Кристаллич. или аморфные материалы, предназначенные для передачи или преобразования
света в разл. участках спектрального диапазона. Различаются по строению, св-вам,
функцией, назначению, а также по технологии изготовления.
Структура и свойства. По
строению О. м. подразделяют на моно- и поликристаллические, стекла, аморфные,
стекло-кристаллические и жидкокристаллические. Прир. моно
кристаллы,
напр., флюорита CaF 2 , кварца SiO 2 , кальцита СаСО 3 ,
слюды, каменной соли и др., давно используют в качестве О. м. Кроме того, используют
большое кол-во синтетич. монокристаллов, обладающих прозрачностью в разл. участках
оптич. диапазона (рис. 1) и имеющих высокую однородность и определенные габариты.
Поликристаллические О.
м. характеризуются прозрачностью, по величине сходной с прозрачностью монокристаллов,
и лучшими по сравнению с ними конструкц. св-вами. Наиб. применение находит оптич.
керамика (иртра-ны) на основе Аl 2 О 3 (напр., поликор, или
лукалокс), Y 2 O 3 (иттралокс), MgAl 2 O 4 ,
SiO 2 (кварцевая оптич. керамика), цирконато-титанатов Pb, La (электрооптич.
керамика), а также бескислородные поликристаллические О. м. для ИК области спектра-
LiF, MgF 2 , ZnS, ZnSe и др.
Оптические стекла характеризуются
высокой прозрачностью в разл. спектральных диапазонах, высокой однородностью
структуры, позволяющей сохранять неизменность фронта световой волны при ее распространении
в толще стекла, коррозионностойкостью, хорошими конструкц. св-вами, относительно
простой технологией изготовления крупногабаритных изделий и изделий со сложной
конфигурацией. Применяются с 18 в. В качестве О. м. используют бесцв. или цветные
оксидные и бескислородные стекла (см. также Стекло неорганическое).
Большинство
оксидных оптич. стекол-силикатные (более 30-40% SiO 2 по массе), свинцово-
или боросиликатные, а также многокомпонентные оксидные системы из 10-12 разл.
оксидов, напр. алюмоси-ликафосфатные стекла, содержащие Аl 2 О 3 ,
SiO 2 , P 2 O 5 . Несиликатные оксидные стекла содержат
Р 2 О 5 , В 2 О 3 , GeO 2 или
ТеО 2 . При изменении состава стекол изменяются и их оптич. константы,
гл. обр. показатель преломления n
D
и коэф. дисперсии
света v
D . В зависимости от величин этих характеристик на диаграмме
n
D - v
D (т. наз. диаграмма Аббе) О. м. делят
на типы-кроны и флинты (рис. 2). Флинты характеризуются малым коэф. дисперсии
(v
D < 50), кроны -большим (v
D > 50).
Стекла обоих типов наз. легкими или тяжелыми в зависимости от величины показателя
преломления. Обе разновидности стекол имеют общие компоненты - SiO 2 ,
Na 2 O, К 2 О. Кроме того, для увеличения v
D
в состав кронов добавляют В 2 О 3 , А1 2 О 3 ,
ВаО, СаО, в состав флинтов-PbO, TiO 2 , ZnO, MgO, Sb 2 O 3 .
Осветлители стекол-As 2 O 3 и Sb 2 O 3 .
Наиб. высокими значениями v
D обладают фосфатные флинты на
основе Р 2 О 5 (особенно при введении фторидов металлов).
Рис. 2. Классификация оптич.
стекол (диаграмма Аббе) в зависимости от их показателя преломления (n
D)
и коэф. дисперсии света (v
D): ЛК-легкие кроны; ФК-фосфатные
кроны; ТФК-тяжелые фосфатные кроны; К-кроны; БК-баритовые кроны; ТК - тяжелые
кроны; КФ - кронфлинты: БФ-баритовые флинты; ТБФ-тяжелые баритовые флинты; ЛФ-легкие
флинты; Ф-флинты; ТФ-тяжелые флинты; СТФ-сверхтяжелые флинты; СТК-сверхтяжелые
кроны.
Особое место среди стекол
занимают фотохромные (см. Фотохромизм
)стекла. Выделяют также кварцевые
стекла, уникальные по термо- и хим. стойкости, огнеупорности и др. св-вам. Стеклообразный
SiО 2 -осн. компонент кварцевых оптич. волокон для протяженных волоконно-оптич.
линий связи; такие волоконно-оптич. материалы характеризуются миним. оптич.
потерями на поглощение (~ 10 -6 см -1). Для линий протяженностью
10-100 м используют также оптич. волокна на основе прликомпонентных стекол и
полимеров (оптич. потери ~ 10 -3 - 10 -5 см -1).
Оптич. потери (теоретические)
у бескислородных оптич. стекол на 1-3 порядка ниже, чем у оксидных. В качестве
таких материалов для ИК диапазона используют обычно разл. халькогенидные стекла,
содержащие As, S (Se, Те), Sb, P, Tl, Ge и др. Наим. оптич. потерями в ИК диапазоне
обладают оптич, волокна на основе галогенидов Ag, Tl и их твердых р-ров и волоконные
световоды на основе фтороцирконатных (содержат Zr, F с добавлением Ва, Na, РЗЭ
и др.) и халькогенидных стекол [содержат As-S(Se)-Ge].
