Оптичні матеріали

Визначення і загальна характеристика

ОПТИ́ЧНІ МАТЕРІА́ЛИ — матеріали, що використовують в наукових цілях, техніці та побуті для передачі і перетворення світлових потоків у широкій зоні електромагнітного спектра — від ваку­умного ультрафіолету до перехідної зони між оптичним та радіочастотним діапазонами спектра в довжинах хвиль від ~0,1 мкм до 100÷200 мкм. Поширення світл. хвиль в О. м. ґрунтується на фундам. законах відбиття, поглинання, розсіювання, випромінювання світла речовиною в зовн. температур., мех., електр., магніт., радіац. полях. Осн. класи О. м.: оптичні стекла, оптичні кристали, оптична кераміка. Незначну частку в класифікації О. м. займають метали.

Залежно від складу розрізняють силікатні, халькогенідні, галогенідні, органічні та ін. оптичні стек­ла. Осн. компонентом силікат. (кисневміс.) оптич. стекол є кремнезем SiO₂ з домішками оксидів CaO, Na₂O, K₂О та ін. Однокомпонентне силікатне скло (100 % SiO₂) — плавлений кварц. Боросилікатні оптичні стекла містять 12–14 % B₂O₃, фосфатні — до 80 % P₂O₃. Технічно важливі кисневмісні оптичні стекла — крони (натрієво-силікатні) та флінти (містять свинець). Для кронів характерні невисокі показники заломлення n = 1,45÷1,74 і високий коефіцієнт дисперсії ν = 70÷50. Флінти мають протилежні характеристики: n = 1,7÷2,0, ν = 45÷30. Кисневмісні оптичні стекла прозорі в ультрафіолеті до ~0,15÷ 0,2 мкм (увіолеве скло). В інфрачервоній зоні плавлений кварц прозорий до ~4,5 мкм, тому є осн. матеріалом для виготовлення оп­тич. волокон. Безкисневі халькогенідні (напівпровідник.) оптичні стекла — сплави As–S, As–Se, Ge–Te та ін. з n = 2,3÷2,6, прозорі в інфрачервоній зоні спектра до ~15 мкм. Галогенідні оптичні стекла складаються зі сплавів фторидів важких металів ZrF₄, BaF₂, HfF₄ та ін., мають невисокі n = 1,48÷ 1,62 і прозорі в спектрал. зоні ~0,4÷8 мкм. Полімерні оптичні стекла на основі полістиролу, поліакрилатів, полікарбонатів та ін. прозорі у видимій зоні, технологія їх виготовлення дозволяє одержувати вироби різних розмірів і форм. Осн. типами оптич. кристалів є синтет. (штучно вирощені) ді­електр. і напівпровідник. монокристали. Найпоширеніші діелектр. оптичні кристали: оксидні кварц SiO₂, лейкосапфір Al₂O₃, алюмоітрієвий гранат Y₃Al₅O₁₂, шпінель MgAl₂O₄, форстерит Mg₂SiO₄, олександрит BeAl₂O₄, важкі оксиди PbWO₄, PbMoO₄ та ін.; галогенідів лужних і лужноземел. металів — LiF, KBr, CsI, CaF₂ та ін. У діелектр. оптич. кристалів ∆Е ≈ 6÷10 еВ, що обумовлює їхню прозорість, порівняно невеликі показники заломлення (n = 1,4÷1,8) і низьку відбивну здатність в ультрафіолет. і видимій зонах. Для них властива слабка температурна залежність оптич. характеристик. Напівпровідник. оптичні кристали — однокомпонентні Si, Ge, Se, Te і більш складні з елементів II–VI та III–V груп періодич. таблиці — А²В⁶ (ZnS, CdS, CdSe), А³В⁵ (GaN, GaAs, InSb) та ін. Напівпровідник. оптичні кристали з ∆Е ≈ 0,5÷3,5 еВ мають помітне власне поглинання у видимій і ближ. інфрачервоній зонах, великі n = 2,5÷4,5 і, відповідно, високі втрати на відбиття. Коливання іонів у кристаліч. ґратці спричинює резонансне ін­фрачервоне поглинання оптич. кристалів. Напр., для кристалів TlJ, TlBr у зоні 150–200 мкм у смузі резонанс. поглинання коефіцієнт відбиття досягає великих значень 0,8÷0,9, що дозволяє використовувати їх як відбивні інфрачервоні світлофільтри. У нанорозмір. напівпровідник. оптич. крис­талах (нанокристалах) ZnS, CdS, CdSe та ін. проявляється розмірна залежність ∆Е (ефект розмір. квантування енергії екситону), що призводить до залежності оптич. характеристик нанокристалів (спектрів поглинання і люмінесценції) від їх розміру. Багатошар. структури з тонких шарів діелектриків і напівпровідників з високими і низькими n використовують для виготовлення інтерференц. (вузькосмуг.) дзеркал і фільтрів, покриттів оптич. елементів із заданим коефіцієнтом відбиття. Оптичну кераміку залежно від методу виготовлення поділяють на ситали (склокераміку — рівномірну суміш аморф. і кристаліч. фаз у відповід. пропорції) і власне кераміку зі щільно упакованих кристаліч. зерен спеченого порошку. Мікрокристалічна структура оп­тич. кераміки забезпечує високу мех. і термічну міцність матеріалу зі щільністю та прозорістю, що є подібними до характеристик скла і кристалів. Завдяки низьким коефіцієнтам терміч. розширення ситали використовують в умовах великих перепадів т-р. Прозора в інфрачервоній зоні кераміка з порошків MgF₂, CaF₂, ZnS, ZnSe, MgO, CdTe відома під фірм. назвою «ІРТРАН» (infrared transmis­sion material). Активно розвивається сучасна технологія отримання т. зв. нанокераміки з нанодисперс. кристаліч. порошків тугоплавких оксидів Y₂O₃, Eu₂O₃, Y₃Al₅O₁₂, Y–Yb–Er–O, Y–Yb–Tm–O, фторидів CaF₂ та ін.

