), 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.

И др., давно используют в качестве оптических материалов. Кроме того, используют большое кол-во синтетич. , 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 , и лучшими по сравнению с ними конструкц. св-вами. Наиб. применение находит оптич. (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. ), цирконато-титанатов Pb, La (электрооптич. ), 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. св-вами, относительно простой технологией изготовления крупногабаритных изделий и изделий со сложной конфигурацией. Применяются с 18 в. В качестве оптических материалов используют бесцв. или цветные оксидные и бескислородные стекла (см. также ). Большинство оксидных оптич. стекол-силикатные (более 30-40% SiO 2 по массе), свинцово- или боросиликатные, а также многокомпонентные оксидные системы из 10-12 разл. , 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. , 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) оптические материалы делят на типы-кроны и флинты (рис. 2). Флинты характеризуются малым коэф. дисперсии (v D < 50), -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 добавляют В 2 О 3 , А1 2 О 3 , 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 ).

\

Рис. 2. оптич. стекол (диаграмма Аббе) в зависимости от их показателя преломления (n D) и коэф. дисперсии света (v D): ЛК-легкие ; ФК-фосфатные ; ТФК-тяжелые фосфатные ; К-кроны; БК-баритовые ; ТК - тяжелые ; КФ - кронфлинты: БФ-баритовые флинты; ТБФ-тяжелые баритовые флинты; ЛФ-легкие флинты; Ф-флинты; ТФ-тяжелые флинты; СТФ-сверхтяжелые флинты; СТК-сверхтяжелые .

Особое место среди стекол занимают фотохромные (см. )стекла. Выделяют также , 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 поликомпонентных стекол и (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 оптическим материалам относятся мн. нсорг. и орг. в-ва. Среди первых наиб. распространены аморфный Si, SiO 2 , II-VI групп, соед. типа A II B VI , среди вторых-разл. : (орг. стекло), мн. .

Неорг. аморфные оптические материалы используют гл. обр. 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 оптических материалах см. , о жидкокристаллических-Жидкие .

К особому классу относятся оптические материалы 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), (напр., ). Градиентные слои и пленки на Li и др. кристаллич. или стеклянных материалах - основа интегрально-оп-тич. устройств.

По спектральному диапазону различают оптические материалы, пропускающие в УФ, видимой и ИК областях спектра. Нек-рые 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 гл. обр. , 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; , 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 , составляющих структуру оптических материалов, длинноволновая граница пропускания большего числа оптических материалов перемещается в сторону расширения спектрального диапазона; напр., для имеет место след. ряд: < селени-ды < < (либо =) . Для иоди-да Cs длинноволновая граница прозрачности составляет ~ 60 мкм.

По назначению различают: оптические материалы для элементов оптич. устройств; просветляющие, отражающие и поглощающие покрытия; электрооптич., магнитооптич., акустооптич. и пьезооптич. материалы. Иногда к оптическим материалам относят , материалы для преобразования света в тепло и электричество, а также оптические материалы в виде , : дисперсные , отражающие покрытия, люминесцирующие стекла, для . В качестве оптических материалов иногда применяют оптич. (с определенным показателем преломления), прозрачные орг. 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. структуры-микровключениях посторонних фаз, пузырях и свилях (областях стекол с измененным показателем преломления), микропорах (для ) 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 , и .

Электрооптические, магнитооптические, акустооптические и пьезооптические оптические материалы 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, др. и , типа сфалерита и эвлитина, разл. сегнето- и антисегнетоэлектрики, в т.ч. LiNbO 3 , LiTaO 3 , BaTiO 3 , бариевостронциевые и др. К маг-нитооптич. материалам относят железоиттриевые и железо-гадолиниевые гранаты, содержащие РЗЭ, и др. (см. ). Осн. акустооптич. и пьезооптич. материалы - , мн. , и др. (см. ).

Многие оптические материалы способны поляризовать световой поток, напр. вращать плоскость света. При облучении нек-рых оптических материалов видимыми и УФ лучами наблюдается вторичное свечение-фотолюминесценция (см. ).

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

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.

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.

Существует большое количество типов лазера. Однако принцип работы один, поэтому существуют некоторые осовные части для любого лазера. Это активная среда, система накачки, оптический резанатор. Еще добавим такие элементы конструкции как: корпус, подвижные и герметичные системы, электроника, фильтры. Для всех этих элментов используют разные материалы. Эти материалы можно разделить на конструкционные и оптические. Конструкционные материалы -- материалы, из которых изготовляются различные конструкции, элементы сооружений, детали машин, воспринимающих силовую нагрузку. Оптические материалы - это природные и синтетические материалы, стёкла, поликристаллические, полимерные и другие материалы, монокристаллы, прозрачные в том или ином диапазоне электромагнитных волн. Их применяют для изготовления оптических элементов, работающих в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра.

Оптические материалы

Активная среда

Вещество, в котором создана инверсия населённостей энергетических уровней квантовой системы называется активной средой. Активная среда усиливает проходящее через неё резонансное электромагнитное излучение при условии, если коэффициент квантового усиления превышает коэффициент потерь энергии в активной среде. Применение положительной обратной связи позволяет использовать рабочие тело для создания генератора когерентного электромагнитного излучения. В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное и плазма.

