有机光学材料处理

有机光学材料

第7章 有机光学材料

§7.1 有机材料物理基础§7.2 有机发光材料 §7.3 有机光伏材料

§7.4 有机光学非线性材料

光学材料与元件制造第七章

有机光学材料

7.1 有机材料物理基础

有机化合物的主要特征:都含有碳原子,即 都是含碳化合物或碳氢化合物. 绝大多数有机化合物也都含有氢,从结构 上看,所有的有机化合物都可以看作碳 氢化合物以及从碳氢化合物衍生而得的 化合物。 对 CO 、 CO2 、 CO32- 等简单化合物习惯上还 是称作无机化合物.

光学材料与元件制造第七章

有机光学材料

1. 有机化合物的分子结构名称 组成 分子结构 沸点(℃)

分子内的键以共价键为主(共价单键、 双键、三键)

甲烷

CH4

-164

力的大小与距离的平方成反比

乙烷

C2H6C3H8 C4H10 C5H12 C6H14

-88.6-42.1 -0.5 36.1 69.0

丙烷

分子之间以较弱的氢键或范德华键 相互连接

丁烷

力的大小与原子距离的六次方成反比戊烷

有机材料显得柔软，熔点低，导电 性能差，抗环境稳定性差

戌烷

光学材料与元件制造第七章

有机光学材料

Family

Characteristic UnitsR OH

Represen

红外光学材料

红外光学系统与可见光光学系统的主要区别在于只有有限的材料可有效应用于中波红外和长波红外波段，能同时应用于这两个波段的材料就更少。表2-1列出了几种比较常用的红外光学材料及其重要特性。 2.2.1红外光学材料的特点

红外光学系统中所使用的材料一般具有以下特点[i,ii,iii]：

（1）红外材料不仅种类有限，而且价格昂贵（一般在几千到几万元一公斤）。 （2）某些材料的折射率温度系数（dn/dt）较大，导致焦距随温度的漂移较大。如果工作温度范围较宽，则必须适当的选择红外光学材料或采取必要措施进行补偿。

（3）某些光学材料易碎，且化学稳定性差，使得加工以及安装困难，成品率不高。

（4）许多光学材料不透明，根据材料和波段的不同而表现出不同的颜色。 （5）红外光学材料受热时都会发生自辐射，导致杂散光形成。

表2-1 常用红外光学材料的特性

材料 锗 硅

硫化锌（CVD） 硒化锌（CVD）

AMTIR I 氟化镁 蓝宝石 三硫化砷 氟化钙 氟化钡

Ge28As12Se60 Ge20As15Se65

折射率（4μm）

4.0243 3.4255 2.252 2.4331 2.5141 1.3526 1.6753 2.4112 1.4097 1

红外光学材料

红外光学系统与可见光光学系统的主要区别在于只有有限的材料可有效应用于中波红外和长波红外波段，能同时应用于这两个波段的材料就更少。表2-1列出了几种比较常用的红外光学材料及其重要特性。 2.2.1红外光学材料的特点

红外光学系统中所使用的材料一般具有以下特点[i,ii,iii]：

（1）红外材料不仅种类有限，而且价格昂贵（一般在几千到几万元一公斤）。 （2）某些材料的折射率温度系数（dn/dt）较大，导致焦距随温度的漂移较大。如果工作温度范围较宽，则必须适当的选择红外光学材料或采取必要措施进行补偿。