З кристалів, кераміки та деяких стекол виготовляють активні лазерні елементи та детектори іонізуючого випромінювання. Суціл. плівки металів на гладких поверхнях використовують в оптиці як дзеркала. Алюмінієві дзеркала ефективні в ультрафіолет. зоні, срібні мають найкращий коефіцієнт відбиття (≥0,9) у видимій зоні. У спектрал. зоні, починаючи з 10÷12 мкм, коефіцієнт відбиття металів близький до одиниці.

Фотохромні матеріали — світлочутливі О. м., що змінюють своє забарвлення під дією світла. Фотохромізм проявляють лужно-галоїдні кристали (NaCl, KCl, KBr), кристали галогенідів срібла і міді (AgBr, CuBr, CuCl), титанатів (SrTiO₃, CaTiO₃), вольфраматів (CaWO₄, SrWO₄, BaWO₄), фторидів лужноземел. металів (CaF₂, SrF₂, BaF₂), оксидів (рутил TiO₂, Nb₂O₅) з домішками полівалент. іонів Fe, Cr, Cu, Mn та ін. Це явище у стеклах пов’язане з наявністю в їх складі полівалент. іонів або домішк. мікрокристалів світлочутливої фази (AgCl, AgBr, AgMoO3 і ін). Найважливішими характеристиками фотохром. матеріалів є спектрал. зона й інтенсивність поглинання фотоіндукованої форми, швидкість і число циклів «забарвлення/знебарвлення» без деградації властивостей. Осн. сфери застосування: оптич. запис інформації, оптична фільтрація, захист органів зору від світл. потоків.

Нелінійно-оптичні матеріали — О. м. для перетворення частоти (довжини хвилі) лазер. випромінювання. Мають високі значення неліній. оптич. сприйнятливості (χ^2ω, χ^3ω ....), а у їхній кристаліч. структурі є особливі напрями, при поширенні уздовж яких фазові швидкості первин. світл. хвилі частотою ω і хвиль кратних гармонік з частотами 2ω, 3ω... збігаються (фазовий синхронізм). Оптична нелінійність властива для нецентросиметр. оптич. кристалів (χ^2ω, χ^4ω ≠ 0), що містять у своїй структурі іонні фрагменти (РО₄)^3-, (AsO₄)^3-, (IO₃)^-, поліаніони (В_nО_m)^-∞ та ін. Це кристали групи KDP, KTiOPO₄, ланцюг. кристали α-LiIO₃, каркасні борати β-BaB₂O₄, LiB₃O₅, CsLiB₆O₁₀, сегнетоелектрики BaTiO₃, LiNbO₃ та ін. Висока лазерна міцність та прозорість в ультрафіолет. зоні монокристалів боратів дозволяє використовувати їх для генерації четвертої (0,26 мкм) і п’ятої (0,21 мкм) гармонік неодимового лазера. У режимі т. зв. параметрич. перетворення в нелінійно-оптич. кристалі порушується когерентне випромінювання меншої частоти (більшої довжини хвилі). Напр., діапазон параметрич. генерації світла в кристалі LiNbO₃ при збудженні другою гармонікою Y₃Al₅O₁₂:Nd³⁺ лазера (0,53 мкм) становить 0,55÷3,65 мкм з коефіцієнтом корис. дії 45 %. Застосування нелінійно-оптич. матеріалів розширює спектрал. можливості джерел когерент. випромінювання в лазер. спектроскопії, з їхньою допомогою вирішують різноманітні завдання щодо селектив. впливу світла на речовину, зокрема на біол. об’єкти та живу тканину в медицині. Електрооптичні матеріали — О. м., що змінюють показник заломлення в зовн. електр. полі в результаті поляризації атомів і/або поляр. молекул у своєму складі. Наслідком цього ефекту є подвійне променезаломлення δΔn. Практично важливими є кристали групи KDP (в параелектр. фазі) і їх дейтеровані аналоги, кристали сегнет. солі KNaC₄H₄O₆·4H₂O, тригліцинсульфату NH₂CH₂COOH·H₂SO₄, кристали BaTiO₃, (Ba,Sr)Nb₂O₆, LiNbO₃ та ін., кубічні кристали групи А² В⁶ — ZnS , ZnSe, CdTe і А³В⁵ — GaAs, GaP, прозора сегнетоелектр. кераміка на основі Ti, Pb, La, Nb та ін. У сегнетоелектриках виникнення δΔn можливе під дією внутр. електр. поля в інтенсив. лазер. полях — явище фоторефракції (фотоіндуков. зміни подвій. променезаломлення). У най­ефективніших фоторефрактив. кристалах LiNbO₃:Fe, LiTaO₃:Fe, Ba_xSr_1-xNb₂O₆:(Ce, Cr) профіль простор. модуляції показника заломлення може зберігатися від декількох місяців до декількох років, завдяки чому явище фоторефракції застосовується для запису об’єм. голограм. Електрооптич­ні кристали переважно застосовують для амплітуд. і фазової модуляції пучків лазер. випромінювання. Висока електрооптична ефективність властива спец. чином орієнтованим тонким шарам (10–20 мкм) рідких кристалів, анізотропні полярні молекули яких в електр. полі змінюють свою орієнтацію. Рідкі кристали використовують в пристроях відображення інформації (плоских кольор. дисплеях, літер. і цифр. індикаторах тощо).

Завантажити статтю