Список тематических статей

Оптические материалы

Кристаллические или аморфные материалы, предназначенные для передачи или преобразования света в различных 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. Природные монокристаллы, например, флюорита CaF₂, кварца SiO₂, кальцита СаСО₃, слюды, каменной соли и других, давно используют в качестве оптических материалов. Кроме того, используют большое количество синтетических монокристаллов, обладающих прозрачностью в различных участках оптического диапазона и имеющих высокую однородность и определенные габариты.

Поликристаллические оптические материалы характеризуются прозрачностью, по величине сходной с прозрачностью монокристаллов, и лучшими по сравнению с ними конструкционными свойствами. Наибольшее применение находит оптическая керамика (иртраны) на основе Аl₂О₃ (например, поликор, или лукалокс), Y₂O₃ (иттралокс), MgAl₂O₄, SiO₂ (кварцевая оптическая керамика), цирконатотитанатов Pb, La (электрооптическая керамика), а также бескислородные поликристаллические оптические материал для ИК области спектра – LiF, MgF₂, ZnS, ZnSe и других.

Оптические стекла характеризуются высокой прозрачностью в различных спектральных диапазонах, высокой однородностью структуры, позволяющей сохранять неизменность фронта световой волны при ее распространении в толще стекла, коррозионностойкостью, хорошими конструкционными свойствами, относительно простой технологией изготовления крупногабаритных изделий и изделий со сложной конфигурацией.

Применяются с XVIII века. В качестве оптических материал используют бесцветные или цветные оксидные и бескислородные стекла. Большинство оксидных оптических стекол – силикатные (более 30-40% SiO₂ по массе), свинцово- или боросиликатные, а также многокомпонентные оксидные системы из 10-12 различных оксидов, например алюмоси-ликафосфатные стекла, содержащие Аl₂О₃, SiO₂, P₂O₅. Несиликатные оксидные стекла содержат Р₂О₅, В₂О₃, GeO₂ или ТеО₂.

При изменении состава стекол изменяются и их оптические константы, главным образом показатель преломления nD и коэффициент дисперсии света vD. В зависимости от величин этих характеристик на диаграмме nD-vD (так называемая диаграмма Аббе) оптические материалы делят на типы – кроны и флинты.

Флинты характеризуются малым коэффициентом дисперсии (vD<50), кроны –большим (vD>50). Стекла обоих типов назывваются легкими или тяжелыми в зависимости от величины показателя преломления. Обе разновидности стекол имеют общие компоненты – SiO₂, Na₂O, К₂О. Кроме того, для увеличения vD в состав кронов добавляют В₂О₃, А1₂О₃, ВаО, СаО, в состав флинтов – PbO, TiO₂, ZnO, MgO, Sb₂O₃. Осветлители стекол – As₂O₃ и Sb₂O₃. Наиболее высокими значениями vD обладают фосфатные флинты на основе Р₂О₅ (особенно при введении фторидов металлов).

Особое место среди стекол занимают фотохромные стекла. Выделяют также кварцевые стекла, уникальные по термо- и химической стойкости, огнеупорности и другими свойствам. Стеклообразный SiО₂ – основной компонент кварцевых оптических волокон для протяженных волоконно-оптических линий связи; такие волоконно-оптические материалы характеризуются минимальными оптическими потерями на поглощение (~10-6 см^-1). Для линий протяженностью 10-100 м используют также оптические волокна на основе прликомпонентных стекол и полимеров (оптические потери ~10^-3-10^-5 см^-1).

Оптические потери (теоретические) у бескислородных оптических стекол на 1-3 порядка ниже, чем у оксидных. В качестве таких материалов для ИК диапазона используют обычно различные халькогенидные стекла, содержащие As, S (Se, Те), Sb, P, Tl, Ge и другие. Наименьшими оптическими потерями в ИК диапазоне обладают оптические волокна на основе галогенидов Ag, Tl и их твердых растворов и волоконные световоды на основе фтороцирконатных (содержат Zr, F с добавлением Ва, Na, РЗЭ и других) и халькогенидных стекол (содержат As-S(Se)-Ge).

