Оптические материалы

Молдавит. Минерал, образовавшийся из земной горной породы в результате падения метеорита. Беседнице. Чехия

Оптические материалы (например, стекло) — технические природные и синтетические материалы, прозрачные в том или ином диапазоне электромагнитных волн. Оптические материалы применяют для изготовления элементов оптических систем, работающих в разных областях спектра электромагнитных волн.

• В качестве оптических материалов используют неорганические, органические вещества. Роль оптических материалов могут выполнять такие оптические среды, как полимеры, оптические плёнки, воздух или другие газы (например, СО₂ в газовых лазерах), жидкости.

Общие сведения

В настоящее время в оптических устройствах широкое применение получают оптические материалы с более широким диапазоном оптических характеристик , удовлетворяющих запросам всё возрастающих требований науки, производстсва, медицины и другим требованиям жизни людей. Развитие и освоение новых технологий в том числе нанотехнологий приводят к отказу от применявшихся в течение многих лет различных материалов в том числе и оптических, а также к созданию более совершенных, которые ранее не применялись ранее. Например, заменена фотоплёнка на фотосенсоры, идёт быстрое внедрение стекломатериалов на базе минералоорганических взамен неорганических (контактные линзы), сами неорганические стекломатериалы содаются на базе силикатных в смеси с различними химическими элементаим и катализаторами, которые открыли целую область в получении стекловидных или керамических материалов ситаллов, обладающими различными характеристиками материалов с оптическими и неоптическими свойствами. Т.е. свойствами стекла или керамики (см. ситаллы). К числу новых достижениий в содании оптических материалов относятся оптические стекломатериалы на базе керамики. Уже получены и внедрены новые прозрачные керамические линзы на базе нанотехнологий и новых методов фомирования материала с применением высокой температуры и давления. (См. Прозрачные керамические линзы). Широко внедряются новые новые достижения и открытия в области оптической физики, органических и минералоорганических стекломатерилов. Например, производство линз в изготовлении очков и разных протезов в офтальмологии, изготовление оптических линз и призм из монокремниевых материалов, прелмляющих «жёсткие» Х-лучи и т.д.

Виды оптических материалов

• Неорганические оптические материалы;
  • Силикатные стекломатериалы
  • Оптическая керамика
• Органические оптические материалы;
• Минералоорганические оптические материалы.

История

Появление линз во многом обязано задаче улучшения зрения. Впервые идею использовать контактную коррекцию зрения c применением линз высказал Леонардо да Винчи в 1508 г.

Современные oчки c полимерными органическими стеклами, контактные линзы гораздо легче аналогичных по диоптриям стеклянных линз, и широко применяются в офтальмологии. В профессиональной же оптике органическое стекло применения практически не нашло, за исключением некоторого производства асферических компонентов.

На Руси, богатой залежами кварца и чистого природного кварцевого песка стеклоделие уже было известно в домонгольский период. В Киеве, в 11—13 вв., раскопками вскрыты большие стекольные мастерские, стеклянных браслетов, которые могли изготавливаться из кварца и стекла.

Россия занимала и сейчас занимает ведущую роль в производстве оптического стекла.

Еще в СССР было развёрнуто строительство крупных механизированных новых стекольных заводов и производилась реконструкция старых заводов. Перед Великой Отечественной войной стекольная промышленность России выдвинулась по объёму производства на 1-е место в Европе (с 11-го, какое занимала Россия в 1913). Из истории ЛОМО видна вся история развития оптико-механического производства России с 1914 года. Одним из крупнейших в СССР заводов по производству оптического стекла был Изюмский приборостроительный завод. Микроскопы петербургской фирмы в 1997 году победили в тендере ООН в Ираке, а эндоскопы в 1998 году — в тендере МБРР в России.

Неорганические оптические материалы

Стекло

Стекло — твёрдое аморфное состояние вещества. Характерные для стекла свойства — высокое светопропускание (прозрачность), светопреломление, изотропность (реже, у спецстёкол — анизотропность) и др.

