Оптические материалы

Материалы для изготовления оптических элементов

Оптические материалы

1.Выборматериала конкретного типа лазераопределяется в первую

очередьпропускание излучения нужной длиныволны.

2.Мощность,необходимая для проведения тех. процесса(показатель

поглощения- min).

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕТРЕБОВАНИЯ.

-высокая оптическая прочность (порыразрушаются);

-высокая механическая прочность;

-хорошая оптическая однородность;

-высокая термостойкость в рабочемдиапазоне температур;

-высокая теплопроводность;

-малое значение температуропроводности;

-получение заготовок большего диаметра;

-химическая стойкость;

-min токсичность;

-невысокая стоимость материала и сырья;

-удобство монтажа и юстировки;

Материалыудовлетворяющие требования не созданы.

МАТЕРИАЛЫДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ ОПТИКИ.

Общие требования

-max коэффициент отражения на рабочейдлине волны;

-возможность высокой точности изготовленияотражающей поверхности

-стабильность формы и качества отражающейповерхности в течение;

длительноговремени эксплуатации.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕТРЕБОВАНИЯ.

Всоответствии с этим материалы должныиметь:

-высокую теплопроводность;

-малый температурный коэффициентлинейного расширения;

-min плотность;

-высокий предел упругости;

-max жесткость;

-min коэффициент поглощения на рабочейдлине волны;

-высокую лучистую прочность;

-возможность обработки отражающей поверхности с высокой точ-

ностьювоспроизводства;

-возможность использования охлаждения;

Лучшевсего удовлетворяют требованиям икритериям: медь, меднохромистая бронза,молибден, вольфрам.

Материалы для изготовления элементов оптического тракта

Элементамипроходной оптики ТЛ являются выходныеплоские окна и линзы, служащие дляпропускания, транспортирования иформирования выходных пучков лучей иих фокусировки на обрабатываемый объект.

Выборматериалов для элементов проходнойоптики конкретного типа лазераопределяется, в первую очередь,пропусканием излучения той длинныволны, на которой лазер работает.

Газовыелазеры.

Мощность(энергия) излучения, необходимая для выполнения таких технологическихопераций, как сварка, сверление, разметка,термообработка и др., достигнута восновном на СО2- лазерах, работающих на длине волны 10.6 мкм. Поэтому оптические элементыпроходной оптики должны иметь минимальныйпоказатель поглощения в области  l = 10…11 мкм.

Гаммаматериалов, прозрачных в этой области,весьма широкая. Однако эту гаммусущественно сужают дополнительныетребования, характерные именно длялазерных систем. К дополнительнымтребованиям относятся:

  • высокая оптическая прочность, позволяющая достичь требуемых значений поверхностного и объемного порога разрушения и ресурса работы;
  • высокая механическая твердость, обеспечивающая возможность и технологичность высококачественного полирования рабочих поверхностей;
  • хорошая оптическая однородность, стабильная во времени и в процессе эксплуатации;
  • высокая термостойкость в рабочем диапазоне температур;
  • высокая теплопроводность, обеспечивающая рассеяние поглощенной материалом энергии излучения;
  • малое значение температуропроводности, определяющей скорость установления теплового равновесия и расстояние, на которое тепловая волна проникает в глубь материала;
  • возможность получения заготовок достаточно больших размеров;
  • высокая химическая стойкость;
  • отсутствие токсичности материала, сырья для его изготовления и продуктов его обработки;
  • невысокая стоимость материала и сырья для его изготовления и продуктов его изготовления;
  • удобства монтажа и юстировки системы оптических элементов;

Материалы,полностью удовлетворяющие всемперечисленным требованиям, в настоящеевремя еще не созданы.

Однакоцелый ряд материалов, прозрачных в ИК-области спектра, этим требованиямчастично удовлетворяет. К ним относятся:

 тугоплавкиемонокристаллы Si,Ge, Al203;

  • полупроводниковые соединения ZnSe, CdTe, GaAs;
  • монокристаллические растворы на основе солей таллия, известные

подшифрами КРС-5и КРС-6;

  • оптическая керамика типа КОЗ (на основе CaF2), (на основе ZnSe) и

КО6(на основе CdTe)

 щелочно-галоидныекристаллы КCl,NaCl, CaF2,LiF, BaF2.

Таккак каждый из этих материалов неполностью отвечает поставленнымтребованиям (так, например, КРС-5и КРС-6имеют малую термостойкость и весьматоксичны; Ge, GaAs, CdTeнепрозрачныдля видимого света,что затрудняет сборку и юстировку; KCl,NaCl, LiFгигроскопичны;ZnSe, BaF2и CdTeимеютвысокую стоимость),то эффективность применения того илииного кристалла определяется отдельно для каждого конкретного случая. Показатели преломления для некоторых материалов приведены в таблице 2.3

Твердотельныелазеры и сравнение с газовыми.

