小卓课堂 | 光学元件基础知识

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●普通光学玻璃 ：BK7(K9) 玻璃，Schott 玻璃 , Ohara 玻璃 ...

●特殊玻璃 ：石英 , 彩色玻璃 , 浮法玻璃 ...

●光学晶体：蓝宝石 , CaF₂, BaF₂, MgF₂, NaCl, MgO...Quartz, Silicon, Ge, ZnSe, ZnS...Calcite, YVO₄, LiNbO₃, TeO₂, KTP, YAG..

表1. 常见光学元件材料特性：

BK7(K9) 是常见的高硼硅冕牌玻璃之一，透射范围 380nm ～ 2100nm，它的同质性高，气泡、杂质含量低，可直接作为透射光学材料。BK7 硬度较高，具有良好的抗划伤性。但热膨胀系数较大，不推荐用于温度敏感的场景。

BK7(K9) 用于制作各种可见光到近红外的光学元件，如：平面镜、透镜、棱镜等。

国内将熔融石英材料分为JGS1、JGS2和JGS3，用于不同的应用。

•JGS1：通常用于紫外、可见光波段，材料不含气泡和杂质

•JGS2：通常用于反射镜基底，材料含较多小气泡

•JGS3：在红外有很好的透过率，但是包含很多气泡，限制了它的广泛使用

一般情况下，若无特殊声明，我们称紫外熔融石英 (UV Fused Silica) 为熔融石英。紫外熔融石英是一种具有极高纯度的无定形二氧化硅，透射范围从紫外185nm ～ 2300nm。这种非结晶、无色的石英既有非常低的热膨胀系数，又有良好的光学特性。其传输和同质性超过结晶形式的石英晶体 (Crystal)，熔融石英具有较高的损伤阈值，是高能激光领域最理想的使用材料之一。紫外熔融石英具有高折射率均匀性，且杂质含量低，同时适用于透射和反射光学系统，应用高能量光学系统中。

紫外熔融石英用于制作各种紫外到近红外的光学元件，如 ：平面镜、透镜、棱镜等，相比于 BK7 而言，更适合于更高透过率、更高损伤阈值要求的领域。

石英晶体是一种水热法生长的单轴双折射单晶材料，它具有良好的真空紫外到近红外传输特性。由于它的双折射性质，石英晶体通常用作偏振元件，如 ：波片、相位延迟片或旋光器件等。

氟 化 钙 是 一 种 立 方 晶 系 单 晶 材 料， 可 用 于 真 空 深 紫 外 到 红 外 传 输， 且 无 双 折 射 特 性。 在 250nm ～ 6µm 之间有 90% 以上的透过率，具有低吸收和高损伤阈值，是准分子激光常用的光学元件。氟化钙的热膨胀系数较大，所以温度性能稍差，应避免在较高的温度环境中使用。红外部分有较低的折射率，可以直接用于红外传输而不用镀防反射膜。氟化钙用于制作各种紫外到中红外光学元件，如：平面镜、透镜、棱镜等。

氟化镁是一种双折射晶体，用于紫外到红外线的 传输。透射范围 ：0.15µm ～ 7µm。氟化镁具有较好 的耐高温和抗机械冲击能力，且具有较高的能量损伤阈值。氟化镁是低折射率红外材料，通常不需要镀防反射膜。氟化镁比其它宽带材料更为耐用，是脉冲激光的理想选择。同氟化钙一样，氟化镁也用于制作各种紫外到中红外光学元件，如 ：平面镜、透镜、棱镜等。

面型精度采用精密抛光表面与理想平面的偏差量来表征。因为使用可以测量波面的干涉仪来测量，所以也被称为反射波面精度。面型精度的干涉条纹数的单位是 [λ]。λ 是干涉仪所使用的氦氖激光器的波长 632.8nm。另外，表征面型精度有两个参数 ：PV 和 RMS 值。PV值是 Peak to Valley（峰值与谷值的差值），RMS 值是 Root Mean Square（均方根值），根据经验 RMS 值是 PV 值的⅓左右。因为像平面这类的简单形状，大多使用 PV 值来表示，所以本产品目录中的面型精度使用 PV 值表示。例如，面型精度的 PV 值是½λ 时，表示与理想平面的最大偏差值是 316.4nm。

表面质量是评估研磨或镀膜后的表面缺陷的一种参数，通常用划痕（scratch) 和凹坑 (dig) 两种数字的组合来表示。我公司代理的西格玛光机参照执行 MIL-PRF-13830B 标准。如果没有特殊说明，都是指参照标准板的目视检查结果。

当高功率的脉冲激光照射到光学元件时，可能会造成光学元件的镀膜或材料的损伤。当光学元件开始受到损伤时的激光能量密度（J/cm²）被称为激光损伤阈值。样本中标注的激光损伤阈值采用 ISO21254 国际标准进行测试。通过比较光学元件的激光损伤阈值与所使用的激光能量密度 ^※1，选择高激光损伤阈值的光学元件。通常 100mJ/cm²以下的脉冲激光（脉冲时间 10ns）或 0.5W以下的连续激光几乎不存在激光损伤阈值问题。

当光线斜入射到介质表面时，其反射率会随入射光线的偏光方向而发生变化。在介质表面的法线和入射光束所构成的平面内振动的光波被称为 P 偏光，与 P 偏光正交方向振动的光波被称为 S 偏光。其他方向的偏振状态可以认为是不同比例的 P 偏光和 S 偏光合成的结果。P 偏光和 S 偏光的反射率由入射角度和介质的折射率所决定，因为他们遵循的法则不同，所以 P 偏光和 S 偏光的反射率也是不同的。

在激光（平行光）光路中插入光学元件时，光束方向会发生偏转，与原光束方向相比所偏转的角度称为光束偏转角。光束偏转角由光学元件的平行度和折射率决定。BK7在平行度为 1 分时的光束偏转角相当于 0.5 分。

以透镜的外径为基准，如果是理想透镜，转动透镜时，透过光束或者会聚光束将不会变动，如果透镜的光轴和透镜外径的中心轴存在角度偏差时，透过光束将按圆周轨迹运动。与转动轴相比透过光束所摆动的角度称为偏心。

产品目录中发布了几乎所有光学元件的反射率、透过率随波长变化的特性曲线。这些反射率、透过率的特性曲线是使用分光光度计测量的结果。※2 产品目录中不仅发布了设计保证波长谱区的数据，也发布了更宽波长谱区的数据。在分束镜等产品中，只发布了透过率的特性曲线，没有发布反射率的特性曲线。因为多层介质膜几乎没有吸收，将特性曲线的纵轴倒过来，就可以很容易地推测出其反射率。^※3

另外，测量结果中的入射角度和偏光方向是有规定的。在反射率测量的时候，入射角度为 5°或者 45°，在透过率测量的时候，入射角度为 0°或者 45°。反射型光学元件在 45°角入射时，发布了 P 偏光和 S 偏光曲线，这是因为多层介质膜的反射率特性随偏光方向变化很大。

※1：能量密度（J/cm2） =激光能量（J）/（π×光束半径（cm）2）。

※2：一部分光学元件使用了薄膜设计的模拟数据。 

※3：因为铬膜有吸收，1－透过率≠反射率。

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