作者：叶gx 时间：2024-12-25
虽然晶体材料特性与玻璃材料相比具有某些非常优越的光学晶体材料特性，但是晶体也具有容易潮解或双折射特性等不适于作为光学元件的晶体材料特性。综合考虑晶体材料光学参数，西格玛光机可以选择有用的光学晶体材料作为光学元件使用。以下主要介绍西格玛光机的氟化钙CaF2、钛宝石AI2O3、硒化锌ZnSe、硅Si、锗Ge、水晶SiO2、方解石CaCO3等光学晶体材料的晶体材料参数。
西格玛光机晶体材料光学参数
|
晶体名称 |
氟化钙 |
钛宝石 |
硒化锌 |
硅 |
锗 |
氟化钡 |
氟化锂 |
氟化镁 |
|
化学式 |
CaF2 |
Al2O3 |
ZnSe |
Si |
Ge |
BaF2 |
LiF |
MgF2 |
|
透过波长[um] |
0.13~8 |
0.23~5 |
0.6~20 |
1.2~8 |
2~20 |
0.18~12 |
0.12~8 |
0.12~7 |
|
表面反射率[%] |
3.1(1um） |
7.6(0.9um) |
17(3um) |
30(3um) |
36(5um) |
3.6(1um) |
2.7(1um) |
2.5(0.9um) |
|
密度[g/cm3] |
3.18 |
3.99 |
5.27 |
2.33 |
5.33 |
4.89 |
2.64 |
3.17 |
|
导热系数 [W・m-1K-1] |
9.72(36℃) |
42(25℃) |
18.0(23℃) |
129.5(40℃) |
58.7(20℃) |
11.7 |
4 |
0.3 |
|
膨胀系数 [×10−6/℃] |
24(20~60℃) |
6.9/7.6* |
7.1(0℃) |
4.2(25℃) |
5.5(25℃) |
18 |
37 |
12.8(与C轴平行) |
|
溶解度[g/水100g] |
1.51x10-3(20℃) |
- |
- |
- |
- |
0.17(23℃) |
0.27(20℃) |
7.6x10-3(18℃) |
|
晶体分类 |
等方性 |
1轴性 |
等方性 |
等方性 |
等方性 |
等方性 |
等方性 |
1轴性 |
*C轴垂直/C轴平行、200℃
晶体材料光学参数折射率比较表（参考数据）
|
波长（nm） |
折射率 |
||||
|
CaF2 |
AI2O3 |
ZnSe |
Si |
Ge |
|
|
120.0 |
2.0500 |
|
|
|
|
|
130.0 |
1.8300 |
|
|
|
|
|
140.0 |
1.7400 |
|
|
|
|
|
150.0 |
1.6600 |
|
|
|
|
|
160.0 |
1.5800 |
|
|
|
|
|
170.0 |
1.5340 |
|
|
|
|
|
180.0 |
1.5180 |
|
|
|
|
|
193.5 |
1.5015 |
|
|
|
|
|
200.0 |
1.4955 |
|
|
|
|
|
210.0 |
1.4880 |
1.8340 |
|
|
|
|
220.0 |
1.4811 |
1.8340 |
|
|
|
|
230.0 |
1.4760 |
1.8340 |
|
|
|
|
240.0 |
1.4712 |
1.8340 |
|
|
|
|
248.4 |
1.4670 |
1.8340 |
|
|
|
|
266.0 |
1.4620 |
1.8340 |
|
|
|
|
281.8 |
1.4580 |
1.8235 |
|
|
|
|
308.0 |
1.4525 |
1.8115 |
|
|
|
|
325.0 |
1.4495 |
1.8040 |
|
|
|
|
337.1 |
1.4484 |
1.8010 |
|
|
|
|
355.0 |
1.4460 |
1.7960 |
|
|
|
|
365.0 |
1.4450 |
1.7940 |
|
|
|
|
404.7 |
1.4415 |
1.7860 |
|
|
|
|
435.8 |
1.4395 |
1.7813 |
|
|
|
|
441.6 |
1.4392 |
1.7808 |
|
|
|
|
457.9 |
1.4383 |
1.7787 |
|
|
|
|
480.0 |
1.4373 |
1.7764 |
|
|
|
|
486.1 |
1.4370 |
1.7757 |
|
|
|
|
488.0 |
1.4369 |
1.7755 |
|
|
|
|
514.5 |
1.4360 |
1.7730 |
|
|
|
|
532.0 |
1.4354 |
1.7718 |
|
|
|
|
546.1 |
1.4350 |
1.7710 |
2.6680 |
|
|
|
587.6 |
1.4339 |
1.7685 |
2.6260 |
|
|
|
589.3 |
1.4338 |
1.7684 |
2.6250 |
|
|
|
632.8 |
1.4329 |
1.7660 |
2.5940 |
|
|
|
