玻璃的光学性质.docx

第8章玻璃的光学性质玻璃的光学性质是指玻璃的折射、反射、吸收和透射等性质玻璃常用作透光材料，因 此对其光学性质的研究在理论上和实践上都具有重要意义玻璃是一种高度透明的物质，可以通过调整成分、着色、光照、热处理、光化学反应以 及涂膜等物理和化学方法，获得一系列重要光学性能，以满足各种光学材料对特定的光性能 和理化性能的要求玻璃的光学性能涉及范围很广本章仅 在可见光范围内（包括近紫外和近红外）讨 论玻璃的折射率、色散、反射、吸收和透射 （玻璃的着色和脱色在第9章中介绍）为了便于讨论玻璃的光学性质，先简略 介绍光的本质外来能源激发物质中的分子 或原子，使分子或原子中的外层电子，由低 能态跃迁到高能态，当电子跳回到原来状态 时，吸收的能量便以光的形式对外产生辐 射，此过程就叫发光光是一种电磁波，具 有一定的波长和频率，且以极高的速度在空 间传播（光速约为3X108n/s）可见光、紫 外线、红外线以及其他电磁辐射的波长频率 范围见图8-1从图8-1中可看出，可见光在整个电磁 波中只是很窄的一个波段（390〜770nm）在 这一狭窄的波段内，存在着各种不同的色 光，包括红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等光 谱。

常说的“白光”应该当作“全色光”来 理解棱镜把太阳光分解为七色颜色光的相 应波段，每一波段人眼看来是单一的色，叫 做单色光，但它不是单一的值，只不过人眼 区别颜色的能力有限，看不出单色复杂性而已频率/Hz宇宙线1010 iQg 101S* ioLMa J io16-io'1- 10 g 1OI,J J10?" 1时- 1片 1时- io5- 10" io3- 1&2- 10波长/nmX-射线紫外线可妃光红汁践赫芝波无线电波长电振波8.1玻璃的折射率"1D-5-10-1—q1-i人-瞄J - 1041-萨irio7 -ws T时 -1&10 *； L]/HO 13|-LDLi10 lsnm-500-600图8-1电磁波的频率和波长范围当光照射到玻璃时，一般产生反射、透过和吸收这三种基本性质与折射率有关玻璃的折射率可以理解为电磁波在玻璃中传播速度的降低（以真空中的光速为准）如 果用折射率来表示光速的降低，则：n C / V式中：n 一玻璃的折射率C一光在真空中的传播速度V一光在玻璃中的传播速度一般玻璃的折射率为1.5〜1.75(8-1)图8-2在光波作用下玻璃中离子的电子云变形光在真空中的传播速度不同于在玻璃中的传播速度，因为光波是电磁波，而玻璃内部有 着各种带电的质点，如离子、离子集团和电子。

对玻璃来说，光波是一个外加的交变电场， 故光通过玻璃时，必然会引起玻璃内部质点的极化变形在可见光的频率范围内，这种变化 表现为离子或原子核外电子云的变形，并且随着光波电场的交变，电子云也反复来回变形， 见图8-2玻璃内这种极化变形需要能量，这个能量来自光波，因此，光在通过玻璃过程中， 光波给出了一部分能量，于是引起光速降低，即低于在空气或真空中的传播速度玻璃的折射率也可以用光的入射角的正弦与折射角的正弦之比来表示如式8-2和图 8-3所示n = SinZAOB / SinZCOD （ 8-2）度、温度、热历史以及玻璃的组成有密切的关系 图8-3光在玻璃中的折射示意图8.1.1玻璃折射率与组成的关系总的来说，玻璃折射率决定于玻璃内部离子的极化率和玻璃的密度玻璃内部各离子的 极化率（即变形性）越大，当光波通过后被吸收的能量也越大，传播速度降低也越大，则其 折射率也越大另外，玻璃的密度越大，光在玻璃中的传播速度也越慢，其折射率也越大若把玻璃近似看成是各氧化物均匀的混合物，则就每一种氧化物来说，它的极化率a,, 密度d.与折射率气之间有如下关系： '=% （8-3）i 4L. Nnt 2+ 2 dn 2 -1 M =K—i • in 2 + 2 d式中N—阿佛加得罗常数M .—氧化物分子量a 厂用R代表苹，则得(8-4)r/A图8-4阳离子半径与玻璃折射率的关系曲线式中 Rt -氧化物的分子折射度匕一氧化物的分子体积经整理后，式（8-4）可改写成:(8-5)从式（8-5）可知，氧化物（组份）的折射率.是由它的分子体积匕和分子折射度R决 定的。

