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.

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 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), кроны -большим (v_D > 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 v_D в состав кронов добавляют В₂О₃, А1₂О₃, ВаО, СаО, в состав флинтов-PbO, TiO₂, ZnO, MgO, Sb₂O₃. Осветлители стекол-As₂O₃ и Sb₂O₃. Наиб. высокими значениями v_D обладают фосфатные флинты на основе Р₂О₅ (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 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 A^IIB^VI, 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 (> 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 фториды сульфиды < хлориды селени-ды < бромиды 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; NaAlF_{4 ,} 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 + O₂SiO₂ + 2 Сl₂ или SiCl₄ + О₂ + 2Н₂SiO₂ + 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 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 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.