643.9 |
1.4327 |
1.7655 |
2.5870 |
|
|
|
650.0 |
1.4326 |
1.7653 |
2.5840 |
|
|
|
656.3 |
1.4325 |
1.7650 |
2.5795 |
|
|
|
670.0 |
1.4322 |
1.7646 |
2.5720 |
|
|
|
694.3 |
1.4319 |
1.7636 |
2.5600 |
|
|
|
780.0 |
1.4307 |
1.7603 |
2.5295 |
|
|
|
830.0 |
1.4302 |
1.7590 |
2.5170 |
|
|
|
852.1 |
1.4300 |
1.7585 |
2.5120 |
|
|
|
904.0 |
1.4296 |
1.7576 |
2.5023 |
|
|
|
1014 |
1.4288 |
1.7555 |
2.4892 |
|
|
|
1064 |
1.4285 |
1.7545 |
2.4825 |
3.5510 |
4.4100 |
|
1100 |
1.4283 |
1.7537 |
2.4792 |
3.5400 |
4.4000 |
|
1200 |
1.4277 |
1.7520 |
2.4715 |
3.5193 |
4.3500 |
|
1320 |
1.4270 |
1.7500 |
2.4643 |
3.5030 |
4.3050 |
|
1400 |
1.4267 |
1.7485 |
2.4609 |
3.4940 |
4.2780 |
|
1500 |
1.4262 |
1.7470 |
2.4573 |
3.4830 |
4.2450 |
|
1550 |
1.4260 |
1.7460 |
2.4558 |
3.4770 |
4.2300 |
|
1600 |
1.4258 |
1.7450 |
2.4544 |
3.4730 |
4.2200 |
|
1800 |
1.4248 |
1.7418 |
2.4496 |
3.4615 |
4.1630 |
|
2000 |
1.4239 |
1.7380 |
2.4463 |
3.4540 |
4.1200 |
|
2200 |
1.4228 |
1.7330 |
2.4440 |
3.4490 |
4.0950 |
|
2400 |
1.4217 |
1.7280 |
2.4420 |
3.4445 |
4.0730 |
|
2600 |
1.4205 |
1.7220 |
2.4400 |
3.4405 |
4.0600 |
|
2800 |
1.4192 |
1.7165 |
2.4387 |
3.4370 |
4.0511 |
|
3000 |
1.4179 |
1.7105 |
2.4376 |
3.4350 |
4.0443 |
|
3400 |
1.4148 |
1.6990 |
2.4355 |
3.4325 |
4.0344 |
|
3600 |
1.4132 |
1.6910 |
2.4345 |
3.4313 |
4.0307 |
|
3800 |
1.4115 |
1.6840 |
2.4337 |
3.4305 |
4.0276 |
|
4000 |
1.4096 |
1.6740 |
2.4331 |
3.4295 |
4.0250 |
|
4500 |
1.4047 |
1.6495 |
2.4313 |
3.4280 |
4.0200 |
|
5000 |
1.3990 |
1.6240 |
2.4295 |
3.4261 |
4.0162 |
|
5500 |
1.3930 |
|
2.4277 |
3.4250 |
4.0135 |
|
6000 |
1.3856 |
|
2.4258 |
3.4242 |
4.0115 |
|
6500 |
1.3775 |
|
2.4239 |
3.4235 |
4.0100 |
|
7000 |
1.3693 |
|
2.4218 |
3.4231 |
4.0086 |
|
7500 |
1.3600 |
|
2.4196 |
3.4227 |
4.0075 |
|
8000 |
1.3498 |
|
2.4173 |
3.4224 |
4.0067 |
|
8500 |
1.3385 |
|
2.4148 |
3.4221 |
4.0060 |
|
9000 |
1.3268 |
|
2.4122 |
3.4219 |
4.0054 |
|
9400 |
1.3164 |
|
2.4100 |
3.4218 |
4.0049 |
|
10000 |
|
|
2.4065 |
3.4215 |
4.0038 |
|
10600 |
|
|
2.4026 |
|
4.0035 |
|
12000 |
|
|
2.3929 |
|
4.0029 |
|
13000 |
|
|
2.3849 |
|
4.0022 |
|
14000 |
|
|
2.3761 |
|
4.0018 |
|
15000 |