Классификация стёкол по химическому составу

При изготовлении оптических систем применяются материалы, которые можно классифицировать по составу:

• Оксидные стекла
• Силикатные стекла
• Боратные стекла
• Кварцевое стекло
• Стекло растворимое
• Свинцовое стекло
• Стекловолокно
• Фотоситаллы

Оптическое стекло

Опти́ческое стекло́ — прозрачное стекло специального состава, используемое для изготовления различных оптических приборов. В силу исключительно высоких требований, предъявляемых к качеству изображения оптических систем, естественно возникла необходимость в изготовлении широкого ассортимента специальных сортов стёкол, различных по своим свойствам. Помимо оптических стёкол для производства линз и призм, к специальным стёклам можно отнести цветные стёкла, стёкла с необходимым коэффициентом преломления, фотохромные стёкла, стёкла для защиты от рентгеновского излучения, и др.

Кварц SiO₂

Кремний (Si)

Кремниевые и кварцевые оптические стекламатериалы

Кремниевые(Si) и Кварцевые (на основе диоксида кремния SiO₂) материалы отличаются различным диапазоном оптических характеристик, необходимых для оптических элементов приборов. Эти природные материалы составлют основное сырьё для производства современных оптических систем и элементов. Например, только Кремниевые элементы способны преломлять Х-лучи и пропускать ИК — лучи, Кварцевые элементы пропускают ультрафиолетовые лучи + лучи видимого спектра в широком диапазоне и частично преломлять Х-лучи. Кроме того они отличаются неизменностью фронта световой волны, распространяющейся в оптическом материале, которое в свою очередь связано с высокой химической и физической однородностью материала, обеспеченной технологией изготовления.

Технологические операции изготовления линз из оптического стекла

• Подготовка исходной смеси
• Расплавление смеси и варка стекла
• Литьё заготовки
• Остывание заготовки (в зависимости от массы заготовки на остывание могут уйти месяцы)
• Внешняя механическая и химическая обработка
• Нанесение просветляющих покрытий

Требование к исходной смеси — высокая степень чистоты основы и добавок, определяющих физические параметры будущего стекла. Расплав должен быть химически гомогенным.

Отливка стекла — достаточно известный технологический приём, но современная технология внесла в новые приёмы в операцию отливки. Так, литьё под давлением позволяет исключить свили, пузыри и т. п., а также повышает качество поверхности. Внутренние поверхности форм для литья должны быть обработаны с обеспечением оптических качеств. Важно сфероидальность этих поверхностей выдержать по высокому классу точности.

Внешняя обработка — шлифовка, полировка. Асферические линзы требует особенно точного выполнения технологической цепочки. Критическим звеном являются формы для литья. Так как в этом случае поверхности не являются сферическими, изготовление форм требует индивидуального подхода.

Нанесение просветляющих покрытий — важная технологическая операция получения нужных характеристик линз. Она обеспечивает:

• Повышение коэффициента светопропускания в широком диапазоне длин световых волн с потерями не более 0,2-0,5 %
• Многослойное полимерное покрытие устраняет блики
• Повышение контрастности изображения
• Получение линз с ахроматическими характеристиками
• Антибликовое покрытие увеличивает износостойкость передней линзы объектива к царапинам

Большинство фирм, выпускающих фотографическую оптику, самостоятельно разрабатывает свои особые технологии расчёта и нанесения просветляющих покрытий, обладающих самыми совершенными характеристиками. У ведущих фирм параметры просветляющих покрытий рассчитываются отдельно для каждой линзы каждого объектива, ведь только таким образом можно обеспечить идентичную (или по крайней мере — близкую) цветопередачу всех объективов линейки.

Химическая и физическая однородность оптического стекла

Большое внимание уделяется вопросам химической однородности и гомогенности оптических материалов, которая обеспечивается тщательным механическим размешиванием расплава. Процесс размешивания — ответственная технологическая операция изготовления стекла, где недопустимы пороки материала — свили, пузыри, различные включения. Также недопустимы внутренние механические напряжения, которые возникают в процессе неравномерного остывания заготовок будущих линз при их последующей механической обработки и которые уменьшаются при специальном охлаждении заготовок.

