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光学晶体及加工

2021-12-14 14:37| 发布者：optkt| 查看：1666| 评论：0|原作者: 小小光08

光学晶体实际上是人类最早使用的光学材料，在光学玻璃发明以前，人们主要是靠天然的光学晶体制造透镜和平面镜。

普通的光学玻璃仅局限于整个可见光区域和近紫外区，只有某些特殊玻璃的透光范围才能达到红外区。而一般的光学晶体在紫外、可见、近红外甚至红外波段都有良好的透过率。因此，为红外、紫外波段设计的光学元件，主要是采用光学晶体材料。

另外，光学晶体的各向异性和非线性也是光学玻璃所不具有的，随着光电技术的发展，光学晶体在光电技术中的重要性和不可替代性日益明显。

天然的光学晶体已远远满足不了要求，现在的光学晶体主要是人造晶体。

1．晶体的概念

晶体的结构与玻璃的不同，即构成晶体内部的质点（分子、原子、离子）是以点阵的形式在空间做有规律的重复排列，构成所谓的格子结构。因此，可以定义晶体是具有格子结构的固体。

规则格子结构的最小单位可以是三面体和平行四面体，也可以是平行六面体，它被称为晶胞。晶胞的顶角、棱线和面分别被称为格子的结点、行列和面网，也就是晶胞的角顶、晶棱和晶面。而这种格子结构的晶胞在三维空间的周期重复，无间隙堆砌的结果可能会形成晶体的多面体外形。

晶体三个棱的方向称为晶轴。晶轴实际上代表表格中三个行列的方向，通常以a、b、c（或x、y、z）表示，如图1所示。

图1：晶胞的晶轴

对于三方和六方晶系还要增加一个u轴，a、b、u轴互成120°。

晶胞在三个不同行列上的结点间距a₀、b₀和c₀，分别表示晶轴a、b、c方向上的单位长度。各晶轴间的夹角称为轴角，分别用希腊字母α（b∧c）、β（a∧c）和γ（a∧b）表示。a₀、b₀、c₀、α、β、γ是决定晶胞形状和大小的特征参数，称为晶胞常数。

根据晶胞常数的不同，可把所有晶体分为三大晶族、七大晶系，如表1所示。

光学晶体多用中级和高级晶族的晶体，如石英晶体属于中级晶族中的六方晶系，萤石是高级晶族，属立方晶系。

2．光学晶体的基本性质

1）均匀性

晶体的不同部位，其内部质点的性质和排列方式是相同的，表现出的物理和化学性质也是完全相同的，这种均匀性是光学晶体作为光学材料的基本条件。

2）各向异性

晶体的光学性质往往随光束方向的不同而不同，这种各向异性的特点表现出的形式就是双折射，而且双折射发生的程度随着方向而规律性地变化，这种特点正是使用光学晶体所需要的。

3）对称性

相同的性质在晶体的不同方向或位置上有规律地重复出现，这就是晶体的对称性。晶体的对称性常常需要在制造光学零件的对称性中保持一致。

4）自范性

自范性是指晶体具有自发地形成封闭几何多面体外形的性质。这种自范性是格子构造在三维空间规律堆积的结果，每个最外层面的结点、行列和面网总是表现为规则的点、线、面，从而构成规则的几何多面体外形。

5）最小内能性

热力学表明，对于成分相同但呈不同物相的物体比较而言，以结晶质的内能最小。所谓内能是指物体内部质点做无规则运动的动能以及由质点相互位置所决定的势能之和。晶体内能最小，表明了晶体质点相互位置的准确和稳定。

6）稳定性

所谓晶体的稳定性，就是晶体随时间变化而性能稳定的程度。晶体的稳定性好是最小内能性的必然结果。正是由于晶体的内能最小，因此它不能自发地转变为其他状态，即晶态是一个相对稳定的状态，晶体具有稳定性。