К аморфным О. м. относятся
мн. нсорг. и орг. в-ва. Среди первых наиб. распространены аморфный Si, SiO 2 ,
оксиды II-VI групп,
соед. типа A II B VI , среди вторых-разл. полимеры: полиметилметакрилат
(орг. стекло), полистирол, мн. фторопласты.
Неорг. аморфные О. м. используют
гл. обр. в виде разл. пленок, иногда в виде массивных образцов (напр., аморфный
Si); орг. аморфные О. м.-в виде пленок, оптич. волокон, массивных образцов (напр.,
полистирол).
О стеклокристаллических
О.м. см. Ситаллы,
о жидкокристаллических-Жидкие кристаллы.
К особому классу относятся
О.м. с непрерывно изменяющимся составом и оптич. св-вами. Основа таких материалов
- градиентные оптич. волокна или самофокусирующие градиентные оптич. элементы
(напр., селфок, или гра-дан) в виде цилиндрич. образцов (диаметр 1-10 мм), обеспечивающих
фокусировку света. Изготовляют их из таллиево-силикатных или силикогерманатных
стекол, кристаллич. материалов (напр., на основе твердых р-ров галогенидов Т1),
полимеров (напр., полиметилметакрилата). Градиентные слои и пленки на монокристаллах
ниобата Li и др. кристаллич. или стеклянных материалах - основа интегрально-оп-тич.
устройств.
По спектральному диапазону
различают О.м., пропускающие в УФ, видимой и ИК областях спектра. Нек-рые О.м.
характеризуются широким плато спектрального пропускания, иногда разбиваемого
на отдельные окна прозрачности селективными полосами поглощения примесей. Для
работы в УФ (>
0,2 мкм), видимой и ближней ИК областях спектра применяют гл. обр. кварц, фториды
Li и Na; для работы в средней и дальней областях ИК спектра-преим. бескислородные
О.м. Такие О.м., как Si, Ge, GaAs, InSb, пропускают только ИК излучение; галогениды
щелочных металлов, BaF 2 , ZnSe прозрачны в видимой, ближней и средней
ИК областях спектра; КСl, GaAs, TlBr-TlI и др. пропускают интенсивное лазерное
ИК излучение.
С увеличением массы атомов,
составляющих структуру О. м., длинноволновая граница пропускания большего числа
О.м. перемещается в сторону расширения спектрального диапазона; напр., для анионов
имеет место след. ряд: оксиды
фториды
сульфиды < хлориды
селени-ды < бромиды
теллуриды < (либо =) иодиды. Для иоди-да Cs длинноволновая граница прозрачности
составляет ~ 60 мкм.
По назначению различают:
О.м. для элементов оптич. устройств; просветляющие, отражающие и поглощающие
покрытия; электрооптич., магнитооптич., акустооптич. и пьезооптич. материалы.
Иногда к О.м. относят лазерные материалы,
материалы для преобразования
света в тепло и электричество, а также О. м. в виде композитов, порошков, эмульсий:
дисперсные фильтры, отражающие покрытия, люминесцирующие стекла, красители для
лазеров. В качестве О.м. иногда применяют оптич. клеи (с определенным показателем
преломления), прозрачные орг. иммерсионные жидкости
и др.
Материалы оптич. устройств
(линзы, светофильтры и т.п.) имеют определенный показатель преломления, высокую
прозрачность в определенном спектральном диапазоне, хорошо поддаются оптико-мех.
обработке (шлифованию, полировке) пов-сти. Наиб. важное св-во-оптич. однородность,
т.к. ослабление (потери) света, наряду с поглощением, определяется рассеянием
на разл. дефектах структуры-микровключениях посторонних фаз, пузырях и свилях
(областях стекол с измененным показателем преломления), микропорах (для керамики)
и т.п.
Просветляющие покрытия
служат для уменьшения коэф. отражения оптич. устройств, отражающие-для изготовления
зеркал, поглощающие-для чернения пов-сти. Разновидность просветляющих покрытий
- интерфе-ренц. покрытия толщиной 10-150 мкм; они м. б. многослойными и характеризоваться
постепенным изменением показателя преломления от низкого (1,3-1,55; NaAlF 4
, MgF 2 или SiO 2) до среднего (2,0-2,6; ZrO 2 ,
GeO 2 , ZnS, TiO 2 или A1 2 S 3) и высокого
(более 3,0; Si, Ge). Отражающие покрытия
изготовляют
гл. обр. из Ag, Au, Al, поглощающие - из углерода, оксидов, нитридов и силицидов.
Электрооптические, магнитооптические,
акустооптические и пьезооптические О.м. характеризуются способностью менять
свои оптич. св-ва под действием разл. полей (электрич., магн., звуковых). Наиб.