Физически однородное оптическое стекло является гомогенным и изотропным материалом. Оптическая гомогенность означает, что коэффициент преломления материала одинаков во всех точках. Оптическая изотропность — это одинаковые оптические параметры по любому направлению. Требования оптической гомогенности и изотропности связаны. Отклонения требований и их нарушения вызывают отклонения оптических свойств материала. Изменения коэффициента преломления от точки к точке приводят к искривлению траектории лучей в материале. Углы отклонения от прямолинейности, в общем, не велики, но они пагубно отражаются на разрешающей способности линз. Наличие нежелательных внутренних напряжений в материале ведут к возникновению оптической анизотропии.

Бороться с этими явлениями можно за счёт выполнения технологических операций. Одной из самых важных — остывание заготовок. Например, самое крупное в мире (на тот момент) шестиметровое в диаметре зеркало для телескопа, установленное в телескопе БТА (Специальная астрофизическая обсерватория РАН, посёлок Нижний Архыз Зеленчукского района Карачаево-Черкесии), было изготовлено на Ленинградском оптико-механическом объединении (ЛОМО). Литая 70-тонная заготовка зеркала очень медленно остывала в специальном помещении с постоянной скоростью 0,03 градуса в час, и этот процесс длился около трёх лет. Заготовка всё это время находилась в тепловом равновесии с окружающей средой, температура которой очень медленно и плавно снижалась.

Оптические органические материалы

Очки из оптического оргстекла

Рис. С. Световод

Кабина самолёта из специального оргстекла

Органические оптические полимерные материалы

• Оптический материала полиметилметакрилат или полиметилметакрилат — синтетический полимер (ПММА)(оргстекло);
• Оптические полимерные материалы (кремний-органические или кремний-фторорганические полимеры);
  • Оптические полимерные материалы (клеи, плёнки, оптоволоконо, оргстёкла для самолётов и др.).

Производство оптическихе элементов на базе полимеров

Производство оптических систем из прозрачных оптических стекол тесно связано с применением оптических полимерных материалов. Без них теперь почти невозможно получение ахроматических склеенных линз, анастигматов, оптических волоконных волноводов, световодов, (с применением оптических клеёв, оптических эпоксидных компаудов и др.).

Минералоорганические оптические материалы

Кремнийорганические полимеры

В области офтальмологии, например, в изготовлении контактных линз использование кремния позволило производить мягкие контактные линзы, основанное на применении материалов, имеющих бифазную природу, сочетающих фрагменты кремний-органического или кремний-фторорганического полимера силикона и гидрофильного полимера гидрогеля. Значительных результатов в этом направлении достигли зарубежные фирмы Ciba Vision (Швейцария) и Bausch & Lomb (США). Работа в течении более 20 лет привела к созданию в конце 90-х годов силикон-гидрогелевых линз, которые благодаря сочетанию гидрофильных свойств и высокой кислородопроницаемости увеличили время круглосуточного ношения.

Оптические природные материалы

Среди природных минералов встречаются изотропные материалы (кристаллы), которые обеспечивают важные функции в некоторых оптических устройствах. Например, из исландского шпата и/или кальцита изготавливают элементы для избирательного выделения поляризованного света (Призма Николя). Используются также приспособления для микроскопии, изготовленные из слюды. Монокристаллы флюорита, кварца, каменной соли и др. также находят некоторое применение в оптике, хотя их всё больше и больше теснят синтетические неорганические монокристаллы и поликристаллические оптические материалы.

Синтетические неорганические оптические материалы

Стекло - не единственный материал, широко используемый в оптике. Монокристаллы бескислородных солей давно используют для ИК-оптики (LiF, MgF₂, ZnS, ZnSe и др.). Синтетические моно- и поликристаллы имеют высокую однородность, заданные параметры спектра пропускания. Разработаны и внедрены материалы из оптической керамики (иртраны): на основе кварца, корунда - рубин, поликор (лукалокс); оксида иттрия - иттралокс; некоторых шпинелей; цирконат-титанатов лантана и свинца (для электрооптической керамики).