分子折射度越大，玻璃折射率越大；分子体积越大，则玻璃折射率越小玻璃的分子体积标志着结构的紧密程度它决定于结构网络的体积以及网络外空隙的填 充程度它们都与组成玻璃各种阳离子半径的大小有关对原子价相同的氧化物来说，其阳 离子半径越大，玻璃的分子体积越大（对网络离子是增加体积，对网络外离子是扩充网络）玻璃的折射度是各组成离子极化程度的总和阳离子极化率决定于离子半径以及外电子 层的结构原子价相同的阳离子其半径越大，则极化率越高而外层含有惰性电子对（如 Pb2+、Bi3+等）或18电子结构（Zn2+、Cd2+、Hg2+等）的阳离子比惰性气体电子层结构的离 子有较大的极化率此外离子极化率还受其周围离子极化的影响，这对阴离子尤为显著氧 离子与其周围阳离子之间的键力越大，则氧离子的外层电子被固定得越牢固，其极化率越小 因此当阳离子半径增大时不仅其本身的极化率上升而且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由于当原子价相同的阳离子半径增加时分子体积与分子折射度同时上升，前者降低玻 璃的折射率，而后者使之增高， 故玻璃折射率与离子半径之间 不存在直线关系（见图8-4）从 图8-4可看出，当原子价相同时， 阳离子半径小的氧化物和半径 大的氧化物都具有较大的折射 率，而离子半径居中的氧化物在 同族氧化物中具有较低的折射 率。

这是因为离子半径小的氧化 物对降低分子体积起主要作用 而离子半径大的氧化物则对提 高极化率起主要作用综合这两 种效果，故玻璃的折射率与离子 半径之间呈“马鞍形”Si4+、B3+、P5+等网络形成体离子，由于本身半径小，电价高，它们不易受外加电场的 作用而极化不仅如此，它们还紧紧束缚周围的O2-离子的电子云，使O2-离子不易受外电场 的作用而极化鉴于上述原因，网络形成离子对玻璃折射率起降低作用例如在石英玻璃中 除了 Si4+离子属于网络形成离子外，其余的都是桥氧离子，这两种离子的极化率都很低，因 此石英玻璃的折射率很小，仅为1.4589受外电场作用而变形的O2-离子，主要是非桥氧， 一般说非桥氧越多，折射率越高通常提高碱金属氧化物的含量，可使非桥氧的数量增多， 玻璃的折射率即增大氟离子的可极化性低于氧离子，F-的分子折射度（2.4）低于O2-的分子折射度（7.0） 因此氟化物玻璃具有很低的折射率玻璃的折射率也可根据加和公式进行计算：n = n p + n p +A + n p （8-6）1 1 2 2 i i式中 p ,p ,A ,p 一玻璃中各氧化物的组成（mol%）1 2 in ,n ,A ,n 一玻璃中各氧化物成分的折射率计算系数（见表8-1）12 i表8-1玻璃中各氧化物成分的折射率计算系数氧化物ni氧化物niNa2O1.590ZnO1.705k2o1.575PbO2.15〜2.5*MgO1.625Al2O31.52*CaO1.73b2o31.46〜1.72*BaO1.87SiO21.458〜1.475**见干福熹等著《光学玻璃》表8-1所列仅为一部分氧化物的折射率计算系数， 物，需按特定方法计算，祥见干福熹等著《光学玻璃》其中 PbO、Al2O3、 一书。

