Существует большое количество типов лазера. Однако принцип работы один, поэтому существуют некоторые осовные части для любого лазера. Это активная среда, система накачки, оптический резанатор. Еще добавим такие элементы конструкции как: корпус, подвижные и герметичные системы, электроника, фильтры. Для всех этих элментов используют разные материалы. Эти материалы можно разделить на конструкционные и оптические. Конструкционные материалы -- материалы, из которых изготовляются различные конструкции, элементы сооружений, детали машин, воспринимающих силовую нагрузку. Оптические материалы - это природные и синтетические материалы, стёкла, поликристаллические, полимерные и другие материалы, монокристаллы, прозрачные в том или ином диапазоне электромагнитных волн. Их применяют для изготовления оптических элементов, работающих в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра.

Оптические материалы

Активная среда

Вещество, в котором создана инверсия населённостей энергетических уровней квантовой системы называется активной средой. Активная среда усиливает проходящее через неё резонансное электромагнитное излучение при условии, если коэффициент квантового усиления превышает коэффициент потерь энергии в активной среде. Применение положительной обратной связи позволяет использовать рабочие тело для создания генератора когерентного электромагнитного излучения. В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное и плазма.

Твердотельные лазеры

Лазеры, где активной средой являеться твердое вещество, называются твердотельными лазерами. Их в свою очередь можно поделить на волокнистые, полупроводниковые и лазеры на кристаллах и стеклах. Однако все материалы, особенно кристаллы, должны иметь правильную атомно-кристаллическую решетку и поэтому многие, из них, кроме кристаллов с простой кубической решеткой (кремний, германий), отличаются анизотропией оптических свойств. В оптически анизотропных кристаллов луч света делится на два луча, поляризованые в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Начиная с обычного карманного лазера с диодной накачкой, можно заметить, что он имеет сложную систему из нескольких активных сред. Первая среда это кристалл алюмо-иттриевыего граната (YAG) или ортованадата иттрия. Следующей ступенью является нелинейная оптическая система из кристалла титанил фосфата калия (KTiOPO 4 , KTP). Такая система связана с увеличением вдвое частоты входного излучения. Вследствии чего длинна волны находиться в интервале видимого излучения (см. рис. 1) в зеленом диапозоне, при этом потери в лазере минимальны. КПД в таком случае может достигать 20%, по сравнению сравнению с 3% у других карманых лазеров. В рубиновом лазере рабочим телом является искусственный сапфир Al 2 O 3 с примесью Cr 2 O 3 . Благодаря чему излучение лазера окрашивается в монохроматический ярко-розовый цвет с малой продольной модой. Такие лазеры широко распространены в голографии, является одним из первых лазеров.

Еще один твердотельный лазер - лазер на оптическом волокне. Существует большое разнообразие конструкций волоконных лазеров, обусловленное спецификой их применения. Специальными методиками можно создать однополяризационные лазеры, лазеры сверхкоротких импульсов и другие. Во всех волоконных лазерах применяются специальные типы оптических волокон, в которые встроены один или несколько волноводов для осуществления оптической накачки. В таблице представлены основные материалы, используемые в качестве активной среды в твердотельных лазерах.

Таблица 1

Типы твердотельных лазеров

Полупроводниковые лазеры - это лазеры с усиливающей средой на основе полупроводников, где генерация происходит, как правило, за счет вынужденного излучения фотонов при межзонных переходах электронов в условиях высокой концентрации носителей в зоне проводимости. Большинство полупроводниковых лазеров являются лазерными диодами с накачкой электрическим током, и с контактом между n-легированными и р-легированными полупроводниковыми материалами. Есть также полупроводниковые лазеры с оптической накачкой, где носители генерируются за счет поглощения возбуждающего их света, и квантово каскадные лазеры, где используются внутризонные переходы (см. рис. 2). Основными материалами для таких лазеров являются:

• · GaAs (арсенид галлия)
• · AlGaAs (арсенид галлия - алюминия)
• · GaP (фосфид галлия)
• · InGaP (фосфид галлия - индия)
• · GaN (нитрид галлия)
• · InGaAs (арсенид галлия - индия)
• · GaInNAs (арсенид-нитрид галлия индия)
• · InP (фосфид индия)
• · GaInP (фосфид галлия-индия)

Эти полупроводники являются прямозонными; полупроводники с непрямой запрещенной зоной, такие как кремний, не обладают сильным и эффективным световым излучением. Так как энергия фотона лазерного диода близка к энергии запрещенной зоны, полупроводниковые композиции с разными энергиями запрещенной зоны позволяют получить излучение с различными длинами волн. Помимо это полупроводниковые лазеры отличаются высоким КПД, малой инерционностью и простотой конструкции .

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

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

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Оптические материалы" в других словарях:

Кристаллич. или аморфные материалы, предназначенные для передачи или преобразования света в разл. участках спектрального диапазона. Различаются по строению, св вам, функцией, назначению, а также по технологии изготовления. Структура и свойства.… … Химическая энциклопедия

Полимеры, использующиеся в создании оптических систем. Виды оптических полимерных материалов * Материалы с эпоксидной композицией «черного» цвета для герметизации фотодиодов, предназначенных для дистанционного управления приборами. *… … Википедия

Оптические свойства горной породы - – свойства, характеризующие поглощение, пропускание и отражение электромагнитных волн оптического диапазона в горной породе. [ГОСТ Р 50544 93] Рубрика термина: Свойства горной породы Рубрики энциклопедии: Абразивное оборудование, Абразивы,… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Интенсивноразрабатываемое в 1980 90 е гг. новое поколение вычислит. техники (компьютеров)на основе использования оптич. излучения в качестве носителя информации … Физическая энциклопедия

Материаловедение междисциплинарный раздел науки, изучающий изменения свойств материалов, как в твердом, так и в жидком состоянии в зависимости от некоторых факторов. К изучаемым свойствам относятся структура веществ, электронные, термические,… … Википедия

Основная статья: Оптические материалы Волновод на базе прозрачной керамики Прозрачные керамические материалы материалы, прозрачные для электромагнитных … Википедия

Материалы, применяемые в летательных аппаратах. В отечественной практике А. м. по назначению подразделяются на конструкционные, определяющими характеристиками которых являются механические свойства, и материалы неконструкционного назначения,… … Энциклопедия техники

Возможно, эта статья содержит оригинальное исследование. Добавьте ссылки на источники, в противном случае она может быть выставлена на удаление. Дополнительные сведения могут быть на странице обсуждения. И … Википедия

авиационные материалы Энциклопедия «Авиация»

авиационные материалы - авиационные материалы — материалы, применяемые в летательных аппаратах. В отечественной практике А. м. по назначению подразделяются на конструкционные, определяющими характеристиками которых являются механические свойства, и материалы… … Энциклопедия «Авиация»

Книги

• Оптические материалы. Учебное пособие , Зверев Виктор Алексеевич, Кривопустова Екатерина Всеволодовна, Точилина Татьяна Вячеславовна. Понятие "оптические материалы" охватывает сегодня огромное множество оптических сред, различающихся не только показателем преломления и коэффициентом дисперсии, но и прозрачностью для…

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.

Формула изобретения

Применение монокристаллов ортогерманата висмута Bi 4 Ge 3 O 1 2 в оптических системах в качестве оптического материала с показателем преломления n 2,1 и дисперсией = 20.н

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.