Материалы для оптических элементов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

Материалы для оптических элементов



Содержание

Введение

1. Материалы для активных элементов твердотельных лазеров

2. Металлы и сплавы для элементов отражательной оптики

3. Материалы для элементов проходной оптики

4. Материалы для поляризационных элементов

5. Электрооптические материалы

6. Дидейтерофосфат аммония (ND4D2PO4)

Литература



Введение

В соответствии с назначением материалы для оптических элементов подразделяют на:

- материалы активных элементов;

- материалы для отражателей;

- материалы для проходных элементов;

- поляризационные материалы;

- электрические материалы;

- материалы для интерференционных покрытий.

Помимо основных групп используется и ряд материалов для вспомогательных устройств оптических элементов:

- полимеры для подложек решеток - поляризаторов;

- светорассеивающие материалы для диффузных отражений;

- специальные тепловодные пасты;

- бескислородные стекла и многие другие МЭТ.

Указанные материалы для полного описания требуют знания уже рассмотренных характеристик (молекулярной (атомной) массы, плотности, механических, оптических, электрических характеристик и оптической прочности - пороги поверхностного и объемного разрушения), но поскольку многие их этих характеристик существенно меняются, при изменении температуры важны их температурные зависимости. Для ряда материалов требуется указание дополнительных характеристик, таких как: показатели двулучепреломления, вращение плоскости поляризации, электрооптический коэффициент, температура Кюри и др.

1. К материалам для активных элементов твердотельных лазеров относятся: неодимовые стекла; рубин; алюмонатриевый гранит с неодимом; лейкосапфир;

2. Материалы для элементов отражательной оптики: медь, бронза, молибден, вольфрам;

3. К материалам для элементов проходной оптики относятся: Si, Ge, селенид цинка, теллурид кадмия, Ga, As, монокристаллические растворы КРС-5, КРС-6, хлористый калий, хлористый натрий, фтористый кальций, фтористый литий, фтористый барий, оптические керамики, КО 3, КО 4, КО 6;

4. Материалы для поляризационных элементов: исландский шпат, слюда-мусковит, кристаллический кварц, сульфид кадмия, и дихроичные среды;

5. Электрооптические материалы: дигидрофосфаты и дидейтерофосфаты аммония и калия;

6. Материалы для интерференционных покрытий - более сорока типов различных пленок.

Материалы вспомогательных устройств обычно включают: теплоотводящие пласты, оптические клеи, защитные неорганические стекла, инвар, алюминиевые сплавы, фтористый магний и др.

материал лазер поляризационный электрооптический



1. Материалы для активных элементов твердотельных лазеров

Основой лазерной техники и лазерных технологий, являются приборы квантовой электроники, которые разделяют на:

- квантовые генераторы (источники когерентного излучения, основанные на использовании вынужденного светоиспускания и обратной связи);

- квантовые усилители (использующие вынужденное испускание квантов для усиления электромагнитных волн, при этом энергия возбужденная используется для создания инверсной населенности энергетических уровней квантовой системы с тем, чтобы при воздействии на систему слабого внешнего сигнала, обладающего определенной частотой, фазой и направленностью, в усилителе возникло вынужденное излучение с теми же параметрами, на значительно большей мощности);

- модуляторы - устройства позволяющие управлять амплитудой, фазой, частотой и поляризацией ЭМ излучения. (Термин "мазер" предложен Ч. Таунсом и является сокращением фразы: "Microwave amplification by stimulated emission of radiation", т.е усиления микроволн). С появлением кварцевых парамагнитных усилителей СВЧ, их тоже стали называть мазерами. С разработкой квантовых генераторов оптического диапазона по аналогии с мазерами был введен термин "лазер", т.е. усиление света с помощью вынужденного испускания излучения.

По физическому состоянию активного вещества приборы разделяются на твердотельные, жидкостные и газовые.

Чаще всего классифицируют ОКГ по агрегатному состоянию активного вещества с учетом способа возбуждения. Различают: твердотельные (ТЛ) с оптическим возбуждением; жидкостные с оптическим возбуждением; полупроводниковые с инжекционной накалкой и с накачкой электронным пучком; газовые (газоразрядные, химические, газодинамические, с оптической накалкой и др.)

Активное вещество лазеров должно обладать комплексом свойств, обеспечивающих длительный ресурс работы, входную мощность генерации, направленность излучения.

В современных ТЛ, требуемая в течение нескольких тысяч часов мощность генерации в непрерывном или импульсно-периодическом режиме лежит в пределах от десятков ватт до 5...10 КВт, а отклонение направленности потока излучения должно быть меньше 3...5.

Такие условия выдвигают ряд требований:

- оптическая однородность материала;

- стабильность материала в процессе генерации; возможность варьировать термооптические характеристики путем изменения состава для их сочетания с другими тепловыми характеристиками;

- высокая теплопроводность материала; высокая оптическая плотность и фотохимическая плотность;

- слабое поглощение излучения в материале на л_{рабочее};

- технологичность изготовления и обработки материала;

- возможность получения заготовок материала больших размеров;

- отсутствие токсичности материала и продуктов его обработки;

- невысокая стоимость материалы и исходного сырья для его изготовления.

Для активных элементов ТЛ использует кристаллические и аморфные конденсированные среды, играющие роль матриц, с введенными в них добавками (чаще всего в виде ионов лантаноидов), выполняющие функции активаторов.

Наибольшее применение получили:

- неодимовые стекла (стекла активированные трехвалентными электронами неодима для л = 1,06 мкм (сиреневая окраска стекла). Наиболее вредны примеси с полосой поглощения вблизи 1,06 мкм (двухвалентное железо, самарий, празеодим, кобальт, никель, медь) суммарное содержание примесей < 10^-4 %.