Длятранспортировки излучения твердотельного лазера используют обычно двавида оптических трактов:оптический тракт на основе зеркально-линзовыхоптических элементов и световодныхмоно- и поливолокон с использованием фокусирующих элементов.

Стандартныйоптический тракт лазерной установкисостоит из элементов, транспортирующихизлучение к месту обработки (зеркала,световоды), и формирующих (фокусирующих)элементов (линзы, зеркала, фоконы и др.).Сравним материалы для изготовленияэлементов оптического тракта, отвечающихза транспортировку излучения.

Длятехнологических газовых лазеровиспользуют металлические или полупроводниковые зеркала, охлаждаемыеводой. На них, как правило, нанесенозащитно-просветляющее покрытие.Материалами для подложки зеркал в основном служат медьмарки М00б,М0б, M1б ссодержанием меди свыше 99.

95 %, бронзамарки БрХ08,иногда молибдени вольфрам.На поверхность зеркала наноситсяотражающее золотое, серебряное илизащитное покрытие. На этом исчерпываетсяперечень материалов для изготовленияоптики, транспортирующей излучениегазовых лазеров.

Для транспортировкиизлучения твердотельных лазеровиспользуют, в основном, зеркальныесистемы. Стандартное зеркало длятвердотельного лазера состоит изподложки и отражающего покрытия. Вкачестве подложки используют чаще всегокварцевое стекло, т.к. оно имеет высокуюпрочность и лучевую стойкость.

Отражающее покрытие на такое зеркалонаносится в виде тонких интерференционныхпленок с числом покрытий от 3 до 5-ти.Используя специальные покрытия, можнона зеркалах выполнить системы датчиковдля контроля мощности и размеров луча.

Благодаря отлаженной технологиинапыления тонких пленок стоимость одного зеркала незначительна и в 4-5 разниже стоимости зеркала для газовоголазера.

Дляфокусировки излучения твердотельныхлазеров обычно используют проходнуюоптику. Анализ информации, приводимойв отечественной и зарубежной литературе,показывает, что существуют различныеметодики выбора материала для оптической системы твердотельного или газовоголазера.

Изформулы (___) следующего раздела видно,что величина диаметра пятна в фокальнойплоскости прямопропорциональнааберрационному параметру линзы(оптической системы).

Аберрационныйпараметр оптического элемента зависитне только от соотношения радиусовкривизны оптических поверхностей, нои от показателя преломления материала, причем с ростом показателя преломленияматериала линзы аберрационный параметруменьшается.

Исходя из сказанного,можно утверждать, что показательпреломления материала линзы оказываетсущественное влияние на аберрации оптической системы для случая использованияоднолинзовой фокусирующей системы.

Следуетотметить, что чаще всего в лазерных технологических комплексах используютоднолинзовые оптические системы. Сравним материалы для изготовленияоптических элементов проходного типа,применяемые в газовых и твердотельныхлазерах.

Внастоящее время изготовители оптикидля ближней ИК области располагаютдостаточно большим количеством оптическихматериалов, различающихся по своимсвойствам. В отличие от материалов для изготовления оптики лазеров, работающихна длине волны 10.6 мкм, для твёрдотельныхлазеров с длинной волны 1.

06 мкм подходитпочти весь спектр материалов, используемыхдля видимой области спектра. Основнымисреди них являются кварц и стекло. Абсолютное количество материалов,используемых для лазеров с длиной волны1.06 мкм, в несколько разпревышает количество материалов длядлины волны 10.6 мкм.

Для использованияв лазерных системах и технологическихкомплексах на базе газовых лазеров в основном используют полупроводники игалогениды металлов.

КристаллическиегалогенидыNaCLи KCLв высшей степени прозрачны на 10,6 мкм, но гигроскопичны и мягки. (В настоящеевремя КClпродолжает оставаться наиболеераспространенным материалом дляизготовления проходной оптики газовыхлазеров средней мощности).

Полупроводникитипа Ge, GaAs, ZnSe, CdTeхимически более стойки и на них легченанести покрытие, но они слишком дороги. Показатели преломления этих материалов имеют значения от 1.22 до 4.2 (см. таблицу2.3).

Часть перечисленных материаловпрозрачны и на длине волны 1.06 мкм, однако, они практически не используютсяв качестве оптических элементов длятвёрдотельных лазеров из-за дороговизныи недолговечности, за исключениемособых случаев.

На этом исчерпываетсяперечень материалов для изготовленияфокусирующей оптики газовых лазеров.

Зеркальные системы, применяемые для фокусировкиизлучения большой мощности, в данномразделе не рассматриваются и несравниваются, т.к. на данном этаперазвития и в ближайшем будущем неожидается выпуска промышленных лазеровна мощность более 2 кВт.

