химический каталог




ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Автор Химическая энциклопедия г.р. И.Л.Кнунянц

ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, кристаллич. или аморфные материалы, предназначенные для передачи или преобразования света в различные участках спектрального диапазона. Различаются по строению, свойствам, функцией, назначению, а также по технологии изготовления.

Структура и свойства. По строению ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ м. подразделяют на моно- и поликристаллические, стекла, аморфные, стекло-кристаллические и жидкокристаллические. Прир. моно кристаллы, например, флюорита CaF2, кварца SiO2, кальцита СаСО3, слюды, каменной соли и др., давно используют в качестве ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ м. Кроме того, используют большое количество синтетич. монокристаллов, обладающих прозрачностью в различные участках оптический диапазона (рис. 1) и имеющих высокую однородность и определенные габариты.

Поликристаллические ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ м. характеризуются прозрачностью, по величине сходной с прозрачностью монокристаллов, и лучшими по сравнению с ними конструкц. свойствами. Наиб. применение находит оптический керамика (иртра-ны) на основе Аl2О3 (например, поликор, или лукалокс), Y2O3 (иттралокс), MgAl2O4, SiO2 (кварцевая оптический керамика), цирконато-титанатов Pb, La (электрооптический керамика), а также бескислородные поликристаллические ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ м. для ИК области спектра- LiF, MgF2, ZnS, ZnSe и др.


Оптические стекла характеризуются высокой прозрачностью в различные 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 ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ м. используют бесцв. или цветные оксидные и бескислородные стекла (см. также Стекло неорганическое). Большинство оксидных оптических стекол-силикатные (более 30-40% SiO2 по массе), свинцово- или боросиликатные, а также многокомпонентные оксидные системы из 10-12 различные оксидов, например алюмоси-ликафосфатные стекла, содержащие Аl2О3, SiO2, P2O5. Несиликатные оксидные стекла содержат Р2О5, В2О3, GeO2 или ТеО2. При изменении состава стекол изменяются и их оптический константы, главным образом показатель преломления nD и коэффициент дисперсии света vD. В зависимости от величин этих характеристик на диаграмме nD — vD (так называемой диаграмма Аббе) ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ м. делят на типы-кроны и флинты (рис. 2). Флинты характеризуются малым коэффициент дисперсии (vD < 50), кроны -большим (vD > 50). Стекла обоих типов называют 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, Al2О3, 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).


Рис. 2. Классификация оптический стекол (диаграмма Аббе) в зависимости от их показателя преломления (nD) и коэффициент 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 химический стойкости, огнеупорности и др. свойствам. Стеклообразный SiО2-основные компонент кварцевых оптический волокон для протяженных волоконно-оптический линий связи; такие волоконно-оптический материалы характеризуются миним. оптический потерями на поглощение (~ 10-6 см-1). Для линий протяженностью 10-100 м используют также оптический волокна на основе прликомпонентных стекол и полимеров (оптический потери ~ 10-3 — 10-5 см-1).

Оптич. потери (теоретические) у бескислородных оптических стекол на 1-3 порядка ниже, чем у оксидных. В качестве таких материалов для ИК диапазона используют обычно различные халькогенидные стекла, содержащие As, S (Se, Те), Sb, P, Tl, Ge и др. Наим. оптический 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 ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ м. относятся многие нсорганическое и органическое вещества. Среди первых наиболее распространены аморфный Si, SiO2, оксиды II-VI групп, соединение типа AIIBVI, среди вторых-различные полимеры: полиметилметакрилат (органическое стекло), полистирол, многие фторопласты.

Неорганическое аморфные ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ м. используют главным образом в виде различные пленок, иногда в виде массивных образцов (например, аморфный Si); органическое аморфные ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ м.-в виде пленок, оптический волокон, массивных образцов (например, полистирол).

О стеклокристаллических ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫм. см. Ситаллы, о жидкокристаллических-Жидкие кристаллы.

К особому классу относятся ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫм. с непрерывно изменяющимся составом и оптический свойствами. Основа таких материалов - градиентные оптический волокна или самофокусирующие градиентные оптический элементы (например, 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 (например, на основе твердых растворов галогенидов Т1), полимеров (например, 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 МАТЕРИАЛЫм., пропускающие в УФ, видимой и ИК областях спектра. Некоторые ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫм. 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-преимущественно бескислородные ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫм. Такие ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫм., 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 м., длинноволновая граница пропускания большего числа ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫм. перемещается в сторону расширения спектрального диапазона; например, для анионов имеет место следующей 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 МАТЕРИАЛЫм. для элементов оптический устройств; просветляющие, отражающие и поглощающие покрытия; электрооптический, магнитооптический, акустооптический и пьезооптический материалы. Иногда к ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫм. относят лазерные материалы, материалы для преобразования света в тепло и электричество, а также ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ м. в виде композитов, порошков, эмульсий: дисперсные фильтры, отражающие покрытия, люминесцирующие стекла, красители для лазеров. В качестве ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫм. иногда применяют оптический клеи (с определенным показателем преломления), прозрачные органическое иммерсионные жидкости и др.