Активаторы подразделяют на: силикатные (ГЛС1.....14) и фосфатные (ГЛС21...26). ОСТ3-3993-77 (отечественные). Концентрация ионов Na³⁺ от (0,09...5,7)•10²⁰ см^-3, потеря массы в воде (при 373 К за 4 часа) ? 2,1...24 %, фотоупругие постоянные (0,1...0,4)•10^-12 Па^-1.

Деление таких стекол по классам и категориям осуществляется по показателю поглощения, пузырности, и включениям. Высокое качество исходных материалов шихты, варка стекла в пластиковых контейнерах ВЧ нагревом позволяет получить стекла размером 1200•280•70см^-1с числом пузырей менее 10 с менее 0,2 мм на 1 кг, показателем поглощения (0,3…0,6)10^-3 см^-1, высоким КПД не изменяющимся после 10⁵ вспышек лампы накачки, (расчет вероятностей термических разрушений ГЛС1, дает, что при частоте следования импульсов накачки 1 Гц разрушение наступает после 10⁸ вспышек) двулучепреломление в пределах 3...6 нм/см.

Сырьевые материалы для изготовления простого стекла:

- кварцевый песок SiO₂;

- сода Na₂CO₃;

- поташ K₂CO₃;

- известняк CaCO₃;

- доломит CaCO₃ MgCO₃;

- сульфат натрия Na₂SO₄;

- бура Na₂B₄O₇;

- борная кислота H₃BO₃;

- сурик Pb₃O₄;

- каолин и полевой шпат.

При плавлении шихты в стеклоплавильных печах летучке составные части (H₂O, CO₂, SO₂) удаляются, а оставшиеся оксиды химически реагируют между собой, в результате получается однородная стекломасса.

Стекло получают при быстром охлаждении расплавленного материала (при медленном охлаждении возрастает вероятность перехода вещества в кристаллическое состояние; быстрое охлаждение с быстрым возрастанием вязкости приводит к тому, что молекулы не успевают образовать кристаллическую решетку и остаются закрепленными в тех случайных положениях, в которых они оказались к моменту повышения вязкости).

Листовое стекло получают на машинах Фурко посредством вытягивания полосы стекла сквозь фильеру в шамотной заслонке, погруженной в расплавленную стекломассу.

Специальная термообработка повышает термическую прочность, а удаление воды улучшает спектральнолюминесцентные параметры.

В последние годы разработаны новые марки атермальных неодимовых натрий-алюмофосфатных стекол ЛГС-Т (мощность генерации 0,6 КВт, для ГЛС22, ГЛС26, а для ЛГС-Т - 1,6 КВт), неодимовые стекла на фосфатной (КГСС-В16, В9199, ЛГС-40, ЛГС-И и др.) и силикатной (КГСС-1105) основных с малой термооптической постоянной (однако их низкая теплопроводность ограничивает их применение в непрерывном режиме)

Показатель преломления n снижается от 1,55 до 1,518, при от 0,5…1,06 мкм

Рубин - Al₂O₃:Cr³⁺ - монокристалл тригональной сингонии, природные и синтетические. Представляет собой двулучепреломляющий положительный кристалл б - корунд, обладающий отдельностью по плоскости ромбоэдра, в которой часть атомов аммония изоморфно замещена трехвалентными ионами хрома (0,03...0,5% Cr³⁺), б-Al₂O_3.

Выращивается методами Вернейля, Чохрамского, направленной кристаллизации, бестигельной зонной и др. Слабо растворяется в кипящей серной и ортофосфорной кислотах при 573 и хорошо в буре при 1073…1273 К и бисульфате калия при 673…873 К. При воздействии рентгеновских лучей и фотовозбуждения рубин люминесцирует в области 0.510…0.595 мкм, независимо от проведения предварительного облучения. Обычно используется в импульсном режиме, при введении охлаждения - в непрерывном.

Рубин марки ГОИ ( 100мм l = 150мм) и ИКАН - монокристаллический, выращенный газоплазменным методом. - показатель поглощения равен 0,07 на = 0,7 мкм, Т = 293 К, tg при 298 К на 10¹¹ Гц перпендикулярно оси С (40 10)10^-3, параллельно оси С (20 5)10^-3.

Порог поверхностного разрушения снижается при увеличении длительности импульса. Р=10⁸…10¹⁰ Вт/см² при =210^-9 … 210^-6 с, Р = 10 Вт/см² при = 510^-6…510^-4 с.

Гранат алюмоиттриевый с неодимом - синтетический кристалл кубической симметрии. Выращивают в основном методом Чохральского, в процессе которого в исходный состав чистого кристалла Y₃Al₅O₁₂ (смесь окиси иттрия Y₂O₃ и окиси алюминия Al₂O₃) вводят в виде примеси окись неодима Nd²O³.

Y₃Al₅O₁₂:Nd³⁺ - на растворяется в воде, в серной, соляной, азотной и фтористоводородной кислотах. Растворяется в ортофосфорной кислоте при 523К и выше. Имеет высокую теплопроводность, низкий порог возбуждения и используется для лазеров с большой частотой следования. Деградирует при облучении электронным пучком _раб = 1,064 мкм.

Выпускается до 40 мм и l до 300 мм (max = 60 мм - l = =750 мм) n = 1,83 на = 1,064 мкм.

Недостаток - дорогой, сложно производить (для выращивания стержня l = 150 мм требуется более 300 часов работы сложного и дорогого оборудования и больших энергозатрат). при увеличении от 0 до снижается с 11,7 до 3,5. Оптическая прочность при = 0,69…6,510¹⁰, = 1,06…2,010¹¹.

