مقدمة المواد البصرية الشائعة: من الزجاج البصري إلى المواد الخاصة

أولاً - مقدمة

الخطوة الأولى في التصنيع البصري هي اختيار المادة البصرية المناسبة. المعلمات البصرية (مؤشر الانكسار ، رقم آبي ، الناقل ، الانعكاس) ، الخصائص الفيزيائية (الصلابة ، التشوه ، محتوى الفقاعات ، نسبة بويسون) ، الخصائص الحرارية (معامل التوسع الحراري ، المعامل الحراري البصري) ، والاستقرار الكيميائي للمادة البصرية تحدد بشكل جماعي أداء المكون البصري النهائي أو النظام. تقدم هذه المقالة لمحة عامة منهجية عن ثلاث فئات رئيسية من المواد البصرية الشائعة—الزجاج البصري، البلورات البصرية، والمواد البصرية المتخصصة—جنبا إلى جنب مع درجاتها النموذجية وسيناريوهات التطبيق.

ثانياً. الفئات الرئيسية للمواد البصرية

المواد البصرية هي مصطلح عام للمواد ذات الخصائص البصرية المحددة والوظائف المستخدمة في التجارب البصرية والأدوات والتطبيقات. بناء على طبيعتها ، يمكن تقسيم المواد البصرية إلى أنظمة غير عضوية وعضوية. وتشمل المواد غير العضوية في المقام الأول الزجاج البصري والبلورات البصرية الطويلة المدى ، في حين تمثل المواد العضوية بشكل رئيسي البلاستيك البصري ، الذي يقدم مزايا خفيفة الوزن ومقاومة الاصطدام. تشكل الزجاج السيراميك فئة خاصة تقع بين الزجاج والبلورات. الزجاج البصري هو الوسيط الأكثر استخداما لنقل الضوء ، في حين يتم تطبيق البلاستيك البصري ، بسبب خصائصه الخفيفة الوزن ومقاومة الصدمات ، بشكل متزايد في المنتجات البصرية الاستهلاكية مثل عدسات النظارات وكاميرات الهواتف المحمولة وأجهزة الواقع الافتراضي / AR.

ثالثا - الزجاج البصري

الزجاج البصري هو وسيط غير متكامل (زجاجي) لنقل الضوء. مع مرور الضوء من خلاله ، يمكن تغيير اتجاه انتشاره ومرحلته وكثافته بشكل قابل للتحكم ، مما يجعل الزجاج البصري يستخدم على نطاق واسع في تصنيع المنظورات والعدسات والمرايا والنوافذ والمرشحات. يتميز بالشفافية العالية والاستقرار الكيميائي ودرجة عالية من التوحيد في خصائصه الفيزيائية والكيميائية ، مع ثابتات بصرية دقيقة وقابلة للتكرار. في حالته الصلبة بدرجة حرارة منخفضة ، يحتفظ الزجاج بالهيكل غير المتكامل لحالته السائلة بدرجة حرارة عالية. من الناحية المثالية ، فإن خصائصها الفيزيائية والكيميائية (مثل مؤشر الانكسار ، ومعامل التوسع الحراري ، والصلابة ، والموصلية الحرارية ، والموصلية الكهربائية ، والوحدة المرنة) متطابقة في جميع الاتجاهات ، وهي خاصية تعرف باسم التناظر. بناء على الأداء البصري والتكوين، يمكن تقسيم الزجاج البصري عديم اللون إلى زجاج التاج (K) والزجاج الصخري (F). الزجاج التاجي لديه مؤشر انكسار أقل ورقم أبي أعلى (تشتت منخفضة) ، في حين أن الزجاج الصخري لديه مؤشر انكسار أعلى ورقم أبي أقل (تشتت عالية). الجمع بين هذين النوعين يمكن تصحيح الانحراف اللوني في الأنظمة البصرية.

وتشمل الشركات المصنعة العالمية الرئيسية للزجاج البصري SCHOTT (ألمانيا) و Corning (الولايات المتحدة الأمريكية) و OHARA (اليابان) و CDGM (الصين).

