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晶体基础知识
来源:原创 | 作者:和宸晶体 | 发布时间: 2020-02-23 | 231 次浏览 | 分享到:
本文介绍了光学材料中的晶体相关基础知识,适合光学加工企业培训使用。

晶体基础知识

    在可见光光谱范围,有大量的高度透明玻璃类型,可以根据其色散n(λ)进行选择,而紫外(UV)和红外(IR)光谱区的情况完全不同,只有很少几种玻璃类型,因此,需要利用光学晶体做些补充。

1、设计和结构

    晶体是结构单元(原子、离子或分子)近似以三维结构周期性排列的固体。偏离严格的周期性是因为晶体的有限扩张和构建误差

    用晶格的晶胞描述晶体,并由角度分别为α、β和γ的基本矢量a1a2a3构成。晶格是以代表晶体表面和交线宏观位置的一个合适的坐标系为基础。选择晶胞可以有无限多种方式,然而,一般地,选择具有最小体积或最短基向量的晶胞,基向量的长度称为晶格常数。在基向量方向连续不断地增加晶胞就可以得到这种晶体。

    有各种形式的晶体,根据其形状和内部结构,会呈现出特有的对称性。由于其表面规则排列和对称性,所以,能够将晶体分为32个等级或点群组,又可以将这些等级缩减为7个晶系,这种分类法的基础是晶胞形式,基本晶胞形式相同的所有晶体都属于同一晶系。

    按照对称度区分相同晶系而不同等级的晶体。立方晶系具有最高的对称度,相应的对称操作是:

    ●可以在任意一个晶格点附近平移,即所有晶格都有平移对称性;

    ●平面上反射,由两个平移矢量标示,就是说,并非所有晶格都是镜面对称;

    ●根据一个晶格点反转;

    ●以一个晶格矢量作为旋转轴旋转,换句话说,所有的晶格至少有一个旋转对称[Kleb90]

    当一种晶体是以分子或原子团而非单个原子为基础时,有可能得到230多种不同的排列类型,在此已经考虑到单位晶格中的特殊排序的情况。实际上,所有晶体与其理想结构都有不同程度的差别,许多因素影响着晶格的三维周期性,主要包括(当然还有其他因素)

    ●结构缺陷;

    ●电子缺陷

    ●表面缺陷

    ●晶格结构块的热和其他振荡;

    ●混晶分布的不均匀性;

    ●凝集成块、分泌物;

    ●微结晶、亚微结晶

    ●内应力

    这些实际的结构缺陷相互依存,所以,不能孤立地考虑它们,其中包括广义和特殊的一些内容,结构缺陷起着主要作用,包括所有晶体结构单元相对于晶格理想规则排列的偏离量。由于其扩展维数比原子的大,所以,可以分为下列类别

    ●零维缺陷(点缺陷),即原子位于错误的晶格位置、非理想性杂质原子;

    ●维缺陷(线缺陷,错位),或者沿着未必是直线的一条线存在非对称性

    ●二维缺陷(面缺陷),例如晶界、孪晶边界、相界、层错;

    ●三维缺陷(体缺陷),例如空洞、分泌物。

2、相关性质

    可以以其化学成分和结构,即根据结构单元类型和密度及空间排列表示晶体的物理和化学性质。晶体结构的失调及实际的结构缺陷对此起着决定性作用。此外,一个重要的事实是:晶体是均匀的各向异性体,其物理特性一般具有方向性,因此,相关性质都指定一个方向。也有例外,例如质量、密度和比热。用张量表述各向异性性质。

    硬度是晶体的一个很重要性质,表示晶体承受机械损伤的能力,此时,各种各向异性性质,如弹性、塑性和强度同时起作用。正如玻璃及其他材料一样,不同的硬度类型是一个重要区别,例如擦痕、磨损和压痕硬度。硬度的各向异性主要取决于可解理性。一旦受到机械冲击,例如压力、张力或者突然打击,许多晶体会沿着某结晶晶格面分裂,由此产生的表面在较大的范围内呈现原子级平滑。解理面很容易标识原子结构单元间隔特别小、原子极稠密的晶格面。

    一般地,具有最稠密原子的晶格面彼此相距最远,这种晶格面之间的内聚力最小。随着晶格面分裂会产生间隙,键合力降低。从形态学讲,这些晶格面用作生长面常常很重要。

    对于解理面位置被展宽的晶体表面,随着裂缝形成,可解理性变得明显。这些裂缝,尤其考虑光学特性时,表示初级结晶基准方向。许多晶体可解理性与结构间的关系完全不同。

    通常,晶体的密度都比对应的无定形材料(非晶)高,硬度更大,但也更脆。由于其光学性质,所以,所选晶体能够非常好地补充光学领域所用材料的技术要求。

    晶体材料特别适用于紫外和红外光谱区,具有高透过率τ(λ)。对大部分应用,只能使用各向同性材料,而各向异性晶体主要应用于偏振光学。光学各向同性晶体是传播速度、光吸收及其他光学现象都与光束方向和晶轴之间夹角无关的晶体,这对立方晶体是完全正确的。应当注意,虽然这些晶体是光学各向同性,而对有些性质,例如生长率、X射线衍射和解理,却呈现出各向异性性质。

    晶体材料的应用大大扩展了光学的应用范围,包括:

    ●扩展了光学介质在紫外(LiFCaF2和石英)和红外光谱区(KBrKRS-5CsJ的光谱透过范围;

    ●GeZnSe特殊红外光学元件和光窗;

    ●CaF2和玻璃透镜相组合设计显微镜和照相物镜,从而更好地校正色差;

    ●利用具有强烈双折射的方解石(碳酸钙)、石膏和云母以及具有低双折射的材料,例如石英(SiO2)、刚玉(Al2O3)和磷酸二氢铵(ADP)制作偏振光学元件;

    ●光学滤光片;

    ●电光和非线性光学元件;

    ●声光元件[Naum92]

    晶体在光学应用中还可以用作激光晶体、闪烁器、发光材料和探测器以及光学数据存储器。

    归纳起来,可以得出结论:一定要慎重选择光学材料。根据相关性质和对系统提出的技术要求,完全可以做到低成本生产。

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