распространенные электрооптич. материалы-КН 2 РО 4 , KH 2 AsO 4
и их дейтериевые аналоги, соли др. щелочных металлов и аммония, кристаллы типа
сфалерита и эвлитина, разл. сегнето- и антисегнетоэлектрики, в т.ч. LiNbO 3 ,
LiTaO 3 , BaTiO 3 , бариевостронциевые бронзы и др. К маг-нитооптич.
материалам относят железоиттриевые и железо-гадолиниевые гранаты, ферриты, содержащие
РЗЭ, и др. (см. Магнитные материалы).
Осн. акустооптич. и пьезооптич.
материалы - кварц, мн. титанаты, ниобаты, танталаты и др. (см. Акустические
материалы).
Многие О. м. способны поляризовать
световой поток, напр. вращать плоскость поляризации света. При облучении нек-рых
О. м. видимыми и УФ лучами наблюдается вторичное свечение-фотолюминесценция
(см. Люминесценция).
Методы получения.
В
зависимости от состава и назначения О. м. для их получения применяют разл. методы.
Общим является то, что все О. м. получают из сырья, максимально очищенного от
примесей (напр., для О. м., работающих в видимой и ближней ИК областях, осн.
красящие примеси-Fе, Mn, Cu, Cr, Ni, Co). Содержание примесей в сырье не должно
превышать 10 -2 % по массе, что обеспечивает коэф. поглощения менее
10 -2 см -1 , а в случае волоконно-оптич. материалов -10
-5 -10 -7 % по массе.
Для выращивания синтетич.
монокристаллов используют методы монокристаллов выращивания,
для оксидной
керамики-спекание (см. Керамика),
для получения поликристаллических О.
м. из порошков-горячее прессование. Бескислородные поликристаллические О. м.
для ИК области спектра с размерами зерен ~ 50 мкм и коэф. поглощения ~ 10 -3
см -1 получают с использованием метода хим. осаждения из газовой фазы
или конденсацией из паровой фазы. Оптич. стекла получают методом варки стекла.
Для кварцевых оптич. волокон наиб. распространено хим. осаждение из газовой
фазы по р-циям SiCl 4 +
O 2 SiO 2
+ 2 Сl 2 или SiCl 4 + О 2 + 2Н 2 SiO 2
+
4 НСl. Образующиеся при высокой т-ре частицы SiO 2 осаждают
(в виде слоев) на внутр. пов-сть кварцевой трубки (т. наз. CVD-метод; англ,
chemical vapor deposition), внеш. пов-сть цилиндрич. подложки (OVD-метод; англ.
outer vapor deposition) или на торец затравочного кварцевого стержня (VAD-метод;
англ, vapor axial deposition); затем при нагревании заготовка оплавляется и
вытягивается в тонкое оптич. волокно. Для изменения состава и n
D
кварц легируют Ge, F и др. Для получения поликомпонентных и ИК оптич. волокон
используют филь-ерный метод или перетяжку пары "согласованных" стекол
по методу "штабик-трубка".
Среди разл. методов получения
градиентных материалов наиб. значение имеет обработка стекол расплавами солей
щелочных металлов, при к-рой протекает диффузия ионов из стекла в расплав и
наоборот (метод ионного обмена).
Неорг. аморфные О.м. получают
конденсацией из паро-газовой фазы, химическими транспортными реакциями,
кристаллизацией
и хим. осаждением из р-ров, облучением кристаллич. материалов и др. методами;
органические - полимеризацией в блоке, р-ре и т.д. Для снижения оптич. потерь
в волокнах из аморфных органических О.м. до 10 -2 -10 -4 см -1
используют мономеры, предварительно подвергнутые очистке. Покрытия из О.м. наносят
термич. вакуумным напылением, испаряя исходный материал в электропечах или потоком
электронов (катодное, магне-тронное распыление).
О. м. применяют в качестве
элементов в оптич. системах приборов, оптоэлектронных устройствах, световодных
системах связи, измерит. и интегральных схемах, в средствах управления и контроля
технол. и физ. процессами, бытовых приборах, мед. аппаратуре и т.д.
===
Исп. литература для статьи «ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ»
:
Винчелл А.
Н., Винчелл Г., Оптические свойства искусственных минералов, пер. с англ.. М.,
1967: Сонин А. С., Василевская А. С., Элекгрооптические кристаллы, М., 1971;
Физико-химические основы производства оптического стекла, под ред. Н. И. Демкиной,
Л., 1976; Мидвин-тер Д. Э., Волоконные световоды для передачи информации, пер.
с англ., М., 1983; Кочкин Ю. И., Румянцева Г. Н., "Зарубежная радиоэлектроника",
1985, №9, с. 89-96; Л еко В. К., Мазурин О. В., Свойства кварцевого стекла,
Л., 1985; Deutsch Т. F., "J. Electronic Materials", 1975, v. 4,
№4, р.663-719; Lucas I., "Infrared Physics", 1985, v.25, №1/2, p!277-81.
В. В. Сахаров.
Страница «ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.