Вотличие от проходной оптики дляпромышленных газовых лазеров с длинной волны 10.6 мим, материалы для изготовлениялинз, зеркал, призм на длину волны 1.06мкм обладают рядом положительныхсвойств: они дешевы, просты в обработке,обладают высокой лучевой стойкостью имеханической прочностью.

На эти материалы легко наносятся разные виды покрытий(защитные, просвечивающие, отражающие).Показатель преломления материалов, используемых для длины волны 1,06 мкм, изменяется от 1,4 до 2,1 (см. таблицу 2.3).

При этом имеется рекомендация онежелательности использования материаловс показателем преломления большим 1.8 [92 ].

Наличиебольшого количества различных оптических материалов позволяет при расчетеоптических систем варьировать показательпреломления в значительных пределах,что дает определенную выгоду при подборепараметров оптического элемента особеннопри расчете многолинзовых оптическихсистем и наиболее точном приближении реальных параметров оптической системык расчетным.

Точностьподбора показателя преломления составляет0.01 %. Необходимо отметить, что при наличиибогатого выбора материалов для оптическихэлементов имеется возможность проводитьподбор необ-ходимого материала получевой стойкости для каждого конкретногослучая [96]. При выборе материалов дляизготовления элементов внешней оптики твердотельного лазера можно руководствоваться следующими правилами:

  1. Если оптическая система состоит из одного элемента, то выбор необходимо делать основываясь на результате оптического расчета, лучевой и механической прочности материала линзы. При необходимости изменения показателя преломления материала, его следует изменять, при прочих равных условиях, в большую сторону.

  2. Для случая сложной оптической системы показатель преломления не является решающим фактором и может изменяться в достаточно широких пределах. Применение многолинзовых систем практически не приводит к потерям излучения за счет просветляющих покрытий, технология нанесения которых для длинны волны 1.06 мкм хорошо отработана.

Срокслужбы оптических элементов длятвёрдотельных технологических лазеров значительно превышает срок службыоптики, применяемой для фокусировкигазовых лазеров.

Стоимостные характеристики простых оптических элементов дляизлучения с длиной волны 1,06 мкмприблизительно в 10 раз дешевле аналогичных материалов для длины волны 10,6 мкм.

Характеристики материалов обычноприводят в справочниках (напримерсм.лит.[92,93,94,95]).

Извышеизложенного следует, что материалы, применяемые для изготовления оптическихэлементов твердотельных лазеров сдлиной волны 1.06 мкм имеют некоторыепреимущества по сравнению с материалами, используемыми для изготовления оптики газовых лазеров с длиной волны излучения10,6 мкм, что позволяет сделать вывод опредпочтительности использованияизлучения твердотельных лазеров.

Таблица2.3

Оптические материалы

Оптические материалы

    Введение

  • 1 Силикатные стёкла
  • 2 Органические стёкла
  • 3 Кремний
    • 3.1 Инфракрасная область
    • 3.2 Рентгеновские линзы
  • Примечания
    Литература

Оптические материалы — природные и синтетические материалы, монокристаллы, стёкла (оптическое стекло, фотоситаллы), поликристаллические (Прозрачные керамические материалы), полимерные (Органическое стекло) и другие материалы, прозрачные в том или ином диапазоне электромагнитных волн. Их применяют для изготовления оптических элементов, работающих в ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной областях спектра.

В разговорной речи и в промышленности нередко все твёрдые оптические материалы называют стёклами.

Роль оптических материалов иногда выполняют и оптические среды, некоторые полимеры, плёнки, воздух, газы, жидкости и другие вещества, пропускающие оптическое излучение.

1. Силикатные стёкла

Самым древним и известным оптическим материалом является обычное стекло, состоящее из смеси оксида кремния и других веществ. Развитие технологии и ужесточение требований по мере роста совершенства оптических приборов привели к созданию особого класса технических стёкол — оптического стекла.

https://www.youtube.com/watch?v=_q-_JY7IYPY

От прочих стёкол оно отличается особенно высокой прозрачностью, чистотой, бесцветностью, однородностью, а также строго нормированными преломляющей способностью и дисперсией.

1.1. Кварцевое стекло

Переплавляя чистый оксид кремния (например, горный хрусталь), получают так называемое кварцевое стекло.

От прочих силикатных стёкол оно отличается существенной химической стойкостью, чрезвычайно малым коэффициентом линейного расширения и относительно высокой температурой плавления (1713–1728 °C).

Благодаря этому возможно построение оптических систем, работающих в более широком диапазоне температур и агрессивных сред.

Кроме того, кварцевое стекло прозрачно для ультрафиолетового диапазона электромагнитных волн, что делает этот материал незаменимым для оптических систем, работающих в этой области спектра.

