定义
用于光学元件的材料。
各种材料用于制造光学元件。 光学材料通常被理解为透明材料，即在某些光谱范围内具有良好的透光性，对光的吸收和散射很小的材料。 但是，吸收可用于滤光片，甚至在某些应用中也使用光散射。 此外，一些材料可用于制造不透光的光学元件；例如，一些具有完全透明的材料可以用作激光反射镜的基板。
在本文中，描述了不同类别的光学材料，并解释了它们最重要的特性。
无机玻璃
最常用的光学材料是由无机化合物制成的光学玻璃，含有硅、氧、钠、铝、锗、硼和铅等化学物质。
只有在少数情况下，人们使用化学成分很少的纯材料；最突出的例子是熔融石英玻璃（二氧化硅，SiO2），广泛用于体光学器件。 它也以二氧化硅纤维的形式使用；然而，在这里，纤维芯通常掺杂一些其他材料，例如锗。
还有许多硅酸盐玻璃，其中各种其他矿物质与二氧化硅混合以获得具有改性性能的玻璃：
- 例如，可以添加碳酸钠，氧化钙，氧化镁和氧化铝来获得钠钙玻璃，这在窗户中很常见。 只要它们具有相对较低的反射指数和低色散，它们就被称为皇冠玻璃。
- 通过添加较重的材料（如钡、铅、钍、锆、钛或镧（通常为氧化物））来获得增加的折射率，通常与增加的色散一起获得。 这种眼镜被称为燧石眼镜。 在早期，它们大多含有有毒的铅；后来在很大程度上被钛或锆等其他金属所取代。
- 硼硅酸盐玻璃的热膨胀大大降低，因此对热冲击的抵抗力更强。
- 铝硅酸盐玻璃广泛用于玻璃纤维，包括用于光纤放大器和激光器的稀土掺杂光纤。 它们相对耐热。
- 锗硅酸盐玻璃在光纤中也很常见，特别是对于电信光纤，表现出非常低的传播损耗。
- 氟化物玻璃和氟磷酸盐玻璃可用作高折射率低色散玻璃，例如用于制造消色差光学器件。
- 磷酸盐玻璃用于例如某些稀土掺杂的纤维，特别是在需要高掺杂浓度的情况下。
- 铁等其他添加剂可用于获得红外吸收（例如用于吸热过滤器），或用于吸收紫外线的铈。
光学和光子学中使用的一些玻璃类型含有铅和镉等有毒物质。 虽然这在使用过程中几乎不会造成危险，但由于这些物质紧紧地束缚在玻璃中，因此认真尝试尽可能禁止使用它们，因为很难确保这些材料在使用后得到妥善处理，以免它们进入环境。
有关更多详细信息，请参阅有关光学眼镜的文章。
晶体材料
绝缘子
与无定形的玻璃相比，晶体材料表现出长距离的微观顺序。 大多数晶体光学材料是单晶（单晶材料），因为在晶界之间的界面处的光散射可能是有害的。 光学晶体基本上总是人工生长的材料。 生长速度通常非常小，否则不会获得单个晶体。 因此，晶体光学材料往往比玻璃或陶瓷更昂贵。
使用晶体代替玻璃的一个原因是获得更大的光谱透射范围。 在中红外和远红外中尤其如此，其中透明度良好的材料选择有限。
在某些情况下，需要光学各向异性，例如以双折射的形式，这是为晶体对称性不太高的晶体材料获得的。 例如，偏振片和其他类型的偏振光学元件由方解石晶体制成。 此外，在电光调制器中利用的Pockels效应仅发生在晶体材料中。 其他晶体材料（以及玻璃）用于声光器件。
此外，还有各种类型的激光晶体，它们是掺杂有激光活性离子的晶体绝缘体（→掺杂绝缘体激光器）。 在这里，不仅对光学特性感兴趣。 激光活性离子如何与主玻璃相互作用尤为重要；泵浦和激光跃迁的特性在很大程度上取决于玻璃类型。
其他掺杂晶体用作可饱和吸收体，例如用于激光器的Q开关。
最后，利用各种低晶体对称性晶体材料进行非线性变频，基于其χ(2)非线性。