Лейкосапфир (б-Al₂O₃) - прозрачный монокристалл тригональной сингонии, природный и синтетический.

Содержание примеси < 10^-4 %, исходный материал алюмоаммониевые квасцы, очищенные рекристаллизацией в растворе и прокаленные. Выращивание газоплазменным методом, направленной кристаллизацией из раствора, гидротермальным методом и др.

Искусственный структурно совершеннее природного. Растворимость в воде(9,810^-5 г на 100 г Н₂О при 302 К) незначительна. Слабо растворяется в кипящей азотной и ортофосфорной кислотах при 573 К. Хорошо растворяется в буре (1073…1273 К) и в бисульфате калия (673…873 К). При действии рентгеновского излучения и фотовозбуждения наблюдается люминесценция, независимо от предварительного облучения. Выпуклость до 120 мм (max размер пластин 2009525 мм). Обрабатывается алмазом. Спаи с металлом, стеклами и керамикой могут быть получены как для высоких, так и для низких температур.

После нейтронного облучения и термической обработки становится активной средой с перестраиваемой по частоте излучением при = 0,54….0,62; 0,75…0,95 мм; 0,96…1,15 мкм.

Цена материала для активных элементов ТЛ, отнесенная к единице длины составляет.долл/см:

- неодимовое стекло 40;

- рубин 100….150;

- алюмоиттриевый гранат с неодимом 400.

2. Металлы и сплавы для элементов отражательной оптики

Материалы для элементов отражательной оптики

Металлооптика находит применение в оптотехнике и лазерной технике для резонаторов технологических лазеров, систем формирования и фокусировки лазерного излучения.

Общие требования к таким материалам можно сформулировать следующим образом:

- максимальный коэффициент отражения на рабочей частоте;

- возможность высокой точности изготовления поверхности;

- стабильность формы и качества в течение времени эксплуатации и хранения.

В соответствии с этими требованиями материалы должны обладать:

- высокой теплопроводностью;

- малым ТКЛР;

- минимальной плотностью;

- высокой предельной упругостью;

- максимальной жесткостью;

- минимальным коэффициентом поглощения на л_раб;

- высокой лучистой прочностью;

- возможностью обработки отражающей поверхности с высокой точностью воспроизводства геометрии поверхности и малой её шероховатостью;

- возможностью использования внешнего и внутреннего охлаждения.

Для рационального выбора материалов используют критерии качества лазерных зеркал, представляющих собой удельные интенсивности лазерного излучения, рассчитанные на единицу перегрева, напряжения и смещения отражающей поверхности.

В результате исследований установлено, что наиболее полно удовлетворяют требованиям и критериям безкислородная медь, медно-хромистая бронза, молибден и вольфрам. В настоящее время наиболее часто используют высокочистые сорта марок М0б и М00б, бронза БрХ0,…8, молибден М4, вольфрам В4.

Внедрение материалов высокой чистоты, замена традиционных методов шлифования, полирования и доводки зеркал методом алмазной обработки без последующего шлифования, использование эффективных способов охлаждения отражающих поверхностей обеспечивают повышение порога поверхностного разрушения до 20кВт/см², ресурса работ до 1000 и более часов, снижение термодеформаций до долей микрометра.

Медь (сырьё - медные руды и самородная - кристаллизированная в кубической сингонии, гранецентрированная кубическая решетка).

Спектральный коэффициент отражения (свежеполированных поверхностей) на л = 10 мкм с_л ? 0,99, после алмазной прецизионной обточки и вакуумного отжига с_л ? 0,995.

В основном используется безкислородная медь, обладающая вакуумной плотностью, отсутствием «водородной болезни». Выпускается медь марок М00б - 99,99% Cu, М0б - 99,97%, М1б - 99,95%Cu (технические марки М00 - 99,99, М0 - 99,95, М1 - 99,9, М2 - 99,7, М3 - 99,5, М4 - 99,00% Cu),

- Т_пл = 1353-1359 К,

- Т_испар = 2868 К, ТКЛР от 0,8210^-6_{30 К} до 16,710^-6_{300 К},

- с10⁶ = 1,68 у М00б, 1,706 у М0б, 1,724 у М1б при 293 К,

которое с ростом температуры возрастает до 2,34 при 373 К, 9,42 при 1173 К.

Оптическая прочность от 100 мДж/см² до 500 мДж/см².

Бронза

Составы: БрХ08 - Cu - основа, Cr - 0,4…1,0 %, Zn 0,01 %, всего примеси < 0,3 %.

Основные свойства: высокая электропроводность и теплопроводность, хорошие механические свойства, высокая температура рекристаллизации и размягчения.

Используют для изготовления отражающих поверхностей, электродов, жаропрочных деталей, работающих при охлаждении до 20 К, элементов к которым предъявляются требования высокой прочности, твердости, электропроводности и теплопроводности, особенно при повышенных температурах.

Спектральный коэффициент отражения на л = 10,6 мкм с_л?0,986 и Т = 293К, ТКЛР равен 10,510^-6 при 100 К и 16,810^-6 при 300 К.



Молибден

Тугоплавкий, хрупкий, немагнитный металл светло-серого цвета. Кристаллическая решетка объемно центрированная кубическая. В Земной коре 110^-30 %, промышленное сырьё - минерал класса сульфидов молибденит или молибденовый блеск МоS₂, продукт переработки - трехокись молибдена MoS₃ - является исходным для выплавки молибдена порошковой и вакуумной металлургией.

