Материалы в лазерной технике. Оптические материалы для инфракрасной техники - Аскоченский А.А

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.

), поликристаллические (Прозрачные керамические материалы), 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

Переплавляя чистый диоксид кремния (например, горный хрусталь), получают так называемое кварцевое стекло . От прочих силикатных стёкол оно отличается существенной химической стойкостью, чрезвычайно малым коэффициентом линейного расширения и относительно высокой температурой плавления (1713–1728 °C). Благодаря этому возможно построение оптических систем, работающих в более широком диапазоне температур и агрессивных сред.

Кроме того, кварцевое стекло прозрачно для ультрафиолетового диапазона электромагнитных волн, что делает этот материал незаменимым для оптических систем, работающих в этой области спектра.

Органические стёкла

Основным поводом к созданию искусственного заменителя - органического стекла , стало отсутствие в пору его разработки (1930-е годы) материалов, пригодных для использования в авиации - прозрачных но нехрупких и достаточно прочных и гибких - этими качествами и был наделён данный синтетический полимер. В настоящее время органическое стекло уже не способно удовлетворять всем требованиям, предъявляемым ни авиацией, ни, тем более - космонавтикой, однако на смену ему пришли другие виды пластиков и новые модификации «обычного» стекла (наделённые повышенной отражательной способностью, термостойкие и прочные). Оргстекло по строгим физико-химическим характеристикам к своему прототипу отношения не имеет.

Кремний

Инфракрасная область

Линза, изготовленная из однородного кремния , прозрачна для инфракрасного излучения и непрозрачна для видимого света. В этой области спектра кремний имеет:

сверхвысокую дисперсию;
самое большое абсолютное значение показателя преломления n=3,4;

Рентгеновские линзы

Свойства кремния позволили создать новый тип фокусирующих систем для волн рентгеновского диапазона. Для изготовления таких систем используется контролируемое формирование периодического массива пор в процессе глубокого фотоанодного травления кремния. в ИПТМ РАН были разработаны способы управления формой пор.

Силикатные стёкла

Кварцевое стекло

См. также

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

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Оптические материалы" в других словарях:

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.… … Химическая энциклопедия

Полимеры, использующиеся в создании оптических систем. Виды оптических полимерных материалов * Материалы с эпоксидной композицией «черного» цвета для герметизации фотодиодов, предназначенных для дистанционного управления приборами. *… … Википедия

Оптические свойства горной породы - – свойства, характеризующие поглощение, пропускание и отражение электромагнитных волн оптического диапазона в горной породе. [ГОСТ Р 50544 93] Рубрика термина: Свойства горной породы Рубрики энциклопедии: Абразивное оборудование, Абразивы,… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Интенсивноразрабатываемое в 1980 90 е гг. новое поколение вычислит. техники (компьютеров)на основе использования оптич. излучения в качестве носителя информации … Физическая энциклопедия

Материаловедение междисциплинарный раздел науки, изучающий изменения свойств материалов, как в твердом, так и в жидком состоянии в зависимости от некоторых факторов. К изучаемым свойствам относятся структура веществ, электронные, термические,… … Википедия

Основная статья: Оптические материалы Волновод на базе прозрачной керамики Прозрачные керамические материалы материалы, прозрачные для электромагнитных … Википедия

Материалы, применяемые в летательных аппаратах. В отечественной практике А. м. по назначению подразделяются на конструкционные, определяющими характеристиками которых являются механические свойства, и материалы неконструкционного назначения,… … Энциклопедия техники

Возможно, эта статья содержит оригинальное исследование. Добавьте ссылки на источники, в противном случае она может быть выставлена на удаление. Дополнительные сведения могут быть на странице обсуждения. И … Википедия

авиационные материалы Энциклопедия «Авиация»

авиационные материалы - авиационные материалы материалы, применяемые в летательных аппаратах. В отечественной практике А. м. по назначению подразделяются на конструкционные, определяющими характеристиками которых являются механические свойства, и материалы… … Энциклопедия «Авиация»

Книги

Оптические материалы. Учебное пособие , Зверев Виктор Алексеевич, Кривопустова Екатерина Всеволодовна, Точилина Татьяна Вячеславовна. Понятие "оптические материалы" охватывает сегодня огромное множество оптических сред, различающихся не только показателем преломления и коэффициентом дисперсии, но и прозрачностью для…

Оптические материалы , кристаллич. или аморфные материалы, предназначенные для передачи или преобразования света в разл. участках спектрального диапазона. Различаются по строению, свойствам, функцией, назначению, а также по технологии изготовления.

