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. Например, заменена фотоплёнка на фотосенсоры, идёт быстрое внедрение стекломатериалов на базе минералоорганических взамен неорганических (контактные линзы), сами неорганические стекломатериалы создаются на базе силикатных в смеси с различными химическими элементами 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 достижений в создании оптических материалов относятся оптические стекломатериалы на базе керамики. Уже получены и внедрены новые прозрачные керамические линзы на базе нанотехнологий и новых методов формирования материала с применением высокой температуры и давления. (См. Прозрачные керамические линзы). Широко внедряются новые органические и минералоорганические стекломатерилы, как производство линз в изготовлении очков и разных протезов в офтальмологии 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 стекла

Кремниевые 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 пропускать ИК — лучи, Кварцевые элементы пропускают ультрафиолетовые лучи + лучи видимого спектра в широком диапазоне. 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

Органические оптические полимерные материалы

• Оптический материала полиметилметакрилата(ПММА)(оргстекло);
• Оптические полимерные материалы (кремний-органические или кремний-фторорганические полимеры);
  • Оптические полимерные материалы (клеи, плёнки, оптоволоконные).

Производство оптических 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, оптоволокна, световодов(оптические клеи, оптические эпоксидные компауды 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).

Примеры 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.

Оптоволокно

Связка оптоволокна

Бинокль ночного видения

Оптоволокно — это стеклянная или пластиковая нить, используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Монокристаллы кремния, кварца и др. в рентгеновской оптике

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

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
• Фотообъективы
• 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

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