В предыдущих главах, рассматривая тот или иной вопрос, связанный с работой оптической системы, мы не затрагивали явлений, обусловленных изменением показателей преломления оптических сред при переходе от одного участка спектра к другому.
Оптические системы могут обслуживать довольно широкий диапазон длин волн, простирающийся от 300 нм (ультрафиолетовая часть спектра) до 1000-2000 нм (ближняя и дальняя инфракрасные части) и до и бэлее (дальняя инфракрасная часть).
Из этого широкого участка спектра на долю видимого участка, воспринимаемого глазом человека, приходится более узкий
участок от 434,1 нм (ртутная линия спектра G) до 766,5 нм (красная линия спектра , принадлежащая водороду).
В качестве опорных точек на этом участке обычно принимают следующие линии спектра:
(см. скан)
Изменение длины волны света приводит к изменению показателей преломления оптических сред. В большинстве случаев наблюдается рост показателей преломления при уменьшении длины световой волны; принято говорить, что подобные среды имеют нормальный ход изменения показателей преломления, т. е. нормальную дисперсию.
В отличие от сред с нормальной дисперсией встречаются среды, у которых рост показателей преломления связан с увеличением длины волны; такие среды называют средами с аномальной дисперсией.
Оптические стекла и большинство оптических кристаллов, используемых при создании оптических систем, обладают нормальным ходом дисперсии.
Для сопоставления свойств различных оптических сред можно воспользоваться значениями показателей преломления для каких-либо двух длин волн; в видимой части спектра обычно используют длины волн спектра водорода; такую разность показателей называют средней или основной дисперсией.
Однако знание основной дисперсии еще не позволяет достаточно полно охарактеризовать хроматические свойства той или иной среды; поэтому на практике пользуются понятием относительной дисперсии - отношением средней дисперсии к разности между основным показателем преломления среды и единицей:
Величину обратную относительной дисперсии, называют коэффициентом дисперсии или числом Аббе.
Основная дисперсия и числа Аббе дают представления о свойствах оптической среды лишь для двух выбранных линий спектра; поэтому в случае необходимости определения свойств преломляющей среды для большего числа волн прибегают кроме основных дисперсий к частным относительным дисперсиям и числам Аббе.
Сведения о преломляющих свойствах различных сред и различных марок оптического стекла регламентируются ГОСТ 3514-67 и 13659-68, а также соответствующими справочниками.
Для оптических стекол различных марок значения показателей преломления варьируют в пределах от 1,43 до 2,17, числа Аббе - от 75 до 16.
Ассортимент марок оптического стекла представлен на рис. 11.1, где вдоль оси абсцисс отложены значения чисел Аббе (в убывающем порядке) и вдоль оси ординат - величины показателей преломления. Отдельными точками обозначены стекла различных марок. Нетрудно заметить, что область существования стекол снизу ограничена довольно характерной границей, идущей первоначально почти горизонтально и постепенно поднимающейся вверх по мере уменьшения чисел Аббе.
В начале этой границы располагается группа стекол с показателями преломления от 1,50 до 1,52 и числами Аббе от 65 до 59; эта группа стекол носит название кронов и обозначается буквой К.
За группой флинтов следует группа тяжелых флинтов, обозначаемых буквами ТФ. Тяжелые флинты охватывают область показателей преломления от 1,64 до 1,80 и чисел Аббе от 34 до 26.
Между группой кронов и простых флинтов располагается группа кронфлинтов и группа легких флинтов; эти две группы обозначают буквами КФ и ЛФ. Группа кронфлинтов охватывает область значений показателей преломления от 1,50 до 1,54 и чисел Аббе от 58 до 51; группа легких флинтов занимает область показателей преломления от 1,54 до 1,58 и чисел Аббе от 47 до 38.
Все перечисленные выше марки стекол нередко называют областью старых стекол, которая раньше состояла лишь из двух первых групп - простых кронов и простых флинтов. Характерной особенностью групп старых стекол является рост показателей преломления при постепенном уменьшении чисел Аббе.
Для решения многих задач создания оптических систем с повышенными характеристиками потребовались стекла, у которых при больших показателях преломления, равных показателям преломления обычных флинтов, числа Аббе соответствовали бы кронам; такая группа стекол с показателями преломления от 1,56 до 1,65 при числах Аббе от 61 до 51 называется тяжелыми кронами и обозначается буквами ТК.
В последние десятилетия была разработана группа лантановых стекол с еще более высокими показателями преломления - от 1,66 до 1,75 - при числах Аббе от 57 до 48; это группа сверхтяжелых кронов, обозначаемая буквами СТК.
(кликните для просмотра скана)
Область стекол с показателями преломления от 1,75 до 1,8 и выше при числах Аббе от 41 до 30 образует группу тяжелых баритовых флинтов, обозначаемую буквами ТБФ.
Рост показателей преломления наблюдается и при больших значениях чисел Аббе; эта группа стекол представлена фосфатными кронами, обозначаемыми ФК, с показателями преломления от 1,52 до 1,58 и числами Аббе от 70 до 65.