光学晶体，特别是那些没有特殊掺杂剂的晶体，是具有非常一致的光学特性的高纯度材料——与玻璃相反，玻璃使用的原材料的确切成分可能会有所不同，并且局部化学成分存在一定的波动。
半导体
半导体在可见光谱区域是不透明的，因为它们的带隙能量小于可见光的光子能量。 然而，它们在红外线中表现出良好的透明度。 例如，硅、锗和砷化镓用于红外光学。 折射率通常相当高。
在某些情况下，半导体材料用于红外光学窗口。 然而，也有一些应用利用半导体的特殊光学特性。 例如，有准相位匹配的砷化镓的非线性变频器件。 还有硅光子学的整个研究领域，涉及基于硅的集成光学。
多晶陶瓷
多晶材料在光学中发现了一些应用。 它们的基本挑战是晶界处的光散射。 然而，某些透明陶瓷材料如氧化铝（Al2O3） 和钇铝石榴石 （YAG = Y3Al5O12 ）已开发出具有良好光学质量，包括低散射损耗；如果使用的材料非常纯净并且原材料的颗粒尺寸非常小，则可以实现这一点，从而使晶粒也变得非常小（具有纳米尺寸）。 另一个重要因素是长工作波长（即红外光学），因为散射在较短波长下会迅速变强。
陶瓷的光学特性可以与玻璃相似。 因此，陶瓷材料可用于多种类型的光学元件，如透镜，棱镜，光学窗口等。 例如，可以将陶瓷窗户用于热成像和夜视设备。
对于激光，已经开发了YAG（钇铝石榴石）陶瓷，也可以掺杂例如钕。 获得的激光增益介质与Nd：YAG单晶非常相似，但可以更便宜，特别是当需要大尺寸时。 有关更多详细信息，请参阅有关陶瓷激光增益介质的文章。
陶瓷相对于单晶的一个优点是（类似于玻璃）它们可以制成非常大的尺寸，而无需耗时的晶体生长过程。
有机聚合物
各种聚合物材料（塑料）表现出良好的透明度，主要在可见光谱范围内，在某种程度上在红外线中。 由于它们是无定形的，因此也称为有机玻璃。 对于各种应用，它们具有许多吸引人的特性：
- 它们通常可以以低成本制造，例如通过成型和压花工艺，也可用于获得非球面表面形状。 有时，它们可以与坐骑一起制造。
- 它们重量轻，比眼镜更不脆弱。
- 它们可以很容易地配备染料以获得滤光片。
- 某些应用需要非常柔软的材料，例如光学硅胶。
另一方面，可实现的光学质量通常低于眼镜。 此外，塑料物体对温度变化相对敏感。 对于带有激光的应用，它们通常不适合。 典型应用包括眼科、微型照相机和光学数据存储。
有关更多详细信息，请参阅有关塑料光学器件的文章。
液体
虽然在光学应用中使用液体并不常见，但液体微光学器件有有趣的发展。 例如，有可调谐流体微透镜。 当液滴的尺寸非常小时，液滴的形式可以得到相对良好的控制，并且失去液体的风险也相对较小，例如通过设备的运动。 可能必须采取特殊的预防措施来防止蒸发和污染。
光学镀膜材料
各种透明材料用于制造介电镀膜，即增透膜、镜面镀膜等薄膜偏振片。 在最简单的情况下，仅一种材料的薄膜可能就足够了，例如作为AR涂层，如果其折射率大致是基板材料折射率的平方根。 在其他情况下，制造多层涂层。 大多数情况下，人们使用非晶态介电材料，尽管也有具有半导体多层结构的晶体反射镜，它们是用完全不同的技术生产的。
除了光学特性外，重要的是材料适用于某些沉积工艺。 它们应易于且一致地形成具有良好厚度均匀性、高光学均匀性、低散射和吸收损失以及对基材良好附着力的高质量层。
