Волоконная оптика, как термин, это учение о распространении светового потока в оптическом волокне. Как продукция, волоконная оптика – это все то, что имеет в составе оптико-волоконный элемент.
Оптическое волокно – это изготовленная из кварцевого стекла тонкая жила, внутри которой течет световой луч, не покидая ее пределов. Сегодня существует оптоволокно с пластиковым сердечником, характеристики которого близки к натуральному кварцу. Смысл один – световой пучок отражается от стенок жилы и сохраняет свое информационное содержание вне зависимости от дальности передачи данных. Именно оптоволокно – самый лучший материал трансляции цифрового сигнала без затухания на дальние расстояния.
Появление и развитие оптоволокна
Световые сигналы, как метод обмена информацией, используются со времен появления огня. Идея информирования светом в новом времени впервые была апробирована Р.Гуком, который создал оптический телеграф, способный передавать информацию с помощью интервальной трансляции световых видимых сигналов, которые можно было увидеть на разных расстояниях невооруженным глазом или в подзорную трубу.
Далее появился другой сигнальный аппарат, который разработал Клоп Шапп. Здесь была трансформирована не только идея использования световых импульсов, но и введена систематизация подаваемых аппаратом сигналов. Теперь наборы знаков были унифицированы, а для их расшифровки был составлен словарь. Телеграфы нового типа быстро распространились не только на родине создателя во Франции, но и по всему континенту.
После этого был еще ряд доработок световых телеграфов, пока в 1960 году не появился лазер. Открытие принадлежит советским ученым, которые не только открыли новую форму светового луча, но и заложили базу для дальнейшего развития методик передачи данных светом.
Современные оптико-волоконные линии связи отличаются большей долговечностью, качеством, стойкостью к внешним воздействиям и разы превосходят медные кабельные сети передачи данных. Несмотря на более высокую стоимость, оптоволокно быстро и уже почти полностью заменило магистральные телекоммуникационные сети, обеспечив высокую скорость, чистоту и защиту сигнала от помех.
Материалы для оптоволокна
Как мы говорили выше, оптоволоконный кабель в сердечнике имеет кварцевый или полимерный стержень. Натуральный кварц обуславливает следующие характеристики кабельной продукции:
Высокую оптическую проницаемость, что позволяет транслировать волны разных диапазонов.
Малое затухание (потери сигнала), что является определяющим преимуществом для использования оптоволокна при построении магистралей большой протяженности.
Температурную стойкость – оптико-волоконные кабели могут эксплуатироваться при экстремально высоких температурах.
Большую гибкость – световоды на основе кварцевого оптоволокна могут иметь до 1000 микрометров в диаметре.
К минусам стоит отнести снижение пропускной способности в зонах с инфракрасным излучением: здесь сигнал затухает и использование дорогостоящих кабелей нецелесообразно.
Структура оптического кабеля
Вне зависимости от того, используется кварцевый или полимерный материал, структура кабеля одинакова. Ее образуют:
Сердечник. Отвечает за распространение светового луча вдоль длины кабеля. Диаметр напрямую влияет на доступную площадь «попадания» светового луча, а значит – возможность подачи излучения для качественной доставки сигнала. Коэффициент преломления в сердечнике равен 1,48.
Внутренняя оболочка . Отвечает за отражение светового луча и «корректировку» его траектории. Иными словами, не дает лучу покинуть пределы сердечника. Чем выше отражающая мощность оболочки, чем быстрее распространяется луч, передается сигнал и меньше его потери.
Внешняя обшивка. Это буфер от внешних воздействий.Защищает внутренние компоненты кабеля от факторов среды, включая химические и механические воздействия. Предельно допустимая толщина обшивки не превышает 250 микрон.
Виды кабельной продукции на основе волоконной оптики
Сегодня существует два вида оптоволокна – одномодовое и многомодовое . Они различаются характеристиками и диаметром сердечника.
Диаметр сердечника одномодового волокна не превышает 8 микрон. Именно этот тип используется для трансляций на дальние расстояния, так как межмодовая дисперсия здесь практически равна нулю. Дело в том, что в столь малом диаметре можете перемещаться только один луч, поэтому возможность возникновения помех отсутствует.
