главная > справочник > химическая энциклопедия:

Оптические материалы

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, 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. свойствами. Наиб. применение находит оптич. керамика (иртраны) 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. 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% SiO₂ по массе), свинцово- или боросиликатные, а также многокомпонентные оксидные системы из 10-12 разл. оксидов. например алюмосиликафосфатные стекла, содержащие Аl₂О₃, SiO₂, P₂O₅. Несиликатные оксидные стекла содержат Р₂О₅, В₂О₃, GeO₂ или ТеО₂. 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 < 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. свойствам. 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 растворов 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 многие неорг. и орг. вещества. 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 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., полистирол..

О стеклокристаллических оптические материалы см. Ситаллы. 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), полимеров (напр., полиметилметакрилата). Градиентные слои и пленки на монокристаллах ниобата 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; 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 оптические материалы, длинноволновая граница пропускания большего числа оптических материалов перемещается в сторону расширения спектрального диапазона; например, для анионов имеет место след. ряд: оксиды фториды сульфиды < хлориды селениды < бромиды теллуриды < (либо =) иодиды. Для иодида Cs длинноволновая граница прозрачности составляет ~ 60 мкм.

По назначению различают: оптические материалы для элементов оптических 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 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. 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 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 ,} 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 оптич. свойства 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, 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. 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. Оптические стекла получают методом варки стекла. Для кварцевых оптич. волокон наиб. распространено хим. осаждение из газовой фазы по реакциям SiCl₄ + O₂ SiO₂ + 2 Сl₂ или SiCl₄ + О₂ + 2Н₂ SiO₂ + 4 НСl. Образующиеся при высокой температуре частицы SiO₂ 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".

Среди разл. методов получения градиентных материалов наиб. значение имеет обработка стекол расплавами солей щелочных металлов, при которой 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 растворов, облучением кристаллич. материалов и др. методами; органические - полимеризацией в блоке, растворе 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 оптические материалы наносят термич. вакуумным напылением, испаряя исходный материал в электропечах или потоком электронов (катодное, магнетронное 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., Электрооптические кристаллы, М., 1971; Физико-химические основы производства оптического стекла, под ред. Н. И. Демкиной, Л., 1976; Мидвинтер 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.

© В. В. Сахаров.