В молибдене, полученном порошковой металлургией, содержатся примеси (в %): Те - 510^-3 - 110^-2, С - 310^-3, прочих - 1,510^-2. В молибдене вакуумной металлургии (дуговая плавка в вакууме), примесей соответственно: О - 310^-4, Н - 210^-5, N - 110^-4.

Молибден химически стойкий. На воздухе при 293 К не окисляется и не подвержен действию соляной и разбавленной серной кислот; растворяется в азотной и концентрированной серной кислотах. При накаливании на воздухе до Т > 673К интенсивно окисляется, образую трехокись МоО₃ в виде рыхлой массы белого цвета.

Обладает высокой Тпл (уступает только вольфраму и танталу), что позволяет использовать его для изделий работающих при высоком нагреве; значительно высокой теплопроводностью, чем у других тугоплавких металлов, что обеспечивает хороший отвод теплоты от деталей и узлов; сравнительно небольшим ТКЛР (обеспечивает вакуум-плотных узлов металл-стекло с помощью пайки); сравнительно низкой температурой перехода в хрупкое состояние (573 К и 470 К для технического и особо чистого молибдена соответственно), что позволяет обрабатывать Мо при комнатной температуре или при незначительном нагреве, не опасаясь за хрупкость металла.

Молибден можно сваривать электронно-лучевой сваркой с коррозийно-стойкой сталью, коваром, танталом, никелем и платиной; точечной сваркой - с танталом и никелем. Поддается пайке в водородных печах золотоникелевым и платиновым припоем.

Используют МО4 (молибден особо чистый), М4 (молибден чистый, примесей < 7,310^-3 %), МНР (< 110^-1 %) ИМЕТ - молибден монокристаллический.

Молибден - перспективный материал для отражателей и зеркал.

Недостатком молибдена является высокая стоимость (в 33 раза выше меди).

Т_пл = 2883 - 2898 К,

Т_исп = 5000 - 5100 К.

При облучении на воздухе импульсным CO₂ - лазером (л = =10,6 мм, ф = 10^-9с) наблюдается оплавление поверхности при 10,5 Дж/см². Упрочение поверхности и повышение коррозийной стойкости достигают лазерной аморфизацией, электронным и ионным облучением, а также механическим полированием. Толщина такого слоя составляет 10…100 нм.

Вольфрам W

Светло-серый, очень тяжелый, наиболее тугоплавкий, кристаллическая решетка - кубическая центрированная.

Сырьё - вольфрамит (руда) (Fe, Mn)[WO₄] в Земной коре 0,007 %. Примеси Zn, Mg, Ta, Nb, Sc.

После переработки W превращается в трехокись вольфрама WO₃ которая идет для получения вольфрамового порошка.

Вольфрам мало подвержен эрозии. Окисляется на воздухе при температуре красного каления, стоек к кислотам, даже к царской водке, а растворяется в смеси азотной и фтористоводородной кислот. Чувствителен к воздействию газов, выделяемых из пластмасс и др. изоляционных материалов, особенно при повышенной влажности. Окисная пленка (W₄O₁₁) образуется на воздухе при Т = =873 - 973 К (синевато-стального цвета).

Вольфрам можно сваривать, вытягивать в тонкие нити, ковать, протягивать для получения проволоки, лент и пластинок.

В опто- и микроэлектронике вольфрам применяют в химически чистом виде (W > 99,5 %, Fe < 0,01 %, SiO₂ + CaO + щелочи <0,03 %). Для вакуумных систем используют вольфрам марок ВА-3, ВА-5 (кремнеаллюминиевая присадка), ВТ-10, ВТ-15 (с присадкой окиси тория), ВРН - кремния.

Используется для оптических зеркал т.к. имеет высокую оптическую прочность и стабильность свойств.

Спектральный коэффициент отражения вольфрама с_л при T = =293 К приведен в таблице 1.

Таблица 1

л [мкм]	сл
1,0	0,62
2,0	0,84
3,0	0,94
4,0	0,95

На с особенно влияет углерод, 0,1 % которого образует карбид вольфрама, что увеличивает с, хрупкость и ухудшает эксплуатационные свойства. Удельное сопротивление зависит также от степени его холодной деформации, из-за которой последнее возрастает в 8 раз. Удельное сопротивление вольфрама на высокой чистоте приведено в таблице 2.

Таблица 2

Т [К]	с [106 Ом•см]
273	5,48
400	16,5
800	31,0
1000	33,0
1500	41,0
2100	60,5
2700	79,0-81,1



3. Материалы для элементов проходной оптики

Элементы проходной оптики в твердотельных лазерах (ТЛ) это выходные плоские окна и линзы, служащие для пропускания, транспортирования и формирования выходных пучков лучей и их фокусировки.

Выбор материала определяется пропусканием излучения заданного частотного диапазона.

Мощность (энергия) излучения, необходимая для сварки, сверления, разметки, термообработки и др. достигается в основном на СО₂ лазерах л = 10,6 мкм, поэтому проходные элементы должны иметь показатель поглощения минимальный в области л = 10 - 11 мкм. В этой области способны работать при высоких энергиях:

- монокристаллы тугоплавких Si, Ge, Al₂O₃;

- полупроводниковые соединения ZnSe, CdTe, GaAs;

- монокристаллические растворы на основе солей таллия (КРС-5, КРС-6) kristalle aus dem Schmelzfluss;

- щелочно-галоидные кристаллы KCl, NaCl, CaF₂, LiF, BaF₂;

- оптическая керамика КО3 (основа CaF₂), КО4 (основа ZnSe), КО6 (основа CdTe).