К аморфным оптическим материалам относятся многие неорганические и органические вещества. Среди первых наиболее распространены аморфный Si, SiO₂, оксиды II-VI групп, соединения типа AIIBVI, среди вторых – различают полимеры: полиметилметакрилат (органическое стекло), полистирол, многие фторопласты.

Неорганические аморфные оптические материалы используют главным образом в виде различных пленок, иногда в виде массивных образцов (например, аморфный Si); органические аморфные оптические материалы – в виде пленок, оптических волокон, массивных образцов (например, полистирол).

К особому классу относятся оптические материалы с непрерывно изменяющимся составом и оптическими свойствами. Основа таких материалов – градиентные оптические волокна или самофокусирующие градиентные оптические элементы (например, селфок, или градан) в виде цилиндрических образцов (диаметр 1-10 мм), обеспечивающих фокусировку света. Изготовляют их из таллиево-силикатных или силикогерманатных стекол, кристаллических материалов (например, на основе твердых растворов галогенидов Т1), полимеров (например, полиметилметакрилата). Градиентные слои и пленки на монокристаллах ниобата Li и др. кристаллич. или стеклянных материалах – основа интегрально-оптических 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, видимой и ближней ИК областях спектра применяют главным образом кварц, фториды Li и Na; для работы в средней и дальней областях ИК спектра –преимущественно бескислородные оптические материалы. Такие оптические материалы, как Si, Ge, GaAs, InSb, пропускают только ИК излучение; галогениды щелочных металлов, BaF₂, ZnSe прозрачны в видимой, ближней и средней ИК областях спектра; КСl, GaAs, TlBr-TlI и другие пропускают интенсивное лазерное ИК излучение.

С увеличением массы атомов, составляющих структуру оптических материалов, длинноволновая граница пропускания большего числа оптических материалов перемещается в сторону расширения спектрального диапазона; например, для анионов имеет место следующий ряд: оксиды < (либо =) фториды < (либо =) сульфиды < хлориды< (либо =) селениды < бромиды < (либо =) теллуриды < (либо =) иодиды. Для йодида Cs длинноволновая граница прозрачности составляет ~ 60 мкм.

По назначению различают:

Оптические материалы для элементов оптических устройств; просветляющие, отражающие и поглощающие покрытия; электрооптические, магнитооптические, акустооптические и пьезооптические материалы. Иногда к оптическим материалам относят лазерные материалы, материалы для преобразования света в тепло и электричество, а также оптические материалы в виде композитов, порошков, эмульсий: дисперсные фильтры, отражающие покрытия, люминесцирующие стекла, красители для лазеров. В качестве оптического материала иногда применяют оптические клеи (с определенным показателем преломления), прозрачные органические иммерсионные жидкости и другие.

Материалы оптических устройств (линзы, светофильтры и тому подобных) имеют определенный показатель преломления, высокую прозрачность в определенном спектральном диапазоне, хорошо поддаются оптико-механической обработке (шлифованию, полировке) поверхности. Наиболее важное свойство – оптическая однородность, так как ослабление (потери) света, наряду с поглощением, определяется рассеянием на различных дефектах структуры – микровключениях посторонних фаз, пузырях и свилях (областях стекол с измененным показателем преломления), микропорах (для керамики) и тому подобных.

Просветляющие покрытия служат для уменьшения коэффициента отражения оптических устройств, отражающие – для изготовления зеркал, поглощающие – для чернения поверхности. Разновидность просветляющих покрытий – интерференциальные покрытия толщиной 10-150 мкм; они могут быть многослойными и характеризоваться постепенным изменением показателя преломления от низкого (1,3-1,55; NaAlF₄ , MgF₂ или SiO₂) до среднего (2,0-2,6; ZrO₂, GeO₂, ZnS, TiO₂ или A1₂S₃) и высокого (более 3,0; Si, Ge). Отражающие покрытия изготовляют главным образом из Ag, Au, Al, поглощающие – из углерода, оксидов, нитридов и силицидов.