（3）某些光学材料易碎，且化学稳定性差，使得加工以及安装困难，成品率不高。

（4）许多光学材料不透明，根据材料和波段的不同而表现出不同的颜色。 （5）红外光学材料受热时都会发生自辐射，导致杂散光形成。

表2-1 常用红外光学材料的特性

材料 锗 硅

硫化锌（CVD） 硒化锌（CVD）

AMTIR I 氟化镁 蓝宝石 三硫化砷 氟化钙 氟化钡

Ge28As12Se60Ge20As15Se折射率（4μm）

4.0243 3.4255 2.252 2.4331 2.5141 1.3526 1.6753 2.4112 1.4097 1.458

光学非线性系数的测量 ·1·

非线性光学（nonlinear optics）

非线性光学，又称强光光学，是现代光学的一个分支，研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。在强光作用下物质的响应与场强呈现非线性关系，与场强有关的光学效应称为非线性光学效应。激光问世之前，基本上是研究弱光束在介质中的传播，确定介质光学性质的折射率或极化率是与光强无关的常量，介质的极化强度与光波的电场强度成正比，光波叠加时遵守线性叠加原理。在上述条件下研究光学问题称为线性光学。对很强的激光，例如当光波的电场强度可与原子内部的库仑场相比拟时，光与介质的相互作用将产生非线性效应，反映介质性质的物理量（如极化强度等）不仅与场强E的一次方有关，而且还决定于E的更高幂次项，从而导致线性光学中不明显的许多新现象。介质极化率P与场强的关系可写成

P＝α1E＋α2E＋α3E＋…

非线性效应是E项及更高幂次项起作用的结果。

常见非线性光学现象有：

①光学整流。E2项的存在将引起介质的恒定极化项，产生恒定的极化电荷和相应的电势差，电势差与光强成正比而与频率无关，类似于交流电经整流管整流后得

光学材料折射率的测定

Summary：Refractive index is one of the important parameters of optical materials, which often needs to be measured in scientific research and production practice. The method of measuring the refractive index can be divided into two categories: one is the application of refractive index and reflection, total reflection law, through the accurate measurement of the angle of the refractive index of the geometric optics method, such as the minimum deviation angle method, grazing incidence method, total reflection meth

透过波段 名称 光学玻璃 熔石英（Si O2） 铝酸钙玻璃 蓝宝石（Al2O3） 钛酸锶（SrTiO3） Irtran-1（MgF2） Irtran-5（MgO） 三硫化二砷玻璃 Irtran-3（CaF2） Irtran-2（ZnS） Irtran-4（ZnSe） 硅（Si） /（） 折射率 （平均值） 1.48 1.43 1.63 1.67 2.21 1.34 1.7 2.40 1.37 2.20 2.40 3.42 （4.3处） 软化温度 /（℃） 700 1667 ~700 2030 2080 1396 （2800） 210 （1360） 1020 1500 1420 密度 热膨胀系数 硬度（克氏）-3-6-1-2/（g﹒cm） /（10×℃） /（kg﹒mm） 2.52 2.20 3.07 3.98 5.12 3.18 3.58 3.20 3.18 4.09 5.27 2.33 4~10 0.55 9.7 5.0~6.7 9.4 11.5 13.9 25 （20） 7 7.7 4.2 200~600 470 580 1370 595 576 640 109 200 354 150 1150 特点和用途 作窗口、透镜、棱镜等 尺寸大，

K9：

K9(H-K9L，N-BK7)是最常用的光学材料，从可见到近红外（350-2000nm）具有优异的透过率，在望远镜、激光等领域有广泛应用。H-K9L(N-BK7)是制备高质量光学元件最常用的光学玻璃，当不需要紫外熔融石英的额外优点（在紫外波段具有很好的透过率和较低的热膨胀系数）时，一般会选择H-K9L。

紫外熔融石英：

紫外熔融石英（JGS1，F_SILICA）从紫外到近红外波段（185-2100nm）都有很高的透过率，在深紫外区域具有很高透过率，使其广泛应用于紫外激光中。此外，与H-K9L（N-BK7）相比，紫外级熔融石英具有更好的均匀性和更低的热膨胀系数，使其特别适合应用于紫外到近红外波段，高功率激光和成像领域。

氟化钙：

由于氟化钙（CaF2）在波长180nm-8um之内的透射率很高（尤其在350nm-7um波段透过率超过90%），折射率低（对于180 nm到8.0um的工作波长范围，其折射率变化范围为1.35到1.51）因此即使不镀膜也有较高的透射。它经常被用做分光计的窗口片以及镜头上，也可用在热成像系统中。另外，由于它有较高的激光损伤阈值，在准分子激光器中有很好的应用。氟化钙与氟化钡、氟化镁等同类物质相比具有更高的硬度。