Каждый из указанных материалов не полностью отвечают требованиям технологических прочесов и условиям эксплуатации:

- КРС-5,6 - имеют малую термостойкость и токсичны;

- Ge, GaAs, CdTe - непрозрачны для видимого света, что затрудняет сборку и юстировку;

- KCl, NaCl, LiF - гигроскопичны;

- ZnSe, BaF₂, СdTe - очень дороги (плосковыпуклая линза диаметром 50 мм с фокусным расстоянием 100мм с просветляющим покрытием для 10 мкм составляет суммы, приведенные в таблице 3).



Таблица 3

Материал	Цена [французские франки]
NaCl	450
KCl	520
CaF2	1200
КРС-5	1700
Ge, BaF2, CdTe	2000
ZnSe	5200

4. Материалы для поляризационных элементов

Такие элементы входят в систему формирования лазерного излучения и осуществляют поляризацию излучения и изменения его состояния (преобразование линейной поляризации в круговую и др.). К ним относятся отражательные и пропускающие поляризаторы (термин «отражательные поляризаторы» используют для обозначения поляризационных устройств как отражательную, так и проходную излучения): фазовые пластины и компенсаторы, поляроиды, решетки поляризаторов и поляризационные призмы.

Отражательные поляризаторы (ОП) предназначены для получения двух ортогональных линейно поляризованных пучков излучения при отражении на границе двух диэлектриков, а также для разделения двух пучков. ОП - представляют собой одну или несколько (стопу) пластин.

Фазовые пластинки и компенсаторы - это устройства, которые: первые - создают определённую разность фаз (разность хода) между ортогональными линейно поляризованными составляющими оптического излучения (определённой л - хроматические фазовые пластины; в широком Дл - ахраматические фазовые пластины); вторые - компенсируют до «0» или дополняют до р любую создающуюся в системе разность фаз.

Поляризационные призмы (одно- и двухлучевую). Однолучевые - предназначены для получения одного пучка линейно поляризованных лучей, распространяющихся в направлении, совпадающим с направлением падающего пучка лучей. Двухлучевые призмы - для получения двух пучков лучей, линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях, распространяющихся под углом к направлению падающего пучка.

Наиболее широкое применение в лазерных оптических системах используются материалы, обладающие природной оптической анизотропией. К ним относятся такие природные двухлучепреломляющие материалы, как исландский шпат, слюда-мусковит, природный и синтетические дихроичные материалы на основе ориентированных плёток двухлучепреломляющих органических полимеров (поляроиды), а также искусственный сульфид кадмия, который в последнее время стал применяться для поляризационных элементов, работающих в ИК-области спектра. (Используются также уже названные выше NaCl, ZnSe, CdTe, Ga и др.). В последние годы в качестве материалов для поляризационных элементов, прозрачных в ИК-области спектра, применяют ортованадат иттрия (VaYO₄), циркон (ZrSiO₄), рутил (TiO₂), ниобат лития (LiNbO₃), фтористый магний (MgF₂).

Исландский шпат (СаО•СО₂) - природный материал со стеклянным блеском, представляющий собой прозрачную разновидность углеродистого кальция (кальцита) - минерала класса карбонатов белой или серой окраски, обладающего совершенной стойкостью в 3-х направлениях, параллельных плоскостям ромбоэдра. Относится к одноосным кристаллам с каркасной структурой; при раскалывании разделяется по плоскостям спайности на кристаллы правильной ограненной формы.

Растворяется в кислотах, щелочах и хлоридах щелочных металлов. Кристалл мягкий и очень хрупкий.

Применяется в оптическом приборостроении для изготовления одно- и двулучевых двулучепреломляющих призм, используемых в качестве поляризаторов, анализаторов, устройств для отклонения световых лучей в электрооптических узлах, преобразователей светового излучения, модулированного по фазе, в излучение, модулированное по амплитуде и др.

Выпускается 3-х марок ИШ-И - на л = 0,22 - 1,9 мкм (бесцветен или желтой, розовой, фиолетовой окраски), ИШ-В - л = 0,4 - 1,9 мкм., ИШ-И - для красного и ближнего ИК диапазона, с соответствующим контролируемым светопоглощением при 0,22 и 0,33 мкм, при 0,4 мкм и при 0,7 мкм (сорта: уникальный, экстра, 1, 2 и 3 в пределах марки).

Область спектрального пропускания ИШ высокой чистоты от 0,24 - 1,9 мкм (таблица 4). За этими пределами - сильное поглощение и появляется дихроизм, последнее используется в УФ области л = 0,165 - 0,19 мкм. Такой дихроичный материал толщиной пластин 0,05 - 0,1 мм, вырезанный перпендикулярно к оптической оси при нормальном падении естественного света в результате двулучепреломления полностью поглощается (луч «О»), а выходящий практически полностью поляризован (луч е).

При л = 5 мкм спектральный коэффициент пропускания возрастает, что позволяет использовать ИШ для фазовых пластин в ИК-область спектра.

Таблица 4

Показатель преломления ИШ	Диэл. проницаемость
, мкм	n0	ne	мкм	n0	ne	При T=290 - 295 K частота ГЦ /
0,31 0,56 0,67 0,8 0,9 1,04 1,31	1,714 1,660 1,653 1,648 1,645 1,642 1,637	1,511 1,487 1,484 1,482 1,480 1,4798 1,478	1,396 1,497 1,682 1,761 1,909 2,1 2,32	1,636 1,6345 1,63127 1,62974 - - -	1,4779 1,4774 - - 1,4757 1,4792 1,4739	5102 / 8,5 ( || оси С) / 7,6 ( оси С) 104 / 8,0 ( || оси С) / 8,5 ( оси С) 106 / 8,5 ( ||оси С) / 7,5 ( оси С) 1,6106 / 8,2 ( || оси С) / 8,7 ( оси С)

Слюда-мусковит. Калиева слюда-мусковит, или водный алюмосиликат калия КAl₂(OH,F)₂[AlSi₃O₁₀] - природный минерал со стеклянным блеском.

