Постников В.С. Оптическое материаловедение
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
В.С. Постников
ОПТИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Курс лекций
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2013
УДК 621.383+666.1/.2.017](078) П63
Рецензенты:
канд. техн. наук, доц. В.П. Вылежнев (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
д-р физ.-мат. наук, начальник С.Н. Пещеренко (Инженерно-технический центр ЗАО «Новомет-Пермь»)
П63 |
Постников, В.С. |
Оптическое материаловедение : курс лекций / В.С. Постников. – Пермь : |
Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2013. – 280 с.
ISBN 978-5-398-01056-5
Изложены физико-химические и механические характеристики стеклообразных и кристаллических материалов. На основе понятий физической оптики рассмотрены оптические характеристики стекол и кристаллов и показаны способы изменения этих характеристик.
Предназначен для обучения студентов по направлению 200600 «Фотоника и оптоинформатика» при изучении дисциплины «Оптическое материаловедение».
УДК 621.383+666.1/.2.017](078)
ISBN 978-5-398-01056-5 |
© ПНИПУ, 2013 |
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ................................................................................................... |
7 |
1.1. Классификация оптических материалов .......................................................... |
10 |
1.2. Свойства оптических материалов..................................................................... |
12 |
Лекция 2. ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ОПТИКИ................... |
18 |
2.1. Отражение, преломление, поглощение и пропускание................................... |
20 |
Лекция 3. ПОГЛОЩЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В МАТЕРИАЛЕ..................................... |
23 |
3.1. Практические характеристики потерь излучения............................................ |
24 |
3.2. Виды и механизмы поглощения электромагнитного излучения |
|
в различных спектральных диапазонах................................................................... |
25 |
3.3. Фундаментальные спектры электронных возбуждений.................................. |
26 |
3.4. Фундаментальное электронное поглощение в диэлектриках ......................... |
28 |
3.5. Колебательные уровни двухатомной молекулы.............................................. |
30 |
3.6. Фундаментальные колебательные возбуждения в твердых телах.................. |
32 |
3.7. Многофононное поглощение............................................................................ |
34 |
Лекция 4. ОПТИКА МАТЕРИАЛА В ДИАПАЗОНЕ ПРОЗРАЧНОСТИ................ |
35 |
4.1. Соотношения Крамерса – Кронига................................................................... |
37 |
4.2. Частотная зависимость оптических постоянных............................................. |
38 |
Лекция 5. ОПТИКА МАТЕРИАЛА В ДИАПАЗОНЕ ПРОЗРАЧНОСТИ |
|
(продолжение) .......................................................................................................... |
39 |
5.1. Аналитическая модель дисперсии диэлектрической проницаемости |
|
в приближении отсутствия локального поля (модель Друде) ............................... |
39 |
5.2. Аналитическая модель дисперсии диэлектрической проницаемости |
|
с поправкой на локальное поле (модель Лоренц-Лорентца).................................. |
41 |
5.3. Современные варианты классического уравнения дисперсии комплексной |
|
диэлектрической проницаемости ............................................................................ |
42 |
Лекция 6. РЕФРАКЦИЯ.............................................................................................. |
44 |
6.1. Основные оптические характеристики, используемые в фотонике ............... |
45 |
6.2. Хроматическая аберрация................................................................................. |
47 |
6.3. Диаграмма Аббе................................................................................................. |
48 |
6.4. Правило Аббе..................................................................................................... |
49 |
Лекция 7. ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ................................................................. |
50 |
7.1. Oксид кремния................................................................................................... |
52 |
7.2. Минеральные разновидности кварца ............................................................... |
56 |
7.3. Стекло (историческая справка)......................................................................... |
67 |
Лекция 8. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ |
|
СТЕКЛООБРАЗНОГО СОСТОЯНИЯ.................................................................... |
69 |
8.1. Температурный интервал стеклования............................................................. |
70 |
8.2. Вязкость стекол и расплавов............................................................................. |
71 |
8.3. Влияние химического состава стекла на его вязкость и длину....................... |
73 |
8.4. Влияние химического состава на плотность стекла........................................ |
75 |
3
Лекция 9. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ |
|
СТЕКЛООБРАЗНОГО СОСТОЯНИЯ (продолжение)........................................... |
76 |
9.1. Теплофизические свойства стекол.................................................................... |
76 |
9.2. Химическая устойчивость стекол ..................................................................... |
77 |
9.3. Классификация стекол по химической устойчивости...................................... |
81 |
Лекция 10. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ |
|
СТЕКЛООБРАЗНОГО СОСТОЯНИЯ (продолжение)........................................... |
83 |
10.1. Оптические свойства стекол............................................................................ |
83 |
