晶體基礎(chǔ)知識(shí)
在可見光光譜范圍，有大量的高度透明玻璃類型，可以根據(jù)其色散n(λ)進(jìn)行選擇，而紫外(UV)和紅外(IR)光譜區(qū)的情況完全不同，只有很少幾種玻璃類型，因此，需要利用光學(xué)晶體做些補(bǔ)充。
1、設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)
晶體是結(jié)構(gòu)單元(原子、離子或分子)近似以三維結(jié)構(gòu)周期性排列的固體。偏離嚴(yán)格的周期性是因?yàn)榫w的有限擴(kuò)張和構(gòu)建誤差。
用晶格的晶胞描述晶體，并由角度分別為α、β和γ的基本矢量a1、a2和a3構(gòu)成。晶格是以代表晶體表面和交線宏觀位置的一個(gè)合適的坐標(biāo)系為基礎(chǔ)。選擇晶胞可以有無限多種方式，然而，一般地，選擇具有最小體積或最短基向量的晶胞，基向量的長度稱為晶格常數(shù)。在基向量方向連續(xù)不斷地增加晶胞就可以得到這種晶體。
有各種形式的晶體，根據(jù)其形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，會(huì)呈現(xiàn)出特有的對(duì)稱性。由于其表面規(guī)則排列和對(duì)稱性，所以，能夠?qū)⒕w分為32個(gè)等級(jí)或點(diǎn)群組，又可以將這些等級(jí)縮減為7個(gè)晶系，這種分類法的基礎(chǔ)是晶胞形式，基本晶胞形式相同的所有晶體都屬于同一晶系。
按照對(duì)稱度區(qū)分相同晶系而不同等級(jí)的晶體。立方晶系具有最高的對(duì)稱度，相應(yīng)的對(duì)稱操作是：
●可以在任意一個(gè)晶格點(diǎn)附近平移，即所有晶格都有平移對(duì)稱性；
●平面上反射，由兩個(gè)平移矢量標(biāo)示，就是說，并非所有晶格都是鏡面對(duì)稱；
●根據(jù)一個(gè)晶格點(diǎn)反轉(zhuǎn)；
●以一個(gè)晶格矢量作為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，換句話說，所有的晶格至少有一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱[Kleb90]
當(dāng)一種晶體是以分子或原子團(tuán)而非單個(gè)原子為基礎(chǔ)時(shí)，有可能得到230多種不同的排列類型，在此已經(jīng)考慮到單位晶格中的特殊排序的情況。實(shí)際上，所有晶體與其理想結(jié)構(gòu)都有不同程度的差別，許多因素影響著晶格的三維周期性，主要包括(當(dāng)然還有其他因素)：
●結(jié)構(gòu)缺陷；
●電子缺陷
●表面缺陷
●晶格結(jié)構(gòu)塊的熱和其他振蕩；
●混晶分布的不均勻性；
●凝集成塊、分泌物；
●微結(jié)晶、亞微結(jié)晶
●內(nèi)應(yīng)力
這些實(shí)際的結(jié)構(gòu)缺陷相互依存，所以，不能孤立地考慮它們，其中包括廣義和特殊的一些內(nèi)容，結(jié)構(gòu)缺陷起著主要作用，包括所有晶體結(jié)構(gòu)單元相對(duì)于晶格理想規(guī)則排列的偏離量。由于其擴(kuò)展維數(shù)比原子的大，所以，可以分為下列類別
●零維缺陷(點(diǎn)缺陷)，即原子位于錯(cuò)誤的晶格位置、非理想性雜質(zhì)原子；
●維缺陷(線缺陷，錯(cuò)位)，或者沿著未必是直線的一條線存在非對(duì)稱性
●二維缺陷(面缺陷)，例如晶界、孿晶邊界、相界、層錯(cuò)；
●三維缺陷(體缺陷)，例如空洞、分泌物。
2、相關(guān)性質(zhì)