Многомодовое волокно в диаметре может составлять 62,5 микрона. Здесь большая площадь приема, что позволяет двигаться нескольким лучам одновременно. При этом ввод лучей, как правило, происходит под разными углами, что повышает рассеивание из-за отражения этих лучей от поверхности оболочки. Соответственно, скорость и качество сигнала снижаются, поэтому подобные линии используются для локальных сетей и передачи сигнала между близлежащими строениями.
Многомодовое волокно бывает:
Градиентным. Его особенность – разная плотность сердечника на разных его участках. Это позволяет управлять потоком, «разгоняя» луч на участках смены плотности, что увеличивает общую скорость передачи данных.
Ступенчатым . Волокно с одинаковой плотностью сердечника на всем протяжении кабеля. Вероятность межмодовой дисперсии здесь выше, а скорость передачи – ниже.
Область применения
Оптическое волокно применяется в любых сферах, где требуется построение телекоммуникационных сетей и проведение технических изысканий с использованием оптических датчиков. Медицина, наука, добывающая промышленность, ЖКХ, ваш компьютер – все в той или иной мере использует технологии волоконной оптики.
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 О. м. подразделяют на моно- и поликристаллические, стекла, аморфные,
стекло-кристаллические и жидкокристаллические. Прир. моно
кристаллы,
напр., флюорита CaF 2 , кварца SiO 2 , кальцита СаСО 3 ,
слюды, каменной соли и др., давно используют в качестве О. м. 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 О.
м. 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 Аl 2 О 3 (напр., поликор, или
лукалокс), Y 2 O 3 (иттралокс), MgAl 2 O 4 ,
SiO 2 (кварцевая оптич. керамика), цирконато-титанатов Pb, La (электрооптич.
керамика), а также бескислородные поликристаллические О. м. для ИК области спектра-
LiF, MgF 2 , 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 О. м. используют бесцв. или цветные
оксидные и бескислородные стекла (см. также Стекло неорганическое).
Большинство
оксидных оптич. стекол-силикатные (более 30-40% SiO 2 по массе), свинцово-
или боросиликатные, а также многокомпонентные оксидные системы из 10-12 разл.
оксидов, напр. алюмоси-ликафосфатные стекла, содержащие Аl 2 О 3 ,
SiO 2 , P 2 O 5 . Несиликатные оксидные стекла содержат
Р 2 О 5 , В 2 О 3 , GeO 2 или
ТеО 2 . 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) О. м. 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 - SiO 2 ,
Na 2 O, К 2 О. Кроме того, для увеличения v
D
в состав кронов добавляют В 2 О 3 , А1 2 О 3 ,
ВаО, СаО, в состав флинтов-PbO, TiO 2 , ZnO, MgO, Sb 2 O 3 .
Осветлители стекол-As 2 O 3 и Sb 2 O 3 .
Наиб. высокими значениями v
D обладают фосфатные флинты на
основе Р 2 О 5 (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
SiО 2 -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 прликомпонентных 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 О. м. относятся
мн. нсорг. и орг. в-ва. Среди первых наиб. распространены аморфный Si, SiO 2 ,
оксиды II-VI групп,
соед. типа A II B VI , среди вторых-разл. полимеры: полиметилметакрилат
(орг. стекло), полистирол, мн. фторопласты.
Неорг. аморфные О. м. используют
гл. обр. в виде разл. пленок, иногда в виде массивных образцов (напр., аморфный
Si); орг. аморфные О. м.-в виде пленок, оптич. волокон, массивных образцов (напр.,
полистирол).
О стеклокристаллических
О.м. см. Ситаллы,
о жидкокристаллических-Жидкие кристаллы.
К особому классу относятся
О.м. 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 О.м., пропускающие в УФ, видимой и ИК областях спектра. Нек-рые О.м.
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
О.м. Такие О.м., как Si, Ge, GaAs, InSb, пропускают только ИК излучение; галогениды
щелочных металлов, BaF 2 , 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 О. м., длинноволновая граница пропускания большего числа
О.м. 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:
О.м. для элементов оптич. устройств; просветляющие, отражающие и поглощающие
покрытия; электрооптич., магнитооптич., акустооптич. и пьезооптич. материалы.