一些常见的涂层材料并非在所有方面都是理想的。 例如，二氧化钛（TiO2）通常用作多层涂层中的高折射率材料，但根据沉积工艺的不同，可能会产生该材料的不同密度。 低密度变体不仅折射率较低，而且对环境条件更敏感；特别是，水蒸气可能被吸收，这改变了涂层的光学性质。 二氧化硅等其他材料对这种影响不太敏感。 还有一些沉积方法（例如IAD = 离子辅助沉积），即使使用TiO2 也能产生相对致密的涂层。
在任何情况下，应该意识到折射率可能会在一定程度上变化，具体取决于所使用的沉积方法，甚至取决于操作过程中的环境条件。
透明光学材料的基本特性
光学特性
以下特性通常与光学材料的使用有关：
- 通常需要相关波长范围内的高透明度。 透明度主要受到吸收过程的限制 - 材料的固有吸收或杂质的吸收 - 有时还受到不均匀处的光散射的限制。 文献中常见的透射率与波长的关系图也可以包含材料块端面的菲涅耳反射效应。
- 通常还需要良好的光学均匀性。
- 折射率表示与真空相比，材料中光的相速度降低了多少。 其波长依赖性决定了色散，色散可以通过不同的方式进行量化，例如通过波长依赖性群速度色散（GVD）或大致使用阿贝数（其中高值表示低色散）。
- 大多数光学材料是光学各向同性的，即光学性质不依赖于光的传播和偏振方向。 然而，一些光学材料是各向异性的，随后是双折射的，这意味着折射率取决于偏振方向的传播方向。 吸收损耗也可能依赖于传播方向或极化。
有时，进一步的光学特性也很重要：
- 一个经常相关的量是折射率（dn / dT）的温度导数。 对于玻璃，它可以是正极或负极，因此在某些情况下可以通过适当的材料组合来实现温度补偿。
- 光学非线性，例如用非线性指数量化，可以在涉及高光学强度的应用中发挥作用，例如锁模激光器和放大器。
- 有些材料会发出荧光，例如在紫外线照射下。
其他属性
各种其他属性也可能与应用相关：
- 机械性能，特别是杨氏模量、屈服点、硬度和坚固性或脆弱性，在许多情况下都是必不可少的——部分用于操作，部分用于制造。
- 激光诱导击穿造成的光学损伤阈值在很大程度上取决于所使用的材料。
- 抗热震性不仅取决于硬度，还取决于热膨胀系数。
- 光学元件的使用温度范围有限，例如由于熔化或软化。 这尤其适用于塑料光学器件。
- 有些材料对紫外线或更高能量辐射的抵抗力不如其他材料（例如在空间应用中），这可能会产生色心，从而降低透明度。
- 如果光学材料与某些流体（例如水）或气体（例如水蒸气和氧气）接触，则化学稳定性可能很重要。 在高温下操作时，它可能要低得多。
- 大多数光学材料是电绝缘体，但有些应用需要一些电导，例如用于屏蔽目的。
- 某些材料属性可能与制造过程相关。 例如，这适用于机械性能。 再比如，玻璃化转变温度范围太窄的玻璃很难拉入光纤中。
- 与其他材料或介电涂层的相容性，例如在热膨胀系数方面，也可能是相关的。
- 应尽可能避免使用某些光学材料，因为它们含有有毒物质。
- 可用性和成本当然也令人感兴趣。
金属
金属主要用于反射器（镜子）。 通常，它们仅以沉积在介电材料（→金属涂层镜）上的薄膜形式应用。 在其他情况下，具有抛光表面的固体金属部件被用作非常坚固的反射器，例如在某些高功率激光器中。
反射器中常用的金属是金和银、铝、铬和各种镍/铬合金。 它们大多作为第一面镜子制成。 在某些情况下，金属表面用额外的透明涂层保护；例如，有受保护的银涂层，其灵敏度要低得多，例如防止用手指触摸表面。
光子超材料
有一些人造光子超材料，它们可以具有非常不寻常的光学特性。 例如，其中一些具有负折射率。
