Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

1054

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

15.11.2022

Размер:

8.52 Mб

Скачать

☆

1 / 281 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

В.С. Постников

ОПТИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Курс лекций

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2013

УДК 621.383+666.1/.2.017](078) П63

Рецензенты:

канд. техн. наук, доц. В.П. Вылежнев (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

д-р физ.-мат. наук, начальник С.Н. Пещеренко (Инженерно-технический центр ЗАО «Новомет-Пермь»)

П63	Постников, В.С.
	Оптическое материаловедение : курс лекций / В.С. Постников. – Пермь :

Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2013. – 280 с. ISBN 978-5-398-01056-5

Изложены физико-химические и механические характеристики стеклообразных и кристаллических материалов. На основе понятий физической оптики рассмотрены оптические характеристики стекол и кристаллов и показаны способы изменения этих характеристик.

Предназначен для обучения студентов по направлению 200600 «Фотоника и оптоинформатика» при изучении дисциплины «Оптическое материаловедение».

УДК 621.383+666.1/.2.017](078)

ISBN 978-5-398-01056-5

СОДЕРЖАНИЕ
Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................	7
1.1. Классификация оптических материалов............................................................	10
1.2. Свойства оптических материалов.......................................................................	12
Лекция 2. ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ОПТИКИ....................	18
2.1. Отражение, преломление, поглощение и пропускание....................................	20
Лекция 3. ПОГЛОЩЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В МАТЕРИАЛЕ......................................	23
3.1. Практические характеристики потерь излучения.............................................	24
3.2. Виды и механизмы поглощения электромагнитного излучения
в различных спектральных диапазонах.....................................................................	25
3.3. Фундаментальные спектры электронных возбуждений...................................	26
3.4. Фундаментальное электронное поглощение в диэлектриках..........................	28
3.5. Колебательные уровни двухатомной молекулы................................................	30
3.6. Фундаментальные колебательные возбуждения в твердых телах...................	32
3.7. Многофононное поглощение...............................................................................	34
Лекция 4. ОПТИКА МАТЕРИАЛА В ДИАПАЗОНЕ ПРОЗРАЧНОСТИ ................	35
4.1. Соотношения Крамерса – Кронига.....................................................................	37
4.2. Частотная зависимость оптических постоянных...............................................	38
Лекция 5. ОПТИКА МАТЕРИАЛА В ДИАПАЗОНЕ ПРОЗРАЧНОСТИ
(продолжение) ..............................................................................................................	39
5.1. Аналитическая модель дисперсии диэлектрической проницаемости
в приближении отсутствия локального поля (модель Друде).................................	39
5.2. Аналитическая модель дисперсии диэлектрической проницаемости
с поправкой на локальное поле (модель Лоренц-Лорентца)...................................	41
5.3. Современные варианты классического уравнения дисперсии комплексной
диэлектрической проницаемости...............................................................................	42
Лекция 6. РЕФРАКЦИЯ.................................................................................................	44
6.1. Основные оптические характеристики, используемые в фотонике................	45
6.2. Хроматическая аберрация....................................................................................	47
6.3. Диаграмма Аббе....................................................................................................	48
6.4. Правило Аббе........................................................................................................	49
Лекция 7. ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ....................................................................	50
7.1. Oксид кремния ......................................................................................................	52
7.2. Минеральные разновидности кварца..................................................................	56
7.3. Стекло (историческая справка) ...........................................................................	67
Лекция 8. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
СТЕКЛООБРАЗНОГО СОСТОЯНИЯ.......................................................................	69
8.1. Температурный интервал стеклования...............................................................	70
8.2. Вязкость стекол и расплавов ...............................................................................	71
8.3. Влияние химического состава стекла на его вязкость и длину.......................	73
8.4. Влияние химического состава на плотность стекла..........................................	75