10.2. Нормируемые и справочные характеристики качества оптического |
|
стекла (по ГОСТ 23136–93)...................................................................................... |
87 |
Лекция 11. КВАРЦЕВОЕ СТЕКЛО ............................................................................ |
89 |
11.1. Способы получения кварцевого стекла .......................................................... |
91 |
11.2. Марки кварцевого стекла (по ГОСТ 15130–86).............................................. |
96 |
11.3. Теплофизические характеристики кварцевого стекла ................................... |
98 |
Лекция 12. СИЛИКАТНЫЕ СТЕКЛА........................................................................ |
99 |
12.1. Силикатные кроны......................................................................................... |
101 |
12.2. Диаграмма состояния системы Na2О–SiO2 ................................................... |
102 |
12.3. Диаграмма состояния системы K2О–SiO2..................................................... |
103 |
12.4. Структура силикатных стекол....................................................................... |
104 |
12.5. Зависимость вязкости, длины стекла и Тg от состава и строения................ |
106 |
12.6. Оптические свойства щелочно-силикатных стекол..................................... |
108 |
Лекция 13. СИЛИКАТНЫЕ СТЕКЛА (продолжение)............................................. |
109 |
13.1. Двойные системы со щелочноземельными оксидами.................................. |
109 |
13.2. Тройные системы R2O–R´O–SiO2.................................................................. |
110 |
13.3. Основные принципы технологических процессов производства |
|
натриево-силикатных стекол.................................................................................. |
112 |
13.4. Операция варки стекла................................................................................... |
115 |
Лекция 14. БОРОСИЛИКАТНЫЕ И АЛЮМОСИЛИКАТНЫЕ СТЕКЛА............. |
118 |
14.1. Боросиликатные кроны.................................................................................. |
118 |
14.2. Алюмосиликатные кроны.............................................................................. |
121 |
14.3. Составы боросиликатных кронов.................................................................. |
124 |
Лекция 15. СИЛИКАТНЫЕ ФЛИНТЫ..................................................................... |
126 |
15.1. Диаграмма состояния системы SiO2–PbO..................................................... |
126 |
15.2. Структура и свойства стекол системы SiO2–PbO......................................... |
127 |
15.3. Принципы производства флинтов................................................................. |
130 |
Лекция 16. БОРАТНЫЕ И ФОСФАТНЫЕ СТЕКЛА .............................................. |
131 |
16.1. Боратные стекла ............................................................................................. |
131 |
16.2. Фосфатные стекла.......................................................................................... |
135 |
Лекция 17. ФТОРОСОДЕРЖАЩИЕ ОПТИЧЕСКИЕ СТЕКЛА............................. |
139 |
17.1. Фторбериллатные стекла............................................................................... |
140 |
17.2. Стекла на основе фторидов тяжелых металлов............................................ |
141 |
17.3. Промышленные многокомпонентные фторидные стекла ........................... |
143 |
17.4. Технология получения многокомпонентных фторидных стекол............... |
144 |
17.5. Фторидные оптические волокна.................................................................... |
146 |
4
17.6. Оксифторидные оптические стекла.............................................................. |
148 |
Лекция 18. ХАЛЬКОГЕНИДНЫЕ СТЕКЛА............................................................ |
149 |
18.1. Система S–As................................................................................................. |
153 |
18.2. Система Sе–As ............................................................................................... |
154 |
18.3. Система Sе–Ge............................................................................................... |
155 |
18.4. Особенности структуры халькогенидных стекол двойных систем............ |
156 |
Лекция 19. ХАЛЬКОГЕНИДНЫЕ СТЕКЛА (продолжение).................................. |
159 |
19.1. Система As–Ge–Se......................................................................................... |
159 |
19.2. Физические свойства халькогенидных стекол............................................. |
161 |
19.3. Химические свойства халькогенидных стекол............................................ |
162 |
19.4. Оптические свойства халькогенидных стекол............................................. |
162 |
19.5. Основы технологии производства халькогенидных стекол........................ |
164 |
Лекция 20. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ОКСИДНЫЕ СТЕКЛА............................................ |
167 |
20.1. Германатные стекла....................................................................................... |
167 |
20.2. Германатные волоконные световоды........................................................... |
170 |
20.3. Теллуритные стекла....................................................................................... |
171 |
Лекция 21. СТЕКЛА НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ.............. |
173 |
21.1. Высокомолекулярные (полимерные) стекла................................................ |
174 |
21.2. Свойства полимерных стекол ....................................................................... |
176 |
21.3. Полиметилметакрилат................................................................................... |
176 |
21.4. Применение полимерных стекол в оптике................................................... |
181 |
