Оптичні матеріали

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 повʼязане 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 пʼятої (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. обʼєкти 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 обʼєм. 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