Принадлежит классу силикатов, входя в группу слюд, характеризующихся листовой структурой, и представляет собой кристалл моноклинной системы с совершенной спайкостью (бесцветные, с зеленым, розовым или желтоватым оттенком кристаллы). Примеси - обычно соединения железа, натрия, кальция и др. Сохраняет прочность до 850 - 880 К (т.к. содержит воду). Химически стойкая: щелочи не действуют, воздействуют пары плавиковой кислоты, серная разлагает слюду при нагреве.

Относится к оптически анизотропным материалам, является двулучепреломляющим двухосным кристаллом. Напряжение пробоя 200 МВ/м при 73…473 К в однородном ЭП при толщине слюды 0,01 мм.

Используется для изготовления фазовых поляризационных пластин и оптических фильтров для = 0,4…2,5 мм и 2,8…5,5 мкм. Образует со стеклами вакуум-плотные соединения и используется для оптических ИК окошек.

Таблица 5

, Омсм	= 5,4 при f = 102…3105 Гц Т = 299 К
293 К - 1012..1014 673 - 1010..1011 1073 - 107…108	tg103 50 Гц - до 80,0 100 Гц- 25,0 1000 Гц - 6,0 10000 Гц - 3,5	105 Гц - 3,0 107 Гц - 3,0 108 Гц - 3,0 3109 Гц - 3,0

То есть с ростом температуры падает, а с ростом частоты tg изменяется от 80 до 3,0 (таблица 5).

Кристаллический кварц (SiO₂) - природный и синтетический твердый монокристаллический материал. Обладает стеклянным до матового блеском.

Природный - кристаллический диоксид кремния, образующийся магматическим, пневматолитовым и гипергенными путями. Входит в гранит, кварцит, песчаники и др.

Кварц - каркасный силикат, существующий гексагональной (в-кварц высокотемпературный, устойчив при Т > 846 К) и тригональный (б-кварц, низкотемпературный, устойчивый при Т < 846 К) кристаллических модификациях (При нагревании > 846 К монокристаллы б-кварца без разрушения приобретают структуру в-кварца.

Кристаллический кварц имеет различный цвет: фиолетовый (аметист), черный (морион), бурый (дымчатый топаз), бесцветный (горный хрусталь). Известны мелкокристаллические разновидности (агат, яшма и др.).

Обладает несовершенной спайкостью, излом раковистый. Химически стоек, нерастворим в воде, при нормальных условиях действует только плавиковая кислота. При высоких давлениях растворим в воде, особенно интенсивно в присутствии едкого натра.

При воздействии на кристаллический кварц модулированным или импульсным потоком излучения в нем возникает электрическая разность потенциалов, обусловленная термоупругим эффектом, последний используется для создания специальных приемников излучения. (SiO₂ не меняет свои свойства во времени и не подтвержден влиянию электрических и магнитных полей. Эффект используется (особенно на прозрачных кристаллах горного хрусталя) для генерации ультразвуковых полей и в др. резонансных системах).

В оптических приборах используется: прозрачность кристаллического кварца в видимом, ближнем ИК и УФ-частях спектра, наличие двулучепреломления, высокая теплоустойчивость, способность вращать плоскость поляризации (кварц - энантиоморфный материал, т.е. существует в виде правой и левой форм (правовращающий и левовращающий кварц), определяемых зеркальным подобием строения кристаллической решетки).

Показатель преломления приведен в таблице 6.

Таблица 6

л, мкм	n0	ne
0,2	1,6493	1,66232
0,243	1,60525	1,6165
0,263	1,59309	1,60389
0,300	1,57793	1,58823
0,400	1,5771	1,5862
0,500	1,48701	1,49630
0,600	1,54378	1,55288
0,707	1,54049	1,54947
1,00	1,53503	1,54381
1,40	1,52972	1,53826
1,6	1,52703	1,53545
0,2	1,6493	1,66232

Спектральный коэффициент пропускания кварца очень высок в видимой ближней ИК- и УФ-областях спектра. Начиная с 4мкм. и выше он непрозрачен даже в тонких слоях. При л = 11 мкм он снова прозрачен до 16 мкм, затем до 20 мкм снижается и затем до 100 мкм опять становится прозрачным.

е при 290 - 295 К составляет 1,6?10⁶ 4,6 (¦ оси С)

4,45 (+ оси С)

3?10⁷ 4,27 (¦ оси С)

4,34 (+ оси С)

Удельное вращение кварца представлено в таблице

Таблица 7

л, мкм	Ц градус/мм
0,215	236
0,4	48
0,5	30,78
0,656	17,32
0,7608	12,704
0,7948	11,589
3,212	0,52

Кристаллический кварц технологичен при механической обработке: благодаря высокой твердости сравнительно легко получают высококачественные отражающие и преломляющие поверхности методами шлифования и полирования оптического стекла. В УФ-излучении кристаллический кварц не люминесцирует.

Стоимость необработанного кристаллического кварца и изделий из него сравнительно высока (особенно из горного хрусталя).

Сульфид кадмия CdS - монокристаллгексагональной сингонии, полупроводник А^II B^VI.

Природный CdS - гринокит. Синтетический (желтого или коричневого цвета) получают методом выращивания из газовой фазы и из расплава под давлением. Растворяется в кислотах. Область спектрального пропускания 0,5…15 мкм. Обладает двулучепреломлением, являясь одноосным положительным кристаллом. Кристаллы CdS, выращенные из газовой фазы (с = 10⁹ Омсм), широко используются в качестве полупроводниковых аноидных элементов в сканирующих и импульсных лазерах с электронной накачкой.