Лекция 22. ПРИРОДА ИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ В СТЕКЛАХ..................... |
183 |
22.1. Законы диффузии........................................................................................... |
183 |
22.2. Электропроводность стекол.......................................................................... |
185 |
Лекция 23. ПРИРОДА ИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ В СТЕКЛАХ |
|
(продолжение) ........................................................................................................ |
189 |
23.1. Влияние фазового разделения на проводимость стекол.............................. |
192 |
23.2. Влияние состава на проводимость стекол.................................................... |
193 |
23.3. Ионообменные процессы .............................................................................. |
196 |
23.4. Химическая устойчивость стекол................................................................. |
200 |
Лекция 24. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПРОЧНОСТИ СТЕКЛА.............................. |
202 |
24.1. Теории разрушения........................................................................................ |
204 |
24.2. Твердость стекла............................................................................................ |
206 |
24.3. Хрупкость стекла........................................................................................... |
207 |
Лекция 25. МОДЕЛИ ПРОЧНОСТИ СТЕКОЛ........................................................ |
209 |
25.1. Модель Гриффитса........................................................................................ |
210 |
25.2. Статистическая модель прочности............................................................... |
212 |
25.3. Статистическая модель Вейбулла................................................................. |
214 |
Лекция 26. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И УВЕЛИЧЕНИЯ |
|
ПРОЧНОСТИ СТЕКЛА......................................................................................... |
217 |
26.1. Определение прочности стекла на растяжение и сжатие............................ |
217 |
26.2. Определение прочности стекла на изгиб...................................................... |
218 |
26.3. Методы увеличения прочности стекла......................................................... |
219 |
26.4. Закалка стекла................................................................................................ |
220 |
5
Лекция 27. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И УВЕЛИЧЕНИЯ |
|
ПРОЧНОСТИ СТЕКЛА (продолжение)................................................................ |
223 |
27.1. Ионный обмен................................................................................................ |
223 |
27.2. Создание заданной формы профиля сжимающих напряжений. ESP |
|
(engineered stress profile)-метод.............................................................................. |
225 |
27.3. Ламинирование поверхности......................................................................... |
226 |
27.4. Полировка стекла........................................................................................... |
228 |
Лекция 28. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И УВЕЛИЧЕНИЯ |
|
ПРОЧНОСТИ СТЕКЛА (продолжение)................................................................ |
231 |
28.1. Упрочнение стекла поверхностной кристаллизацией.................................. |
231 |
28.2. Нанесение упрочняющих оксидных или полимерных покрытий ............... |
231 |
28.3. Прочность стеклянных волокон.................................................................... |
234 |
Лекция 29. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ...................... |
237 |
Лекция 30. МЕТОДЫ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ ..................................... |
248 |
30.1. Метод Чохральского ...................................................................................... |
249 |
30.2. Метод Киропулоса ......................................................................................... |
252 |
30.3. Метод Обреимова – Шубникова ................................................................... |
254 |
30.4. Метод Бриджмена.......................................................................................... |
254 |
30.5. Метод Стокбаргера ........................................................................................ |
255 |
Лекция 31. МЕТОДЫ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ (продолжение)............ |
256 |
31.1. Метод Вернейля ............................................................................................. |
256 |
31.2. Зонная плавка................................................................................................. |
257 |
31.3. Выращивание монокристаллов из газовой фазы.......................................... |
260 |
Лекция 32. ОПТИЧЕСКАЯ КЕРАМИКА................................................................. |
263 |
32.1. Способы изготовления оптической керамики.............................................. |
266 |
32.2. Формование.................................................................................................... |
267 |
32.3. Спекание сформованных изделий................................................................. |
269 |
Лекция 33. ОПТИЧЕСКАЯ КЕРАМИКА (продолжение) ....................................... |
273 |
33.1. Ситаллы .......................................................................................................... |
273 |
33.2. Прозрачная нанокерамика ............................................................................. |
276 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................... |
279 |
6
Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ
Оптическое материаловедение – раздел общего материаловедения, в котором изучаются свойства и методы получения материалов, применяемых в оптике.