Твердотельные лазеры

Лазеры, где активной средой являеться твердое вещество, называются твердотельными лазерами. Их в свою очередь можно поделить на волокнистые, полупроводниковые и лазеры на кристаллах и стеклах. Однако все материалы, особенно кристаллы, должны иметь правильную атомно-кристаллическую решетку и поэтому многие, из них, кроме кристаллов с простой кубической решеткой (кремний, германий), отличаются анизотропией оптических свойств. В оптически анизотропных кристаллов луч света делится на два луча, поляризованые в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Начиная с обычного карманного лазера с диодной накачкой, можно заметить, что он имеет сложную систему из нескольких активных сред. Первая среда это кристалл алюмо-иттриевыего граната (YAG) или ортованадата иттрия. Следующей ступенью является нелинейная оптическая система из кристалла титанил фосфата калия (KTiOPO 4 , KTP). Такая система связана с увеличением вдвое частоты входного излучения. Вследствии чего длинна волны находиться в интервале видимого излучения (см. рис. 1) в зеленом диапозоне, при этом потери в лазере минимальны. КПД в таком случае может достигать 20%, по сравнению сравнению с 3% у других карманых лазеров. В рубиновом лазере рабочим телом является искусственный сапфир Al 2 O 3 с примесью Cr 2 O 3 . Благодаря чему излучение лазера окрашивается в монохроматический ярко-розовый цвет с малой продольной модой. Такие лазеры широко распространены в голографии, является одним из первых лазеров.

Еще один твердотельный лазер - лазер на оптическом волокне. Существует большое разнообразие конструкций волоконных лазеров, обусловленное спецификой их применения. Специальными методиками можно создать однополяризационные лазеры, лазеры сверхкоротких импульсов и другие. Во всех волоконных лазерах применяются специальные типы оптических волокон, в которые встроены один или несколько волноводов для осуществления оптической накачки. В таблице представлены основные материалы, используемые в качестве активной среды в твердотельных лазерах.

Таблица 1

Типы твердотельных лазеров

Рабочее тело	Применение
Алюмо-иттриевые лазеры с легированием неодимом(Nd:YAG)	Обработка материалов, лазерные дальномеры, лазерные целеуказатели, хирургия, научные исследования, накачка других лазеров.
Лазер на фторидеиттрия-лития с легированием неодимом(Nd:YLF)
Лазер на ванадате иттрия(YVO 4) с легированиемнеодимом (Nd:YVO)	Наиболее часто используются для накачки титан-сапфировых лазеров, используя эффект удвоения частоты в нелинейной оптике.
Лазер на неодимовомстекле (Nd:Glass)	Лазеры сверхвысокой мощности (тераватты) и энергии (мегаджоули). Обычно работают в нелинейном режиме утроения частоты до 351 нм в устройствах лазерной плавки. Лазерный термоядерный синтез (ЛТС). Накачка рентгеновских лазеров.
Титан-сапфировый лазер	Спектроскопия, лазерные дальномеры, научные исследования.
Алюмо-иттриевые лазеры с легированием тулием(Tm:YAG)	Лазерные радары
Алюмо-иттриевые лазеры с легированием иттербием(Yb:YAG)	Обработка материалов, исследование сверхкоротких импульсов, мультифотонная микроскопия, лазерные дальномеры.
Алюмо-иттриевые лазеры с легированием гольмием(Ho:YAG)	Медицина
Церий-легированныйлитий-стронций (иликальций)-алюмо-фторидныйлазер (Ce:LiSAF, Ce:LiCAF)	Исследование атмосферы, лазерные дальномеры, научные разработки.
Лазер на александрите с легированием хромом	Дерматология, лазерные дальномеры.
Лазеры на фторидекальция, легированномураном (U:CaF 2)	Первый 4-х уровневый твердотельный лазер, второй работающий тип лазера (после рубинового лазера Маймана), охлаждался жидким гелием, сегодня нигде не используется.

Полупроводниковые лазеры - это лазеры с усиливающей средой на основе полупроводников, где генерация происходит, как правило, за счет вынужденного излучения фотонов при межзонных переходах электронов в условиях высокой концентрации носителей в зоне проводимости. Большинство полупроводниковых лазеров являются лазерными диодами с накачкой электрическим током, и с контактом между n-легированными и р-легированными полупроводниковыми материалами. Есть также полупроводниковые лазеры с оптической накачкой, где носители генерируются за счет поглощения возбуждающего их света, и квантово каскадные лазеры, где используются внутризонные переходы (см. рис. 2). Основными материалами для таких лазеров являются:

• · GaAs (арсенид галлия)
• · AlGaAs (арсенид галлия - алюминия)
• · GaP (фосфид галлия)
• · InGaP (фосфид галлия - индия)
• · GaN (нитрид галлия)
• · InGaAs (арсенид галлия - индия)
• · GaInNAs (арсенид-нитрид галлия индия)
• · InP (фосфид индия)
• · GaInP (фосфид галлия-индия)

Эти полупроводники являются прямозонными; полупроводники с непрямой запрещенной зоной, такие как кремний, не обладают сильным и эффективным световым излучением. Так как энергия фотона лазерного диода близка к энергии запрещенной зоны, полупроводниковые композиции с разными энергиями запрещенной зоны позволяют получить излучение с различными длинами волн. Помимо это полупроводниковые лазеры отличаются высоким КПД, малой инерционностью и простотой конструкции .