При таких же значениях чисел Аббе (70-65) группа легких кронов, обозначаемая буквами ЛК, имеет показатели преломления менее 1,5.
Стекла марок БК и БФ имеют средние значения показателей преломления и чисел Аббе.
В последние годы были разработаны фтористо-фосфатные стекла типа ФФС, еще не вошедшие в ГОСТ; эти стекла имеют показатели преломления от 1,43 до 1,60 и числа Аббе от 97 до 70.
Кроме ассортимента оптических стекол используется также и ряд других материалов, прозрачных как в видимой, так и в ультрафиолетовой и инфракрасной частях спектра. Показатели преломления и числа Аббе некоторых материалов приведены ниже:
В инфракрасной области этот список может быть дополнен рядом материалов, прозрачных как в ближней, так и в дальней области спектра. Ниже приведены средние значения показателей преломления таких материалов в соответствующем интервале длин волн.
Необходимо отметить, что изменение показателей преломления в известной степени связано также и с изменением температуры; аберрации в оптических системах, вызванные этими изменениями, называют термооптическими аберрациями.
Оптические материалы
оптическим излучением
Самыми распространенными в настоящее время являются кристаллы группы KDP .
KDP (дигидрофосфат калия,KH 2 PO 4 ),
DKDP (дидейтерофосфат калия,KD 2 PO 4 ),
ADP (дигидрофосфат аммония NH4 H2 O4 ),
DADP (дейтерированный дигидрофосфат аммония ND4 D2 O4 ), CDA (дигидроарсенат цезия CsH2 AsO4 ),
DCDA (детероарсенат цезия CsD2 AsO4 ), KDA (дигидроарсенат калия KH2 AsO4 ), RDA (дигидроарсенат рубидия RbH2 AsO4 ), RDP (дигидрофосфат рудибия RbH2 PO4 ).
В основном используются кристаллы KDP иDKDP .
Нелинейные кристаллы и кристаллы для управления
оптическим излучением
Дигидрофосфат калия (KDP) (KH 2 PO 4 ) –
синтетический бесцветный кристалл, выращиваемый из водных растворов методом медленного снижения температуры.
Кристалл KDP был использован в качестве нелинейной среды одним из первых, так что величина его нелинейных характеристик до сих пор является эталоном, и часто нелинейные коэффициенты других кристаллов даются в единицах, относительно KDP.
Диапазон прозрачности 0,1767 1,5 мкм. Коэффициент линейного поглощения 0,03 0,05 см-1 вблизи = 1,06 мкм. Обладает высоким линейным электрооптическим эффектом при наложении электрического поля вдоль осиz , т.е. вдоль направления (001). Электрооптическая постояннаяr 63 = 10,5 10-10 см/В (при = 0,9893 мкм,Т = 295 К). В настоящее время является одним из основных материалов для изготовления умножителей частоты, генераторов гармоник, модуляторов света. Температура эксплуатации не должна превышать 393 К. Особенно эффективно применение при пониженных температурах и при частотах до 10 Гц (при СВЧ сильно возрастают диэлектрические потери). Показатели преломления
n о = 1,4936,n е = 1,4598 (для = 1,06 мкм). Полуволновое напряжение для = 0,547 мкм приT = 293 К 7,5 кВ. Плотность 2,338 г/см3 .
Нелинейные кристаллы и кристаллы для управления
оптическим излучением
KDP имеет высокую оптическую прочность (около 2 ТВт/см2 при воздействии пикосекундных импульсов = 30 пс, = 1,06 мкм, поверхностная прочность примерно на порядок меньше и сильно зависит от состояния рабочих поверхностей). Кристаллы хорошо растворяются в этиловом спирте, бензине, но особенно хорошо растворяются в воде (33 г на 100 г воды) и высоко гигроскопичны.
К основным недостаткам относятся малая механическая прочность, высокая гигроскопичность и невозможность использования для модуляции излучения при длинах волн больше
Нелинейные кристаллы и кристаллы для управления
оптическим излучением
Дидейтерофосфат калия (DKDP) (KD 2 PO 4 ) – является дейтерированным аналогом KDP и имеет более высокие технические и эксплуатационные характеристики. DKDP выращивается из водных растворов с использованием тяжелой воды.
Прозрачен от 0,2 до 2 мкм, коэффициент поглощения при
1,06 мкм на порядок ниже, чем у KDP. В связи с более высоким значением электрооптического коэффициента (более чем в 2 раза) получил более широкое распространение в модуляторах, чемKDP (электрооптическая постояннаяr 63 = 25,7 10-10 см/В при = 0,69 мкм,Т = 293 К). При уменьшении температуры электрооптическая постоянная резко возрастает (379 10-10 см/В при 217 К).
Ниобат лития (LiNbO 3 )
Нелинейные кристаллы и кристаллы для управления
оптическим излучением
) – одноосный отрицательный кристалл тригональной сингонии. Нерастворим в воде и слабых кислотах. Весьма технологичен при механической обработке и склеивании. Производится методом вытягивания из расплава.
Диапазон прозрачности 0,33 5,5 мкм.
Нелинейные кристаллы и кристаллы для управления
оптическим излучением
Кристалл широко используется в системах генерации второй гармоники лазерного излучения и в электрооптических модуляторах света (т.к. обладает малыми полуволновыми напряжениями – всего сотни вольт).
Имеет существенные недостатки: ярко выраженный фоторефрактивный эффект (обратимое оптическое разрушение типа optical damage); малая оптическая прочность (излучение неодимового лазера разрушает кристаллы ниобата лития при интенсивности 6 МВт/см2 ); необходимость хорошей термостабилизации. Эти недостатки позволяют использовать ниобат лития в модуляторах только низкоинтенсивных лазеров (типа гелий-неонового). Ниобат лития с примесями элементов группы железа широко применяется в оптических запоминающих устройствах. Находит свое использование и в поляризационных призмах в условиях повышенной влажности.
Оптическая керамика (иртран )– это стеклокристаллический материал, получаемый из поликристаллической массы методом горячего (при температурах около 2/3 температуры плавления вещества) прессования под большим давлением в вакууме. Размер зерен микрокристаллов порядка десятков микрометров.
Данные керамики механически изотропны, по термомеханическим свойствам значительно превосходят аналоги соответствующих монокристаллов. Хорошо обрабатываются и обладают высокой устойчивостью к тепловым ударам. По плотности и прозрачности эти материалы близки к соответствующим монокристаллам.
Преимущество керамик заключается в их высокой однородности, которая дает возможность изготавливать из них крупные оптические детали.
Помимо этого керамика применяется для изготовления светорассеивающих экранов, подложек интерференционных светофильтров, окон приборов, работающих в ИК области спектра, а также в условиях высоких механических и термических нагрузок.
Оптические поликристаллы (оптическая керамика)
Наиболее распространена оптическая керамика КО1 (MgF 2 ). Ее рабочий спектральный интервал 1…7 мкм.
Керамика КО2 (ZnS ) работает в интервале 1…14 мкм. Показатель преломления для 10,6 мкм равен 2,2. Температура плавления 1850 С, но гораздо ранее она начинает окисляться.
Керамика КО3 (CaF 2 ) может работать в спектральном интервале 0,4…10 мкм, но рабочая область сильно зависит от качества сырья, в видимой области прозрачность несколько ниже, чем у монокристалла. Химически устойчива. Отсутствие плоскостей спайности в поликристаллическом фтористом кальции увеличивает его устойчивость к механическим и тепловым ударам. Является перспективным материалом для прозрачных в ИК области элементов, работающих при больших перепадах давления и температуры.
Оптические поликристаллы (оптическая керамика)
Керамика КО4 (ZnSe )
диапазон 0,5…21 мкм (реально до 15 мкм),
но рабочая область зависит от качества сырья, в видимой области прозрачность несколько ниже, чем у монокристалла.
Показатель преломления n=2,402 при λ=10,6мкм (сильно зависит от температуры).
Показатель поглощения α=0,13 см-1 при λ=10,6мкм.
Температура плавления 1520 С, но сильное окисление начинается от
В воде не растворяется, слабо растворяется в кислотах. Является перспективным материалом для прозрачных в ИК отласти элементов, работающих при больших перепадах давления и температуры.
Керамика КО5 (MgO ), диапазон 0,4…8 мкм. Температура плавления 2800 С.
n=1,723 при =2 мкм.
Высокая теплопроводность позволяет использовать КО5 в изделиях, подвергающихся температурным ударам. В воде не растворяется, но при длительном хранении в атмосферных условиях взаимодействует с влагой и углекислотой с поверхностным образованием тонкого налета карбоната магния. Поэтому при длительном хранении поверхность лучше подвергать химической защите.
), полимерные (Органическое стекло) и другие материалы, прозрачные в том или ином диапазоне электромагнитных волн . Их применяют для изготовления оптических элементов, работающих в ультрафиолетовой , видимой , инфракрасной областях спектра .
В разговорной речи и в промышленности нередко все твёрдые оптические материалы называют стёклами.
Роль оптических материалов иногда выполняют и оптические среды, некоторые полимеры, плёнки, воздух, газы, жидкости и другие вещества, пропускающие оптическое излучение .
Силикатные стёкла
Самым древним и известным оптическим материалом является обычное стекло , состоящее из смеси диоксида кремния и других веществ. Развитие технологии и ужесточение требований по мере роста совершенства оптических приборов привели к созданию особого класса технических стёкол - оптического стекла .
От прочих стёкол оно отличается особенно высокой прозрачностью, чистотой, бесцветностью, однородностью, а также строго нормированными преломляющей способностью и дисперсией .