|
|
2.3663 |
|
4.0013 |
|
16000 |
|
|
2.3555 |
|
4.0009 |
|
17000 |
|
|
2.3435 |
|
4.0004 |
|
18000 |
|
|
2.3303 |
|
4.0000 |
|
19000 |
|
|
|
|
3.9996 |
|
20000 |
|
|
|
|
3.9992 |
氟化钙 CaF2
天然的氟化钙矿石被称为萤石，在个别情况下照射紫外线时会产生荧光。人工制造的氟化钙材料多用于高级照相机镜头或分光器的分光镜。
光学特性从真空紫外到红外的宽带内透过率较高，比普通光学玻璃的折射率和色散小，利用其色散曲线的不同（异常部分分散）设计消色差透镜时，具有很大的优势。由于晶体构造为各向同性，所以不会产生双折射。
同时化学性质比较稳定，潮解性比较低，比氟化锂或氟化镁更被普遍使用。
钛宝石 AI2O3
是硬度仅次于钻石的矿石，也是很难受损伤的晶体。从很久以前就经常被用于手表的窗口玻璃或齿轮的轴或轴承。虽然有宝石玻璃这样的称呼，但是结构并不是玻璃材料而是晶体结构。
由于化学性非常稳定，有时也作为玻璃的替代品使用。人工制造的钛宝石是无色透明的，可以透过从紫外到红外的宽带。由于是单轴晶体，根据晶体的朝向会产生双折射。绝缘性良好，具有相对较高的导热性。
可以作为超短脉冲激光的激励介质的钛宝石（Ti：sapphire）晶体或是紫外LED的晶体基板使用。
硒化锌 ZnSe
是琥珀色的晶体，在长波长区域可以透过直到20µm的红外线，但是不能透过可见光区域的蓝·绿光。
经常被用于CO2激光的透镜材料。在使用红色的激光作为CO2激光的导光时，硒化锌可以同时透过这种导光和CO2激光。在法律上被划定为烈性毒物，部分产品需要提交烈性毒物转让证。而且，使用后的ZnSe光学元件被禁止作为普通垃圾扔掉。不要的硒化锌产品必须返回销售公司。
具有在水中是不溶解的性质，但与酸反应会产生有毒的硒化氢。由于折射率较高，因表面反射的透过损失很大，通过蒸镀防反射膜，可以得到99%以上的透过率。
硅 Si
做为半导体的单晶体硅，看上去有金属光泽但不能透过可见光线，其透过波长为2〜6µm红外线。也可以作为红外检验器的滤光片使用。此外，由于导热性能良好，有时也可以作为高输出CO2激光的金膜反射镜的基板使用。
锗 Ge
看上去有金属光泽但不能透过可见光线，但是可以透过2〜20µm的宽谱区红外线。可作为热成像照相机的透镜材料使用。由于折射率较高为4，在无防反射膜的情况下使用时，由于表面反射透过损失将会很大，透过率在50%以下。
注意
1、红外透过材料除透过，反射之外，有时需要考虑因温度变化引起的辐射光谱的影响。
2、观测波长为10µm以上的红外线时，或在30℃以上的环境中使用光学系统时，所有的物质都放射红外的辐射线，因此有时可能导致不能正确观测被检测物体的红外光谱。
双折射材料
观测波长为10µm以上的红外线时，或在30℃以上的环境中使用光学系统时，所有的物质都放射红外的辐射线，因此有时可能导致不能正确观测被检测物体的红外光谱。
水晶 SiO2
没有不纯物质的石英晶体，是单轴晶体（三方晶）具有少许的双折射特性。作为水晶振荡器或CCD摄像元件的低通滤光片，其人工晶体被大量生产。利用寻常光（no）和非常光（ne）的少许折射率差异可以制造波长板。
|
波长（nm） |
折射率（n） |
|
|
寻常光no |
非常光 ne |
|
|
404.7 |
1.5572 |
1.5667 |
|
546.1 |
1.5462 |
1.5553 |
|
589.3 |
1.5443 |
1.5534 |
|
656.3 |
1.5419 |
1.5509 |
|
透过波长谱区 [µm] |
0.2~2 |
|
|
密度 [g/cm3] |
2.65 |
|
|
导热系数 [W・m-1K-1] (70℃) |
9.3/5.4 |
|
|
膨胀系数 [×10−6/℃] (20℃) |
6.8/12.2 |
|
理科年表
方解石 CaCO3
方解石CaCO3也被称为碳酸钙矿石（calcite），是常见的天然形成的无色透明的矿石。也是单轴（三方晶）晶体，具有很大的双折射特性。利用寻常光（no）和非常光（ne）的折射率差，可以制作消光比性能较高的格兰汤普森偏光镜。由于很柔软，是很容易受损伤的晶体。
* 由于是天然矿石，透光率的特性存在个体差异。
|
波长（nm） |
折射率（n） |
|
|
寻常光no |
非常光 ne |
|
|
404.7 |
1.6813 |
1.4969 |
|
546.1 |
1.6616 |
1.4879 |
|
589.3 |
1.6584 |
1.4864 |
|
656.3 |
1.6544 |
1.4846 |
|
透过波长谱区 [µm] |
0.35~2.3 |
|
|
密度 [g/cm3] |
2.71 |
|
|
导热系数 [W・m-1K-1] (0℃) |
5.39/4.51 |
|
|
膨胀系数 [×10−6/℃] (0 〜 80℃) |
26.3/5.44 |
|
理科年表