Иногда к О.м. относят лазерные материалы,
материалы для преобразования
света в тепло и электричество, а также О. м. в виде композитов, порошков, эмульсий:
дисперсные фильтры, отражающие покрытия, люминесцирующие стекла, красители для
лазеров. В качестве О.м. 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
, MgF 2 или SiO 2) до среднего (2,0-2,6; ZrO 2 ,
GeO 2 , ZnS, TiO 2 или A1 2 S 3) 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 О.м. характеризуются способностью менять
свои оптич. св-ва под действием разл. полей (электрич., магн., звуковых). Наиб.
распространенные электрооптич. материалы-КН 2 РО 4 , KH 2 AsO 4
и их дейтериевые аналоги, соли др. щелочных металлов и аммония, кристаллы типа
сфалерита и эвлитина, разл. сегнето- и антисегнетоэлектрики, в т.ч. LiNbO 3 ,
LiTaO 3 , BaTiO 3 , 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 О. м. способны поляризовать
световой поток, напр. вращать плоскость поляризации света. При облучении нек-рых
О. м. видимыми и УФ лучами наблюдается вторичное свечение-фотолюминесценция
(см. Люминесценция).
Методы получения.
В
зависимости от состава и назначения О. м. для их получения применяют разл. методы.
Общим является то, что все О. м. получают из сырья, максимально очищенного от
примесей (напр., для О. м., 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 О.
м. из порошков-горячее прессование. Бескислородные поликристаллические О. м.
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 SiCl 4 +
O 2 SiO 2
+ 2 Сl 2 или SiCl 4 + О 2 + 2Н 2 SiO 2
+
4 НСl. Образующиеся при высокой т-ре частицы SiO 2 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 О.м. 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 О.м. до 10 -2 -10 -4 см -1
используют мономеры, предварительно подвергнутые очистке. Покрытия из О.м. наносят
термич. вакуумным напылением, испаряя исходный материал в электропечах или потоком
электронов (катодное, магне-тронное распыление).
О. м. 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.
===
Исп. литература для статьи «ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ»
:
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.
Страница «ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.
Силикатные стёкла
Самым древним и известным оптическим материалом является обычное стекло , состоящее из смеси диоксида кремния и других веществ. Развитие технологии и ужесточение требований по мере роста совершенства оптических приборов привели к созданию особого класса технических стёкол - оптического стекла .
От прочих стёкол оно отличается особенно высокой прозрачностью, чистотой, бесцветностью, однородностью, а также строго нормированными преломляющей способностью и дисперсией .
Кварцевое стекло
См. также
Примечания
Литература
- 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;
- 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;
- 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.
Ссылки
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Оптические материалы" в других словарях:
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.… … Химическая энциклопедия
Полимеры, использующиеся в создании оптических систем. Виды оптических полимерных материалов * Материалы с эпоксидной композицией «черного» цвета для герметизации фотодиодов, предназначенных для дистанционного управления приборами. *… … Википедия
Оптические свойства горной породы - – свойства, характеризующие поглощение, пропускание и отражение электромагнитных волн оптического диапазона в горной породе. [ГОСТ Р 50544 93] Рубрика термина: Свойства горной породы Рубрики энциклопедии: Абразивное оборудование, Абразивы,… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Интенсивноразрабатываемое в 1980 90 е гг. новое поколение вычислит. техники (компьютеров)на основе использования оптич. излучения в качестве носителя информации … Физическая энциклопедия
Материаловедение междисциплинарный раздел науки, изучающий изменения свойств материалов, как в твердом, так и в жидком состоянии в зависимости от некоторых факторов. К изучаемым свойствам относятся структура веществ, электронные, термические,… … Википедия
Основная статья: Оптические материалы Волновод на базе прозрачной керамики Прозрачные керамические материалы материалы, прозрачные для электромагнитных … Википедия
Материалы, применяемые в летательных аппаратах. В отечественной практике А. м. по назначению подразделяются на конструкционные, определяющими характеристиками которых являются механические свойства, и материалы неконструкционного назначения,… … Энциклопедия техники
Возможно, эта статья содержит оригинальное исследование. Добавьте ссылки на источники, в противном случае она может быть выставлена на удаление. Дополнительные сведения могут быть на странице обсуждения. И … Википедия
авиационные материалы Энциклопедия «Авиация»
авиационные материалы - авиационные материалы материалы, применяемые в летательных аппаратах. В отечественной практике А. м. по назначению подразделяются на конструкционные, определяющими характеристиками которых являются механические свойства, и материалы… … Энциклопедия «Авиация»
Книги
- Оптические материалы. Учебное пособие , Зверев Виктор Алексеевич, Кривопустова Екатерина Всеволодовна, Точилина Татьяна Вячеславовна. Понятие "оптические материалы" охватывает сегодня огромное множество оптических сред, различающихся не только показателем преломления и коэффициентом дисперсии, но и прозрачностью для…
Скачать: oticheskiemateriali1995.djvu
Ответственный редактор А. С К О Ч E Н С К И ЙПРЕДИСЛOBИE
Большие успехи, достигнутые в развитии физики и химии твердого тела, а также многих отраслей техники, в значительной степени обусловлены созданием синтетических кристаллов с разнообразными свойствами.
