Оптическое материаловедение
..pdf
Активные оптические материалы
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для управления |
|
Для генерации |
|
световыми потоками |
|
световых потоков |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Электро- |
|
|
|
Фото- |
|
|
|
|
|||
|
и магнитооптические |
|
|
|
и электрохромные |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Нелинейные |
|
|
|
|
Лазерные |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Кристаллические |
|
|
Стеклокристаллические |
|
Стеклообразные |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По строению оптические материалы подразделяют на моно- и поликристаллические, стекла, аморфные, стеклокристаллические и жидкокристаллические.
Природные монокристаллы, например флюорита CaF2, кварца SiO2, кальцита СаСО3, слюды, каменной соли и другие, 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.
Для изделий специального назначения наибольшее применение находит оптическая керамика (иртраны) на основе Аl2О3 (например, поликор, или лукалокс), Y2O3 (иттралокс), MgAl2O4, SiO2 (кварцевая оптическая керамика), цирконато-титанатов Pb, La (электрооптическая керамика), а также бескислородные поликристаллические оптические материалы для ИК-области спектра – LiF, MgF2, ZnS, ZnSe и др.
11
1.2. Свойства оптических материалов
Оптические
Физические Свойства оптических материалов
Химические
Механические Термические
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Оптические свойства |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Прозрачность |
|
|
|
Показатель преломления |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Оптическая |
|
|
|
|
Коэффициент |
|
|
|
||||||||||
|
плотность |
|
|
|
|
поглощения |
|
|
|
Дисперсия |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Поглощательная |
|
|
Спектральный |
|
|
|
|
|
Частная дисперсия |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
способность |
|
|
диапазон |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Число Аббе |
|
|||
|
|
|
|
Однородность |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Оптические материалы характеризуются высокой прозрачностью в различных спектральных диапазонах и высокой однородностью структуры, позволяющей сохранять неизменность фронта световой волны при ее распространении в толще стекла.
В качестве оптических материалов чаще всего используют бесцветные или цветные оксидные и бескислородные стекла.
12
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 – боль-
шим (vD > 50).
Стекла обоих типов называют легкими или тяжелыми в зависимости от величины показателя преломления.
Оптические волокна из чистого кварцевого стекла характеризуются минимальными оптиче-
скими потерями на поглощение
(~10–6 см–1).
Оптические потери (теоретические) у бескислородных оптических стекол на 1–3 порядка ниже, чем у оксидных.
Для линий протяженностью 10–100 м используют также оптические волокна на основе поликомпонентных сте-
кол и полимеров (оптические потери
~10–3–10–5 см–1).
В качестве таких материалов для ИКдиапазона используют обычно различные халькогенидные стекла, со-
держащие As, S (Se, Те), Sb, P, Tl, Ge
и др.
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, редкоземельных элементов (РЗЭ) и др.) и халькогенидных стекол (содержат As–S/Se–Ge).
По спектральному диапазону различают оптические материалы, пропускающие в ультрафиолетовой (УФ), видимой и инфракрасной (ИК) областях спектра.
Некоторые оптические материалы характеризуются широким плато спектрального пропускания, иногда разбиваемого на отдельные окна прозрачности селективными полосами поглощения примесей.
13
Для работы в УФ (λ > 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 используются преимущественно бескислородные оптические материалы.
Такие оптические материалы, как Si, Ge, GaAs, InSb пропускают только ИК-излу- чение; 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 ≤ фториды ≤ сульфиды < хлориды ≤ селениды < бромиды ≤ теллуриды ≤ иодиды. Для иодида Cs длинноволновая граница прозрачности составляет ~60 мкм.
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.
Изготавливают их из таллиевосиликатных или силикогерманатных стекол, кристаллических материалов (например, на основе твердых растворов галогенидов Тl), полимеров (например, полиметилметакрилата).
Градиентные слои и пленки на монокристаллах ниобата Li и других кристаллических или стеклянных материалах – основа интегрально-оптических устройств.
14
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Физические свойства |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Физические свойства |
|
|
|
Двулучепреломление |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Структура |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Электропроводность |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Аморфная |
|
|
|
Стекла |
|
Кристаллическая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Плотность |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
Полимеры |
|
|
Монокристаллы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Легкие |
|
|||||
|
Жидкости |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тяжелые |
|
|
|
|||
Поликристаллы
К аморфным оптическим материалам относятся многие неорганические и органические вещества.
Среди первых наиболее распространены аморфный Si, SiO2, ок-
сиды II–VI групп, соединения типа AIIBVI.
Неорганические аморфные оптические материалы используют главным образом в виде различных пленок, иногда в виде массивных образцов (например, аморфный Si).
Среди вторых – различные полимеры: полиметилметакрилат (органическое стекло), полистирол, многие фторопласты.
Органические аморфные оптические материалы используются чаще всего в виде пленок и оптических волокон.
Электрооптические, магнитооптические, акустооптические и пьезооптические оптические материалы характеризуются способностью менять свои оптические свойства под действием различных полей (электрического, магнитного, звукового).
Наиболее распространенные электрооптические материалы – KН2РО4, KH2AsO4 и их дейтериевые аналоги, соли других щелочных металлов и аммония, кристаллы типа сфалерита и эвлитина, различные сегнето- и антисегнетоэлектрики, в том числе LiNbO3, LiTaO3, BaTiO3, бариевостронциевые бронзы и др.