Производство материалов, изучаемых в оптическом материаловедении, началось 5–6 тыс. лет назад. Однако первые попытки придать научное обоснование свойствам оптических материалов были предприняты только в XVII в.
Первым научным трудом по стеклоделию считают вышедшую во Флоренции в 1612 г. книгу монаха Антонио Нери, в которой были даны указания об использовании окислов свинца, бора и мышьяка для осветления стекла, приведены составы цветных стекол.
Первые серьезные попытки получения оптического стекла, то есть стекла достаточной химической и физической однородности, и обладающего специфическими оптическими свойствами, можно отнести к концу XVII в.
В труде немецкого алхимика Кункеля (Johannes Kunckel) Ars vitraria experimentalis (1689) упоминается о борной и фосфорной кислотах как компонентах стекла и о боросиликатном кроне, близком по составу к некоторым современным сортам.
7
В 1663 г. в патенте англичанина Тильсона упоминается о введении окиси свинца в «флинт-глас», а в XVIII в. это стекло начинают применять для изготовления ахроматических линз сперва Честер Мур Холл (1729), а затем с большим успехом Питер Доллонд (1758).
Началом промышленного производства оптического стекла можно считать результат многолетней работы швейцарца Гинана, которому совместно с Фраунгофером удалось внедрить на заводе Утцшнайдера в Бенедиктбойерне (Бавария) более или менее надежный способ получения хорошего оптического стекла в горшках емкостью до 400 кг.
Ключом к успеху был изобретенный Гинаном прием механического перемешивания расплава во время варки круговыми движениями глиняного стержня, вертикально опущенного в стекло.
В 1811 г. Гинаном и Фраунгофером было запущено в производство два сорта оптического стекла: крон
(72 % SiO2, 18 % K2O, |
10 % CaO) |
и флинт (45 % SiO2, |
12 % K2O, |
43 % PbO) |
|
Во 2-й половине XIX в. немецкий химик Отто Шотт осуществляет по предложению Эрнста Аббе фундаментальное исследование влияния на свойства стекла различных компонентов, а в 1884 г. О. Шотт, Э. Аббе и К. Цейсс основывают в Йене завод, начавший выпуск разнообразных сортов оптического стекла.
Выдающуюся роль в развитии научного стеклоделия в России сыграл М.В. Ломоносов.
В 1748 г. он организовал при Петербургской академии наук лабораторию, в которой проводил опыты с окрашиванием стекла, лично варил смальту, разработав палитру цветной стеклянной мозаики.
8
Современное оптическое материаловедение базируется на трех основных дисциплинах – оптика (базовый курс), физика твердого тела и оптическая физика.
|
Материалы |
|
|
и технологии |
|
Нелинейная |
интегральной |
|
и волоконной оптики |
||
оптика |
||
|
||
|
|
ОПТИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Оптика |
Физика |
Оптическая |
(базовый |
твердого |
физика |
курс) |
тела |
|
В свою очередь, оптическое материаловедение является базовой дисциплиной для курсов «Нелинейная оптика» и «Материалы и технологии интегральной и волоконной оптики».
9
1.1. Классификация оптических материалов
Оптические материалы – кристаллические или аморфные материалы, предназначенные для передачи или преобразования света в различных участках спектрального диапазона.
Различаются по строению, свойствам, функции, назначению, а также по технологии изготовления.
Оптические материалы
Пассивные |
Активные |
Для формирования |
Для управления |
изображения |
световыми потоками |
Для передачи |
Для генерации |
световых потоков |
световых потоков |
Пассивные оптические материалы
Для формирования изображения
Для передачи световых потоков, несущих:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Изображение |
|
|
Энергию |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Материалы |
|
|
Материалы для волоконной |
|
|||||||
|
|
для линзовой оптики |
|
|
|
оптики |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Кристаллические |
|
|
|
|
Стеклообразные |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
Стеклокристаллические |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10