Материалы оптический устройств (линзы, светофильтры и т.п.) имеют определенный показатель преломления, высокую прозрачность в определенном спектральном диапазоне, хорошо поддаются оптико-механические обработке (шлифованию, полировке) поверхности. Наиб. важное свойство-оптический однородность, так как ослабление (потери) света, наряду с поглощением, определяется рассеянием на различные 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 коэффициент отражения оптический устройств, отражающие-для изготовления зеркал, поглощающие-для чернения поверхности. Разновидность просветляющих покрытий - интерфе-ренц. покрытия толщиной 10-150 мкм; они может быть 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 главным образом из Ag, Au, Al, поглощающие - из углерода, оксидов, нитридов и силицидов.

Электрооптические, магнитооптические, акустооптические и пьезооптические ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫм. характеризуются способностью менять свои оптический свойства под действием различные полей (электрич., магн., звуковых). Наиб. распространенные электрооптический материалы-КН2РО4, KH2AsO4 и их дейтериевые аналоги, соли др. щелочных металлов и аммония, кристаллы типа сфалерита и эвлитина, различные сегнето- и антисегнетоэлектрики, в т.ч. LiNbO3, LiTaO3, BaTiO3, бариевостронциевые бронзы и др. К маг-нитооптический материалам относят железоиттриевые и железо-гадолиниевые гранаты, ферриты, содержащие РЗЭ, и др. (см. Магнитные материалы). Осн. акустооптический и пьезооптический материалы - кварц, многие титанаты, ниобаты, танталаты и др. (см. Акустические материалы).

Многие ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ м. способны поляризовать световой поток, например вращать плоскость поляризации света. При облучении некоторых ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ м. видимыми и УФ лучами наблюдается вторичное свечение-фотолюминесценция (см. Люминесценция).

Методы получения. В зависимости от состава и назначения ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ м. для их получения применяют различные методы. Общим является то, что все ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ м. получают из сырья, максимально очищенного от примесей (например, для ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ м., работающих в видимой и ближней ИК областях, основные красящие примеси-Fе, Mn, Cu, Cr, Ni, Co). Содержание примесей в сырье не должно превышать 10-2 % по массе, что обеспечивает коэффициент поглощения менее 10-2 см-1, а в случае волоконно-оптический материалов -10 -5 -10 -7 % по массе.

Для выращивания синтетич. монокристаллов используют методы монокристаллов выращивания, для оксидной керамики-спекание (см. Керамика), для получения поликристаллических ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ м. из порошков-горячее прессование. Бескислородные поликристаллические ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ м. для ИК области спектра с размерами зерен ~ 50 мкм и коэффициент поглощения ~ 10-3 см-1 получают с использованием метода химический осаждения из газовой фазы или конденсацией из паровой фазы. Оптич. стекла получают методом варки стекла. Для кварцевых оптический волокон наиболее распространено химический осаждение из газовой фазы по реакциям SiCl4 + O2SiO2 + 2 Сl2 или SiCl4 + О2 + 2Н2SiO2 + 4 НСl. Образующиеся при высокой температуре частицы SiO2 осаждают (в виде слоев) на внутр. поверхность кварцевой трубки (так называемой CVD-метод; англ, chemical vapor deposition), внешний 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 оптический волокно. Для изменения состава и nD кварц легируют Ge, F и др. Для получения поликомпонентных и ИК оптический волокон используют филь-ерный метод или перетяжку пары "согласованных" стекол по методу "штабикислотрубка".

Среди различные методов получения градиентных материалов наиболее значение имеет обработка стекол расплавами солей щелочных металлов, при которой протекает диффузия ионов из стекла в расплав и наоборот (метод ионного обмена).

Неорганическое аморфные ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫм. получают конденсацией из паро-газовой фазы, химическими транспортными реакциями, кристаллизацией и химический осаждением из растворов, облучением кристаллич. материалов и др. методами; органические - полимеризацией в блоке, растворе и т.д. Для снижения оптический потерь в волокнах из аморфных органических ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫм. до 10-2-10-4см-1 используют мономеры, предварительно подвергнутые очистке. Покрытия из ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫм. наносят термодинамически вакуумным напылением, испаряя исходный материал в электропечах или потоком электронов (катодное, магне-тронное распыление).

ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ м. применяют в качестве элементов в оптический системах приборов, оптоэлектронных устройствах, световодных системах связи, измерит. и интегральных схемах, в средствах управления и контроля технол. и физических процессами, бытовых приборах, мед. аппаратуре и т.д.

Литература: 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 ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 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.

Химическая энциклопедия. Том 3 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
Соковыжималки KitchenAid купить
архитектура домашних кинотеатров
колеса для тележек медицинских
заказать линзы для глаз цветные по почте

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(08.12.2016)