15
К магнитооптическим материалам относят железоиттриевые и железогадолиниевые гранаты, ферриты, содержащие РЗЭ, и др.
Многие оптические материалы способны поляризовать световой поток.
Основные акустооптические и пьезооптические материалы – кварц, многие титанаты, ниобаты, танталаты и др.
При облучении некоторых оптических материалов видимыми и УФ-лучами наблюдается вторичное свечение – фотолюминесценция.
Химические свойства
Химические свойства
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Устойчивость |
|
|
|
Устойчивость |
|
|
|
Устойчивость |
|
|
в окислительной атмосфере |
|
|
|
во влажной среде |
|
|
|
в агрессивной среде |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Определяющие факторы |
|
Химический состав |
Защитные покрытия |
Поверхностные дефекты |
16
Термические свойства
Температура
плавления
Термические
свойства
Температура
аллотропического
превращения
Жаропрочность
|
Коэффициент |
Жаростойкость |
термического |
расширения |
Механические свойства
Механические свойства
|
|
|
|
|
|
|
|
Твердость |
|
|
|
Прочность на растяжение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Хрупкость 
Прочность на сжатие
Ударная вязкость
Микрохрупкость
17
Лекция 2. ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ОПТИКИ
Согласно решениям уравнений Максвелла отклик материала на воздействие электрического поля световой волны с частотой ω полностью определяется его диэлектрической проницаемостью ε при этой частоте.
Из ортогональности векторов в световой волне следует:
rr |
|
ωε r |
|
|
|
||
kH |
=− c |
E |
c |
r rr |
ωε r |
||
|
rr |
|
ωµ r |
|
k kE |
=− c E |
|
|
|
ωµ |
|||||
kE =− |
c |
H |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
При наличии поглощения плоская волна не может распространяться без затухания.
В поглощающейr среде волновой вектор k всегда комплексный.
k 2 =ω2 εµ c2
k 2 =ω2 ε c2
E =E0e−k"r ei(ωt−k 'r)
kr=kr'−ikr".
Вектор kr' указывает направление распространения плоскостей равных фаз, а в направлении вектора k" убывает амплитуда волны.
Учитывая связь с волновым вектором, диэлектрическая проницаемость ε материала с любой конечной (не рав-
ной нулю) электрической проводимостью (то есть лю- ε=ε'+iε". бого материала, кроме вакуума) также является комплексной величиной.
|
|
|
k′2 −k′′2 =ωc22 |
ε′, 2(kr'kr")=ωc22 |
|
|
При этом |
|
ε". |
||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
18
Поскольку диэлектрическая проницаемость ε – это всегда квадрат показателя преломления, то показатель преломления также оказывается комплексной величиной.
n%= ε =n+iκ.
Действительная часть n – показатель преломления оптической среды, определяемый законом Снеллиуса (граница раздела с вакуумом).
sinϕ |
|
c |
n = sinϕ' |
, |
n = v. |
Мнимая часть показателя преломления κ – безразмерный показатель, связанный с поглощением света в среде.
Под воздействием приложенного электрического поля световой волны имеющиеся в нем электрические заряды (электроны, ионы и атомы, несущие какие-либо эффективные заряды) смещаются в направлении соответствующих полюсов – поляризация материала.
|
|
|
|
|
|
|
Количественной мерой поляризации материала служит |
|
|
|
|
|
~ |
|
|
% |
% |
|
вектор поляризации P |
– суммарный наведенный ди- |
|
P =NαE, |
|
|
|
|
|
||
|
польный момент единицы объема. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где N – число заряженных частиц (электронов, атомов или ионов) в единице объема вещества, α – поляризуемость соответствующей частицы вещества.
|
|
|
|
% |
|
|
|
|
|
|
|
|
Из электростатики известно |
|
% |
ε−1 |
|
|
|
|
P =E |
4π |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Таким образом, оптические постоянные всегда являются функциями
частоты (длины волны) ω= 2λπc.
ε=% 1+4πNα%.
ε%(ω)=ε'(ω)+iε"(ω);
n%(ω)=n(ω)+iκ(ω).
19
2.1. Отражение, преломление, поглощение и пропускание
I0 – падающий (исходный) поток оптического излучения; φ – угол падения потока; IR – отраженный поток; φ′ – угол преломления; Iin – поток, вошедший в пластину; Iout – поток, прошедший через пластину; I′R – поток, отраженный от второй (внутренней) поверхности пластины; I – вышедший из пластины поток
Измеряемой опытным путем характеристикой одной поверхности материала является энергетический коэффициент внешнего отражения R.
|
I |
R |
=I |
0 |
R; |
|
R =I R I0 |
|
|
|
|
||
I =I −I =I 1−R . |
||||||
|
|
|
|
0 R 0 ( |
) |
|
|
in |
|
||||
Характеристиками плоскопараллельной пластины являются коэффициент внешнего пропускания τ, измеряемый опытным путем, и коэффициент внутреннего пропускания τint.
τ=I
I0 ,
τint =Iout 
Iin .
Пренебрегая многократным отражением потока I′R внутри пластины, 
I =I |
out |
−I ' |
R |
=I |
out |
−I |
out |
R =I |
1−R |
) |
τ=I |
1−R |
) |
I |
. |
|
|
|
|
|
out ( |
|
out ( |
0 |
|
20