Лекция 9. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
СТЕКЛООБРАЗНОГО СОСТОЯНИЯ (продолжение) ............................................	76
9.1. Теплофизические свойства стекол......................................................................	76
9.2. Химическая устойчивость стекол........................................................................	77
9.3. Классификация стекол по химической устойчивости.......................................	81
Лекция 10. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
СТЕКЛООБРАЗНОГО СОСТОЯНИЯ (продолжение) ............................................	83
10.1. Оптические свойства стекол..............................................................................	83
10.2. Нормируемые и справочные характеристики качества оптического
стекла (по ГОСТ 23136–93).........................................................................................	87
Лекция 11. КВАРЦЕВОЕ СТЕКЛО...............................................................................	89
11.1. Способы получения кварцевого стекла............................................................	91
11.2. Марки кварцевого стекла (по ГОСТ 15130–86)...............................................	96
11.3. Теплофизические характеристики кварцевого стекла....................................	98
Лекция 12. СИЛИКАТНЫЕ СТЕКЛА...........................................................................	99
12.1. Силикатные кроны............................................................................................	101
12.2. Диаграмма состояния системы Na2О–SiO2.....................................................	102
12.3. Диаграмма состояния системы K2О–SiO2 ......................................................	103
12.4. Структура силикатных стекол.........................................................................	104
12.5. Зависимость вязкости, длины стекла и Тg от состава и строения................	106
12.6. Оптические свойства щелочно-силикатных стекол......................................	108
Лекция 13. СИЛИКАТНЫЕ СТЕКЛА (продолжение)..............................................	109
13.1. Двойные системы со щелочноземельными оксидами...................................	109
13.2. Тройные системы R2O–R´O–SiO2 ....................................................................	110
13.3. Основные принципы технологических процессов производства
натриево-силикатных стекол ....................................................................................	112
13.4. Операция варки стекла.....................................................................................	115
Лекция 14. БОРОСИЛИКАТНЫЕ И АЛЮМОСИЛИКАТНЫЕ СТЕКЛА.............	118
14.1. Боросиликатные кроны.....................................................................................	118
14.2. Алюмосиликатные кроны ................................................................................	121
14.3. Составы боросиликатных кронов....................................................................	124
Лекция 15. СИЛИКАТНЫЕ ФЛИНТЫ.......................................................................	126
15.1. Диаграмма состояния системы SiO2–PbO ......................................................	126
15.2. Структура и свойства стекол системы SiO2–PbO ..........................................	127
15.3. Принципы производства флинтов...................................................................	130
Лекция 16. БОРАТНЫЕ И ФОСФАТНЫЕ СТЕКЛА................................................	131
16.1. Боратные стекла ................................................................................................	131
16.2. Фосфатные стекла.............................................................................................	135
Лекция 17. ФТОРОСОДЕРЖАЩИЕ ОПТИЧЕСКИЕ СТЕКЛА..............................	139
17.1. Фторбериллатные стекла..................................................................................	140
17.2. Стекла на основе фторидов тяжелых металлов.............................................	141
17.3. Промышленные многокомпонентные фторидные стекла............................	143
17.4. Технология получения многокомпонентных фторидных стекол...............	144
17.5. Фторидные оптические волокна......................................................................	146

