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光学材料课程复习

State Key Laboratory of Modern Optical InstrumentationState Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation

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第一部分：光学玻璃

概念 1—— 玻璃的网络生成体、中间体、网络外体

1. 能独立形成网络的玻璃生成体氧化物， [SiO4],[GeO

4], [PO4],[BO3] （包括形成的四面体、三角体的结构）

2. 在一定条件能进入网络的中间体氧化物， BeO,B2O

3,Al2O3,Ga2O3, TiO2,ZnO,MgO,PbO （可以连接网络，也能打断网络，关键看游离氧的多少）

3. 只能破裂网络的网络外体氧化物， Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, CaO, SrO,BaO, In2O3, Y2O3, La2O3, ZrO2,HfO2

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概念 2 ：光学玻璃的折射率和阿贝（ abbe）数

折射率： nD: 钠 D 线（ 589.3nm ） nd : 钠光谱 d 线（ 587.6nm ）

阿贝（ abbe ）数 ( 平均色散系数 ) ：

nF: F 线 486.1nm,

nC: C 线 495.8nm,

nF-nC 平均色散

cF

DD nn

n

1 光学玻璃按照阿贝数

的大小分为冕牌和火石玻璃两大类，大致分界线为 γD=50 。 γD>

50 冕牌光学玻璃， γD<

50 火石光学玻璃

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概念 3 ：光学玻璃的基本组成

冕牌 K: R2O-B2O3-SiO2(R 代表碱金属 ) ，硼硅酸盐与铝硅酸盐系统。

火石 F: K2O-PbO-SiO2, 因原料中含有氧化铅，所以称为火石玻璃

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概念 4：玻璃的折射率（成分与折射率之间的关系，重点）

玻璃的折射率由：分子体积（ VM ）与分子折射度所决 定。

对原子价相同的的氧化物来说，其阳离子半径越大，玻璃分子体积就越大。

原子价相同的阳离子其半径越大（原子核对外层电子吸引力越弱）则离子极化率越高。阳离子半径增加时不仅其本身极化率上升也提高了氧离子的极化率，因而促使玻璃分子折射度迅速上升。

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玻璃的折射率外场效应折射率的温度效应：极大多数玻璃在室温以上，温度系数为正。

玻璃的光弹系数：力学特性

玻璃的非线性折射率：光学非线性效应，对应三阶光学非线性极化率，线性折射率 n0 与 ω1(1/λs) 成反比，那么非线性折射率 n2(E)应与紫外本征频率 ω2

1(1/λ2s) 成反比。

成分如何影响玻璃色散引起大色散的玻璃成分： TiO2 ， PbO

引起低色散的玻璃成分： B2O3 ， BaO, La 离子， P2O5 等

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概念 5：玻璃的光吸收和光散射（重点）玻璃的光吸收包括：紫外吸收：电子跃迁，（成键轨道至反键轨道，非桥氧能级，杂质能级， SiO2 的短波长吸收限），玻璃成分如何影响玻璃的紫外吸收，外体，中间体，形成体，紫外吸收限与玻璃折射率，非线性折射率之间的关系

红外特征吸收：网络振动，阴阳离子质量对于振动频率的影响，杂质离子（如 OH ， CO 等基团）在红外波段的特征吸收，能够知道数种红外玻璃的成分。石英，非氧化物，碲酸盐玻璃。

可见吸收：杂质（过渡元素和稀土元素离子， Pt ）引起的选择吸收。稀土离子的吸收带很窄且吸收系数也较小，稀土离子的吸收带常出现在镧系光学玻璃中。过渡元素离子的吸收带宽而强，如 Fe,Cu,Cr,Mn,Co,Ni 等。

玻璃的光散射宏观的丁达尔散射，密散射；微观的瑞利散射，赫拉曼散射。

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概念 6 ：硼反常

如果在硅酸盐玻璃中逐渐增加氧化硼的含量，其性质变化曲线往往会出现极大或极小值，称为“硼反常”，合理地应用这一反常现象可以改善玻璃的某些物理化学性质，制得化学稳定性好，热膨胀系数小，折射率高而色散小的玻璃。

硼反常现象可以解释为玻璃中硼离子配位数的变化所引起。从硼氧四面体到硼氧三角体的过渡。

极大值与极小值往往出现于 Na2O /B2O3 =1处，所以硼反常现像是由于 B3+配位数的变化而引起玻璃内部结构骨架变化的反应。

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概念 7 ：高折射率，低折射率，高色散，低色散光学玻璃所对应的玻璃成分：作业，各光学玻璃品牌，折射率 - 阿贝图，利用硼反常改性。

概念 8 ：熟悉数种光学玻璃的成分与性能QK2, K9, ZK （无碱硅酸盐系统），钡火石，特高折射率玻璃（含重金属氧化物，碲酸盐），特低折射率玻璃（氟化物系统），红外玻璃，激光玻璃（硅酸盐与磷酸盐系统）

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第二部分：光学晶体

概念 1 ：晶胞与单胞

晶格（ Lattice ）：与原子位置相一致的三维点阵排列单胞（ Unit Cell ）：组成晶体的基本结构单元，保持晶体的结构特性。

概念 2：晶系（对称性高低的排列）可以分为 7 个晶体系统，分别为： 三斜 (Triclinic)，单斜 (Monoclinic)， 正交 (Orthorhombic)，斜方或三方 (Rhombohedral)， 四方 (Tetragonal)，六方 (Hexagonal) 立方 (Cubic)