Кварцевое стекло
См. также
Напишите отзыв о статье "Оптические материалы"
Примечания
Литература
- Винчелл А. Н., Винчелл Г., Оптические свойства искусственных минералов, пер. с англ., М., 1967;
- Сонин А. С., Василевская А. С., Электрооптические кристаллы, М., 1971;
- Физико-химические основы производства оптического стекла, под ред. Н. И. Демкиной, Л., 1976;
- Мидвин-тер Д. Э., Волоконные световоды для передачи информации, пер. с англ., М., 1983;
- Кочкин Ю. И., Румянцева Г. Н., «Зарубежная радиоэлектроника», 1985, № 9, с. 89-96;
- Леко В. К., Мазурин О. В., Свойства кварцевого стекла, Л., 1985;
- Deutsch Т. F., «J. Electronic Materials», 1975, v. 4, № 4, р.663-719;
- Lucas I., «Infrared Physics», 1985, v.25, № 1/2, p.277-81.
Ссылки
Отрывок, характеризующий Оптические материалы
– Урра! – зазвучали воодушевленные голоса офицеров.И старый ротмистр Кирстен кричал воодушевленно и не менее искренно, чем двадцатилетний Ростов.
Когда офицеры выпили и разбили свои стаканы, Кирстен налил другие и, в одной рубашке и рейтузах, с стаканом в руке подошел к солдатским кострам и в величественной позе взмахнув кверху рукой, с своими длинными седыми усами и белой грудью, видневшейся из за распахнувшейся рубашки, остановился в свете костра.
– Ребята, за здоровье государя императора, за победу над врагами, урра! – крикнул он своим молодецким, старческим, гусарским баритоном.
Гусары столпились и дружно отвечали громким криком.
Поздно ночью, когда все разошлись, Денисов потрепал своей коротенькой рукой по плечу своего любимца Ростова.
– Вот на походе не в кого влюбиться, так он в ца"я влюбился, – сказал он.
– Денисов, ты этим не шути, – крикнул Ростов, – это такое высокое, такое прекрасное чувство, такое…
– Ве"ю, ве"ю, д"ужок, и "азделяю и одоб"яю…
– Нет, не понимаешь!
И Ростов встал и пошел бродить между костров, мечтая о том, какое было бы счастие умереть, не спасая жизнь (об этом он и не смел мечтать), а просто умереть в глазах государя. Он действительно был влюблен и в царя, и в славу русского оружия, и в надежду будущего торжества. И не он один испытывал это чувство в те памятные дни, предшествующие Аустерлицкому сражению: девять десятых людей русской армии в то время были влюблены, хотя и менее восторженно, в своего царя и в славу русского оружия.
На следующий день государь остановился в Вишау. Лейб медик Вилье несколько раз был призываем к нему. В главной квартире и в ближайших войсках распространилось известие, что государь был нездоров. Он ничего не ел и дурно спал эту ночь, как говорили приближенные. Причина этого нездоровья заключалась в сильном впечатлении, произведенном на чувствительную душу государя видом раненых и убитых.
На заре 17 го числа в Вишау был препровожден с аванпостов французский офицер, приехавший под парламентерским флагом, требуя свидания с русским императором. Офицер этот был Савари. Государь только что заснул, и потому Савари должен был дожидаться. В полдень он был допущен к государю и через час поехал вместе с князем Долгоруковым на аванпосты французской армии.
Как слышно было, цель присылки Савари состояла в предложении свидания императора Александра с Наполеоном. В личном свидании, к радости и гордости всей армии, было отказано, и вместо государя князь Долгоруков, победитель при Вишау, был отправлен вместе с Савари для переговоров с Наполеоном, ежели переговоры эти, против чаяния, имели целью действительное желание мира.
Ввечеру вернулся Долгоруков, прошел прямо к государю и долго пробыл у него наедине.
18 и 19 ноября войска прошли еще два перехода вперед, и неприятельские аванпосты после коротких перестрелок отступали. В высших сферах армии с полдня 19 го числа началось сильное хлопотливо возбужденное движение, продолжавшееся до утра следующего дня, 20 го ноября, в который дано было столь памятное Аустерлицкое сражение.
До полудня 19 числа движение, оживленные разговоры, беготня, посылки адъютантов ограничивались одной главной квартирой императоров; после полудня того же дня движение передалось в главную квартиру Кутузова и в штабы колонных начальников. Вечером через адъютантов разнеслось это движение по всем концам и частям армии, и в ночь с 19 на 20 поднялась с ночлегов, загудела говором и заколыхалась и тронулась громадным девятиверстным холстом 80 титысячная масса союзного войска.
Сосредоточенное движение, начавшееся поутру в главной квартире императоров и давшее толчок всему дальнейшему движению, было похоже на первое движение серединного колеса больших башенных часов. Медленно двинулось одно колесо, повернулось другое, третье, и всё быстрее и быстрее пошли вертеться колеса, блоки, шестерни, начали играть куранты, выскакивать фигуры, и мерно стали подвигаться стрелки, показывая результат движения.
Как в механизме часов, так и в механизме военного дела, так же неудержимо до последнего результата раз данное движение, и так же безучастно неподвижны, за момент до передачи движения, части механизма, до которых еще не дошло дело. Свистят на осях колеса, цепляясь зубьями, шипят от быстроты вертящиеся блоки, а соседнее колесо так же спокойно и неподвижно, как будто оно сотни лет готово простоять этою неподвижностью; но пришел момент – зацепил рычаг, и, покоряясь движению, трещит, поворачиваясь, колесо и сливается в одно действие, результат и цель которого ему непонятны.