الزجاج البصري المشترك للنطاق فوق البنفسجي: سيليكا ذوبان الأشعة فوق البنفسجية (UVFS) هو المادة الأكثر شيوعا للنطاق الأشعة فوق البنفسجية. تشمل درجات الكوارتز المستخدمة بشكل شائع الأنواع الصينية المحلية JGS1 و JGS2 و JGS3 ، بالإضافة إلى كورنينج 7980. يتم إنتاج JGS1 عن طريق انصهار اللهب الأكسي الهيدروجين عالي النقاء ، وله محتوى هيدروكسيل حوالي 2000 جزء في المليون ، ويحقق أكثر من 90٪ من الناقل عند 185 نانومتر ، مما يجعله مادة ممتازة لـ 185 نانومتر.–نطاق 2500 نانومتر. يتم إنتاج JGS2 أيضًا من المواد الخام الكوارتزية مع شعلة أوكسيهيدروجين ، ولها محتوى هيدروكسيل 100–200 جزء في المليون، ويقدم نقل جيد في 220–نطاق 2500 نانومتر. يتم تصنيع JGS3 باستخدام عملية الذوبان الكهربائي بالفراغ ، ولا تحتوي على مجموعات الهيدروكسيل تقريبا ، وهي مناسبة لتطبيقات الأشعة تحت الحمراء في 260–نطاق 3500 نانومتر. كورنينج 7980 ، وهو سيليكا مصنوع ذوب عالي النقاء ، يوفر تناسق متفوق ومحتوى فقاعة وشوائب أقل ، مما يوفر عتبة أضرار أعلى الناجمة عن الليزر ، مما يجعله يستخدم على نطاق واسع في مكونات الليزر. تقدم أوهارا درجات زجاج الكوارتز عالية الجودة مثل SK-1300 و SK-1310 و SK-1320L و SK-1321. للتطبيقات في الأطوال الموجية≤450 نانومتر، سيليكا ذوبان هو عادة المادة المفضلة؛ عندماλ >450 نانومتر ، يمكن اختيار النظارات البصرية مثل N-BK7.

الزجاج البصري المشترك للنطاق المرئي والقريب من الأشعة تحت الحمراء: في النطاق المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة (حوالي 350 نانومتر)–2.0 µم) ، تشمل المواد الزجاجية البصرية الأكثر شيوعاً SCHOTT N-BK7 ، الزجاج العائم B270 ، و CDGM H-K9L. تمتلك N-BK7 و H-K9L خصائص بصرية متشابهة ويمكن استخدامها بشكل متبادل. N-BK7 هو زجاج تاج بوروسيليكات نموذجي مع مؤشر انكسار 1.51680 عند 587.6 نانومتر. H-K9L الزجاج البصري الدقيق هو زجاج صلب مقاوم للخدش والمواد الكيميائية. بسبب انخفاض محتوى الفقاعة والشوائب ، فهي مناسبة بشكل جيد لتصنيع العدسات والنوافذ والمنشآت عالية الدقة.

الرسوم التوضيحية: تظهر الرسوم البيانية التقنية الثلاثة التالية توزيع مختلف درجات الزجاج البصري CDGM على مخطط آبي (مؤشر الانكسار مقابل علاقة التشتت) ، ومنحنيات مؤشر الانكسار للدرجات الزجاجية الشائعة كدالة من الطول الموجي ، ومنحنيات الناقلية للدرجات الزجاجية المختلفة في نطاق UV-VIS-NIR. هذه توفر مرجع بديهي للتصميم البصري واختيار المواد.

(الشكل 1: مؤشر الانكسار ومخطط التشتت لدرجات الزجاج البصري CDGM)

(الشكل 2: منحنيات مؤشر الانكسار للدرجات الزجاجية البصرية الشائعة)

(الشكل 3: منحنيات الإرسال للدرجات الزجاجية البصرية المشتركة)

رابعا - البلورات البصرية

البلورات البصرية هي مصطلح عام للمواد البلورية المستخدمة كوسائل بصرية. بسبب هيكلها البلوري المطلوب ، تظهر البلورات البصرية أداء بصري ممتاز في الأشعة فوق البنفسجية والمرئية والأشعة تحت الحمراء وتستخدم على نطاق واسع لتصنيع النوافذ والعدسات والمنشورات لتطبيقات الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء. يتم تقسيمها إلى أنواع بلورية واحدة ومتعددة البلورات ؛ توفر المواد الكريستالية أحادية سلامة بلورية أعلى ، ونقل ناقل بصري أعلى ، وخسائر تشتت أقل ، مما يجعلها الأكثر شيوعًا في الاستخدام.

يمكن تصنيف البلورات البصرية الشائعة حسب التطبيق على النحو التالي:

• الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء مواد الكريستال: بما في ذلك الكوارتز (SiO) ₂), الفلوريت (CaF) ₂), فلوريد الليثيوم (LiF) ، الملح الصخري (NaCl) ، السيليكون (Si) ، والجرمانيوم (Ge).

• بلورات الاستقطاب: تشمل بلورات الاستقطاب الشائعة الاستخدام الكالسيت (CaCO) ₃), الكوارتز (SiO) ₂), ونترات الصوديوم (النيتراتين) ، والتي تستغل انكسارها الثنائي لإنشاء عناصر بصرية مستقطبة.

• بلورات Apochromatic: تستخدم خصائص التشتت الفريدة للبلورات لجعل الأهداف غير اللونية. على سبيل المثال ، الجمع بين الفلوريت (CaF) ₂) مع الزجاج يشكل نظام غير ملونة يمكن أن تصحيح بشكل فعال الانحراف الكروي والطيف الثانوي.

• بلورات الليزر: يستخدم كوسيط نشط في الليزر في الحالة الصلبة، مثل الياقوت، فلوريد الكالسيوم، والكريستال النيوديميوم-منشط جرنيت الألومنيوم (Nd: YAG).