Элементов оптических систем из различных оптических материалов

Контактные линзы

Полимеры дают возможность создавать недорогие асферические линзы с помощью литья.

Линзы контактные

В области офтальмологии благодаря применению крениевых (ОМ) созданы мягкие контактные линзы. Их производство основано на применении оптических материалов, имеющих бифазную природу, сочетающих фрагменты кремний-органического или кремний-фторорганического полимера силикона и гидрофильного полимера гидрогеля. Значительных результатов в этом направлении достигли зарубежные фирмы Ciba Vision (Швейцария) и Bausch & Lomb (США). Работа в течении более 20 лет привела к созданию в конце 90-х годов силикон-гидрогелевых линз, которые благодаря сочетанию гидрофильных свойств и высокой кислородопроницаемости могут непрерывно использоваться в течение 30 дней круглосуточно.

Волноводная оптика

Световод

Оптическое волокно — это световоды (см. рис. С) из стеклянных или пластиковых нитей в сочетании с волноводами, например, волноводами для лазерных, Х-лучей, используемые для передачи электромагнитных излучений, включая диапазон излучения внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Волновод

Прозрачная керамика в волноводах c полным внутренним отражением в оптической среде при помощи внедрения оптических керамических материалов (ПКМ) с использованем нанопорошковых светопрозрачных керамических материалов ПКМ в нанопорошковой технологии в отличие от световодов на базе (акриловый прут из полиметилметакрилата (ПMMA) — оргстекла.

Волновод из прозрачных керамических материалов на базе прозрачных керамических материалов (ПКМ) — волноводы для лазерных, X-лучей, получаемые с применением нанопорошковых светопрозрачных керамических материалов ПКМ, имеет кубическую симметрию распложения атомов, наноразмерные межкристаллитные границы. В процессе высокотемпературного прессования получают ПКМ с плотностью, близкой к плотности монокристаллов данных соединений, обладающие минимальным рассеянием света, высокой прозрачностью и твёрдостью (коэффициент преломления n = 2,08).

Монокристаллы кремния, кварца и др. в рентгеновской оптике

Линза из кремния для преломления Х-лучей

Рентгеновское излучение (РИ) находится в диапазоне электромагнитных волн (ЭВ) — ~ 0,01—150 нм, по сравнению с диапазоном видимого спектра (ЭВ) — ~ 400—800 нм. Получение рентгеновсих изображений до недавнего времени считалось не реальным. Создание и применение оптических систем (ОС) для получения рентгеновских изображений стало возможным благодаря современным достижениям в области физики преломления Х-лучей, технологиям получения высоко гладких поверхностей с заданными высокоточными профилями оптических элементов в виде оптических линз, призм, зеркал, пластинок, трубок с использованием оптических материалов (ОМ) чистых монокристаллов кремния, кварца и др. в современных (ОС), например, Рентгеновских микроскопах, Телескопах и др..

Область применения оптических материалов

Массовое производство оптических материалов налажено с целью обеспечения следующих направлений их использования:

• Стекло оконное, зеркальное и пр.
• Оптическое стекло и стекло для светофильтров
• Оптические полимерные материалы для разных отраслей промышленности, в том числе Органическое стекло, полимеры для Офтальмологии, для производства ахроматических склеенных линз, световодов и др.
• Микроскопы и Телескопы
• Очки и Контактные линзы
• Объективы
• Радары
• Бинокли
• Спектрометры
• Фотоситаллы
• Фотосенсоры и Матрицы (фото)
• Оптоволокно

См. также

• Оптические системы
• Оптическое стекло
• Оптоволокно
• Линзы
• Линза из кремния
• Линзы из кварца
• Лазеры
• Рентгеновская оптика
• Прозрачные керамические материалы
• Нанопорошковые керамические материалы‎
• Бионический глаз
• Глаза
• Физические свойства
• Очки

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;
• Мидвинтер 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

• Рисунок: Прозрачность некоторых оптических материалов в ИК-области