8-11 (Оптико-электронные системы), страница 4

Оптические материалы необходимы для изготовления фильтров, дифракционных решеток , входных окон, элементов объективов – зеркал, линз.

Основными характеристиками оптичеких материалов следует считать:

• показатель преломления n_ и дисперсия (изменения n_ по длинам волн);

• поглощение, пропускание отражение;

физические свойства (твердость, растворимость, теплофизические свойства).

1. Показатель преломления

Показатель преломления оптических материалов в общем случае комплексная величина , изменяющаяся по спектру длин волн. Существует два типа зависимостей показателя преломления m_ (соответственно n_ и к_) от .

а) Материалы с нормальной дисперсией.

Эти материалы имеют хорошее пропускание в той области спектра, где они применяются. Типичный спектральный ход n_ и к_ показан на рис.28

Рис.28

б) материалы с аномальной дисперсией.

Это материалы, которые используются в оптических элементах в области длин волн, прилегающей к спектральной полосе поглощения. Показатель преломления здесь меняет знак, так как показано на рис.29

Рис. 29

Отметим, в частности, что материалы, имеющие спектральные области аномальной дисперсии применяются для изготовления т.н. дисперсионных фильтров, основанных на эффекте Христиансена. Суть последнего заключается в том, что при условии и для двух сред с n₁ и n₂ при величине n 0 в области аномальной дисперсии рассеяние на однородности прозрачного материала имеет ярко выраженную селективность – полосу пропускания.

1. Пропускание, отражение

Показатель ослабления k_ в области нормальной дисперсии определяет пропускание материала (поглощение в нем излучения).

Исходя из законов Френеля можно определить коэффициент отражения R, т.е. отношение отраженного излучения к величине приходящего потока излучения. При нормальном падении

(33 )

В случае, если среда прозрачна, т.е. k=0

(34)

При нанесении на поверхность среды с показателем преломления n слоя, имеющего показатель преломления n^, толщиной l, при условии, что n^l=/, коэффициент отражения такой двухслойной системы определяется формулой:

, (35)

из которой видно, что R становится равным нулю при .

Например, для германия (n=4) при =10 мкм при нанесении слоя сульфида цинка (ZnS) с показателем преломления n=2,2 и толщиной l=/4n=10/8,8=1,14 мкм, коэффициент отражения будет равен:

, т.е. имеет место (36)

эффект просветления (без просветления R_Ge = 0,36). Многослойное просветляющее покрытие позволяет снизить отражение на границе двух сред в более широкой спектральной области и таким образом уменьшить потери излучения в рабочей спектральной области ОЭС.

В качестве просветляющих покрытий используются пленки следующих веществ:

MgF₂ – фтористый магний (n=1,38)

SiO – окись кремния (n=1,6-1,9)

СеО₂ – окись церия (n=2,2)

ZnS – сульфид цинка (n=2,2)

AlF₃-NaF-криолит (n=1,3)

Для металлов, т.е. материалов с большим k_

, (37)

где с – скорость света,

 - электрическая проводимость,

- круговая частота.

Из (36) видно, что для металлов R растет с ростом  и . Это обстоятельство, в частности, обращает внимание на то, что зеркальная поверхность, изготовленная путем нанесения слоя алюминия, меди, серебра и золота, которую следует характеризовать, прежде всего, величиной R, будет лучше всего в случае позолоченной поверхности, несколько хуже – для серебра, затем для меди, еще хуже – для алюминия с учетом определяющих эти наиболее распространенные материалы зеркальных покрытий величин .

1. Физические свойства материалов

При выборе оптического материала следует учитывать их механические, теплофизические, электрические и химические свойства. В первом случае – это прежде всего твердость. Твердость обычно определяется как отношение нагрузки P к площади S и имеет размерность давления.

Определение твердости важно, когда выбирается материал для обтекателей и входных окон, а также для других деталей, которые должны подвергаться оптической полировке и сохранять свое состояние в процессе эксплуатации. Из практики следует, что твердость материалов указанных элементов должна быть не менее 15. Это качество должно сохраняться при воздействии химических реактивов, влажности, температуры. Теплофизические свойства важны для материалов, работающих при значительных перепадах температур. Здесь следует оценить теплопроводность, тепловое расширение, удельную теплоемкость.

1. Используемые оптические материалы

Материалы, используемые в оптике, включают стекла, керамики, природные и синтетические кристаллы, а также пластмассы и металлы.

Стекла и керамика

Большинство стекол прозрачно лишь в области 2,7 мкм из-за сильного поглощения ионами ОН. Плавленный кварц имеет длинноволновую границу ~5 мкм (далее поглощение /Si –0/. Используются специальные стекла из алюмината кальция, а также полученная горячим прессованием керамика на основе фтористого магния, InS, флюорита (CaF₂), MgO, теллурида кадмия (CdTe) и др.

Кристаллы

Наиболее употребимы монокристаллы NaCl, CaF₂, сильвин (КСl), AgCl, бромисто-йодистый калий КRS (КRS-5) и таллий (КRS-6).

Поликристаллические структуры

Кремний,германий, арсенид галлия.

Пластические материалы

Полиметилметакрилат – плексиглас, полиэтилен.

Металлы – алюминий, медь, золото, серебро. На их поверхность обычно наносится защитное покрытие – SiO (окись кремния).

Примеры характеристик оптических материалов.