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概念 3 ：晶向与晶面作图（等价）

概念 4 ：晶体的对称操作共有 8 种基本的点对称要素（ 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 6, i, m, ），任何宏观晶体所具有的对称性都是这 8 种基本对称要素的组合。

概念 5：晶体的点群点群： 8 种基本对称要素的组合总共只有 32 种，称为 32点群，任何一种晶体，它的对称性一定属于 32 种对称型中的一种，而且只属于一种。

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概念 6 ：张量，对称张量，张量的阶数与晶体对称性的关系

概念 7 ：对称张量的示性面，径矢与法矢

概念 8 ：张量的主轴与主值，主轴与主值的确定方法

)1()3,2,1(3

1

j

ijiji iqqTp

3

1

)2()3,2,1(0)(j

jijij iqT

)3(0

333231

232221

131211

TTT

TTT

TTT

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概念 9 ：应力张量，正应力与切应力

概念 10 ：应变张量

（ i,j=1,2,3 ）

式中 e11,e22,e33 分别表示平行于 x1,x2,x3方向的单位长度的伸长， e12 表示平行于 x2 的线单元向 x1转动的角度，其他以此类推。应变张量 [Sij] 定义为 [eij] 的对称部分，即：

j

iij x

ue

3332233113

3223222112

3113211211

333231

232221

131211

)(2

1)(

2

1

)(2

1)(

2

1

)(2

1)(

2

1

eeeee

eeeee

eeeee

SSS

SSS

SSS

S ij

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概念 11 ：虎克定律与杨氏模量

概念 12 ：介电晶体、压电晶体、热释电晶体、铁电晶体：

,

,

ij ijkl klk l

ij ijkl klk l

S

c S

介电晶体 (32)

压电晶体 (20)

热释电晶体 (10)

铁电晶体

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概念 13 ：电极化的本质电子极化，离子极化，固有电矩极化以及各自与电场频率的关系

概念 14 ：极化弛豫与介质损耗极化弛豫与介质损耗弛豫是由于三种极化机制中的一种或数种跟不上电场的交变所致。极化弛豫将在介质中引起介质损耗，从而使动态的介电常数与静态的不同，介质损耗指的是电场提供给介质极化的能量，要消耗一部分转化为热能消耗掉，而不能变为介质中的极化能。

概念 15：压电效应，电致伸缩效应，逆压电效应

压电模量与晶体对称性之间的关系（ 20)

( , , 1, 2,3)i ijk jkP d i j k

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概念 16 ：热释电效应

在 32 种晶类中只有 10 种极性晶体中才会有热释电现象产生（ C1,C2,C3,C4, C6,m,mm2,3m,4mm,6mm ）

概念 17 ：晶体的铁电性质晶体的铁电性质

在外电场作用下，自发极化的方向可以逆转或者可以重新取向的热释电晶体称为铁电晶体。铁电晶体的电致回线（剩余极化或自发极化，矫顽场），居里点与转变温度

i iP p T

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概念 18 ：逆介电常数张量，光率体

光率体是逆介电常数的示性面

概念 19 ：晶体的二阶和三阶光学非线性极化率张量(2) (2)

3 1 2 3 1 2( ) ( , , ) ( ) ( )i ijk j kP E E

在 32 种点群结构中，只有 18 种晶类可能为非线性介质。

概念 20 ：位相匹配当入射光波的传播速度与二次谐波的传播速度相等时，二次谐波能够位相一致而相干加强，称为位相匹配。根据能量守恒和动量守恒，可得位相匹配的条件为： n1(ω1)=n2(ω

2)

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PM

单轴晶位相匹配示意图 (a) 正光性， (b)负光性

PM

光轴

n1o(ω)

n1e(ω)

n2o(2ω)

n2e(2ω)

θm

(a)n1

o(ω)

n1e(ω)

n2o(2ω)

n2e(2ω)

光轴

θm

(b)

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概念 21 ：线性电光效应

纵向电光效应和横向电光效应，半波电压

概念 22 ：几种重要的光学晶体的特点： BaTiO3, LiNbO3,SBNBNN

0

0

( )

ij ij ij ijk k

E

E

m mk kE

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第三部分：集成光学材料

概念 1 ：集成光学衬底材料

无源集成光学器件可选用石英， LiNbO3,Si 材料作衬底。有源集成光学器件只能选用 GaAs,InP 以及， III-V,II-VI族直接带隙半导体作为衬底材料。光电集成器件通常选用半绝缘 GaAs, Si 等半导体材料作为衬底。

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概念 2 ：硅单晶与砷化镓单晶衬底的特点和各自的优缺点

概念 3 ：有关电光波导调制器的原理、种类、举一二例（ Pockels 效应， F-K 效应，

概念 4 ：条型负载波导和金属条型负载波导

概念 5 ：砷化镓铝的折射率与禁带宽度，折射率之间的关系半导体折射率与自由载流子浓度之间的关系。

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第四部分：有机发光材料

有机发光原理。阴极，阳极，空穴传输层，电子传输层，发光层在器件中所起的作用。

有机材料与无机材料在发光器件中的性能比较。 小分子与聚合物材料在 OLED 中的区别。 聚合物材料： PPV, PFO, 芳胺， HTL 与 ETL 材料 小分子：芳胺， Alq3 等 沉积方法： spin-coating, ink-jet printing, VTE技术