEi j k 位相匹配 PM 光軸 n1o() n1e() n2o(2) n2e(2) m (a) n1o() n1e() n2o(2) n2e(

22、2) 光軸 m (b) PM 1122 ()()nn 光學(xué)非線性晶體材料 o1.有較高的光學(xué)非線性極化率，要求in接近或高于KDP晶體的36， o2.能實現(xiàn)位相匹配 o3.透過波段較寬 o4.晶體不易出現(xiàn)光學(xué)損傷 o5.容易獲得大塊，高光學(xué)質(zhì)量的晶體 o6.硬度大，化學(xué)穩(wěn)定性好，不易潮解 oKDP（能得到大塊晶體、紫外應(yīng)用） oLiNbO3（全能、紅外、高頻、大塊晶體） o碘酸鹽晶體 o硫化物、硒化物硫化物、硒化物晶體（紅外應(yīng)用） 電光效應(yīng) o線性電光效應(yīng)線性電光效應(yīng)（是一種二階（是一種二階 光學(xué)非線性效應(yīng)）光學(xué)非線性效應(yīng)） （Pockels效應(yīng)）： o二次電光效應(yīng)二次電光效應(yīng) （Kerr效應(yīng)

23、）： 各向同性介質(zhì)中存在，而在 各向異性介質(zhì)中Kerr效應(yīng)比 Pockels效應(yīng)小好幾個數(shù)量級。 2 1 E n 2 2 1 E n 0 ijijijijkk E ( , , ,1,2,3) ijijklkl h E E i j k l 線性電光系數(shù)張量：三階張量， 存在于不具反演中心的晶體中， 同樣可以寫成矩陣形式： m=mkEk(m=1-6,k=1-3) 非線性電光系數(shù)張量：四階張 量，與三階光學(xué)非線性極化率 張量相關(guān) 橫向電光效應(yīng)與縱向電光效應(yīng) o縱向應(yīng)用：電場方向平行于光傳播方向電場方向平行于光傳播方向，要求電極能透光，在應(yīng) 用中通常采用透明電極，但是損耗較大。 o橫向應(yīng)用：通光方向與外加電場方向相垂直通光方向與外加電場方向相垂直 o縱向應(yīng)用實例：可調(diào)諧的FP濾光片，調(diào)節(jié)折射率 o橫向應(yīng)用實例：Mach-Zehnder器件，相位調(diào)制、強度調(diào)制 o具有大51電光系數(shù)的晶體：BaTiO3 o具有大13, 33電光系數(shù)的晶體：SBN75（ Sr0.75 Ba0.25Nb2O6 ） 光學(xué)有機材料 o有機發(fā)光的原理，陰極（