Скачать: oticheskiemateriali1995.djvu
Ответственный редактор А. С К О Ч E Н С К И ЙПРЕДИСЛOBИE
Большие успехи, достигнутые в развитии физики и химии твердого тела, а также многих отраслей техники, в значительной степени обусловлены созданием синтетических кристаллов с разнообразными свойствами.
Настоящая книга посвящена определенному классу кристаллических материалов, а именно оптическим кристаллам, которые применяются в инфракрасной технике. Для наиболее эффективного использования этих материалов требуется знание оптических, термомеханических, электрических и других характеристик. Однако эти характеристики, к сожалению, недостаточно систематизированы в научной литературе, что затрудняет выбор материала с оптимальными свойствами. Авторы поставили целью собрать в единое целое необходимые данные, разбросанные по многочисленным монографиям и оригинальным статьям. В результате анализа большого числа литературных данных были отобраны 74 материала, которые либо уже широко используются в инфракрасной технике, либо являются весьма перспективными. В число этих материалов были также включены наиболее интересные стекла и пластические массы. Затем были выявлены те свойства материалов, которые наиболее важны при их применении и качестве оптических материалов.Описание оптических материалов и их свойств и составляет содержание настоящей книги.
Авторы выражают глубокую признательность. Д. Кисловскому за ценные советы и замечания, проф. М. В. Классен-Неклюдовой за ценные критические замечания, И. М. Сильвестровой и. А. Шувалову за помощь в работе.
Авторы были бы признательны за все замечания, относящиеся к построению и содержанию книги, которые могли бы быть учтены при дальнейшей работе над справочной монографией подобного рода.I. ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИНФРОKРАСНОЙ ТЕХНИКИ
За последние годы резко возросло применение инфракрасного излучения л физике, химии, биологии и технике. Инфракрасный спектральный анали;! позволяет осуществлять количественное определение состава химических смесей и проводить автоматизацию ряда химических технологических процессов. Важнейшее значение приобрели методы инфракрасной спектроскопии при изучении строения молекул, кристаллов, полимеров, биологических объектов, минералов, а также при изучении анергии химических связей, механизма химических реакций, процессов поглощения излучения в твердых телах, особенно в полупроводниках. Астрономические исследования в инфракрасной области спектра позволяют установить химический состав и строение атмосферы, физические условия, существующие на планетах, в частности, распределение температуры на их поверхности. Инфракрасная аппаратура устанавливается на метеорологических спутниках и космических ракетах. Кроме того, открываются новые області» применения инфракрасного излучения и связи с созданием квантово механических генераторов, работающих в инфракрасном участке спектра.
Важнейшие детали и узлы в инфракрасной аппаратуре построены из ряда оптических материалов. Оптические материалы требуются для изготовления призм, линз, окошек, фильтров, кювет, обтекателей и т. д. Эти материалы должны обладать разнообразными физическими и химическими свойствами и удовлетворять достаточно жестким эксплуатационным требованиям.
Необходимым условием для использовании оптических материалов является их хорошая прозрачность в нужном участке инфракрасного спектра. В настоящее время имеются материалы с достаточно высокой прозрачностью, по крайней мере в определенном спекі рельном диапазоне.Просветленно оптики еще более расширяет возможности выбора подходящего прозрачного материала. Отметим, что в последнее время увеличилась потребность в оптических материалах для дальней инфракрас-6
ной области спектра 200 - 1000 мк. В ряде случаев, кроме прозрачности материалов в инфракрасной области спектра, требуется дополнительная прозрачность для радиоволнового диапазона.
Важной оптической.характеристикой материалов является их показатель преломления и днсиерсня. Во многих случаях (призмы, оптические системы г большим увеличением и широким углом зрения) необходимы материалы с высоким показателем преломления, в то время как при изготовлении окон и обтекателей желателен небольшой показатель преломления, во избежание больших потерь на отражение. Кроме того, для возможности корректировки аберрации в оптических системах и создания иммерсионной оптики необходимо иметь материалы, обладающие различными показателями преломления. Весьма большое значение n.wor тсмиературнан зависимость нро-пускания и преломления материалов,ибо часто в">з шкаег нагрев оптических деталей до сравнительно высоких температур.
Как правило, в оптических материалах, используемых в инфракрасной технике, двупреломление должно отсутствовать. Однако для создания некоторых типов оптических конструкций, например, интер-ферепционпо-полярнзационпых фильтров или компенсаторов, требуются материалы, обладающие дьупреломлением в инфракрасной области спектра.
Весьма интересны материалы, обладающие электрооптическим эффектом (эффектом Керри), которые становятся двупреломляющимн иод действием электрического ноли. Такие материалы позволяют создавать твердые ячейки Keppa, обеспечивающие модуляцию излучения.