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光设基础:常见光学材料简介

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光设基础:常见光学材料简介


透镜是光学实验中的主要元件之一,可采用多种不同的光学材料制成,用于光束的准直、聚焦、成像。Newport提供的各种球面和非球面透镜,主要制作材料有BK7玻璃、紫外级熔融石英(UVFS)、红外级氟化钙(CaF2)、氟化镁(MgF2),以及硒化锌(ZnSe)。在从可见光到近红外小于2.1µm的光谱范围内,BK7玻璃具有良好的性能,且价格适中。在紫外区域一直到195nm,紫外级熔融石英是一种非常好的选择。在可见光到近红外2.1µm范围内,熔融石英具有比BK7玻璃更高的透射率,更好的均匀度以及更低的热膨胀系数。氟化钙和氟化镁则适用于深紫外或红外应用。




BK7玻璃


BK7是一种常见的硼硅酸盐冕玻璃,广泛用作可见光和近红外区域的光学材料。它的高均匀度,低气泡和杂质含量,以及简单的生产和加工工艺,使它成为制作透射性光学元件的良好选择。BK7的硬度也比较高,可以防止划伤。透射光谱范围380-2100nm。但是它具有较高的热膨胀系数,不适合用在环境温度多变的应用中。


UV Grade Fused Silica(UVFS) 紫外级熔融石英


紫外级熔融石英是一种合成的无定型熔融石英材料,具有极高的纯度。这种非晶的石英玻璃具有很低的热膨胀系数,良好的光学性能,以及高紫外透过率,可以透射直到195nm的紫外光。它的透射性和均匀度均优于晶体形态的石英,且没有石英晶体的那些取向性和热不稳定性等问题。由于它的高激光损伤阈值,熔融石英常用于高功率激光的应用中。它的光谱透射范围可以达到2.1µm,且具有良好的折射率均匀性和极低的杂质含量。常见应用包括透射性和折射性的光学元件,尤其是对激光损伤阈值要求较高的应用。



CaF2 氟化钙


氟化钙是一种具有简单立方晶格结构的晶体材料,采用真空Stockbarger技术生长制备。它在真空紫外波段到红外波段都具有良好的透射性。这种宽光谱透射特性,加上它没有双折射性质,使它成为紫外到红外宽光谱应用理想选择。氟化钙在0.25-7µm内的透射率在90%以上,并具有较高的激光损伤阈值,常用于制作准分子激光的光学元件。红外级氟化钙通常采用自然界中可见的萤石生长而成,成本低廉。但氟化钙具有较大的热膨胀系数,热稳定性很差,要避免使用在高温环境中。氟化钙的折射率比较低,因此通常不需要在表面镀增透膜。



MgF2 氟化镁


氟化镁是一种具有正双折射性质的晶体,可采用Stockbarger技术生长,同样在真空紫外波段到红外波段具有良好的透射。通常在切割时使它的c轴与光轴方向平行,以降低双折射性质。氟化镁是另一种深紫外到红外的光学材料选择,透射范围0.15-6.5µm。 另外,它可用于含氟的环境中,可用作准分子激光器的透镜、窗片、偏振器等。氟化镁具有良好的热稳定性和硬度,并且具有高激光损伤阈值。它的折射率也比较 低,通常不需要镀增透膜。氟化镁相比于其他的深紫外到红外的光学材料更经久耐用。这些性质使它成为很多生物学上和军事上采用宽带宽激光脉冲成像的应用的理 想选择。



Crystal Quartz 石英晶体


石英是一种单轴正双折射单晶晶体,可采用水热法生长。它在真空紫外到近红外区域具有良好的透射性。因其双折射性质,石英晶体常用作波片材料。



Zerodur® 微晶玻璃


Zerodur®是一种玻璃陶瓷材料,热膨胀系数接近于零,具有极佳的热稳定性。这使得Zerodur®成为制作光学镜片衬底的理想选择。Zerodur®通常含有杂质,不适于制作透射性光学元件。



ZnSe 硒化锌


硒化锌可通过化学气相沉积方法制备,常用于热成像和医疗系统中。硒化锌作为一种应用广泛的红外透镜材料,具有很宽的透射谱域600nm-16µm。它的折射率较高,一般需要在表面镀增透膜,以减少反射。硒化锌材料较软,容易被划伤,因此不适用于比较粗糙的环境。在清洁和安装时也要格外注意。因其高透射率和耐热性能,硒化锌成为高功率二氧化碳激光器的光学元件材料的最佳选择。



光学材料参数性质




光学材料性能比较



光学材料透射率曲线


下面给出的透射率曲线是光学材料的“外部透射”曲线,包含材料表面的反射效应。


熔融石英和BK7冕玻璃透射曲线(厚度10mm



红外光学材料透射曲线



紫外-红外材料透射曲线

-----摘自 光学人生



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