第1章-光学材料

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1、第1章光学材料《光学加工》OpticalFabrication课程公共邮箱：hfutof@126.com讲授：郎贤礼单位：仪器科学与光电工程学院(HFUT)光学材料应用短片光学材料应用短片2院士语录“没有光学玻璃，既不能了解自然，也不能改造自然。”苏联光学科学和光学工业的奠基者，苏联科学院院士罗捷斯特维斯基(Д.С.Рождественский)在1921年这样写道．这句名言对于作为一门科学发展到现代这样水平的光学—机械工业和光学而言，显得更为正确．3本章内容玻璃态与玻璃结构1光学玻璃2微晶玻璃3其它光学材料44课时41.1玻璃态与玻璃结构序言玻璃的历

2、史玻璃起源大约在4世纪，罗马人开始把玻璃应用在门窗上。到1291年，意大利的玻璃制造技术已经非常发达。1688年，一名叫纳夫的人发明了制作大块玻璃的工艺，从此，玻璃成了普通的物品。我国在光学材料熔炼也有着悠久的历史东汉时能制造玻璃，王充在“论衡”中“方士熔炼五色石块，铸成阳燧”一千多年前，就出现了眼镜，欧洲到十八世纪才有磨眼镜的作坊。唐代制造玻璃技术传到日本。3000多年前，一艘欧洲腓尼基人的商船，满载着晶体矿物“天然苏打”，搁浅。于是船员们纷纷登上沙滩。用几块“天然苏打”作为大锅的支架，在沙滩上做起饭来。船员们吃完饭，锅下面的沙地上有一些晶莹明亮、闪

3、闪发光的东西.这就是最早的玻璃。后来腓尼基人把石英砂和天然苏打和在一起，然后用一种特制的炉子熔化，制成玻璃球，使腓尼基人发了一笔大财。51.1玻璃态与玻璃结构一.光学玻璃的组成(一)光学玻璃的组成玻璃*－下述所有无定形物都称为玻璃：与化学成份与固化温度区域无关，它们通过熔体过冷方法获得，由于粘度的增加而具有固体的机械性质，并且由液态向玻璃态转变过程是可逆的。光学玻璃与普通玻璃的主要区别：前者具有高度的透明性、物理及化学性质高度均匀性及特定和精确的光学常数一般来讲玻璃的主要成分是二氧化硅(SiO2),又称石英砂。*前苏联科学院科学术语委员会定义6玻璃的生

4、产流程玻璃的生产工艺包括：配料、熔制、成形、退火等工序。分别介绍如下：1．配料。玻璃的主要原料有：石英砂、石灰石、长石、纯碱、硼酸等。2．熔制，将配好的原料经过高温加热，形成均匀的无气泡的玻璃液。玻璃的熔制温度大多在1300~1600゜3．成形，是将熔制好的玻璃液转变成具有固定形状的固体制品。4．退火，退火就是在某一温度范围内保温(500度)或缓慢降温一段时间以消除或减少玻璃中热应力到允许值。Video27一.光学玻璃的组成通常熔炼玻璃都加入其它物质，以改善玻璃的性能和满足光学需要。各种氧化物对玻璃性质的影响见表1-1各种氧化物对玻璃性质的影响表1-1

5、8二.玻璃态及其物理特性二.玻璃态及其物理特性(一)物质的玻璃态定义：玻璃熔融冷却过程中保留了液态分子无规则排列结构，即低温固态保留了高温液态的无定性结构，称为玻璃态。玻璃没有固化温度，但随着粘度的增加具有固体的机械性质。9二.玻璃态及其物理特性(二)玻璃的物理特性玻璃除具有固体的机械性和光学性能外，还有以下物理特性：各向同性(内部质点虽排列无序，但统计均匀)介稳状态处于相对稳定状态，并不是能量最低储存状态，称为介稳状态。或叫热力学不稳定的状态玻璃从熔融态向固态转化是连续可逆的玻璃从熔融态向固态转化，是在一个相当宽的温度范围内完成的，变化是连续的没有固

6、化点，只有固化温度范围。随着温度的降低，熔融体粘度愈来愈大，最后变成固态。10三.玻璃的结构三.玻璃的结构玻璃的结构理论涉及问题比较复杂，到目前为止尚不完善，没有形成玻璃态的普遍理论。但比较流行的是”无规则网络学说”与”晶子学说”。无规则网络学说1932年荷兰学者查哈里阿生，提出无规则网络说。认为：玻璃的原子、离子或原子团的结合构成一个连续的网络体，而网络体呈现出很大的不规则性。网络说强调玻璃结构的连续性、均匀性和无序性。根据这一学说可以描述玻璃模型，并能解释玻璃一系列的变化性质。11三.玻璃的结构在他发表的著作中叙述了有关简单玻璃结构的学说．他系统阐

7、述了氧化物配位多面体结构的结晶化学的基本原理，指出这些氧化物能以玻璃形式固化，并产生足够牢固的空间贯连的结构网络，这些网络决定了在软化温度下玻璃系统有很高的粘度：1).玻璃形成体中心的离子—原子应由氧或其他二价元素的离子—原子所围绕，并组成多面体，后者位于四面体或三角体的顶点．2).四面体或三角体只有公共顶点，而无公共界面或棱边3).某些氧的离子—原子只与两个中心原子相结合而不与其他阳离子形成化学键．12三.玻璃的结构按照这些规定，不可能形成A2O或AO型的氧化物玻璃；反之，A2O3，AO2，A2O5型氧化物则应具有形成玻璃的倾向．前者称为网络外体或玻

8、璃填充体，后者称为玻璃形成体。这完全与实际数据相符。实际中：玻璃形成体，如B2O3，As2O3