紫外材料和光学元件选择指南

紫外光和可见光具有很多相似的光学行为，因此也能和可见光一样使用相同类型的光学元件，比如透镜、反射镜、棱镜、分束镜、窗片、滤光片、偏振片和波片等。但紫外光学元件的选择和使用存在些特殊性。

第一，紫外透明材料的选择很少。主要玻璃制造商的产品目录中可能有100多种可见光玻璃，但适用于紫外的材料可能用两双手就能数完，比如氟化锂、氟化镁、氟化钙、氟化锶、氟化钡、氟化钾、石英、氯化钠、氯化钾、氯化铯、溴化钾、蓝宝石、金刚石和BBO等，其中很多(主要是卤化物)具有不同程度的水溶性；有些很硬很难抛光；还有些具有双折射。这些特性使得高精密紫外透镜系统的设计难度显著提高。

Thorlabs主要光学基底的透射范围

第二，大部分紫外材料的折射率变化幅度很大，因此紫外色散远强于可见光或红外色散。这是宽带紫外光聚焦必须注意的问题，而消色差光学元件的使用尤为关键。高精密紫外透镜系统需要使用较多个单透镜，因此紫外成像应用需全面衡量分辨率和成本。

第三，即使材料有透射紫外光要求的大带隙，杂质仍可能导致显著的紫外吸收。当波长低于约200 nm时，空气都会产生吸收，因此需在真空中使用。

第四，高能量紫外光子更容易导致材料损伤和退化，尤其是高功率紫外激光，从而进一步增加传播损耗和散射。材料的光损伤阈值在紫外波段通常远低于长波段。紫外光子能量足以使原子电离或改变材料的化学结构，这种叫做solarization的长期退化过程会使材料变暗并降低透过率。

还要注意的是，润滑油蒸气进入强紫外光束时会发生化学分解，由此可能在周围材料上形成吸收膜。任何光学表面质量都会因为这个问题而降低。

第五，紫外光即使遇到微小缺陷也会发生强散射。比如，亚波长微粒的散射强度与1/λ⁴成正比。因此，紫外应用要求极高质量的光学元件，以此控制散射和光束畸变等不良影响。紫外透射材料应具有低气泡和低杂质含量、良好的折射率均匀性和微小的寄生双折射，并能抛光到极低的粗糙度。

VRC1紫外观察卡(250 - 540)

材料选择

工作波长是选择材料的主要决定因素。大多数材料都存在一个吸收开始的陡峭截止波长，而截止波长向紫外延伸的范围取决于材料的类型和纯度。材料还可能存在较小的透射凹陷，从而限制它们在特定波长处的使用。

成本是的另一个重要因素。最大带宽通常仅能通过特殊且昂贵的材料实现。紫外光学元件需要通过传统抛光处理，但脆性或软材料需采用更软的研磨盘，以确保精密元件的划痕/麻点规格在λ/10以内。如果用于强紫外光源或激光器，损伤阈值和耐用性也是必须考虑的因素。耐用性直接决定光学元件寿命，当材料性能在20小时后就开始退化时，系统的运行成本显然会很高。

下面将介绍熔融石英、氟化钙、氟化镁、氟化钙、蓝宝石以及偏振和非线性晶体等紫外材料和光学元件。

熔融石英

熔融石英有多个不同的品牌名，比如康宁的HPFS、贺利氏的Infrasil和Suprasil、肖特的Lithosil。这些是最常见的紫外级透射材料，其成本相对较低、热稳定性优异且耐用性强。

熔融石英有两个英文名：Fused Quartz和Fused Silica。FQ也叫天然熔融石英，使用开采的原料制成。FS也叫做合成熔融石英，使用纯净的工业化合物制成。比如，Infrasil是天然石英，而Suprasil是合成石英。

UVFS: 185nm~2.1µm

Infrasil: 300nm~3µm

紫外级熔融石英(UVFS)非常适合用于N-BK7透射范围无法达到的紫外应用。相比于N-BK7，UVFS具有更宽的透射范围(185 nm到2.1 µm)、更低的折射率、更低的热膨胀系数和更高的均匀性，而且耐刮伤。这种材料几乎不产生激光诱导荧光；在193 nm下测量。

Thorlabs提供很多种可用于紫外的UVFS透射式光学元件，其中未镀膜元件的标称波长范围通常是185 nm到2.1 µm，而-UV标准增透膜版本则是245到400 nm。这些元件包括各种外形和外径的球面透镜、非球面透镜、柱面透镜、窗片、非偏振平板分束镜、楔形平板分束镜、266和355 nm谐波分束镜、355 nm高功率偏振分束立方体、光束采样镜、布儒斯特窗片、波尔卡点阵分束镜、锥透镜、全反射直角棱镜、等边和布洛卡色散棱镜、六角匀光棒和散射匀光片、CF视口片、硬膜滤光片和光栅。

点击下表中的链接可进一步认识以上光学元件。

透镜教程	球面单透镜
锥透镜	分束镜
直角棱镜	色散棱镜
白色表面和漫射匀光	衍射光栅
纳米结构表面	CF高真空法兰

另外，两个多级晶体石英波片可构成零级波片，也就是将一个波片的快轴对准另一个波片的慢轴，以此在两轴之间实现λ/4或λ/2相位延迟。使用相似的构造，石英晶体和氟化镁或紫外蓝宝石晶体还可构成零级消色差波片，而多片式构造可实现超消色差性能。