B2O、SiO2等氧化8.1.2玻璃的色散玻璃折射率随入射光波长不同而不同的现象，称为色散在测量玻璃的折射率和色散值 时，是指一定的波长而言的波长/ u m图8-5在有吸收带时玻璃折射率与光波波长的关系 图8-6色散曲线示意图由于色散的存在，白光可被棱镜分解成七色光谱若入射光不是单色光，通过透镜时由 于色散，将在屏上出现模糊的彩色光斑，造成色差而使透镜成象失真这点在光学系统设计 中必须予以考虑，并常用复合透镜予以消除光波通过玻璃时，其中某些离子的电子要随光波电场变化而发生振动这些电子的振 动有自己的自然频率（本征频率），当电子振子的自然频率同光波的电磁频率相一致时，振 动就加强，发生共振，结果大量吸收了相应频率的光波能量玻璃中电子振子的自然频率 在近紫外区，因此，近紫外区的光受到较大削弱绝大多数的玻璃，在近紫外区折射率最 大并逐步向红光区降低，如图8-5所示在可见光区玻璃的折射率随光波频率的增大而增大 这种折射率随波长减小而增大，当波长变短时，变化更迅速的色散现象，叫正常色散大部 分透明物质都具有这种正常色散现象当光波波长接近于材料的吸收带时所发生的折射率急 剧变化在吸收带的长波侧，折射率高，在吸收带的短波侧的折射率低，这种现象称为反常 色散，如图8-6所示。

图8-8几种氧化物折射率与温度的关系图8-7不同类型玻璃的色散曲线1—K517/6412—BK534/554 3—F620/363 4—2F 755/275玻璃内部相邻离子相互间的作用，对于电子的振动也有影响因此，不同类型玻璃的色 散曲线相似，但又不尽相同，如图8-7所示8.1.3玻璃折射率与温度、热历史的关系玻璃的折射率是温度的函数，它们之间的关系与玻璃组成及结构有密切的关系当温度上升时，玻璃的折射率将受到作用相反的两个因素的影响，一方面由于温度上升， 玻璃受热膨胀使密度减小，折射率下降另一方面由于温度升高，导致阳离子对O2离子的 作用减小，极化率增加，使折射率变大且电子振动的本征频率随温度上升而减小，使（因 本征频率重叠而引起的）紫外吸收极限向长波方向移动，折射率上升因此，玻璃折射率的 温度系数值有正负两种可能dn dd , dR—=R——+ d——dt dt dt（8-7）对固体（包括玻璃）来说，这两种因素可用下式表示:从式⑧7）可知’玻璃折射率的温度系数决定于玻璃折射度随温度的变化（膏）和dd热膨胀系数随温度的变化（瓦）前者主要和玻璃的紫外吸收极限有关一殳光学玻璃的dR -热膨胀系数变化不大（约为60〜80X10-7/。

故其折射率温度系数主要决定于（—）o随 ct着温度的上升，原子外层电子产生跃迁的禁带宽度下降，紫外吸收极限向长波移动，折射率 上升若某种情况下玻璃的紫外吸收极限在温度上升时变化不大，而玻璃热膨胀系数有明显cd的差别，则后者（二）对折射率温度系数起主要作用热膨胀系数大的，由于折射率的温ctcd度系数主要决定于（—），折射率随温度上升而下降例如硼氧玻璃和磷氧玻璃，其膨胀系ct数甚大（150〜160X10-7/折射率温度系数为负值膨胀系数甚小的石英玻璃，折射率主 要决定于（CR ），故折射率系数为正值，图8-8是几种氧化物折射率与温度的关系ct热历史对玻璃折射率的影响表现为以下几方面：（1） 如将玻璃在退火区内某一温度保持足够长的时间后达到平衡结构，以后若以无 限大速率冷却到室温，则玻璃仍保持此温度下的平衡结构及相应的平衡折射率2） 把玻璃保持于退火温度范围内的某一温度。