可以以其化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)，即根據(jù)結(jié)構(gòu)單元類型和密度及空間排列表示晶體的物理和化學(xué)性質(zhì)。晶體結(jié)構(gòu)的失調(diào)及實(shí)際的結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)此起著決定性作用。此外，一個(gè)重要的事實(shí)是：晶體是均勻的各向異性體，其物理特性一般具有方向性，因此，相關(guān)性質(zhì)都指定一個(gè)方向。也有例外，例如質(zhì)量、密度和比熱。用張量表述各向異性性質(zhì)。
硬度是晶體的一個(gè)很重要性質(zhì)，表示晶體承受機(jī)械損傷的能力，此時(shí)，各種各向異性性質(zhì)，如彈性、塑性和強(qiáng)度同時(shí)起作用。正如玻璃及其他材料一樣，不同的硬度類型是一個(gè)重要區(qū)別，例如擦痕、磨損和壓痕硬度。硬度的各向異性主要取決于可解理性。一旦受到機(jī)械沖擊，例如壓力、張力或者突然打擊，許多晶體會(huì)沿著某結(jié)晶晶格面分裂，由此產(chǎn)生的表面在較大的范圍內(nèi)呈現(xiàn)原子級(jí)平滑。解理面很容易標(biāo)識(shí)原子結(jié)構(gòu)單元間隔特別小、原子極稠密的晶格面。
一般地，具有最稠密原子的晶格面彼此相距最遠(yuǎn)，這種晶格面之間的內(nèi)聚力最小。隨著晶格面分裂會(huì)產(chǎn)生間隙，鍵合力降低。從形態(tài)學(xué)講，這些晶格面用作生長面常常很重要。
對(duì)于解理面位置被展寬的晶體表面，隨著裂縫形成，可解理性變得明顯。這些裂縫，尤其考慮光學(xué)特性時(shí)，表示初級(jí)結(jié)晶基準(zhǔn)方向。許多晶體可解理性與結(jié)構(gòu)間的關(guān)系完全不同。
通常，晶體的密度都比對(duì)應(yīng)的無定形材料(非晶)高，硬度更大，但也更脆。由于其光學(xué)性質(zhì)，所以，所選晶體能夠非常好地補(bǔ)充光學(xué)領(lǐng)域所用材料的技術(shù)要求。
晶體材料特別適用于紫外和紅外光譜區(qū)，具有高透過率τ(λ)。對(duì)大部分應(yīng)用，只能使用各向同性材料，而各向異性晶體主要應(yīng)用于偏振光學(xué)。光學(xué)各向同性晶體是傳播速度、光吸收及其他光學(xué)現(xiàn)象都與光束方向和晶軸之間夾角無關(guān)的晶體，這對(duì)立方晶體是完全正確的。應(yīng)當(dāng)注意，雖然這些晶體是光學(xué)各向同性，而對(duì)有些性質(zhì)，例如生長率、X射線衍射和解理，卻呈現(xiàn)出各向異性性質(zhì)。
晶體材料的應(yīng)用大大擴(kuò)展了光學(xué)的應(yīng)用范圍，包括：
●擴(kuò)展了光學(xué)介質(zhì)在紫外(LiF、CaF2和石英)和紅外光譜區(qū)(KBr、KRS-5和CsJ的光譜透過范圍；
●Ge和ZnSe特殊紅外光學(xué)元件和光窗；
●CaF2和玻璃透鏡相組合設(shè)計(jì)顯微鏡和照相物鏡，從而更好地校正色差；
●利用具有強(qiáng)烈雙折射的方解石(碳酸鈣)、石膏和云母以及具有低雙折射的材料，例如石英(SiO2)、剛玉(Al2O3)和磷酸二氫銨(ADP)制作偏振光學(xué)元件；
●光學(xué)濾光片；
●電光和非線性光學(xué)元件；
●聲光元件[Naum92]
晶體在光學(xué)應(yīng)用中還可以用作激光晶體、閃爍器、發(fā)光材料和探測器以及光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
歸納起來，可以得出結(jié)論：一定要慎重選擇光學(xué)材料。根據(jù)相關(guān)性質(zhì)和對(duì)系統(tǒng)提出的技術(shù)要求，完全可以做到低成本生產(chǎn)。
