(光学晶体)

光学晶体概述01常见光学晶体及特性02目录CONTENTELOGO光学晶体概述01LOGO光学晶体(opticalcrystal)用作光学介质材料的晶体材料。主要用于制作紫外和红外区域窗口、透镜和棱镜。按晶体结构分为单晶和多晶。由于单晶材料具有高的晶体完整性和光透过率，以及低的输入损耗，因此常用的光学晶体以单晶为主。卤化物单晶分为氟化物单晶，溴、氯、碘的化合物单晶，铊的卤化物单晶。氟化物单晶在紫外、可见和红外波段光谱区均有较高的透过率、低折射率及低光反射系数；缺点是膨胀系数大、热导率小、抗冲击性能差。溴、氯、碘的化合物单晶能透过很宽的红外波段，其熔点低，易于制成大尺寸单晶；缺点是易潮解、硬度低、力学性能差。铊的卤化物单晶也具有很宽的红外光谱透过波段，微溶于水，是一种在较低温度下使用的探测器窗口和透镜材料；缺点是有冷流变性，易受热腐蚀，有毒性。光学单晶种类卤化物单晶氧化物单晶主要有蓝宝石（Al2O3）、水晶（SiO2）、氧化镁(MgO）和金红石（TiO2）。与卤化物单晶相比，其熔点高、化学稳定性好，在可见和近红外光谱区透过性能良好。用于制造从紫外到红外光谱区的各种光学元件。氧化物单晶半导体单晶半导体单晶有单质晶体（如锗单晶、硅单晶），Ⅱ-Ⅵ族半导体单晶，Ⅲ-Ⅴ族半导体单晶和金刚石。金刚石是光谱透过波段最长的晶体，可延长到远红外区，并具有较高的熔点、高硬度、优良的物理性能和化学稳定性。半导体单晶可用作红外窗口材料、红外滤光片及其他光学元件。光学多晶材料光学多晶材料主要是热压光学多晶，即采用热压烧结工艺获得的多晶材料。主要有氧化物热压多晶、氟化物热压多晶、半导体热压多晶。热压光学多晶除具有优良的透光性外，还具有高强度、耐高温、耐腐蚀和耐冲击等优良力学、物理性能，可作各种特殊需要的光学元件和窗口材料。光学晶体的特性双折性旋光性吸收性和多色性晶体的双折射是由于极化率的各向异性而引起的，极化率的各向异性是由晶体构造的各向异性所决定的。晶体双折射的情况与晶体结构的对称程度有关。因此，晶体的双折射程度与不同的晶族有关。当平面偏振波沿着光轴方向传播时，其偏振面发生旋转的现象，称旋光性。具有这种性能的物质称为旋光物质，其内部构造有非心对称的螺旋状结构。晶体对光的吸收具有各向异性。入射光波与折射率较大的振动方向一致时，所表现的吸收性也较强。常见光学晶体及特性02LOGOAl2O3晶体（蓝宝石）氧化铝晶体（白宝石，蓝宝石，Sapphire，Al2O3）是一种很重要的光学晶体。它具有高硬度、高熔点、高强度、高透过率、耐高温和抗腐蚀的特性，广泛地用于航空航天仪器的红外和紫外的窗口、激光工作窗口、高炉测温窗口以及太阳能电池保护罩和永不磨损手表镜面等。在窗口应用方面，它具有如下优良的特性：光透过范围从300nm到5.5μm3-5μm波段红外透过率大于85%具有高硬度，高透过率,抗挠曲强度和抗风蚀、雨蚀的能力优良的热传导性能低散射率0.02在λ=26到31μm，880℃01熔点2050oC密度3.91g/m3莫氏硬度9杨氏模量53Mpsi透过波段300nm-5.5μm材料基本性能CaF2晶体（氟化钙）氟化钙晶体是一种很重要的光学晶体，它具有如下优良的特性：1、在真空紫外到红外(0.13-11μm)的波段有很高的透过率2、应用在光学棱镜、透镜、锲角片、窗口片以及各种光学系统中02材料基本性能密度3.18g/cm3熔点1357~1360℃晶格常数5.46Å努普硬度178[100],160[110]kg/mm2介电常数6.76，105HZ晶体类型cubic,CaF2typestructure解离面(111)应用laserwindowsforExcimerlaserdeliverableinIR,UVandDUV波长,µm0.190.210.250.330.410.882.653.905.006.207.008.22折射率1.511.491.471.451.441.431.421.411.401.381.361.34MgF2晶体(氟化镁)氟化镁晶体被应用在环境要求很苛刻的光学系统中，它的透过波段为0.11μm--8.5μm。辐照不会导致色心的产生，它有良好的机械性能，可以承受热和机械震动，很大的外力才能使氟化镁解理。氟化镁单晶由于有微弱的双折射性能，通常的切向为光轴垂直于晶片表面。