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光学用晶体材料

日期:2015年5月8日 16:58

晶体材料与玻璃材料相比具有某些非常优越的光学特性。
另一方面,晶体具有容易潮解或双折射特性等,不适于作为光学元件的性质。
综合利用这些特性,可以选择有用的晶体材料作为光学元件使用。

光学窗口材料

晶体材料的折射率比较表(参考数据)

氟化钙 CaF2

天然的氟化钙矿石被称为萤石,在个别情况下照射紫外线时会产生荧光。
人工制造的氟化钙材料多用于高级照相机镜头或分光器的分光镜。
光学特性从真空紫外到红外的宽带内透过率较高,比普通光学玻璃的折射率和色散小,利用其色散曲线的不同(异常部分分散)设计消色差透镜时,具有很大的优势。由于晶体构造为各向同性,所以不会产生双折射。
化学性质比较稳定,潮解性比较低,比氟化锂或氟化镁更被普遍使用。

宝石 AI2O3

是硬度仅次于钻石的矿石,也是很难受损伤的晶体。从很久以前就经常被用于手表的窗口玻璃或齿轮的轴或轴承。虽然有宝石玻璃这样的称呼,但是结构并不是玻璃材料而是晶体结构。
由于化学性非常稳定,有时也作为玻璃的替代品使用。人工制造的宝石是无色透明的,可以透过从紫外到红外的宽带。由于是单轴晶体,根据晶体的朝向会产生双折射。绝缘性良好,具有相对较高的导热性。
可以作为超短脉冲激光的激励介质的钛宝石(Ti:sapphire)晶体或是紫外LED的晶体基板使用。

硒化锌 ZnSe

是琥珀色的晶体,在长波长区域可以透过直到20µm的红外线。但是,不能透过可见光区域的蓝·绿光。
经常被用于CO2激光的透镜材料。在使用红色的激光作为CO2激光的导光时,硒化锌可以同时透过这种导光和CO2激光。在法律上被划定为烈性毒物,部分产品需要提交烈性毒物转让证。而且,使用后的ZnSe光学元件被禁止作为普通垃圾扔掉。不要的硒化锌产品必须返回销售公司。
具有在水中是不溶解的性质,但与酸反应会产生有毒的硒化氢。由于折射率较高,因表面反射的透过损失很大,通过蒸镀防反射膜,可以得到99%以上的透过率。

硅 Si

做为半导体的单晶体硅,看上去有金属光泽但不能透过可见光线,其透过波长为2〜6µm红外线。也可以作为红外检验器的滤光片使用。
此外,由于导热性能良好,有时也可以作为高输出CO2激光的金膜反射镜的基板使用。

锗 Ge

看上去有金属光泽但不能透过可见光线,但是可以透过2〜20µm的宽谱区红外线。可作为热成像照相机的透镜材料使用。
由于折射率较高为4,在无防反射膜的情况下使用时,由于表面反射透过损失将会很大,透过率在50%以下。

注意

红外透过材料除透过,反射之外,有时需要考虑因温度变化引起的辐射光谱的影响。

观测波长为10µm以上的红外线时,或在30℃以上的环境中使用光学系统时,所有的物质都放射红外的辐射线,因此有时可能导致不能正确观测被检测物体的红外光谱。

双折射材料

观测波长为10µm以上的红外线时,或在30℃以上的环境中使用光学系统时,所有的物质都放射红外的辐射线,因此有时可能导致不能正确观测被检测物体的红外光谱。

水晶 SiO2

没有不纯物质的石英晶体,是单轴晶体(三方晶)具有少许的双折射特性。
作为水晶振荡器或CCD摄像元件的低通滤光片,其人工晶体被大量生产。
利用寻常光(no)和非常光(ne)的少许折射率差异可以制造波长板。

波长 [nm] 折射率
寻常光 非常光
404.7 1.5572 1.5667
546.1 1.5462 1.5553
589.3 1.5443 1.5534
656.3 1.5419 1.5509
透过波长谱区 [µm] 0.2 〜 2
密度 [g/cm3] 2.65
导热系数 [W・m-1K-1] (70℃) 9.3/5.4
膨胀系数 [×10−6/℃] (20℃) 6.8/12.2

理科年表

方解石 CaCO3

也被称为碳酸钙矿石(calcite),是常见的天然形成的无色透明的矿石。
是单轴(三方晶)晶体,具有很大的双折射特性。
利用寻常光(no)和非常光(ne)的折射率差,可以制作消光比性能较高的格兰汤普森偏光镜。
由于很柔软,是很容易受损伤的晶体。

* 由于是天然矿石,透光率的特性存在个体差异。

波长 [nm] 折射率
寻常光 非常光
404.7 1.6813 1.4969
546.1 1.6616 1.4879
589.3 1.6584 1.4864
656.3 1.6544 1.4846
透过波长谱区 [µm] 0.35 〜 2.3*
密度 [g/cm3] 2.71
导热系数 [W・m−1K−1] (0℃) 5.39/4.51
膨胀系数 [×10−6/℃] (0 〜 80℃) 26.3/5.44

理科年表

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