Электрооптические, магнитооптические, акустооптические и пьезооптические оптические материалы характеризуются способностью менять свои оптические свойства под действием различных полей (электрического, магнитного, звукового). Наиболее распространенные электрооптические материалы – КН₂РО₄, KH₂AsO₄ и их дейтериевые аналоги, соли других щелочных металлов и аммония, кристаллы типа сфалерита и эвлитина, различных сегнето- и антисегнетоэлектрики, в том числе LiNbO₃, LiTaO₃, BaTiO₃, бариевостронциевые бронзы и другие.

К магнитооптическим материалам относят железоиттриевые и железо-гадолиниевые гранаты, ферриты, содержащие РЗЭ, и другие.

Основные акустооптические и пьезооптические материалы – кварц, многие титанаты, ниобаты, танталаты и другие.

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.

Методы получения.

В зависимости от состава и назначения оптических материалов для их получения применяют различные методы. Общим является то, что все оптические материалы получают из сырья, максимально очищенного от примесей (например, для оптических материалов, работающих в видимой и ближней ИК областях, основные красящие примеси – Fе, Mn, Cu, Cr, Ni, Co). Содержание примесей в сырье не должно превышать 10^-2 % по массе, что обеспечивает коэффициент поглощения менее 10-2 см^-1, а в случае волоконно-оптических материалов – 10^-5-10^-7 % по массе.

Для выращивания синтетических монокристаллов используют методы монокристаллов выращивания, для оксидной керамики – спекание, для получения поликристаллических оптических материалов из порошков – горячее прессование. Бескислородные поликристаллические оптические материалы для ИК области спектра с размерами зерен ~50 мкм и коэффициент поглощения ~10^-3 см^-1 получают с использованием метода химического осаждения из газовой фазы или конденсацией из паровой фазы.

Оптические стекла получают методом варки стекла. Для кварцевых оптических волокон наиболее распространено химическое осаждение из газовой фазы. Образующиеся при высокой температуре частицы SiO₂ осаждают (в виде слоев) на внутренней поверхности кварцевой трубки (так называемый CVD-метод), внешней поверхности цилиндрической подложки (OVD-метод) или на торец затравочного кварцевого стержня (VAD-метод). Затем при нагревании заготовка оплавляется и вытягивается в тонкое оптическое волокно.

Для изменения состава и nD кварц легируют Ge, F и другими. Для получения поликомпонентных и ИК оптических волокон используют фильерный метод или перетяжку пары «согласованных» стекол по методу «штабикислотрубка».

Среди различных методов получения градиентных материалов наиболее значение имеет обработка стекол расплавами солей щелочных металлов, при которой протекает диффузия ионов из стекла в расплав и наоборот (метод ионного обмена).

Неорганические аморфные оптические материалы получают конденсацией из паро-газовой фазы, химическими транспортными реакциями, кристаллизацией и химическим осаждением из растворов, облучением кристаллических материалов и другими методами. Органические – полимеризацией в блоке, растворе и так далее. Для снижения оптических потерь в волокнах из аморфных органических оптических материалах до 10^-2-10^-4см^-1 используют мономеры, предварительно подвергнутые очистке.

Покрытия из оптических материалов наносят термически вакуумным напылением, испаряя исходный материал в электропечах или потоком электронов (катодное, магнетронное распыление).

Оптические материалы применяют в качестве элементов в оптических системах приборов, оптоэлектронных устройствах, световодных системах связи, измерительных и интегральных схемах, в средствах управления и контроля технологическими и физическими процессами, бытовых приборах, медицинской аппаратуре и так далее.

Гладкова Наталья