1.Баросиликатный крон (SiO₂, B₂O₃, K₂O, Na₂O)

(0,2 –2,7, твердость~300,нерастворим в воде.

2.Тяжелый флинт (SiO₂, K₂O, Na₂O,РbO)

(0,25 –3,0, нерастворим )

3.Плавленный кварц (SiO₂)

(0,2 – 4,2, 460,0, нерастворим).

4.Керамика ZnS

(0,35 – 13,5, 354, нерастворимая).

5.Керамика CaF₂

(0,2 –12,0, 200, слабая растворимость)

6.Керамика ZnSе

(0,4 –20,0, 100-250, нерастворимая).

7.NaCl

(0,21 –26,0, 18, сильная растворимость)

8.NaF

(0,2 –15, 60, умеренная растворимость)

9.КСl

(0,2 –30,0, 8, сильная растворимость)

10.KBr

(0,23-40, 6 –7, сильная растворимость)

11.LiF

(0,12 –9, 110, нерастворим).

12.Хлористое серебро

(0,45 –28,0, 0,5, нерастворимо, чернеет под действием УФ).

13.Германий

(1,8 –23,0, 700, нерастворим)

14.Al₂O₃

0,17 –6,5, 1700, нерастворим).

15.Кварц – природный аристал (0,2 – 4,5, 741, нерастворим)

16.Полиэтилен

(0,2 – 3,2; 35 – 7; 7,5-13, 14-30)

1. Нетрадиционные оптические материалы на основе стекла

Общее требование к оптическому стеклу (ОС) – химическая и структурная однородность. В новейших производственных процессах изготовления ОС совершенствуется технология ‘золь-гель”, в которой используется раствор кремнезёма, однородный на уровне, близком к молекулярному с исключением стадии плавления. Другое направление - управляемое создание в однородном оптическом стекле структурно-химических неоднородностей, придающих стеклу новые свойства, в частности, выделение в объеме стекла кристаллической фазы с формированием композиционного материала, который сочетает свойства стекла и кристалла. Это- ситаллы (доля кристаллической фазы ~ 70…80%), обладающие высокой механической и тепловой стойкостью, термостойкостью и коэффициентом термического расширения близким к 0 (астроситаллы). Перспективно также создание стекол с микродисперсной полупроводниковой фазой, в которых концентрация кристаллической фазы  1% в связи с малой растворимостью полупроводниковых соединений в стеклообразной матрице. Эти композиты обладают, в частности, фотохромными нелинейно-оптическими свойствами и создаются с добавлением галогенидов серебра и меди на основе сульфоселенидов кадмия.

1. Оптические фильтры

Задача улучшения отношения сигнал/шум, выделения полезной информации на фоне помех не может быть решена без применения методов оптической фильтрации. Т.о. оптические фильтры – один из основных элементов ОЭС.

1. Классификация оптических фильтров

Оптические фильтры с учетом выделяемой области спектра разделяются на полосовые и отрезающие. Для классификации фильтров по физическому принципу их взаимодействия с излучением необходим учет не только оптических постоянных материала, но и отношения длины волны фильтруемого излучения к размерам конструктивных элементов фильтра. Лишь в простейшем случае, когда оптический фильтр (ОФ) представляет собой плоскопараллельную пластинку от соотношения показателей преломления и поглощения зависит, какая часть спектра излучения пройдет через пластинку. При этом, если пластинка имеет области селективного отражения, то она может использоваться как отражающий фильтр, при сильном поглощении в отдельных участках длин волн пластинка будет фильтровать проходящее излучение, т.е. являться поглощающим фильтром.

В том случае, если одно измерение пластинки, например, толщина уменьшается, наступают условия, при которых становятся существенными волновые эффекты. В частности, если размеры пластинки в двух измерениях велики по сравнению с длиной волны, а в одном сравнимы, т.е. она обращается в тонкую пленку и наблюдается интерференция волн в отраженном и прошедшем потоках. Система таких пленок с соответствующим образом подобранными оптическими постоянными позволяет реализовать интерференционный фильтр.

Если два измерения пластинки сравнимы с длиной волны и она преобразуется в полоску или нить, то наступит более сложный характер интерференционного взаимодействия излучения с объектом – дифракция. Система таких полос, представляющих собой совокупность неоднородностей в поле излучения, составляет дифракционный фильтр.

Наконец, если все три измерения пластинки сранимы с длиной волны и пластинка обращается в частицу, форма которой может быть произвольной – то наступает самый сложный случай взаимодействия – рассеяние излучения. Совокупность частиц, а также шероховатая поверхность раздела двух сред, размеры неоднородностей которых сравнимы с длиной волны могут служить рассеивающими фильтрами. Вообще говоря, оптические неоднородности, в рассеивающем фильтре обладают дисперсией оптических постоянных. Если, например, показатель преломления совпадает с показателем преломленияокружающей среды лишь для одного узкого участка длин волн, то такая система фильтрует проходящее излучение и называется рассеивающим дисперсионным фильтром. Т.о. спектральная характеристика ОФ зависит как от спектрального хода оптических постоянных, так и от соотношения между конструктивными элементами фильтра и длиной волны фильтруемого излучения. В некоторых случаях удается использовать оба эти фактора.

1. Характеристики ОФ

Выше отмечалось, что ОФ разделяется на полосовые и отрезающие.