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a1、a2和a3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(LiF、CaF2和石英)和红外光谱区(KBr、KRS-5和CsJ的光谱透过范围；

    ●Ge和ZnSe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。