17.6. Оксифторидные оптические стекла................................................................	148
Лекция 18. ХАЛЬКОГЕНИДНЫЕ СТЕКЛА..............................................................	149
18.1. Система S–As ....................................................................................................	153
18.2. Система Sе–As...................................................................................................	154
18.3. Система Sе–Ge ..................................................................................................	155
18.4. Особенности структуры халькогенидных стекол двойных систем.............	156
Лекция 19. ХАЛЬКОГЕНИДНЫЕ СТЕКЛА (продолжение) ...................................	159
19.1. Система As–Ge–Se ............................................................................................	159
19.2. Физические свойства халькогенидных стекол...............................................	161
19.3. Химические свойства халькогенидных стекол..............................................	162
19.4. Оптические свойства халькогенидных стекол...............................................	162
19.5. Основы технологии производства халькогенидных стекол.........................	164
Лекция 20. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ОКСИДНЫЕ СТЕКЛА..............................................	167
20.1. Германатные стекла..........................................................................................	167
20.2. Германатные волоконные световоды.............................................................	170
20.3. Теллуритные стекла..........................................................................................	171
Лекция 21. СТЕКЛА НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ...............	173
21.1. Высокомолекулярные (полимерные) стекла..................................................	174
21.2. Свойства полимерных стекол..........................................................................	176
21.3. Полиметилметакрилат......................................................................................	176
21.4. Применение полимерных стекол в оптике.....................................................	181
Лекция 22. ПРИРОДА ИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ В СТЕКЛАХ......................	183
22.1. Законы диффузии..............................................................................................	183
22.2. Электропроводность стекол.............................................................................	185
Лекция 23. ПРИРОДА ИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ В СТЕКЛАХ
(продолжение) ............................................................................................................	189
23.1. Влияние фазового разделения на проводимость стекол...............................	192
23.2. Влияние состава на проводимость стекол......................................................	193
23.3. Ионообменные процессы.................................................................................	196
23.4. Химическая устойчивость стекол...................................................................	200
Лекция 24. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПРОЧНОСТИ СТЕКЛА ...............................	202
24.1. Теории разрушения...........................................................................................	204
24.2. Твердость стекла...............................................................................................	206
24.3. Хрупкость стекла..............................................................................................	207
Лекция 25. МОДЕЛИ ПРОЧНОСТИ СТЕКОЛ..........................................................	209
25.1. Модель Гриффитса...........................................................................................	210
25.2. Статистическая модель прочности .................................................................	212
25.3. Статистическая модель Вейбулла...................................................................	214
Лекция 26. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И УВЕЛИЧЕНИЯ
ПРОЧНОСТИ СТЕКЛА............................................................................................	217
26.1. Определение прочности стекла на растяжение и сжатие.............................	217
26.2. Определение прочности стекла на изгиб .......................................................	218
26.3. Методы увеличения прочности стекла...........................................................	219
26.4. Закалка стекла...................................................................................................	220

Лекция 27. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И УВЕЛИЧЕНИЯ
ПРОЧНОСТИ СТЕКЛА (продолжение)..................................................................	223
27.1. Ионный обмен ...................................................................................................	223
27.2. Создание заданной формы профиля сжимающих напряжений. ESP
(engineered stress profile)-метод.................................................................................	225
27.3. Ламинирование поверхности...........................................................................	226
27.4. Полировка стекла..............................................................................................	228
Лекция 28. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И УВЕЛИЧЕНИЯ
ПРОЧНОСТИ СТЕКЛА (продолжение)..................................................................	231
28.1. Упрочнение стекла поверхностной кристаллизацией...................................	231
28.2. Нанесение упрочняющих оксидных или полимерных покрытий................	231
28.3. Прочность стеклянных волокон......................................................................	234
Лекция 29. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.......................	237
Лекция 30. МЕТОДЫ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ.......................................	248
30.1. Метод Чохральского.........................................................................................	249
30.2. Метод Киропулоса............................................................................................	252
30.3. Метод Обреимова – Шубникова......................................................................	254
30.4. Метод Бриджмена.............................................................................................	254
30.5. Метод Стокбаргера...........................................................................................	255
Лекция 31. МЕТОДЫ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ (продолжение) ............	256
31.1. Метод Вернейля ................................................................................................	256
31.2. Зонная плавка ....................................................................................................	257
31.3. Выращивание монокристаллов из газовой фазы...........................................	260
Лекция 32. ОПТИЧЕСКАЯ КЕРАМИКА...................................................................	263
32.1. Способы изготовления оптической керамики ...............................................	266
32.2. Формование .......................................................................................................	267
32.3. Спекание сформованных изделий...................................................................	269
Лекция 33. ОПТИЧЕСКАЯ КЕРАМИКА (продолжение) ........................................	273
33.1. Ситаллы..............................................................................................................	273
33.2. Прозрачная нанокерамика................................................................................	276
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................................	279

Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ

Оптическое материаловедение – раздел общего материаловедения, в котором изу- чаются свойства и методы получения материалов, применяемых в оптике.