3．晶体的光学性质

1）透光波段宽

通常，光学晶体比光学玻璃的透光波段范围要宽得多。虽然光学晶体按工作波段的不同也分为紫外光学晶体、可见光学晶体和红外光学晶体，但每一种波段的光学晶体仍有较宽的波段范围。通常，轻元素化合物光学晶体在紫外区有较宽的波段，而重金属元素化合物光学晶体在红外区有较宽的波段。常用光学晶体透光波段范围和主要波段的折射率如表2所示。

注：表中数据条件为试件厚2mm，波长精度为10%。

从表中可以看出，光学晶体的透光波段范围是比较宽的，一般都在10μm以上，高的可以达到几十微米。

2）吸收率低

光学晶体不仅比光学玻璃的透光波段要宽得多，而且对光的吸收也要小得多。光学晶体对光的吸收也具有各向异性，随着入射光波振动方向的不同，吸收程度也不同。

3）色散小

与玻璃的另一个差别是光学晶体的折射率随波长的变化幅度比较小，也就是说，光学晶体的色散比较小。像用于红外光学的硅（Si）或锗（Ge）制造的光学系统，几乎不需要校正色差。

4）双折射

除了高级晶族的等轴晶体是各向同性的，不产生双折射外，其他六大晶系都是各向异性的。当光束沿光轴以外的任何方向传播时都会产生双折射，且呈规律性的变化。

5）旋光性

有些光学晶体，当平面偏振波沿着光轴方向传播时，偏振面会有旋转一定角度的现象，称为旋光性。晶体有左旋和右旋，旋转角随波长的不同而不同，波长越短，旋转角越大。

6）多色性

由于光学晶体对不同频率的光的吸收是各向异性的，因此，除等轴晶体外，在同一晶体的不同方向上会呈现不同的颜色，这称为晶体的多色性。多色性与吸收性紧密联系，吸收性显著的，多色性也一定显著。

4．光学晶体的其他特性

1）解理

晶体在受到外界定向机械力的作用下，按照一定方向裂解成光滑平面的能力，称为解理。因解理而成的平面，称为解理面。

不同的晶体或是同一晶体的不同晶面，解理的能力一般是不同的。只有充分了解被加工晶体的解理特性后，才能运用合理的加工方法，以避免在整个加工过程中使解理性强的晶体受到大的外力冲击而解理碎裂，造成产品的报废。

晶体的解理对晶体加工虽然不是好事，但加工者可以利用该特性进行晶体的切割等。

2）硬度

晶体的硬度具有各向异性和对称性。一方面，同一晶体上，不能由对称性联系的各个晶面具有不同的硬度值；另一方面，同一晶面上，不能借助于对称性而重复的各方向上也表现出不同的硬度值。由于晶体的解理特性，显然在平行于解理面的方向上，具有最小的硬度值。

晶体的硬度，相互差别很大。了解晶体的硬度，对于合理地选择加工工艺参数及磨料、抛光剂等辅料是必要的。

3）溶解度

晶体的溶解度表示在一定的温度下，该晶体在100g水中所能溶解的克数。晶体溶解度的大小是晶体溶解性能的重要标志，它决定了晶体在什么条件下进行加工和使用。一般来说，温度升高，晶体的溶解度就越大。

潮解晶体和非潮解晶体在加工工艺上是有很大不同的。潮解晶体有其特殊的加工方法和相应的表面保护措施。如果不了解所要加工的晶体的溶解度大小即潮解性能如何，而按普通加工工艺去加工晶体，则难免出废品。

5．晶体零件制造的特点

1）材料选用

晶体大部分来源于人造，也有来自于天然，但都存在不同程度的缺陷及疵病，如位错、杂质、节瘤、云雾、结石、夹层、双晶等，必须用强光观察、检查、挑选或截取使用。

2）找正光轴

有些晶体，如属等轴晶系的晶体，在光学上是均匀的；而另一些晶体，则要产生双折射。在晶体内仅有一个方向不发生双折射，此方向称光轴方向，这类晶体称为单轴晶体。三方晶系、四方晶系及六方晶系均为单轴晶体。单轴晶体在加工时必须找正光轴，磨出一个与光轴垂直的表面。