Монокристаллы массивных CdS используются для изготовления фазовых пластинок и компенсаторов поляризационных систем для ИК-области (л 10,6 мкм), (л (произ) = 1,5 16 мкм).

Удельное сопр. CdS после обжига в парах серы (из газов. фазы) Р с 10⁹ 10¹¹ Омсм.

Дихроичные материалы - природные турмалин (минерал кальциевых боросиликатов (Na, Ca) (Mg, Fe, Li)₃ Al₆[Si₆O₁₈][BO₃](OH)₄. Кристаллизуется в тригональной сингонии. Является двулучепреломляющим одноосным отрицательным кристаллом, в котором луч обыкновенный поглощается значительно сильнее, чем луч необыкновенный. Спектральная область применения 0,450,55 мкм.

В природе турмалин встречается редко, является полудрагоценным камнем. Синтетические монокристаллы получают лишь небольших размеров, что ограничивает его применение в оптической аппаратуре.

Синтетические дихроичные материалы - анизатронные пленки, пропитанные дихроичными молекулами (молекулярные пленки или пленки Н-типа) или микрокристаллами (кристаллические пленки, или пленки J-типа), имеют существенные преимущества перед природными как из-за возможности получения крупногабаритных заготовок, так и из-за сравнительно низкой стоимости.

Примером пленок Н-типа являются пленки поливинилового спирта, окрашенные раствором йода, J-типа - пленки ацетата целлюлозы, активированные периодидсульфатом хинина.

Н-тип пленок работает в ближней ИК-, видимой и УФ-областях спектра,

J-тип - в области 0,45…0,65 мкм.

В диапазоне л = 0,5 0,7 мкм степень поляризации пленок обоих типов достигает 98 99,8 %. Недостаток дихроичных пленок - низкая термостойкость (повышать ее до 407 К пленок Н-типа удается термообраткой в присутствии катализатора), сравнительно малый коэффициент пропускания, селективность спектрального коэффициента пропускания, низкая стойкость к длительному воздействию УФ-излучения.

Сдвиг дихроичности пленок Н-типа в ИК-обл. достигается частичной дегидратацией поливинилового спирта с последующей обработкой йодом (сдвиг границы до 1,2; 3,0 и 6,5 мкм).

Соответствующие отечественные пленки называются йодно-поливиниленовые.

Дихроичные пленки (ОСТ 3-3995-77) из поливинилового спирта (поляризационная влагостойкая пленка Н-типа) размерами заготовок 100100, 250250 мм предназначены для поляризаторов на л = 0,28 0,8 мкм для умеренного и холодного климата. Пленка сохраняет работоспособность после 24 ч. Воздействия воды при 213-333 К.



5. Электрооптические материалы

Среди электрооптических материалов, используемых для реализации эффекта Поккельса, ведущее место занимают синтетические монокристаллы типа ХН₂РО₄.

Форма таких кристаллов представляет собой четырехгранную призму с основаниями в виде четырехгранных пирамид. Кристаллографическая ось, проходящая через вершины пирамид, совпадает с оптической осью монокристалла, если к нему не приложено электрическое поле. На практике чаще всего применяются пластины так называемого Z-среза, вырезаемые перпендикулярно к оптической оси.

При выборе материалов для модуляторов лазерного излучения высокой мощности, создающего большую плотность энергии в пучке, отдают предпочтение монокристаллам, имеющим помимо высоких электрооптических коэффициентов высокую оптическую прочность и оптическую однородность - это дигидрофосфат калия (КН₂РО₄) и аммония (NH₄H₂PO₄) и их дейтерированные аналоги - дидейтерофосфаты калия (KDPO₄) и аммония (ND₄D₂PO₄). Такие кристаллы легко выращиваются из водных растворов при 293 К, несложны в обработке, несмотря на их хрупкость и сравнительно высокую растворимость в воде.

Область применения таких кристаллов - видимая и ближняя ИК-части.

Кристаллы дигидро- и дидейтерофосфата калия имеют более высокую твердость, чем кристаллы дигидро- и дидейтерофосфата аммония. Однако технология выращивания последних проще; соответственно значительно ниже их цена. Среди отечественных монокристаллических электооптических материалов основные монокристаллы КН₂РО₄ и KD₂PO₄. Исследуются возможности использования ниобата лития (LiNbO₃) - сложность в технологии выращивания оптически однородных кристаллов.

Дигидрофосфат аммония [NH₄H₂PO₄ - аммоний фосфорнокислый, первичный кислый фосфат аммония, кристалл ADP] - синтетический бесцветный пьезоэлектрический монокристалл, выращиваемый из водных растворов методом медленного снижения температуры в статическом и динамическом режимах. Является антисегнетоэлектриком. При Т < 147 К относится к кристаллам орторомбической системы. При Т > 148 К переходит в группу кристаллов тетрагональной системы.

Кристалл ADP принадлежит к одноосным отрицательным монокристаллам. Кристаллизационной воды не содержат.

Не растворяется в спирте, ацетоне, бензине. При влажности окружающей среды свыше 93 % кристалл ADP начинает поглощать влагу и растворяться.

При Т 373 К с поверхности ADP улетучивается аммиак. Т.е. его Т_раб. < 393 К.

При быстром изменении Т кристаллы могут разрушаться. Хрупкость сравнима с NaCl.

Спектральный коэффициент пропускания ADP высок в области л = 0,2 1,2 мкм (л 1,5 непрозрачен). Использование в модуляторах (на эффекте Поккельса) для л = 0,4…0,7 мкм. Перспективой является применение ADP в качестве преобразователя частоты излучения (основную частоту неодимового лазера в 3-ю и 5-ю гармоники); использование высококачественных протяженных кристаллов в УФ-спектре в стабильных многокаскадных перестраиваемых генераторах субнаносекундных импульсов; применение кристаллов в стробируемых усилителях-преобразователях с большим усилением и др.

Для защиты от влаги поверхность деталей из ADP покрывают слоем раствора стиракрила толщиной до 1 мкм, весьма эффективного при влажности до 90 % и Т до 308 К.

_{оптич. оси} = 21,0…13,7 (при f = 10³ Гц…910⁹ Гц), tg = 240…0,5,

_{оптич. оси} = 87,0…55,9 (при f = 10³ Гц…310⁹ Гц), tg = 40…0,1.



Оптическая прочнность Р = 510² МВт/см² на = 1,06 мкм.

6. Дидейтерофосфат аммония (ND₄D₂PO₄)

Дейтерированный дигидрофосфат аммония, кристалл DADP - антисегнетоэлектрический синтетический кристалл с Т_Кюри ? 240 К, относится к одноосным отрицательным монокристаллам.

Имеет высокое значение электроннооптического коэффициента, используется в модуляторах видимого и ближнего ИК-излучения (на эффекте Поккельса). Значение tg д позволяет использовать его до частот в несколько сот мегагерц.

Для получения максимального сдвига между лучами обыкновенным и необыкновенным применяют обычно пластины DADP Z-среда (т.е. вырезанные к оптической оси).

Спектральная область 0,3 - 1,52 мкм.

Т_раб = 241…353 К.

Недостаток: низкая механическая прочность; высокая гигроскопичность;

- Т_Кюри = 240 - 241 К;

- показатель поглощения а_л [1/см] в области наибольшей прозрачности составляет 5·10^-2;

- электрооптический коэффициент r₆₃·10¹⁰, см/В при Т = 293 К и для л = 0,5461 мкм равен 10,63, а для л = 0,5893 мкм равен 10,50;

- е = 30;

- tg д = 0,01;

- критическое (полуволновое) напряжение U_кр, кВ при Т = =293 К составляет 8,5;

- оптическая прочность (порог поверхностного разрушения, Р = 5•10² МВт/см² при облучении лазером на л = 1,06 мкм).

Дигидрофосфат калия (калий фосфорнокислый, двузамещенный калий, кристалл KDP) КН₂РО₄ - синтетический бесцветный кристалл, выращиваемый из водных растворов соли КН₂РО₄ методом медленного снижения Т в статическом и динамическом режимах.

KDP - одноосный отрицательный монокристалл, является сегнетоэлектриком с Т_Кюри ? 122 К. Обладает высоким линейным электрооптическим эффектом при наложении электрического поля вдоль оси Z (001).

Хорошо растворяется в горячей воде, бензине, этиловом спирте. Не растворяется в ацетоне.

Применяется при создании ориентированных элементов для модуляторов света, световых затворов для генерации гигантских импульсов твердотельных лазеров, ортогональных переключателей поляризационного света, дискретных световых дефлекторов, нелинейных преобразователей частоты излучения лазеров и др. (до 10 ГГц далее существенно возрастает tg д).

Недостатки: KDP - малая механическая прочность; высокая гигроскопичность; не работают при л >1,5 мкм; низкая скорость роста кристаллов, порядка 5·10^-2 мм/час.

_{оптич. оси} = 21,020 ( f =10² 10⁸), tg от 0,0170 до 0,0005;

_{оптич. оси} = 44,544,3 (f =10² 10⁸), tg от 0,0098 до 0,0005, при л_раб = 0,41,5 мкм.



Литература

1. Жиляев А.П.: Superplasticity and Grain Boudaries in Ultrafine-Grained Materials. - Cambridge: Cambridge International Science Publishing, 2010

2. Колесник П.А.: Материаловедение на автомобильном транспорте. - М.: Академия, 2010

3. Магомедов М.Н.: Изучение межатомного взаимодействия, образования вакансий и самодиффузии в кристаллах. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010

4. Симонов Е.: Гипсокартонные работы своими руками. - СПб.: Питер, 2010

5. Симонов Е.В.: Дизайн, перепланировка, отделка квартир. - СПб.: Питер, 2010

6. Криштал М.М. и др.: Сканирующая электронная микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ в примерах практического применения. - М.: ТЕХНОСФЕРА, 2009

7. Габуда С.П.: Неподеленные электронные пары и химическая связь в молекулярных и ионных кристаллах. - Новосибирск: СО РАН, 2009

8. Головин Ю.И.: Наноиндентирование и его возможности. - М.: Машиностроение, 2009

9. М-во образования и науки РФ, Федеральное агенство по образованию, Санкт-Петербургский гос. электротехнический ун-т "ЛЭТИ": Развитие инфрастуктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010 годы. - Тверь: Тверской государственный университет, 2009

10. М-во образования и науки Украины , Харьковский национальный ун-т им. В.Н. Каразина ; рец.: И.Е. Проценко, А.Г. Багмут: Наноматериалы, нанопокрытия, нанотехнологии. - Харьков: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2009

11. Порубов А.В.: Локализация нелинейных волн деформации. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009

12. Солнцев Ю.П.: Материаловедение. - М.: Академия, 2009

13. Жиляев А.П.: Сверхпластичность и границы зёрен в ультрамелкозернистых материалах. - М.: Физматлит, 2008

14. С.Б. Рыжова: Стали и сплавы энергетического оборудования. - М.: Машиностроение, 2008

Размещено на Allbest.ru

...