2. Органические стёкла

Основным поводом к созданию искусственного заменителя — органического стекла, стало отсутствие в пору его разработки (1930-е годы) материалов, пригодных для использования в авиации — прозрачных, но лишённых хрупкости, достаточно прочных и гибких — этими качествами и был наделён данный синтетический полимер.

В настоящее время органическое стекло уже не способно удовлетворять всем требованиям, предъявляемым ни авиацией, ни, тем более — космонавтикой, однако на смену ему пришли другие виды пластиков и новые модификации «обычного» стекла (наделённые повышенной отражательной способностью, термостойкие и прочные).

Оргстекло по строгим физико-химическим характеристикам к своему прототипу отношения не имеет.

3.1. Инфракрасная область

Линза, изготовленная из однородного кремния, прозрачна для инфракрасного излучения и непрозрачна для видимого света. В этой области спектра кремний имеет:

  • сверхвысокую дисперсию;
  • самое большое абсолютное значение показателя преломления n=3,4;

3.2. Рентгеновские линзы

Свойства кремния позволили создать новый тип фокусирующих систем для волн рентгеновского диапазона. Для изготовления таких систем используется контролируемое формирование периодического массива пор в процессе глубокого фотоанодного травления кремния. в ИПТМ РАН был разработаны способы управления формой пор.

В результате были созданы матрицы параболических короткофокусных рентгеновских линз и элементов трехмерных фотонных кристаллов на основе кремния.[1]

Примечания

  1. краткая информация о применении кремния — www.nsc.ru/HBC/2000/n10/f11.html

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.

скачать
Данный реферат составлен на основе статьи из русской Википедии. Синхронизация выполнена 13.07.

11 20:01:51
Похожие рефераты: Оптические системы, Оптические волны, Оптические иллюзии, Оптические изомеры, Оптические приборы, Оптические нейронные сети, Волоконно-оптические линии связи, POS-материалы, Материалы.

Категории: Оптические материалы.

Текст доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareA.

Силикатные стёкла[ | ]

Основная статья: Оптическое стекло

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.

https://www.youtube.com/watch?v=_q-_JY7IYPY

От прочих стёкол оно отличается особенно высокой прозрачностью, чистотой, бесцветностью, однородностью, а также строго нормированными преломляющей способностью и дисперсией.

Кварцевое стекло[ | ]

Основная статья: Кварцевое стекло

Переплавляя чистый диоксид кремния (например, горный хрусталь), получают так называемое кварцевое стекло.

От прочих силикатных стёкол оно отличается существенной химической стойкостью, чрезвычайно малым коэффициентом линейного расширения и относительно высокой температурой плавления (1713–1728 °C).

Благодаря этому возможно построение оптических систем, работающих в более широком диапазоне температур и агрессивных сред.

Кроме того, кварцевое стекло прозрачно для ультрафиолетового диапазона электромагнитных волн, что делает этот материал незаменимым для оптических систем, работающих в этой области спектра.

Органические стёкла[ | ]

Основная статья: Органическое стекло

Основным поводом к созданию искусственного заменителя — органического стекла, стало отсутствие в пору его разработки (1930-е годы) материалов, пригодных для использования в авиации — прозрачных но нехрупких и достаточно прочных и гибких — этими качествами и был наделён данный синтетический полимер.

В настоящее время органическое стекло уже не способно удовлетворять всем требованиям, предъявляемым ни авиацией, ни, тем более — космонавтикой, однако на смену ему пришли другие виды пластиков и новые модификации «обычного» стекла (наделённые повышенной отражательной способностью, термостойкие и прочные).

Оргстекло по строгим физико-химическим характеристикам к своему прототипу отношения не имеет.

Инфракрасная область[ | ]

Линза, изготовленная из однородного кремния, прозрачна для инфракрасного излучения и непрозрачна для видимого света. В этой области спектра кремний имеет:

  • сверхвысокую дисперсию;
  • самое большое абсолютное значение показателя преломления n=3,4;

Рентгеновские линзы[ | ]

Свойства кремния позволили создать новый тип фокусирующих систем для волн рентгеновского диапазона. Для изготовления таких систем используется контролируемое формирование периодического массива пор в процессе глубокого фотоанодного травления кремния. в ИПТМ РАН были разработаны способы управления формой пор.

В результате были созданы матрицы параболических короткофокусных рентгеновских линз и элементов трехмерных фотонных кристаллов на основе кремния.[1]

См. также[ | ]

  • Оптические системы
  • Оптоволокно
  • Линза
  • Сцинтилляторы

Примечания[ | ]

  1. ↑ краткая информация о применении кремния

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[ | ]

  • Статья «Оптические материалы» на xumuk.ru
Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

×
Рекомендуем посмотреть