光學介質材料

光學介質材料是指以折射、反射和透過方式傳輸光線的材料。光學介質材料在傳輸光線時，可改變光線的方向、強度和位相，使光線按預定要求傳輸；也可吸收或透過一定波長範圍的光線，從而改變光線的光譜成分。光學介質材料作為透鏡、稜鏡、窗口、反射鏡、濾光鏡等應用已有上千年的歷史。中國早在春秋戰國時期就出現最古老的反光鏡——青銅鏡，以後天然透明的晶體，如水晶等被用來製作透鏡。

17世紀，西方國家出現望遠鏡和分色稜鏡，人工製造的玻璃成為主要的光學介質材料。現代隨着各種光學儀器、電子技術及電視攝影、航空遙測和衞星偵察技術的發展和需要，各種光學玻璃、光學晶體、光學薄膜等材料也得到了應用和發展 ^[1]  。

光學介質材料按材料的狀態和性質分為光學晶體、光學玻璃、光學薄膜和光學塑料。光學塑料是新發展起來的光學介質材料，其製造成本低、可一次成型，色散比相同折射率的無機玻璃高，密度小、不脆，紫外和紅外透過性能均比光學玻璃好，已用於製造隱形眼鏡、透鏡、照相機鏡頭及有機光導纖維等。

透鏡是光學實驗中的主要元件之一，可採用多種不同的光學材料製成，用於光束的準直、聚焦、成像。Newport提供的各種球面和非球面透鏡，主要製作材料有BK7玻璃、紫外級熔融石英（UVFS）、紅外級氟化鈣（CaF2）、氟化鎂（MgF2），以及硒化鋅（ZnSe）。在從可見光到近紅外小於2.1µm的光譜範圍內，BK7玻璃具有良好的性能，且價格適中。在紫外區域一直到195nm，紫外級熔融石英是一種非常好的選擇。在可見光到近紅外2.1µm範圍內，熔融石英具有比BK7玻璃更高的透射率，更好的均勻度以及更低的熱膨脹係數。氟化鈣和氟化鎂則適用於深紫外或紅外應用。 

BK7是一種常見的硼硅酸鹽冕玻璃，廣泛用作可見光和近紅外區域的光學材料。它的高均勻度，低氣泡和雜質含量，以及簡單的生產和加工工藝，使它成為製作透射性光學元件的良好選擇。BK7的硬度也比較高，可以防止劃傷。透射光譜範圍380-2100nm。但是它具有較高的熱膨脹係數，不適合用在環境温度多變的應用中。 

紫外級熔融石英是一種合成的無定型熔融石英材料，具有極高的純度。這種非晶的石英玻璃具有很低的熱膨脹係數，良好的光學性能，以及高紫外透過率，可以透射直到195nm的紫外光。它的透射性和均勻度均優於晶體形態的石英，且沒有石英晶體的那些取向性和熱不穩定性等問題。由於它的高激光損傷閾值，熔融石英常用於高功率激光的應用中。它的光譜透射範圍可以達到2.1µm，且具有良好的折射率均勻性和極低的雜質含量。常見應用包括透射性和折射性的光學元件，尤其是對激光損傷閾值要求較高的應用 ^[2]  。

氟化鈣是一種具有簡單立方晶格結構的晶體材料，採用真空Stockbarger技術生長製備。它在真空紫外波段到紅外波段都具有良好的透射性。這種寬光譜透射特性，加上它沒有雙折射性質，使它成為紫外到紅外寬光譜應用理想選擇。氟化鈣在0.25-7µm內的透射率在90%以上，並具有較高的激光損傷閾值，常用於製作準分子激光的光學元件。紅外級氟化鈣通常採用自然界中可見的螢石生長而成，成本低廉。但氟化鈣具有較大的熱膨脹係數，熱穩定性很差，要避免使用在高温環境中。氟化鈣的折射率比較低，因此通常不需要在表面鍍增透膜。 

氟化鎂是一種具有正雙折射性質的晶體，可採用Stockbarger技術生長，同樣在真空紫外波段到紅外波段具有良好的透射。通常在切割時使它的c軸與光軸方向平行，以降低雙折射性質。氟化鎂是另一種深紫外到紅外的光學材料選擇，透射範圍0.15-6.5µm。另外，它可用於含氟的環境中，可用作準分子激光器的透鏡、窗片、偏振器等。氟化鎂具有良好的熱穩定性和硬度，並且具有高激光損傷閾值。它的折射率也比較低，通常不需要鍍增透膜。氟化鎂相比於其他的深紫外到紅外的光學材料更經久耐用。這些性質使它成為很多生物學上和軍事上採用寬帶寬激光脈衝成像的應用的理想選擇。 

 

石英是一種單軸正雙折射單晶晶體，可採用水熱法生長。它在真空紫外到近紅外區域具有良好的透射性。因其雙折射性質，石英晶體常用作波片材料。 

Zerodur®是一種玻璃陶瓷材料，熱膨脹係數接近於零，具有極佳的熱穩定性。這使得Zerodur®成為製作光學鏡片襯底的理想選擇。Zerodur®通常含有雜質，不適於製作透射性光學元件。 

 

硒化鋅可通過化學氣相沉積方法制備，常用於熱成像和醫療系統中。硒化鋅作為一種應用廣泛的紅外透鏡材料，具有很寬的透射譜域600nm-16µm。它的折射率較高，一般需要在表面鍍增透膜，以減少反射。硒化鋅材料較軟，容易被劃傷，因此不適用於比較粗糙的環境。在清潔和安裝時也要格外注意。因其高透射率和耐熱性能，硒化鋅成為高功率二氧化碳激光器的光學元件材料的最佳選擇 ^[3]  。