光学玻璃、光学材料的属性【折射率、阿贝数等】

光学玻璃、光学材料的属性【折射率、阿贝数等】

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/m0_72753242/article/details/143971890

光学玻璃是现代光学系统中不可或缺的材料，其性能直接影响到光学元件的成像质量和系统稳定性。本文详细介绍了光学玻璃的关键属性，包括折射率、阿贝数、硬度、透过率等，并结合光学设计软件Zemax中的应用实例，为光学工程师和材料科学家提供了全面的参考指南。

一、光学材料的特性

（1）折射率

光学玻璃的折射率是指光在真空中的速度与光在指定材料中的速度之比率，这是光速在穿过光学材料时减缓的说明。光学玻璃的折射率，𝑛𝑑，通常指定波长为 587.6nm（氦D线）。

一般指在20摄氏度， 一个大气压下的测量值；折射率与所在环境及温度有复杂关系；这些折射率数据对于光学设计和光学工程至关重要，因为它们影响到透镜、棱镜、光学窗口等光学元件的性能。光学玻璃的折射率会根据具体的波长、温度和压强有所变化，因此在精确的光学设计中需要考虑这些因素。

如常见的BK7光学玻璃折射率：

• 1064nm波长下的折射率为1.507
• 587.6nm波长下的折射率为1.517
• 325nm波长下的折射率为1.545

（2）色散

光学玻璃的色散是指折射率随波长变化的现象；折射率随波长而变化： n= f(λ)；

• 色散通常用阿贝数（Abbe number, vd）来度量，定义为 (𝑛𝑑−1)/(𝑛𝐹−𝑛𝐶)，其中 𝑛𝑑是波长为587.6nm（氦D线）时的折射率，𝑛𝐹和 𝑛𝐶分别是波长为486.1nm（氢F线）和656.3nm（氢C线）时的折射率。
• 一般情况下指d光（587nm）对应的阿贝数。现有的光学材料阿贝数一般在25—70之间，阿贝数越大色散越小。阿贝数趋势和折射率相反，阿贝数越小折射率越大。

程序中的色散曲线由公式拟合而成，常用来拟合的公式有（zemax也支持一些其它公式与工具）：

• schott公式：
• sellmeier公式：

查看zemax中玻璃材料的色散：

analysis -> glass and gradient index : 右键选择材料

窗口顶部标题栏中可以看到当前鼠标所指位置的坐标。

阿贝数与色散的关系：

阿贝数越大，表示材料的色散越小。这意味着不同波长的光在材料中的折射率差异较小，因此色散现象越不明显。

二、其它特性：

（1）硬度

• 光学玻璃的硬度影响其耐磨性和加工难度。硬度高的玻璃更耐磨，但加工难度也更大，可能需要更精细的加工技术和工具。硬度也是决定玻璃抗划伤能力的一个重要因素。同时，如果很软的玻璃，加工难度也很高，容易造成划痕也伤；

（2）透过率

• 透过率是光学玻璃允许光线通过的能力，对于光学成像系统至关重要。高透过率的玻璃可以减少光损失，提高成像质量。不同波长下的透过率不同，影响光学系统在不同光谱范围的应用。对于光学设计，对于不同的波段范围，如果有整体的透过率需求，需要选择在特定波段有足够透过率的玻璃材料；

（3）价格

• 光学玻璃的价格受其生产成本、加工难度和市场需求影响。价格高的玻璃可能具有更好的光学性能，如高透过率、低色散等，但也可能限制了其在成本敏感型应用中的使用。

（4）均匀性

• 光学玻璃的均匀性指的是材料内部折射率的一致性。高均匀性确保了光学系统的性能稳定性和可靠性，对于高精度光学系统尤为重要。不均匀性可能导致成像模糊或光束畸变。

（5）耐酸碱性

• 耐酸碱性影响光学玻璃的化学稳定性和使用寿命。耐酸碱性好的玻璃在恶劣环境下表现更稳定，适合用于户外或特殊环境下的光学系统。对于耐酸碱性也对光学玻璃加工的工艺参生影响，以及保存和储存条件也需要根据这一特性进行选择；

（6）质量

• 光学玻璃的质量包括其纯度、内部缺陷等因素。高质量的玻璃具有更好的光学性能和更长的使用寿命，对于保证光学系统的性能至关重要。

（7）冷热特性（膨胀系数）

• 光学玻璃的热膨胀系数影响其在温度变化下的稳定性。低膨胀系数的玻璃在温度变化下形变小，更适合用于温度波动大的环境，保证光学系统的稳定性。

（8）折射率分布

• 折射率分布的均匀性影响光学成像的清晰度和光束的质量。折射率分布不均匀可能导致光束畸变和成像模糊，对于高精度光学系统尤为重要。