Структура и свойства. По строению оптические материалы подразделяют на моно- и поликристаллические, стекла, аморфные, стекло-кристаллические и жидкокристаллические. Прир. монокристаллы, например, CaF 2 , SiO 2 , кальцита СаСО 3 , . каменной и др., давно используют в качестве оптических материалов. 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 оптические материалы характеризуются прозрачностью, по величине сходной с прозрачностью монокристаллов, и лучшими по сравнению с ними конструкц. свойствами. Наиб. применение находит оптич. (иртраны) 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 оптические материалы 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. свойствами, относительно простой технологией изготовления крупногабаритных изделий и изделий со сложной конфигурацией. Применяются с 18 в. В качестве оптических материалов используют бесцветные 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. . например алюмосиликафосфатные 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, главным образом 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) оптические материалы делят на типы – кроны и флинты (рис. 2). Флинты характеризуются малым коэф. дисперсии (v D 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 металлов).

Неорг. аморфные оптические материалы используют главным образом в виде разл. пленок, иногда в виде массивных образцов (напр., аморфный Si); орг. аморфные оптические материалы - в виде пленок, оптич. волокон, массивных образцов (напр., ..

О стеклокристаллических оптические материалы см. . о жидкокристаллических-Жидкие кристаллы.

К особому классу относятся оптические материалы с непрерывно изменяющимся составом и оптич. свойствами. Основа таких материалов - градиентные оптич. волокна или самофокусирующие градиентные оптич. элементы (напр., селфок, или градан) 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 растворов галогенидов Т1), (напр., полиметилметакрилата). Градиентные слои и пленки на монокристаллах Li и др. кристаллич. или стеклянных материалах - основа интегрально-оптич. устройств.

По спектральному диапазону различают оптические материалы, пропускающие в УФ, видимой и ИК областях спектра. Некоторые оптические материалы 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 главным образом кварц, фториды Li и Na; для работы в средней и дальней областях ИК спектра-преим. бескислородные оптические материалы. Такие оптические материалы, как Si, Ge, GaAs, InSb, пропускают только ИК излучение; 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.

Материалы оптических устройств (линзы, светофильтры и т.п.) имеют определенный показатель преломления, высокую прозрачность в определенном спектральном диапазоне, хорошо поддаются оптико-мех. обработке (шлифованию, полировке) поверхности. Наиб. важное свойство-оптич. однородность, т.к. ослабление (потери) света, наряду с поглощением, определяется рассеянием на разл. 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 поверхности. Разновидность просветляющих покрытий - интерференц. 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 главным образом из Ag, Au, Al, поглощающие - из . . и .

Электрооптические, магнитооптические, акустооптические и пьезооптические оптические материалы характеризуются способностью менять свои оптич. свойства под действием разл. полей (электрич., магн., звуковых). Наиб. распространенные электрооптич. материалы-КН 2 РО 4 , KH 2 AsO 4 и их дейтериевые аналоги, др. и аммония, 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 оптические материалы способны поляризовать световой поток, например вращать плоскость поляризации света. При облучении некоторых оптических материалов видимыми и УФ лучами наблюдается вторичное свечение-фотолюминесценция (см. Люминесценция).

Методы получения. В зависимости от состава и назначения оптических материалов для их получения применяют разл. методы. Общим является то, что все оптические материалы получают из сырья, максимально очищенного от примесей (напр., для оптических материалов, 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. используют методы монокристаллов выращивания, для оксидной керамики - спекание (см. Керамика), для получения поликристаллических оптических материалов из .горячее прессование. Бескислородные поликристаллические оптические материалы 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. Оптические стекла получают методом варки стекла. Для кварцевых оптич. волокон наиб. распространено хим. осаждение из газовой фазы по реакциям SiCl 4 + O 2 SiO 2 + 2 Сl 2 или SiCl 4 + О 2 + 2Н 2 SiO 2 + 4 НСl. Образующиеся при высокой температуре частицы SiO 2 осаждают (в виде слоев) на внутр. поверхность кварцевой трубки (т. наз. CVD-метод; англ, chemical vapor deposition), внеш. поверхность 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".