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4.1 常见光学玻璃与晶体

光学玻璃和晶体是制造透镜、棱镜、窗口片等折射/透射型光学元件的基础材料。它们的核心功能是在工作波段内以尽可能低的吸收和散射传导光，同时具备良好的机械和化学稳定性。本文覆盖可见光至近红外波段的主流材料，红外与太赫兹专用材料见 4.2。

一、光学玻璃

光学玻璃是最成熟的光学材料体系，由氧化硅（SiO₂）为基础加入各类改性剂（如 B₂O₃、BaO、La₂O₃ 等）调节折射率和色散。

1.1 分类体系

国际通用的 Schott/HIKARI 牌号按折射率（$n_d$）和阿贝数（$\nu_d$）分区：

类别 代表牌号 $n_d$ 范围 $\nu_d$ 范围 特点
冕牌玻璃（Crown, K） N-BK7 1.45–1.55 55–75 低色散，用途最广
钡冕（BaK） N-BaK4 1.55–1.60 55–65 中折射率，棱镜
重冕（SK） N-SK11 1.56–1.65 55–60 高折射率低色散
燧石玻璃（Flint, F） N-F2 1.60–1.70 35–45 高色散，色差校正用
重燧石（SF） N-SF11 1.70–1.90 25–40 高折射率高色散
镧冕（LaK/LaSK） N-LaK22 1.65–1.75 55–60 高折射率低色散，复消色差

1.2 最常用牌号：N-BK7

N-BK7 是工业和科研中用量最大的光学玻璃：

参数 值
折射率 $n_d$ 1.5168
阿贝数 $\nu_d$ 64.17
透过波段 350 nm – 2.5 μm
密度 2.51 g/cm³
努氏硬度 610
热膨胀系数 7.1×10⁻⁶/K

N-BK7 综合性能均衡，价格低廉，用于通用透镜、棱镜、窗口片。紫外波段需换用熔融石英（UV 级 SiO₂），红外波段需换用专用材料。

1.3 消色差组合

设计消色差双合镜（Achromat）需要一片低色散玻璃（高 $\nu_d$，如 BK7）和一片高色散玻璃（低 $\nu_d$，如 SF2）配对，使两个波长的焦距相等。

二、熔融石英与合成石英

熔融石英（Fused Silica）是纯 SiO₂，与光学玻璃的区别在于无序非晶结构：

参数 值
透过波段 约 180 nm – 2.5 μm（UV 级至近红外）
折射率 $n_d$ 1.4585
热膨胀系数 0.55×10⁻⁶/K（极低）
激光损伤阈值 极高

应用：紫外光学系统（光刻机、激光加工）、宽谱系统窗口、光纤预制棒。

三、常用光学晶体

晶体（单晶）在特定波段有独特优势，常用于紫外、特殊光谱或双折射应用。

3.1 蓝宝石（Al₂O₃）

参数 值
透过波段 150 nm – 5.5 μm
折射率（1 μm） 1.755
努氏硬度 2200（仅次于金刚石）
热膨胀系数 5.3×10⁻⁶/K

蓝宝石是最耐划伤的常用光学材料，广泛用于军用光电设备的前窗（飞机光电吊舱、导弹整流罩），兼具可见光至中波红外的透过能力。

3.2 氟化钙（CaF₂）

参数 值
透过波段 130 nm – 10 μm
折射率（500 nm） 1.434
色散 $\nu_d$ 95.3（极低色散）

CaF₂ 色散极低，从深紫外到中红外均可使用，是复消色差镜头的重要元件，也用于准分子激光系统和红外光谱仪。

3.3 方解石（CaCO₃）与冰洲石

天然双折射晶体，常数光与非常光折射率差高达 0.172。用于制造偏振分束棱镜（Glan-Taylor、Wollaston 棱镜等），是偏振光学系统的基础元件。

3.4 硫化锌（ZnS）和硒化锌（ZnSe）

材料 透过波段 主要用途
ZnS（多晶） 0.4–12 μm 前窗（可见–长波）、整流罩
ZnSe 0.6–20 μm 红外透镜、CO₂ 激光窗口

ZnSe 折射率高（2.4@10 μm），需镀增透膜减少反射损耗，是长波红外系统的常用透镜材料。

四、材料选择速查

应用波段 首选材料 备注
可见光通用 N-BK7 低成本，高质量
深紫外（<350 nm） 熔融石英、CaF₂ 普通玻璃不透过
近红外（0.9–2.5 μm） N-BK7、熔融石英 仍透过
中波红外（3–5 μm） 蓝宝石、ZnS、Si 按机械/成本需求选
长波红外（8–14 μm） Ge、ZnSe、ZnS Si 在此波段不透明
高功率激光窗口 熔融石英（1 μm）、ZnSe（10 μm） 低吸收，高损伤阈值
高耐磨前窗 蓝宝石 硬度极高

参考资料

更新时间

2026-03-03