氟化镁是一种应用很广泛的晶体，具有如下特性：1、在真空紫外到红外(0.11～8.5μm)波段有很高的透过率.2、抗撞击和热波动以及辐照3、良好的化学稳定性.4、可用于光学棱透镜、锲角片、窗口和相关光学系统中5、四方双折射晶体性能，可用于光通讯03材料基本性能密度3.16g/cm3熔点1255℃沸点2239℃热导率3.15W/mK比热920J/(kgK)莫氏硬度5--6杨氏模量138.5GPa断裂强度49.6MPa弹性系数C11=140C12=89C44=57C13=63C66=96介电常数105~107Hz5.45水中溶解度0.0076g/100g,18℃晶格常数a=4.64Å,c=3.06Å晶体类型Tetragonal,P42/mnm应用IR,UV,DUVandVUVMgF2晶体:四方系、双折射晶体,宽透过范围:0.11-8.5µmBaF2晶体（氟化钡）氟化钡（BaF2）晶体是一种很重要的光学晶体，它具有如下优良的特性：1、在真空紫外到远红外(0.18-12μm)的波段有很高的透过率2、应用在光学棱镜、透镜、锲角片、窗口片以及各种光学系统中3、它也是一种闪烁晶体，可以应用在高能物理装置。04材料基本性能密度4.89g/cm3,at20°C熔点1354°C摩尔质量175.36晶格常数6.196Å热导率7.1W/(mK),at38°C比热456J/(kgK)热膨胀系数16.5~19.2×10–6/K,±60°C努普硬度82kg/mm2莫氏硬度3介电常数7.33,2×106HZ水中溶解度0.17g/100g，10℃晶体类型cubic,Classm3m解离面(111)带隙9.1eV透过范围0.18~12.0µminIR,UVandDUVLiF晶体（氟化锂）氟化锂晶体是一种很重要的光学晶体，它具有如下优良的特性：1、在真空紫外到红外(0.12-6μm)的波段有很高的透过率，特别是在真空紫外有优良的透过率2、应用在光学棱镜、透镜、锲角片、窗口片以及各种光学系统中。05材料基本性能密度2.64g/cm3熔点870℃摩尔质量25.9394晶格常数4.0279Å热导率4.01W/(mK)比热1562(Jkg-1K-1)热膨胀系数28.1-34.8(10-6/K)努普硬度102–103kg/mm2莫氏硬度3断裂强度10.8MPa弹性系数C11=112/C12=45.6/C44=3.2GPa晶体类型Fm3m,cubic,NaCltypestructure介电常数9.0@25°C,f=100...109Hz水中溶解度0.27(g/100cm3)@18°C应用VUV,DUVYVO4晶体（钒酸钇）钒酸钇晶体是一种具有优良的物理和光学特性的双折射单晶。由于它具有较大的透过范围、透光度高、大的双折射、易于加工等特点，所以广泛应用于光学组件如光纤光隔离器、环形器、分光器，还有其它的偏振光学器件等。与方解石相比，钒酸钇具有更好的温度稳定性及物理和机械特性。方解石易潮解和低硬度是使得很难得到高光学质量晶体。与高硬度的金红石(TiO2)相比，钒酸钇更易于进行光学表面加工，这也就相应降低了加工成本，尤其对批量生产来说。与铌酸锂相比，它们具有相似的机械和物理性能，钒酸钇的双折率确比铌酸锂大三倍，这使得设计更加紧凑。06材料基本性能透过范围0.4-5μm高透晶体对称性四方晶系,点群D4h晶包参数a=b=7.12Å;c=6.29Å密度4.22g/cm3莫氏硬度5,类似玻璃潮解性不潮解热膨胀系数:aa=4.43x10-6/K;ac=11.37x10-6/K热导率//C:5.23W/m/K;⊥C:5.10W/m/K晶类正单轴晶no=na=nb,ne=nc热光系数dna/dT=8.5x10-6/K;dnc/dT=3.0x10-6/K光学石英晶体（大尺寸）石英晶体化学分子式是SiO2，它是由硅和氧两种元素组成。它的无定型态主要在石头和沙子里。SiO2的晶态广泛存在自然界中，但是工业用高纯的晶体却不多。人造石英单晶是用水热法在高压釜中生长的，具有左旋和右旋形态。石英晶体的应力双折射低且折射率均匀性高，透光范围为0.15-4μm。由于其压电特性、低热膨胀系数、优良的力学和光学特性，石英晶体被用于电子、精密光学和激光技术、光通信、X-射线光学和压力传感器等方面。08材料基本性能透过范围0.150--4.0µmand50--1000µm密度2.65g/cm3熔点1710°C,1657°C摩尔质量60.06比热744J/(kg·K)弹性系数C11=86.6;C12=6.7;C13=12.4;C14=17.8;C33=106.4;C44=58GPa介电常数||C:4.27@30MHz@25°C;C:4.34晶体类型Singlecrystal,syntheticCrystalStructuretrigonal,pointgroup32,a=4.9138Å,c=5.4052Å应用polarizingoptics,piezoelectriccomponents,VUVfilter,FIRwindows