Производство материалов, изучаемых в оптическом материаловедении, началось

5–6 тыс. лет назад. Однако первые попытки придать научное обоснование свойст- вам оптических материалов были предприняты только в XVII в.


	Первым научным трудом по стекло-			Первые серьезные попытки по-
	делию считают вышедшую во Фло-			лучения оптического стекла, то
	ренции в 1612 г. книгу монаха Анто-			есть стекла достаточной химиче-
	нио Нери, в которой были даны ука-			ской и физической однородности,
	зания об использовании окислов			и обладающего специфическими
	свинца, бора и мышьяка для осветле-			оптическими свойствами, можно
	ния стекла, приведены составы цвет-			отнести к концу XVII в.
	ных стекол.

В труде немецкого алхимика Кункеля (Johannes Kunckel) Ars vitraria experimentalis (1689) упоминается о борной и фосфорной кислотах как компонентах стекла и о боросиликатном кроне, близком по составу к некоторым современным сортам.

В 1663 г. в патенте англичанина Тильсона упоминается о введении окиси свинца в «флинт-глас», а в XVIII в. это стекло начинают применять для изготовления ахроматических линз сперва Честер Мур Холл (1729), а затем с большим успехом Питер Доллонд (1758).

Началом промышленного производства оптического стекла можно считать результат многолетней работы швейцарца Гинана, которому совместно с Фраунгофером удалось внедрить на заводе Утцшнайдера в Бенедиктбойерне (Бавария) более или менее надежный способ получения хорошего оптического стекла в горшках емкостью до 400 кг.

Ключом к успеху был изобретенный Гинаном прием механического перемешивания расплава во время варки круговыми движениями глиняного стержня, вертикально опущенного в стекло.

В 1811 г. Гинаном и Фраунгофером было запущено в производство два сорта оптического стекла: крон

(72 % SiO2, 18 % K2O,	10 % CaO)
и флинт (45 % SiO2,	12 % K2O,
43 % PbO)

Во 2-й половине XIX в. немецкий химик Отто Шотт осуществляет по предложению Эрнста Аббе фундаментальное исследование влияния на свойства стекла различных компонентов, а в 1884 г. О. Шотт, Э. Аббе и К. Цейсс основывают в Йене завод, начавший выпуск разнообразных сортов оптического стекла.

Выдающуюся роль в развитии научного стеклоделия в России сыграл М.В. Ломоносов.

В 1748 г. он организовал при Петербургской академии наук лабораторию, в которой проводил опыты с окрашиванием стекла, лично варил смальту, разработав палитру цветной стеклянной мозаики.

Современное оптическое материаловедение базируется на трех основных дисциплинах – оптика (базовый курс), физика твердого тела и оптическая физика.

		Материалы
		и технологии
	Нелинейная	интегральной
	Нелинейная	и волоконной оптики
	оптика	и волоконной оптики
	оптика

ОПТИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Оптика	Физика	Оптическая
(базовый	твердого	физика
курс)	тела

В свою очередь, оптическое материаловедение является базовой дисциплиной для курсов «Нелинейная оптика» и «Материалы и технологии интегральной и волоконной оптики».

1.1. Классификация оптических материалов

Оптические материалы – кристаллические или аморфные материалы, предназначенные для передачи или преобразования света в различных участках спектрального диапазона.

Различаются по строению, свойствам, функции, назначению, а также по технологии изготовления.

Оптические материалы

Пассивные

Активные

Для формирования	Для управления
изображения	световыми потоками
Для передачи	Для генерации
световых потоков	световых потоков