3）选择磨料及抛光粉

晶体的硬度变化很大，不同硬度的晶体选用不同硬度的磨料及抛光粉。比玻璃硬的晶体选用石英粉、玛瑙粉、碳化硅、白宝石、天然石榴石及金刚石粉等磨料。比玻璃软的晶体常选用氧化铁、氧化铬、氧化钛、氧化锡和氧化镁等磨料。常用的抛光液有水、无水酒精、煤油、盐和饱和溶液等。

4）选择磨模及抛光模

硬晶体使用的磨模有铁、铜和铝模。抛光时用硬抛光模，机抛时用聚氨酯、酚醛胶布和硬木抛光模；手抛时用铜、铁、钢、锡、石料和红宝石抛光模。软晶体使用的磨模为铜、玻璃模。抛光时则用蜡、沥青蜂蜡和沥青松香抛光模。

5）控制温度、湿度

有的晶体热传导速度各方向不同，温差大时容易造成晶体的炸裂。即使各方向热传导速度相同，骤冷或骤热也可能引起开裂。对一些水溶性晶体的环境湿度应加以控制。

6）控制振动与外力

大多数晶体质脆且软，加工过程中的外力及振动经常引起晶体炸裂，使昂贵的晶体报废。

7）注意加工面不能与解理面平行

晶体的解理面是一个天然的晶面，加工面的取向与解理面平行时易产生磨不平、抛不光的现象。

8）注意劳动保护

很多晶体中的化合物（铊化物、磷化物及砷化物等）或其他物质对人体有危害，应注意防护。如锗抛光中会产生四氧化锗气体，毒性较大，应该做好排气工作。

6．晶体的定向

1）晶体定向的意义

晶体定向就是在晶体内部建立坐标系统确定方向之意，是晶体加工的基本工序，也是晶体和光学玻璃加工最大的区别之一。

在具体的操作上，它是通过某些技术手段测定已知晶体的实际晶面相对于理想晶面的偏角，进而使用切割或研磨等机械加工方法校正这一偏角，使之满足使用要求的工艺过程。

晶体加工之所以要定向是由晶体的各向异性所决定的，因为不同晶向的晶体，其物理、光学性质是不相同的。

从晶体生长的角度看，沿不同晶向生长的晶体，其生长的速度、光学质量和外形都是有差别的。正是由于晶体不同方位使用性能和生长特性上的这一差异，决定了晶体加工必须定向。

2）定向的方法

A）用X射线定轴仪定向

当高速运动的带电粒子与金属靶内部电子相碰撞时，会产生一束单色X射线。当X射线入射到晶体表面时，由于晶体晶格而发生衍射效应。若X射线的入射角满足布拉格定律，则产生衍射强度的极大值。根据衍射线极大值出现时晶面的位置与理论上应该得到的位置来确定晶面的取向，这样确定的晶体光轴方向（或其他晶轴方向）可达到30″的定向精度。

当X射线以θ角入射时，按布拉格公式

产生衍射的极大值。

上式中：d为晶面间距，因晶体而异，可以查有关表格；n为正整数，衍射级次，n=1时为初级衍射，强度最大；λ为X射线波长，因靶材料而异，铜靶时λ=0.15418mm; θ为X射线束与原子面的夹角，即布拉格角。θ可以查表获得，也可以计算求出，当n=1时，有

B）用偏光光学仪器定向

用偏光仪或偏光显微镜定向是常用的方法，可达到±2′～±5′的精度。

图2：晶体的定向

图3：偏振光通过晶体后的干涉

偏光仪的定向原理与方法：当单色自然光经起偏棱镜1后变成振幅为A₁的直线偏振光（见图2）；然后通过厚度为d的晶体平行片2，射到检偏棱镜3上。由于晶体的双折射现象，A₁分成A_o和A_e两部分。如以P方向代表晶体的晶轴，按图3分解，显然A_o与A_e通过检偏后得到相同方向的振动A_oe和A_ee。o光与e光在晶体内造成的光程差δ引起偏振光的干涉。