Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Поиск репетиторов
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 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 оптические материалы подразделяют на моно- и поликристаллические, стекла, аморфные, стекло-кристаллические и жидкокристаллические. Прир. монокристаллы, напр., флюорита CaF2, кварца SiO2, кальцита СаСО3, слюды, каменной соли 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. св-вами. Наиб. применение находит оптич. керамика (иртра-ны) на основе Аl2О3 (напр., поликор, или лукалокс), Y2O3 (иттралокс), MgAl2O4, SiO2 (кварцевая оптич. керамика), цирконато-титанатов Pb, La (электрооптич. керамика), а также бескислородные поликристаллические оптические материалы для ИК области спектра- LiF, MgF2, ZnS, ZnSe и др.

3515-20.jpg

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 Стекло неорганическое). Большинство оксидных оптич. стекол-силикатные (более 30-40% SiO2 по массе), свинцово- или боросиликатные, а также многокомпонентные оксидные системы из 10-12 разл. оксидов, напр. алюмоси-ликафосфатные стекла, содержащие Аl2О3, SiO2, P2O5. Несиликатные оксидные стекла содержат Р2О5, В2О3, GeO2 или ТеО2. При изменении состава стекол изменяются и их оптич. константы, гл. обр. показатель преломления nD и коэф. дисперсии света vD. В зависимости от величин этих характеристик на диаграмме nD — vD (т. наз. диаграмма Аббе) оптические материалы делят на типы-кроны и флинты (рис. 2). Флинты характеризуются малым коэф. дисперсии (vD < 50), кроны -большим (vD > 50). Стекла обоих типов наз. 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. Наиб. высокими значениями vD обладают фосфатные флинты на основе Р2О5 (особенно при введении фторидов металлов).

3515-21.jpg \

Рис. 2. Классификация оптич. стекол (диаграмма Аббе) в зависимости от их показателя преломления (nD) и коэф. дисперсии света (vD): 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 SiО2-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 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 оптическим материалам относятся мн. нсорг. и орг. в-ва. Среди первых наиб. распространены аморфный Si, SiO2, оксиды II-VI групп, соед. типа AIIBVI, среди вторых-разл. полимеры: полиметилметакрилат (орг. стекло), полистирол, мн. фторопласты.

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., полистирол).

О стеклокристаллических оптических материалах см. Ситаллы, о жидкокристаллических-Жидкие кристаллы.

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), 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 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 (3515-22.jpg> 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 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 др. 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; напр., для анионов имеет место след. ряд: оксиды 3515-23.jpg фториды 3515-24.jpg сульфиды < хлориды 3515-25.jpg селени-ды < бромиды 3515-26.jpg теллуриды < (либо =) иодиды. 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 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 оптических материалов 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; 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 гл. обр. из Ag, Au, Al, поглощающие - из углерода, оксидов, нитридов и силицидов.

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-КН2РО4, KH2AsO4 и их дейтериевые аналоги, соли др. щелочных металлов и аммония, кристаллы типа сфалерита и эвлитина, разл. сегнето- и антисегнетоэлектрики, в т.ч. LiNbO3, LiTaO3, BaTiO3, 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, напр. вращать плоскость поляризации света. При облучении нек-рых 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. монокристаллов используют методы монокристаллов выращивания, для оксидной керамики-спекание (см. Керамика), для получения поликристаллических оптических материалов из порошков-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. Оптич. стекла получают методом варки стекла. Для кварцевых оптич. волокон наиб. распространено хим. осаждение из газовой фазы по р-циям SiCl4 + O23515-27.jpgSiO2 + 2 Сl2 или SiCl4 + О2 + 2Н23515-28.jpgSiO2 + 4 НСl. Образующиеся при высокой т-ре частицы SiO2 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 nD 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 оптические материалы 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 оптических материалов до 10-2-10-4см-1 используют мономеры, предварительно подвергнутые очистке. Покрытия из оптических материалов наносят термич. вакуумным напылением, испаряя исходный материал в электропечах или потоком электронов (катодное, магне-тронное распыление).

Оптические материалы 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.

Лит.: 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.

___

     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн