Скачать: oticheskiemateriali1995.djvu
Ответственный редактор А. С К О Ч E Н С К И ЙПРЕДИСЛOBИE
Большие успехи, достигнутые в развитии физики и химии твердого тела, а также многих отраслей техники, в значительной степени обусловлены созданием синтетических кристаллов с разнообразными свойствами.
Настоящая книга посвящена определенному классу кристаллических материалов, а именно оптическим кристаллам, которые применяются в инфракрасной технике. Для наиболее эффективного использования этих материалов требуется знание оптических, термомеханических, электрических и других характеристик. Однако эти характеристики, к сожалению, недостаточно систематизированы в научной литературе, что затрудняет выбор материала с оптимальными свойствами. Авторы поставили целью собрать в единое целое необходимые данные, разбросанные по многочисленным монографиям и оригинальным статьям. В результате анализа большого числа литературных данных были отобраны 74 материала, которые либо уже широко используются в инфракрасной технике, либо являются весьма перспективными. В число этих материалов были также включены наиболее интересные стекла и пластические массы. Затем были выявлены те свойства материалов, которые наиболее важны при их применении и качестве оптических материалов.Описание оптических материалов и их свойств и составляет содержание настоящей книги.
Авторы выражают глубокую признательность. Д. Кисловскому за ценные советы и замечания, проф. М. В. Классен-Неклюдовой за ценные критические замечания, И. М. Сильвестровой и. А. Шувалову за помощь в работе.
Авторы были бы признательны за все замечания, относящиеся к построению и содержанию книги, которые могли бы быть учтены при дальнейшей работе над справочной монографией подобного рода.I. ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИНФРОKРАСНОЙ ТЕХНИКИ
За последние годы резко возросло применение инфракрасного излучения л физике, химии, биологии и технике. Инфракрасный спектральный анали;! позволяет осуществлять количественное определение состава химических смесей и проводить автоматизацию ряда химических технологических процессов. Важнейшее значение приобрели методы инфракрасной спектроскопии при изучении строения молекул, кристаллов, полимеров, биологических объектов, минералов, а также при изучении анергии химических связей, механизма химических реакций, процессов поглощения излучения в твердых телах, особенно в полупроводниках. Астрономические исследования в инфракрасной области спектра позволяют установить химический состав и строение атмосферы, физические условия, существующие на планетах, в частности, распределение температуры на их поверхности. Инфракрасная аппаратура устанавливается на метеорологических спутниках и космических ракетах. Кроме того, открываются новые області» применения инфракрасного излучения и связи с созданием квантово механических генераторов, работающих в инфракрасном участке спектра.
Важнейшие детали и узлы в инфракрасной аппаратуре построены из ряда оптических материалов. Оптические материалы требуются для изготовления призм, линз, окошек, фильтров, кювет, обтекателей и т. д. Эти материалы должны обладать разнообразными физическими и химическими свойствами и удовлетворять достаточно жестким эксплуатационным требованиям.
Необходимым условием для использовании оптических материалов является их хорошая прозрачность в нужном участке инфракрасного спектра. В настоящее время имеются материалы с достаточно высокой прозрачностью, по крайней мере в определенном спекі рельном диапазоне.Просветленно оптики еще более расширяет возможности выбора подходящего прозрачного материала. Отметим, что в последнее время увеличилась потребность в оптических материалах для дальней инфракрас-6
ной области спектра 200 - 1000 мк. В ряде случаев, кроме прозрачности материалов в инфракрасной области спектра, требуется дополнительная прозрачность для радиоволнового диапазона.
Важной оптической.характеристикой материалов является их показатель преломления и днсиерсня. Во многих случаях (призмы, оптические системы г большим увеличением и широким углом зрения) необходимы материалы с высоким показателем преломления, в то время как при изготовлении окон и обтекателей желателен небольшой показатель преломления, во избежание больших потерь на отражение. Кроме того, для возможности корректировки аберрации в оптических системах и создания иммерсионной оптики необходимо иметь материалы, обладающие различными показателями преломления. Весьма большое значение n.wor тсмиературнан зависимость нро-пускания и преломления материалов,ибо часто в">з шкаег нагрев оптических деталей до сравнительно высоких температур.
Как правило, в оптических материалах, используемых в инфракрасной технике, двупреломление должно отсутствовать. Однако для создания некоторых типов оптических конструкций, например, интер-ферепционпо-полярнзационпых фильтров или компенсаторов, требуются материалы, обладающие дьупреломлением в инфракрасной области спектра.
Весьма интересны материалы, обладающие электрооптическим эффектом (эффектом Керри), которые становятся двупреломляющимн иод действием электрического ноли. Такие материалы позволяют создавать твердые ячейки Keppa, обеспечивающие модуляцию излучения.
), 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 .
Силикатные стёкла
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 .
От прочих стёкол оно отличается особенно высокой прозрачностью, чистотой, бесцветностью, однородностью, а также строго нормированными преломляющей способностью и дисперсией .
Кварцевое стекло
См. также
Напишите отзыв о статье "Оптические материалы"
Примечания
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
Отрывок, характеризующий Оптические материалы
– Урра! – зазвучали воодушевленные голоса офицеров.И старый ротмистр Кирстен кричал воодушевленно и не менее искренно, чем двадцатилетний Ростов.
Когда офицеры выпили и разбили свои стаканы, Кирстен налил другие и, в одной рубашке и рейтузах, с стаканом в руке подошел к солдатским кострам и в величественной позе взмахнув кверху рукой, с своими длинными седыми усами и белой грудью, видневшейся из за распахнувшейся рубашки, остановился в свете костра.
– Ребята, за здоровье государя императора, за победу над врагами, урра! – крикнул он своим молодецким, старческим, гусарским баритоном.
Гусары столпились и дружно отвечали громким криком.
Поздно ночью, когда все разошлись, Денисов потрепал своей коротенькой рукой по плечу своего любимца Ростова.
– Вот на походе не в кого влюбиться, так он в ца"я влюбился, – сказал он.
– Денисов, ты этим не шути, – крикнул Ростов, – это такое высокое, такое прекрасное чувство, такое…
– Ве"ю, ве"ю, д"ужок, и "азделяю и одоб"яю…
– Нет, не понимаешь!
И Ростов встал и пошел бродить между костров, мечтая о том, какое было бы счастие умереть, не спасая жизнь (об этом он и не смел мечтать), а просто умереть в глазах государя. Он действительно был влюблен и в царя, и в славу русского оружия, и в надежду будущего торжества. И не он один испытывал это чувство в те памятные дни, предшествующие Аустерлицкому сражению: девять десятых людей русской армии в то время были влюблены, хотя и менее восторженно, в своего царя и в славу русского оружия.
На следующий день государь остановился в Вишау. Лейб медик Вилье несколько раз был призываем к нему. В главной квартире и в ближайших войсках распространилось известие, что государь был нездоров. Он ничего не ел и дурно спал эту ночь, как говорили приближенные. Причина этого нездоровья заключалась в сильном впечатлении, произведенном на чувствительную душу государя видом раненых и убитых.
На заре 17 го числа в Вишау был препровожден с аванпостов французский офицер, приехавший под парламентерским флагом, требуя свидания с русским императором. Офицер этот был Савари. Государь только что заснул, и потому Савари должен был дожидаться. В полдень он был допущен к государю и через час поехал вместе с князем Долгоруковым на аванпосты французской армии.
Как слышно было, цель присылки Савари состояла в предложении свидания императора Александра с Наполеоном. В личном свидании, к радости и гордости всей армии, было отказано, и вместо государя князь Долгоруков, победитель при Вишау, был отправлен вместе с Савари для переговоров с Наполеоном, ежели переговоры эти, против чаяния, имели целью действительное желание мира.
Ввечеру вернулся Долгоруков, прошел прямо к государю и долго пробыл у него наедине.
18 и 19 ноября войска прошли еще два перехода вперед, и неприятельские аванпосты после коротких перестрелок отступали. В высших сферах армии с полдня 19 го числа началось сильное хлопотливо возбужденное движение, продолжавшееся до утра следующего дня, 20 го ноября, в который дано было столь памятное Аустерлицкое сражение.
До полудня 19 числа движение, оживленные разговоры, беготня, посылки адъютантов ограничивались одной главной квартирой императоров; после полудня того же дня движение передалось в главную квартиру Кутузова и в штабы колонных начальников. Вечером через адъютантов разнеслось это движение по всем концам и частям армии, и в ночь с 19 на 20 поднялась с ночлегов, загудела говором и заколыхалась и тронулась громадным девятиверстным холстом 80 титысячная масса союзного войска.
Сосредоточенное движение, начавшееся поутру в главной квартире императоров и давшее толчок всему дальнейшему движению, было похоже на первое движение серединного колеса больших башенных часов. Медленно двинулось одно колесо, повернулось другое, третье, и всё быстрее и быстрее пошли вертеться колеса, блоки, шестерни, начали играть куранты, выскакивать фигуры, и мерно стали подвигаться стрелки, показывая результат движения.
Как в механизме часов, так и в механизме военного дела, так же неудержимо до последнего результата раз данное движение, и так же безучастно неподвижны, за момент до передачи движения, части механизма, до которых еще не дошло дело. Свистят на осях колеса, цепляясь зубьями, шипят от быстроты вертящиеся блоки, а соседнее колесо так же спокойно и неподвижно, как будто оно сотни лет готово простоять этою неподвижностью; но пришел момент – зацепил рычаг, и, покоряясь движению, трещит, поворачиваясь, колесо и сливается в одно действие, результат и цель которого ему непонятны.
И др., давно используют в качестве оптических материалов. Кроме того, используют
большое кол-во синтетич. , обладающих прозрачностью в разл. участках
оптич. диапазона (рис. 1) и имеющих высокую однородность и определенные габариты.
Поликристаллические оптические материалы
характеризуются прозрачностью, по величине сходной с прозрачностью ,
и лучшими по сравнению с ними конструкц. св-вами. Наиб. применение находит оптич.
(иртра-ны) на основе Аl 2 О 3 (напр., поликор, или
лукалокс), Y 2 O 3 (иттралокс), MgAl 2 O 4 ,
SiO 2 (кварцевая оптич. ), цирконато-титанатов Pb, La (электрооптич.
), а также бескислородные поликристаллические оптические материалы для ИК области спектра-
LiF, MgF 2 , ZnS, ZnSe и др.
Оптические стекла характеризуются
высокой прозрачностью в разл. спектральных диапазонах, высокой однородностью
структуры, позволяющей сохранять неизменность фронта световой волны при ее распространении
в толще стекла, коррозионностойкостью, хорошими конструкц. св-вами, относительно
простой технологией изготовления крупногабаритных изделий и изделий со сложной
конфигурацией. Применяются с 18 в. В качестве оптических материалов используют бесцв. или цветные
оксидные и бескислородные стекла (см. также ). Большинство
оксидных оптич. стекол-силикатные (более 30-40% SiO 2 по массе), свинцово-
или боросиликатные, а также многокомпонентные оксидные системы из 10-12 разл.
, напр. алюмоси-ликафосфатные стекла, содержащие Аl 2 О 3 ,
SiO 2 , P 2 O 5 . Несиликатные оксидные стекла содержат
Р 2 О 5 , В 2 О 3 , GeO 2 или
ТеО 2 . При изменении состава стекол изменяются и их оптич. ,
гл. обр. показатель преломления n D и коэф. дисперсии
света v D . В зависимости от величин этих характеристик на диаграмме
n D - v D (т. наз. диаграмма Аббе) оптические материалы делят
на типы-кроны и флинты (рис. 2). Флинты характеризуются малым коэф. дисперсии
(v D < 50), -большим (v D > 50).
Стекла обоих типов наз. легкими или тяжелыми в зависимости от величины показателя
преломления. Обе разновидности стекол имеют общие компоненты - SiO 2 ,
Na 2 O, К 2 О. Кроме того, для увеличения v D
в состав добавляют В 2 О 3 , А1 2 О 3 , СаО, в состав флинтов-PbO, TiO 2 , ZnO, MgO, Sb 2 O 3 .
Осветлители стекол-As 2 O 3 и Sb 2 O 3 .
Наиб. высокими значениями v D обладают фосфатные флинты на
основе Р 2 О 5 (особенно при введении ).
\
Рис. 2. оптич.
стекол (диаграмма Аббе) в зависимости от их показателя преломления (n D)
и коэф. дисперсии света (v D): ЛК-легкие ; ФК-фосфатные
; ТФК-тяжелые фосфатные ; К-кроны; БК-баритовые ; ТК - тяжелые
; КФ - кронфлинты: БФ-баритовые флинты; ТБФ-тяжелые баритовые флинты; ЛФ-легкие
флинты; Ф-флинты; ТФ-тяжелые флинты; СТФ-сверхтяжелые флинты; СТК-сверхтяжелые
.
Особое место среди стекол
занимают фотохромные (см. )стекла. Выделяют также , уникальные по термо- и хим. стойкости, огнеупорности и др. св-вам. Стеклообразный
SiО 2 -осн. компонент кварцевых оптич. волокон для протяженных волоконно-оптич.
линий связи; такие волоконно-оптич. материалы характеризуются миним. оптич.
потерями на поглощение (~ 10 -6 см -1). Для линий протяженностью
10-100 м используют также оптич. волокна на основе поликомпонентных стекол и
(оптич. потери ~ 10 -3 - 10 -5 см -1).
Оптич. потери (теоретические)
у бескислородных оптич. стекол на 1-3 порядка ниже, чем у оксидных. В качестве
таких материалов для ИК диапазона используют обычно разл. халькогенидные стекла,
содержащие As, S (Se, Те), Sb, P, Tl, Ge и др. Наим. оптич. потерями в ИК диапазоне
обладают оптич, волокна на основе галогенидов Ag, Tl и их твердых р-ров и волоконные
световоды на основе фтороцирконатных (содержат Zr, F с добавлением Ва, Na, РЗЭ
и др.) и халькогенидных стекол [содержат As-S(Se)-Ge].
К аморфным оптическим материалам относятся
мн. нсорг. и орг. в-ва. Среди первых наиб. распространены аморфный Si, SiO 2 ,
II-VI групп,
соед. типа A II B VI , среди вторых-разл. :
(орг. стекло), мн. .
Неорг. аморфные оптические материалы используют
гл. обр. в виде разл. пленок, иногда в виде массивных образцов (напр., аморфный
Si); орг. аморфные оптические материалы-в виде пленок, оптич. волокон, массивных образцов (напр.,
).
О стеклокристаллических
оптических материалах см. , о жидкокристаллических-Жидкие .
К особому классу относятся
оптические материалы с непрерывно изменяющимся составом и оптич. св-вами. Основа таких материалов
- градиентные оптич. волокна или самофокусирующие градиентные оптич. элементы
(напр., селфок, или гра-дан) в виде цилиндрич. образцов (диаметр 1-10 мм), обеспечивающих
фокусировку света. Изготовляют их из таллиево-силикатных или силикогерманатных
стекол, кристаллич. материалов (напр., на основе твердых р-ров галогенидов Т1),
(напр., ). Градиентные слои и пленки на
Li и др. кристаллич. или стеклянных материалах - основа интегрально-оп-тич.
устройств.
По спектральному диапазону
различают оптические материалы, пропускающие в УФ, видимой и ИК областях спектра. Нек-рые оптические материалы
характеризуются широким плато спектрального пропускания, иногда разбиваемого
на отдельные окна прозрачности селективными полосами поглощения примесей. Для
работы в УФ (>
0,2 мкм), видимой и ближней ИК областях спектра применяют гл. обр. ,
Li и Na; для работы в средней и дальней областях ИК спектра-преим. бескислородные
оптические материалы. Такие оптические материалы, как Si, Ge, GaAs, InSb, пропускают только ИК излучение;
, BaF 2 , ZnSe прозрачны в видимой, ближней и средней
ИК областях спектра; КСl, GaAs, TlBr-TlI и др. пропускают интенсивное лазерное
ИК излучение.
С увеличением массы ,
составляющих структуру оптических материалов, длинноволновая граница пропускания большего числа
оптических материалов перемещается в сторону расширения спектрального диапазона; напр., для
имеет место след. ряд: <
селени-ды < < (либо =) . Для иоди-да Cs длинноволновая граница прозрачности
составляет ~ 60 мкм.
По назначению различают:
оптические материалы для элементов оптич. устройств; просветляющие, отражающие и поглощающие
покрытия; электрооптич., магнитооптич., акустооптич. и пьезооптич. материалы.
Иногда к оптическим материалам относят , материалы для преобразования
света в тепло и электричество, а также оптические материалы в виде , :
дисперсные , отражающие покрытия, люминесцирующие стекла, для
. В качестве оптических материалов иногда применяют оптич. (с определенным показателем
преломления), прозрачные орг. и др.
Материалы оптич. устройств
(линзы, светофильтры и т.п.) имеют определенный показатель преломления, высокую
прозрачность в определенном спектральном диапазоне, хорошо поддаются оптико-мех.
обработке (шлифованию, полировке) пов-сти. Наиб. важное св-во-оптич. однородность,
т.к. ослабление (потери) света, наряду с поглощением, определяется рассеянием
на разл. структуры-микровключениях посторонних фаз, пузырях и свилях
(областях стекол с измененным показателем преломления), микропорах (для )
и т.п.
Просветляющие покрытия
служат для уменьшения коэф. отражения оптич. устройств, отражающие-для изготовления
зеркал, поглощающие-для чернения пов-сти. Разновидность просветляющих покрытий
- интерфе-ренц. покрытия толщиной 10-150 мкм; они м. б. многослойными и характеризоваться
постепенным изменением показателя преломления от низкого (1,3-1,55; NaAlF 4
, MgF 2 или SiO 2) до среднего (2,0-2,6; ZrO 2 ,
GeO 2 , ZnS, TiO 2 или A1 2 S 3) и высокого
(более 3,0; Si, Ge). Отражающие покрытия
изготовляют
гл. обр. из Ag, Au, Al, поглощающие - из , и .
Электрооптические, магнитооптические,
акустооптические и пьезооптические оптические материалы характеризуются способностью менять
свои оптич. св-ва под действием разл. полей (электрич., магн., звуковых). Наиб.
распространенные электрооптич. материалы-КН 2 РО 4 , KH 2 AsO 4
и их дейтериевые аналоги, др. и , типа
сфалерита и эвлитина, разл. сегнето- и антисегнетоэлектрики, в т.ч. LiNbO 3 ,
LiTaO 3 , BaTiO 3 , бариевостронциевые и др. К маг-нитооптич.
материалам относят железоиттриевые и железо-гадолиниевые гранаты, содержащие
РЗЭ, и др. (см. ). Осн. акустооптич. и пьезооптич.
материалы - , мн. , и др. (см. ).
Многие оптические материалы способны поляризовать
световой поток, напр. вращать плоскость света. При облучении нек-рых
оптических материалов видимыми и УФ лучами наблюдается вторичное свечение-фотолюминесценция
(см. ).
Методы получения.
В
зависимости от состава и назначения оптических материалов для их получения применяют разл. методы.
Общим является то, что все оптические материалы получают из сырья, максимально очищенного от
примесей (напр., для оптических материалов, работающих в видимой и ближней ИК областях, осн.
красящие примеси-Fе, Mn, Cu, Cr, Ni, Co). Содержание примесей в сырье не должно
превышать 10 -2 % по массе, что обеспечивает коэф. поглощения менее
10 -2 см -1 , а в случае волоконно-оптич. материалов -10
-5 -10 -7 % по массе.
Для выращивания синтетич. используют методы
В предыдущих главах, рассматривая тот или иной вопрос, связанный с работой оптической системы, мы не затрагивали явлений, обусловленных изменением показателей преломления оптических сред при переходе от одного участка спектра к другому.
Оптические системы могут обслуживать довольно широкий диапазон длин волн, простирающийся от 300 нм (ультрафиолетовая часть спектра) до 1000-2000 нм (ближняя и дальняя инфракрасные части) и до и бэлее (дальняя инфракрасная часть).
Из этого широкого участка спектра на долю видимого участка, воспринимаемого глазом человека, приходится более узкий
участок от 434,1 нм (ртутная линия спектра G) до 766,5 нм (красная линия спектра , принадлежащая водороду).
В качестве опорных точек на этом участке обычно принимают следующие линии спектра:
(см. скан)
Изменение длины волны света приводит к изменению показателей преломления оптических сред. В большинстве случаев наблюдается рост показателей преломления при уменьшении длины световой волны; принято говорить, что подобные среды имеют нормальный ход изменения показателей преломления, т. е. нормальную дисперсию.
В отличие от сред с нормальной дисперсией встречаются среды, у которых рост показателей преломления связан с увеличением длины волны; такие среды называют средами с аномальной дисперсией.
Оптические стекла и большинство оптических кристаллов, используемых при создании оптических систем, обладают нормальным ходом дисперсии.
Для сопоставления свойств различных оптических сред можно воспользоваться значениями показателей преломления для каких-либо двух длин волн; в видимой части спектра обычно используют длины волн спектра водорода; такую разность показателей называют средней или основной дисперсией.
Однако знание основной дисперсии еще не позволяет достаточно полно охарактеризовать хроматические свойства той или иной среды; поэтому на практике пользуются понятием относительной дисперсии - отношением средней дисперсии к разности между основным показателем преломления среды и единицей:
Величину обратную относительной дисперсии, называют коэффициентом дисперсии или числом Аббе.
Основная дисперсия и числа Аббе дают представления о свойствах оптической среды лишь для двух выбранных линий спектра; поэтому в случае необходимости определения свойств преломляющей среды для большего числа волн прибегают кроме основных дисперсий к частным относительным дисперсиям и числам Аббе.
Сведения о преломляющих свойствах различных сред и различных марок оптического стекла регламентируются ГОСТ 3514-67 и 13659-68, а также соответствующими справочниками.
Для оптических стекол различных марок значения показателей преломления варьируют в пределах от 1,43 до 2,17, числа Аббе - от 75 до 16.
Ассортимент марок оптического стекла представлен на рис. 11.1, где вдоль оси абсцисс отложены значения чисел Аббе (в убывающем порядке) и вдоль оси ординат - величины показателей преломления. Отдельными точками обозначены стекла различных марок. Нетрудно заметить, что область существования стекол снизу ограничена довольно характерной границей, идущей первоначально почти горизонтально и постепенно поднимающейся вверх по мере уменьшения чисел Аббе.
В начале этой границы располагается группа стекол с показателями преломления от 1,50 до 1,52 и числами Аббе от 65 до 59; эта группа стекол носит название кронов и обозначается буквой К.
За группой флинтов следует группа тяжелых флинтов, обозначаемых буквами ТФ. Тяжелые флинты охватывают область показателей преломления от 1,64 до 1,80 и чисел Аббе от 34 до 26.
Между группой кронов и простых флинтов располагается группа кронфлинтов и группа легких флинтов; эти две группы обозначают буквами КФ и ЛФ. Группа кронфлинтов охватывает область значений показателей преломления от 1,50 до 1,54 и чисел Аббе от 58 до 51; группа легких флинтов занимает область показателей преломления от 1,54 до 1,58 и чисел Аббе от 47 до 38.
Все перечисленные выше марки стекол нередко называют областью старых стекол, которая раньше состояла лишь из двух первых групп - простых кронов и простых флинтов. Характерной особенностью групп старых стекол является рост показателей преломления при постепенном уменьшении чисел Аббе.
Для решения многих задач создания оптических систем с повышенными характеристиками потребовались стекла, у которых при больших показателях преломления, равных показателям преломления обычных флинтов, числа Аббе соответствовали бы кронам; такая группа стекол с показателями преломления от 1,56 до 1,65 при числах Аббе от 61 до 51 называется тяжелыми кронами и обозначается буквами ТК.
В последние десятилетия была разработана группа лантановых стекол с еще более высокими показателями преломления - от 1,66 до 1,75 - при числах Аббе от 57 до 48; это группа сверхтяжелых кронов, обозначаемая буквами СТК.
(кликните для просмотра скана)
Область стекол с показателями преломления от 1,75 до 1,8 и выше при числах Аббе от 41 до 30 образует группу тяжелых баритовых флинтов, обозначаемую буквами ТБФ.
Рост показателей преломления наблюдается и при больших значениях чисел Аббе; эта группа стекол представлена фосфатными кронами, обозначаемыми ФК, с показателями преломления от 1,52 до 1,58 и числами Аббе от 70 до 65.
При таких же значениях чисел Аббе (70-65) группа легких кронов, обозначаемая буквами ЛК, имеет показатели преломления менее 1,5.
Стекла марок БК и БФ имеют средние значения показателей преломления и чисел Аббе.
В последние годы были разработаны фтористо-фосфатные стекла типа ФФС, еще не вошедшие в ГОСТ; эти стекла имеют показатели преломления от 1,43 до 1,60 и числа Аббе от 97 до 70.
Кроме ассортимента оптических стекол используется также и ряд других материалов, прозрачных как в видимой, так и в ультрафиолетовой и инфракрасной частях спектра. Показатели преломления и числа Аббе некоторых материалов приведены ниже:
В инфракрасной области этот список может быть дополнен рядом материалов, прозрачных как в ближней, так и в дальней области спектра. Ниже приведены средние значения показателей преломления таких материалов в соответствующем интервале длин волн.
Необходимо отметить, что изменение показателей преломления в известной степени связано также и с изменением температуры; аберрации в оптических системах, вызванные этими изменениями, называют термооптическими аберрациями.
Использование: в частности оптические системы, обладающие улучшенным качеством изображения при теоретически предельных характеристиках. Сущность изобретения: для изготовления линз используется ортогерманат висмута, что позволяет при разработке оптических систем при одинаковых фокусных расстояниях повысить качество изображения за счет исправления астигматизма вследствие уменьшения кривизны преломляющей поверхности, а также увеличить срок эксплуатации оптических систем за счет негигроскопичности материала, его монокристалличности, а также высокой радиационной стойкости. 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к оптике в частности к линзам, и может использоваться в оптических системах, обладающих улучшенным качеством изображения при теоретически предельных характеристиках. Известны оптические материалы стекла с высоким показателем преломления в частности, сверхтяжелые кроны СТК16 и СТК20 с показателями преломления n e =1,790 и 1,768 и дисперсиями 45,4 и 50 соответственно По химическому составу сверхтяжелые кроны представляют собой боратные стекла, содержащие 7-39 мол. SiO 2 ; 24-52 мол. B 2 O 3 ; 34-48 мол. (CaO, ZnO, Al 2 O 3 + La 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2) Известна также группа тяжелых баритовых флинтов, например, ТБФ9 с n e = 1,8129 и n 42,5, а также ТБФ11 с n e =1,837 и n 42,8. По химическому составу тяжелые баритовые флинты состоят из 20-40 мол. SiO 2 ; 20 мол. B 2 O 3 ; 3-43 мол. BaO, PbO с добавками ZnO, CaO, TiO 2 , WO 3 Эти стекла довольно перспективны для улучшения качества изображения при разработке оптических систем с характеристиками, близкими к предельным. Однако, показатель преломления этих стекол ограничен величинами, указанными выше, и не может быть более 2,0, при этом они имеют высокие значения дисперсии. Достаточно сложная технология изготовления таких стекол оптического качества ограничивает их выпуск и определяет высокую стоимость. Кроме того к недостаткам этих стекол относится их взаимодействие с влагой. По показателю пятнаемости стекла, содержащие >17 мол. B 2 O 3 относятся к III группе (пятнающиеся стекла) и IV группе (нестойкие стекла) Наиболее близким к предлагаемому материалу для изготовления линз является оптический материал: к которому относится группа сверхтяжелых флинтов типа СТФ2 с n e =1,955, и n 20,2 и СТФ3 с n e =2,186 и n 16,6. По химическому составу сверхтяжелые флинты состоят из 50 мол. SiO 2 ; 48-59 мол. PbO и 0,5-1,5 мол. K 2 O (Na 2 O). Недостатком таких стекол, является желтый оттенок, что снижает прозрачность в видимой области на 10-20% а также повышенная кристаллизационная способность, что приводит к изменению оптических характеристик вследствие старения Техническим результатом изобретения является изыскание оптического преломляющего материала с высоким показателем преломления при относительно невысокой дисперсии (n 20), обеспечивающего повышение качества изображения. Согласно изобретению технический результат обеспечивается за счет того, что ортогерманат висмута Bi 4 Ge 3 O 12 , показатель преломления которого n=2,1, а дисперсия n 20. Указанное соединение описано в литературе и ранее использовалось в качестве сцинтилляционного материала для регистрации гамма-излучения, электроном и др. элементарных частиц в ядерной физике, геологии, медицине. Использование ортогерманата висмута для изготовления линз в литературе не описано. Применение ортогерманата висмута Bi 4 Ge 3 O 12 в сравнении с обычными кроновыми и флинтовыми стеклами (аналоги и прототип) при одинаковых (нормированных) фокусных расстояниях приводит к меньшей кривизне преломляющих поверхностей и вследствие этого к снижению абберций всех порядков, а это в свою очередь, приводит к возможности увеличения относительного отверстия оптической системы без ее усложнения. При этом, помимо возможности создания новых систем, возникает возможность упрощения серийно выпускаемых оптических систем, в частности, фотообъективов за счет замены в них сложных коррекционно-силовых компонентов более простыми, содержащими ортогерманат висмута. Таким образом, применение Bi 4 Ge 3 O 12 в качестве оптического материала при изготовлении линз оптических систем приводит к возможности повышения качества изображения без их усложнения за счет уменьшения кривизны преломляющей поверхности и за счет исправления астигматизма. Получение монокристаллов ортогерманата висмута. Исходную смесь оксидов висмута (III) марки ОСФ 13-3 (для монокристаллов) и оксида германия (IV) (ТУ 48-21-72), взятую в соотношении Bi 2 O 3:GeO 2 2:3, в количестве 1,0 кг перемешивают в агатовой ступке и затем проводят твердофазный синтез шихты Bi 4 Ge 3 O 12 в платиновой чашке на воздухе при 750-950 o C. Полученную шихту загружают в платиновый тигель диаметром 200 мм, высотой 300 мм в количестве 40 кг, расплавляют и проводят процесс выращивания монокристаллов методом Чохральского на ориентированную затравку. Получают бесцветные монокристаллы диаметром до 150 мм и длиной до 250 мм. На чертеже представлен окуляр. В качестве примера конкретного использования можно привести разработку окуляра для телескопических систем. Окуляр имеет следующие конструктивные параметры (см.таблицу). Расчет хода действительных лучей свидетельствует, что по сравнению с известным трехлинзовым окулятором, в котором одна линза (N 1) с высоким показателем преломления (n=2,0667), выполненная из сверхтяжелого флинта заменяется на линзу из ортогерманата висмута, данный окуляр обладает улучшенным качеством изображения за счет уменьшения кривизны поверхности линзы, и исправления астигматизма (астигматическая разности в пределах поля 30 o не превышает 2 мм, что более чем в три раза лучше, чем в известном окуляре). Применение линз, выполненных из ортогерманата висмута Bi 4 Ge 3 O 12 при разработке оптических систем при одинаковых (нормированных) характеристиках позволяет повысить качество изображения без усложнения оптической системы, а также существенно расширить спектральный диапазон применения оптических приборов. Кроме того, использование Bi 4 Ge 3 O 12 выгодно экономически, т.к. позволяет снизить стоимость изделий за счет несложной технологии изготовления предлагаемого оптического материала. Использование линз, выполненных из ортогерманата висмута позволяет также увеличить срок эксплуатации оптических систем за счет негигроскопичности применяемого материала (отсутствие пятнаемости), высокой радиационной стойкости. Поскольку в качестве оптического материала используется монокристалл (а не стекло как в прототипе), то устраняется один из основных недостатков высокопреломляющих стекол, а именно повышенная кристаллизационная способность, что также позволяет увеличить срок эксплуатации этого материала. Источники информации: 1. Бесцветное оптическое стекло СССР. Каталог. М. Госстандарт, 1990, с. 52. 2. Физико-химические основы производства оптического стекла /под ред. Л. И.Демкиной. Л. Химия, 1976, с. 62-77. 3. Бесцветное оптическое стекло СССР. Каталог. М. Госстандарт, 1990, с. 62. 4. Физико-химические основы производства оптического стекла /под ред. Л. И.Демкиной. Л. Химия, 1976, с. 185-186, с. 209-220. 5. Бесцветное оптическое стекло СССР. Каталог. М. Госстандарт, 1990, с. 74. 6. Каргин Ю.Ф. Каргин В.Ф. Скориков В.М. Шадеев Н.И. Пехова Т.И. Синтез и излучение сцинтилляционных свойств монокристаллов Bi 4 Ge 3 O 12 . Изв. АН СССР, Неорганические материалы, 1984, т. 20, N 5, с. 815-817. 7. Русинов М.М. Композиция оптических систем. Л. Машиностроение, 1989, с. 202-203.