常见光学材料介绍：从光学玻璃到特种材料

一、引言

光学制造过程的第一步，是选择合适的光学材料。光学材料的光学参数（折射率、阿贝数、透过率、反射率）、物理特性（硬度、形变、气泡度、泊松比）、热学特性（热膨胀系数、折射率温度系数）以及化学稳定性，共同决定了光学部件及系统的最终性能。本文系统介绍光学玻璃、光学晶体、特种光学材料三大类常见光学材料及其典型牌号与应用场景。

二、光学材料的主要类别

光学材料是指在光学实验、仪器及应用中具有特定光学性质和功能的材料统称。按照材料性质，光学材料可分为无机材料和有机材料两大体系：无机材料主要包括光学玻璃和长程有序的光学晶体；有机材料以光学塑料为主，兼具轻量化与耐冲击特性。微晶玻璃则作为介于玻璃与晶体之间的特殊类别。其中光学玻璃是应用最广泛的光介质材料，而光学塑料凭借其轻量化和抗冲击特性，在眼镜镜片、手机镜头、VR/AR设备等消费级光学产品中的应用也日益广泛。

三、光学玻璃

光学玻璃是一种可以传输光线的非晶态（玻璃态）光介质材料。光线通过后，其传播方向、相位和强度均会发生可调控的改变，因此被广泛用于棱镜、透镜、反射镜、窗口片、滤光片等光学元件的制造。光学玻璃具有高度的透明性、化学稳定性及物理化学性质上的高度均匀性，其光学常数精确且可复现。玻璃在低温固态下仍保留了高温液态的无定形结构，理想情况下沿各方向的理化性能（如折射率、热膨胀系数、硬度、热导率、电导率、弹性模量等）相同，称为各向同性。按光学性能与成分，无色光学玻璃又可细分为冕牌玻璃（K）和火石玻璃（F）两大体系，其中冕牌玻璃折射率较低、阿贝数较大（低色散），火石玻璃折射率较高、阿贝数较小（高色散），通过两类玻璃的组合可以矫正光学系统的色像差。

目前全球主要的光学玻璃制造商包括：德国的肖特（SCHOTT）、美国的康宁（Corning）、日本的小原（OHARA）以及中国的成都光明（CDGM）。

紫外波段常用光学玻璃： 紫外熔融石英（UVFS）是紫外波段最常用的材料。常用石英牌号包括国产JGS1、JGS2、JGS3以及康宁7980等。JGS1采用高纯度氢氧焰熔制，羟基含量约2000 ppm，在185 nm处透过率可达90%，是185–2500 nm波段范围内的优良光学材料。JGS2同样以石英原料和氢氧焰生产，羟基含量100–200 ppm，在220–2500 nm波段透过率良好。JGS3采用真空电熔法生产，几乎不含羟基，适用于260–3500 nm的红外波段应用。Corning 7980作为高纯合成熔融石英，均匀性更优、气泡和杂质含量更低，能提供更高的激光损伤阈值，因此广泛用于激光元件。小原则提供SK-1300、SK-1310、SK-1320L、SK-1321等高质量石英玻璃牌号。波长≤450 nm的紫外应用中，熔融石英通常是优选材料；当λ＞450 nm时，可选用N-BK7等光学玻璃。

可见光及近红外波段常用光学玻璃： 在可见光至近红外（约350 nm–2.0 µm）波段，最常用的光学玻璃材料包括肖特N-BK7、浮法玻璃B270以及成都光明的H-K9L等。N-BK7和H-K9L具有相似的光学性质，可以互相替代。N-BK7在587.6 nm处的折射率为1.51680，是一种典型的硼硅酸盐冕牌玻璃。H-K9L精退火光学玻璃质地坚硬，耐刮擦且耐化学品，由于气泡少、杂质含量低，非常适合制造精密透镜、窗口片和棱镜等高精度元件。

附图说明： 以下三幅技术图表分别展示了成都光明各牌号光学玻璃在阿贝图（折射率-色散关系图）上的分布、常见牌号光学玻璃的折射率随波长变化曲线，以及不同牌号光学玻璃在紫外-可见-近红外波段的透过率曲线，可为光学设计和材料选型提供直观参考。