第六章 金刚石光学材料

6. 1概述

金刚石由于在自然界及其稀少，同时又具有许多独特的性质，因而成为非常昂贵的物质。从19世纪开始科学家就在企图用人工方法合成金刚石。Bundy及其同事[1]成功的用高温、高压技术人工合成了金刚石，开创了金刚石人工合成的新纪元。这种方法是在高温（3000℃）、高压（300MPa）条件下由石墨直接转变成金刚石。在这样的高温高压条件下，金刚石在热力学上是稳定的，而石墨是不稳定的。虽然人工合成了金刚石，这样的金刚石多为尺寸很小的颗粒状。通常在1μm量级，况且这样的设备条件过于苛刻。后来发现用Ⅷ族金属元素做催化剂，在金刚石的合成中压力和温度可以降低，而且合成的金刚石的尺寸可达几百微米。

在1958年，Eversole第一次汽相合成了金刚石[2]，将含碳的气体通入放置天然金刚石粉（作为籽晶）的管子中，金刚石粉加热到1000℃且管子保持102Pa压力。在金刚石粉上形成了新的金刚石，其后又逐渐附上一层黑色的石墨层。石墨层的出现妨碍了金刚石的继续生长，把这样的金刚石粉在H2气氛中， 5MPa下加热到1000℃，则石墨可以除去，接着继续金刚石生长。金刚石生长过程需要沉积－去石墨反复循环。实验中发现用甲基（CH3－）族，如甲烷、乙

化学气相沉积法制作梯度折射率光学材料的 详细介绍主讲人： 主讲人：陈庆德 专业：09光信息科学与技术 专业：09光信息科学与技术 指导老师： 指导老师：石市委

化学沉积法定义----化学气相沉积 定义 化学气相沉积(Chemical vapor deposition,简称 化学气相沉积 ，简称CVD)是反 是反 应物质在气态条件下发生化学反应， 应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态 基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。 基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。它本质上属于原子范畴的 气态传质过程。与之相对的是物理气相沉积( 气态传质过程。与之相对的是物理气相沉积(PVD)。 )。

微制程大都使用CVD技术来沉积不同形式的材料，包括单晶、多晶、 技术来沉积不同形式的材料，包括单晶、多晶、 微制程大都使用 技术来沉积不同形式的材料 非晶及磊晶材料。这些材料有硅、碳纤维、碳纳米纤维、纳米线、 非晶及磊晶材料。这些材料有硅、碳纤维、碳纳米纤维、纳米线、纳 米碳管、 硅碳、氮化硅、 米碳管、SiO2、硅锗、钨、硅碳、氮化硅、氮氧化硅及各种不同的 、硅锗、 high-k介质等材料。CVD制程也常用来生成合成钻石。 介质等材料。 制程也

化学气相沉积法制作梯度折射率光学材料的 详细介绍主讲人： 主讲人：陈庆德 专业：09光信息科学与技术 专业：09光信息科学与技术 指导老师： 指导老师：石市委

化学沉积法定义----化学气相沉积 定义 化学气相沉积(Chemical vapor deposition,简称 化学气相沉积 ，简称CVD)是反 是反 应物质在气态条件下发生化学反应， 应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态 基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。 基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。它本质上属于原子范畴的 气态传质过程。与之相对的是物理气相沉积( 气态传质过程。与之相对的是物理气相沉积(PVD)。 )。

微制程大都使用CVD技术来沉积不同形式的材料，包括单晶、多晶、 技术来沉积不同形式的材料，包括单晶、多晶、 微制程大都使用 技术来沉积不同形式的材料 非晶及磊晶材料。这些材料有硅、碳纤维、碳纳米纤维、纳米线、 非晶及磊晶材料。这些材料有硅、碳纤维、碳纳米纤维、纳米线、纳 米碳管、 硅碳、氮化硅、 米碳管、SiO2、硅锗、钨、硅碳、氮化硅、氮氧化硅及各种不同的 、硅锗、 high-k介质等材料。CVD制程也常用来生成合成钻石。 介质等材料。 制程也