Настоящая книга посвящена определенному классу кристаллических материалов, а именно оптическим кристаллам, которые применяются в инфракрасной технике. Для наиболее эффективного использования этих материалов требуется знание оптических, термомеханических, электрических и других характеристик. Однако эти характеристики, к сожалению, недостаточно систематизированы в научной литературе, что затрудняет выбор материала с оптимальными свойствами. Авторы поставили целью собрать в единое целое необходимые данные, разбросанные по многочисленным монографиям и оригинальным статьям. В результате анализа большого числа литературных данных были отобраны 74 материала, которые либо уже широко используются в инфракрасной технике, либо являются весьма перспективными. В число этих материалов были также включены наиболее интересные стекла и пластические массы. Затем были выявлены те свойства материалов, которые наиболее важны при их применении и качестве оптических материалов.Описание оптических материалов и их свойств и составляет содержание настоящей книги.
Авторы выражают глубокую признательность. Д. Кисловскому за ценные советы и замечания, проф. М. В. Классен-Неклюдовой за ценные критические замечания, И. М. Сильвестровой и. А. Шувалову за помощь в работе.
Авторы были бы признательны за все замечания, относящиеся к построению и содержанию книги, которые могли бы быть учтены при дальнейшей работе над справочной монографией подобного рода.I. ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИНФРОKРАСНОЙ ТЕХНИКИ
За последние годы резко возросло применение инфракрасного излучения л физике, химии, биологии и технике. Инфракрасный спектральный анали;! позволяет осуществлять количественное определение состава химических смесей и проводить автоматизацию ряда химических технологических процессов. Важнейшее значение приобрели методы инфракрасной спектроскопии при изучении строения молекул, кристаллов, полимеров, биологических объектов, минералов, а также при изучении анергии химических связей, механизма химических реакций, процессов поглощения излучения в твердых телах, особенно в полупроводниках. Астрономические исследования в инфракрасной области спектра позволяют установить химический состав и строение атмосферы, физические условия, существующие на планетах, в частности, распределение температуры на их поверхности. Инфракрасная аппаратура устанавливается на метеорологических спутниках и космических ракетах. Кроме того, открываются новые області» применения инфракрасного излучения и связи с созданием квантово механических генераторов, работающих в инфракрасном участке спектра.
Важнейшие детали и узлы в инфракрасной аппаратуре построены из ряда оптических материалов. Оптические материалы требуются для изготовления призм, линз, окошек, фильтров, кювет, обтекателей и т. д. Эти материалы должны обладать разнообразными физическими и химическими свойствами и удовлетворять достаточно жестким эксплуатационным требованиям.
Необходимым условием для использовании оптических материалов является их хорошая прозрачность в нужном участке инфракрасного спектра. В настоящее время имеются материалы с достаточно высокой прозрачностью, по крайней мере в определенном спекі рельном диапазоне.Просветленно оптики еще более расширяет возможности выбора подходящего прозрачного материала. Отметим, что в последнее время увеличилась потребность в оптических материалах для дальней инфракрас-6
ной области спектра 200 - 1000 мк. В ряде случаев, кроме прозрачности материалов в инфракрасной области спектра, требуется дополнительная прозрачность для радиоволнового диапазона.