（图1：成都光明各牌号光学玻璃的折射率和色散图）

（图2：常见牌号光学玻璃的折射率曲线）

（图3：常见牌号光学玻璃的透过率曲线）

四、光学晶体

光学晶体是指用于光学介质材料的晶体材料总称。由于其有序的晶体结构，光学晶体在紫外、可见及红外波段均表现出优异的光学性能，被广泛用于制作各类紫外和红外应用领域的窗口片、透镜、棱镜等。按照晶体结构可分为单晶和多晶，其中单晶材料具有更高的晶体完整性和光透过率，以及较低的散射损耗，因此应用最为普遍。

常见的光学晶体按用途可分为以下几类：

• 紫外与红外晶体材料： 包括石英（SiO₂）、萤石（CaF₂）、氟化锂（LiF）、岩盐（NaCl）、硅（Si）、锗（Ge）等。

• 偏振晶体： 常用的偏振晶体有方解石（CaCO₃）、石英（SiO₂）和硝酸钠（硝石）等，利用其双折射特性制备偏振光学元件。

• 复消色差晶体： 利用晶体特殊的色散特性制造复消色差物镜，例如萤石（CaF₂）与玻璃组合制成复消色差系统，可以有效消除球差和二级光谱。

• 激光晶体： 用作固体激光器的工作物质，如红宝石、氟化钙和掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）晶体等。

代表材料——氟化钙（CaF₂）晶体的关键性能：

氟化钙晶体是光学晶体中极具代表性的高性能材料。其折射率nd=1.43384，阿贝数vd=95.23，具有极低的色散特性。CaF₂的透光范围覆盖130 nm（深紫外）至约8 µm（红外），同时具备优异的激光耐久性和抗辐照能力，折射率均匀性优于0.5 ppm。在干燥环境中，CaF₂可承受高达1000 °C的高温，但在潮湿环境中温度超过600 °C时可能发生性能退化。这些特性使其广泛应用于精密光学、半导体光刻、天文观测、激光技术等领域。

晶体材料分天然和人工生长。天然晶体储量稀少，人工生长工艺难度大、尺寸受限、价格昂贵，通常在玻璃材料无法满足需求（如工作于非可见光波段）时才会选用，主要应用于半导体、激光等行业。

（常见晶体特点对比）

五、特种光学材料

微晶玻璃

微晶玻璃是介于玻璃和晶体之间的一种特种光学材料。与普通光学玻璃的主要区别在于它具有结晶结构，而与陶瓷的主要区别在于其结晶结构比陶瓷细得多。微晶玻璃具有热膨胀系数小、强度大、硬度高、密度小、稳定性极高的特点，被广泛用于加工平晶、标准米尺、大型反射镜以及激光制导陀螺仪等。目前国际上主流的微晶玻璃产品包括康宁公司的ULE®超低膨胀玻璃和肖特公司的ZERODUR®微晶玻璃陶瓷，前者为非晶态玻璃，SiO₂–TiO₂体系，光学透过性好，适合透射光学元件；后者为微晶复合材料（约70%晶体+30%玻璃相），机械强度高但不透明，是天文望远镜反射镜基材的主流选择。ULE®玻璃的热膨胀系数（20–300°C）为0 ± 0.02 ×10⁻⁶/K，在5–35°C下的典型值为0 ± 30 ×10⁻⁹/K。

（微晶材料）

（微晶热膨胀系数）

碳化硅

碳化硅（SiC）是一种特殊的陶瓷材料，也可作为光学材料使用。碳化硅具有比刚度高、热变形系数小、热稳定性优良以及减重效果显著等特点，在大口径光学反射镜领域具有传统玻璃材料无法比拟的优势，被视为大尺寸轻质反射镜的首选材料，广泛应用于空间遥感、地基大口径望远镜、强激光、半导体等领域。近年来，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所联合中国科学院空间应用工程与技术中心，创新提出“石墨/碳化硅复合粉末增材制造方法”，将碳化硅反射镜中碳化硅含量由46.36%提升至64.54%，成功制备出直径220 mm的拓扑结构碳化硅镜体，经加工后光学表面面形精度优于λ/50 RMS（λ=632.8 nm），表面粗糙度仅为0.772 nm。

（碳化硅材料）

六、其他重要光学材料

除上述三大类光介质材料外，光学材料还包括光学纤维材料（用于光纤通信系统）、光学薄膜材料（用于增透膜、高反膜、滤光膜等光学镀膜）、液晶材料（用于显示器件）以及各类发光材料等。随着半导体照明、激光技术、光通信、生物医学成像、VR/AR等新兴领域的快速发展，光学材料的应用领域正在不断拓展。光学技术的持续进步离不开光学材料技术的迭代发展。