Infrasil天然石英是紫外熔融石英的常用替代品，因为这两种材料具有几乎相同的机械和光学性质。相比于紫外熔融石英，Infrasil可提供：1380 nm附近更高的透过率；从紫外到中红外的平坦透过率(请查看前面的曲线图)；几乎相同的色散。对于紫外应用，Thorlabs提供I波长范围从300 nm到3 µm的infrasil平窗片。

氟化钙

氟化物的截止波长低于熔融石英，可在石英失效的情况下作为替代材料，因此成为了第二常用的紫外光学材料。氟化钙在Thorlabs产品中的工作波长范围是180 nm到8 µm；不过有些文献中可至160 nm甚至更低。这种材料在紫外区域具有较低折射率(n≈1.46)，因此也是不错的增透膜材料。

氟化钙(180nm~8µm)

氟化镁(200nm~6µm)

氟化钙提供高光学损伤阈值、低荧光、低双折射、高均匀性和较高硬度(相比其它氟化物)，并具有优异的耐水、耐热和耐化学性能。氟化钙光学元件非常适合准分子激光应用。Thorlabs紫外高功率聚焦物镜就是采用准分子级UVFS或氟化钙透镜元件组装的。

在干燥环境中，氟化钙的工作温度可达1000摄氏度，但在湿气环境下超过600度就会退化。多数氟化物具有吸湿性，也就是吸收大气中的水分。如果暴露在空气中，紫外性能会随时间缓慢衰减，因为水会吸收紫外光，而且吸收会导致体积变化，进而产生应力和形变。

氟化钙是一种软材料和脆性材料，因此在抛光时极易产生碎屑，更难同时满足表面粗糙度和曲率公差要求。而且，研磨工序之间需要彻底清洁，研磨过程中产生的颗粒可能陷入表面并重新键合，从而形成更多散射点并降低整体性能。亚表面散射已得到深入研究，多数商用产品都会采取措施减少这类缺陷。

对于紫外应用，Thorlabs提供基于氟化钙的各种外形和外径的球面透镜、柱面透镜、窗片、全反射直角棱镜、等边和布洛卡色散棱镜。

氟化镁

氟化镁是一种合成晶体基底，其透射波长范围从200 nm到6.0 µm，非常适合从紫外到红外的应用。氟化镁坚固耐用，很适合在高应力环境下使用。它常用于机器视觉、显微镜和工业应用。氟化镁(n≈1.38)也是最常用单层增透膜材料。

Thorlabs提供氟化镁平凸透镜和窗片。氟化镁窗片非常适合深紫外应用，甚至可到真空紫外。它们在120 nm波长处提供>50%透过率，可用于准分子激光系统，以及涉及氢光谱中Lyman-α谱线的应用。氟化镁窗片还可用在UVA、UVB、可见光和红外波段，因为它们在200到1000 nm范围提供94%透过率，而在1到6 µm提供95%透过率。

氟化镁高消光比沃拉斯顿棱镜和罗雄棱镜也有提供。

氟化钡

氟化钡(200 nm到11 µm)和氟化钙具有相似的性质，但红外范围更宽且更耐高能量激光。它的耐水损伤性能更差，在500摄氏度遇水就会明显退化，但在干燥环境中可用于最高800度的环境。Thorlabs提供可用于紫外的氟化钡楔形窗片。请注意，氟化钡是一种危险品，所以操作时必须佩戴手套(操作任何光学元件都要戴手套)，并且在结束后彻底洗手。

氟化钙(200nm~11µm)

蓝宝石(200nm~4.5µm)

蓝宝石

蓝宝石(Al2O3)具有超高的表面硬度和稳定性，因此非常耐刮且有利于制作更薄的光学元件。它们在最高1000度时不溶于水、普通的酸和碱。Thorlabs提供可用于紫外的蓝宝石平窗片和楔形窗片，以及高真空CF视口片，其工作波长范围从200 nm到4.5 µm。

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α-BBO

α-BBO (α-BaB2O4)是一种负单轴晶体(β-BBO的高温版本)，由于高双折射结构非常适合用作高消光比偏振光学元件基底。对于紫外偏振器需求，α-BBO比方解石具有更宽的的紫外透射范围(190 nm到3.5 µm)。

Thorlabs提供基于α-BBO晶体的格兰型偏振器和沃拉斯顿棱镜(正交偏振光束位移器)。格兰偏振器通过双折射提供一束高消光比偏振光，而沃拉斯顿棱镜提供两束具有正交偏振的高消光比光束。由于α-BBO是一种易受损伤的软晶体，Thorlabs所有α-BBO偏振器都安装在金属外壳中，可通过方便的螺纹和转接件安装到光学系统中。

格兰型偏振器

沃拉斯顿棱镜

非线性晶体

LBO和β-BBO等硼酸盐晶体可用于非线性频率转换，用于产生355 nm、266 nm和213 nm等常用紫外波长以及钛宝石超快激光倍频。详细介绍可查看往期推文。

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