Важной оптической.характеристикой материалов является их показатель преломления и днсиерсня. Во многих случаях (призмы, оптические системы г большим увеличением и широким углом зрения) необходимы материалы с высоким показателем преломления, в то время как при изготовлении окон и обтекателей желателен небольшой показатель преломления, во избежание больших потерь на отражение. Кроме того, для возможности корректировки аберрации в оптических системах и создания иммерсионной оптики необходимо иметь материалы, обладающие различными показателями преломления. Весьма большое значение n.wor тсмиературнан зависимость нро-пускания и преломления материалов,ибо часто в">з шкаег нагрев оптических деталей до сравнительно высоких температур.
Как правило, в оптических материалах, используемых в инфракрасной технике, двупреломление должно отсутствовать. Однако для создания некоторых типов оптических конструкций, например, интер-ферепционпо-полярнзационпых фильтров или компенсаторов, требуются материалы, обладающие дьупреломлением в инфракрасной области спектра.
Весьма интересны материалы, обладающие электрооптическим эффектом (эффектом Керри), которые становятся двупреломляющимн иод действием электрического ноли. Такие материалы позволяют создавать твердые ячейки Keppa, обеспечивающие модуляцию излучения.
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, CaF 2 , SiO 2 , кальцита СаСО 3 , . каменной 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. (иртраны) на основе Аl 2 О 3 (напр., поликор, или лукалокс), Y 2 O 3 (иттралокс), MgAl 2 O 4 , SiO 2 (кварцевая оптич. керамика), цирконато-титанатов Pb, La (электрооптич. керамика), а также бескислородные поликристаллические оптические материалы для ИК области спектра- LiF, MgF 2 , 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% SiO 2 по массе), свинцово- или боросиликатные, а также многокомпонентные оксидные системы из 10-12 разл. . например алюмосиликафосфатные стекла, содержащие Аl 2 О 3 , SiO 2 , P 2 O 5 . Несиликатные оксидные стекла содержат Р 2 О 5 , В 2 О 3 , GeO 2 или ТеО 2 . 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 кроны -большим (v
D > 50). Стекла обоих типов наз. легкими или тяжелыми в зависимости от величины показателя преломления. Обе разновидности стекол имеют общие компоненты - SiO 2 , Na 2 O, К 2 О. Кроме того, для увеличения v
D в состав кронов добавляют В 2 О 3 , А1 2 О 3 , ВаО, СаО, в состав флинтов-PbO, TiO 2 , ZnO, MgO, Sb 2 O 3 . Осветлители стекол-As 2 O 3 и Sb 2 O 3 . Наиб. высокими значениями v
D обладают фосфатные флинты на основе Р 2 О 5 (особенно при введении металлов).
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., ..
О стеклокристаллических оптические материалы
см. . 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), (напр., полиметилметакрилата). Градиентные слои и пленки на монокристаллах 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; щелочных металлов, BaF 2 , ZnSe прозрачны в видимой, ближней и средней ИК областях спектра; КСl, GaAs, TlBr-TlI и др. пропускают интенсивное лазерное ИК излучение.
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. 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 , MgF 2 или SiO 2) до среднего (2,0-2,6; ZrO 2 , GeO 2 , ZnS, TiO 2 или A1 2 S 3) и высокого (более 3,0; Si, Ge). Отражающие покрытия изготовляют главным образом из Ag, Au, Al, поглощающие - из . . и .
Электрооптические, магнитооптические, акустооптические и пьезооптические оптические материалы характеризуются способностью менять свои оптич. свойства под действием разл. полей (электрич., магн., звуковых). Наиб. распространенные электрооптич. материалы-КН 2 РО 4 , KH 2 AsO 4 и их дейтериевые аналоги, др. и аммония, типа сфалерита и эвлитина, разл. сегнето- и антисегнетоэлектрики, в т.ч. LiNbO 3 , LiTaO 3 , BaTiO 3 , 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. используют методы монокристаллов выращивания, для оксидной керамики - спекание (см. Керамика), для получения поликристаллических оптических материалов из .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 SiCl 4 + O 2 SiO 2 + 2 Сl 2 или SiCl 4 + О 2 + 2Н 2 SiO 2 + 4 НСl. Образующиеся при высокой температуре частицы SiO 2 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".