الخصائص الرئيسية للمواد الممثلة—فلوريد الكالسيوم (CaF) ₂) كريستال:

بلورات فلوريد الكالسيوم هي مادة ممثلة للغاية عالية الأداء بين البلورات البصرية. مؤشر الانكسار nd = 1.43384 ورقم آبيνد = 95.23 يشير إلى تشتت منخفض للغاية. نطاق نقل CaF ₂ تغطي من 130 نانومتر (الأشعة فوق البنفسجية العميقة) إلى حوالي 8µم (الأشعة تحت الحمراء). كما تمتلك متانة الليزر الممتازة ومقاومة الإشعاع وتجانس مؤشر الانكسار أفضل من 0.5 جزء في المليون. في بيئة جافة، CaF ₂ يمكن أن تحمل درجات الحرارة تصل إلى 1000°C؛ ومع ذلك، في بيئة رطبة، قد يحدث تدهور الأداء في درجات الحرارة فوق 600°ج. هذه الخصائص تجعلها تستخدم على نطاق واسع في البصريات الدقيقة ، واللوتوغرافيا شبه الموصلات ، والمراقبة الفلكية ، وتكنولوجيا الليزر.

تتوفر المواد الكريستالية في أشكال طبيعية وصطناعية. البلورات الطبيعية نادرة، في حين أن عمليات النمو الاصطناعي صعبة ومحدودة الحجم ومكلفة. عادة ما يتم اختيار البلورات فقط عندما لا تستطيع المواد الزجاجية تلبية المتطلبات (على سبيل المثال ، للاستخدام في نطاقات الطول الموجي غير المرئية) ، في المقام الأول في أشباه الموصلات والليزر والصناعات ذات الصلة.

خامسا - المواد البصرية المتخصصة

الزجاج والسيراميك

الزجاج السيراميك هو نوع من المواد البصرية المتخصصة التي تقع بين الزجاج والبلورات. الفرق الرئيسي عن الزجاج البصري العادي هو هيكله البلوري ، في حين أن الفرق الرئيسي عن السيراميك التقليدي هو أن هيكله البلوري أكثر دقة بكثير. تتميز الزجاج السيراميك بمعامل توسع حراري منخفض جداً، وقوة عالية، وقسوة عالية، وكثافة منخفضة، واستقرار شديد. تستخدم على نطاق واسع في تصنيع الشقق البصرية ومقاييس القياس القياسية والمرايا العاكسة الكبيرة والجيروسكوبات الليزرية. في الوقت الحالي ، تشمل منتجات الزجاج والسيراميك الدولية الرئيسية ULE من كورنينج®زجاج توسع منخفض جداً و ZERODUR من SCHOTT®الزجاج السيراميك. ULE®هو زجاج غير متكامل في SiO ₂–TiO₂ نظام مع شفافية بصرية جيدة ، مناسبة للعناصر البصرية الناقلة. زيرودور®هو مركب بلوري صغير (حوالي 70٪ بلوري + 30٪ مرحلة زجاجية) مع قوة ميكانيكية عالية لكنه غير شفاف ، مما يجعله الخيار السائد لركائز مرآة التلسكوب الفلكي. معامل التوسع الحراري (20)–300°ج) من ULE®هو 0±0.02 ×10⁻⁶/ K، مع القيمة النموذجية 0±30 ×10⁻⁹/ K فوق 5–35°نطاق C.

كربيد السيليكون

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة سيراميكية خاصة يمكن أن تعمل أيضًا كمادة بصرية. تمتلك SiC صلابة محددة عالية ، ومعامل منخفض للتشوه الحراري ، واستقرار حراري ممتاز ، ومزايا خفيفة الوزن الكبيرة. في مجال المرايا البصرية ذات الفتحة الكبيرة ، تقدم مزايا لا يمكن أن تتطابقها المواد الزجاجية التقليدية وتعتبر الخيار الأول للمرايا الكبيرة الحجم والخفيفة الوزن ، مع تطبيقات واسعة في الاستشعار عن بعد في الفضاء والتلسكوبات ذات الفتحة الكبيرة القائمة على الأرض والليزر عالي الطاقة وشبه الموصلات. في الآونة الأخيرة ، اقترح معهد تشانغتشون للبصريات والميكانيكا الدقيقة والفيزياء (CIOMP) ، بالتعاون مع مركز التكنولوجيا والهندسة لاستخدام الفضاء (CSU) ، "طريقة تصنيع إضافية مسحوق الجرافيت / كربيد السيليكون المركب" المبتكرة. وقد زاد هذا محتوى كربيد السيليكون في جسم مرآة SiC من 46.36٪ إلى 64.54٪ ، بنجاح في تصنيع مرآة SiC ذات هيكل طوبولوجي بقطر 220 مم. بعد المعالجة ، حقق السطح البصري دقة رقمية أفضل منλ50 RMS )λ = 632.8 نانومتر) وخشنة السطح 0.772 نانومتر فقط.

سادسا - المواد البصرية الهامة الأخرى

بالإضافة إلى الفئات الرئيسية الثلاث من وسائط نقل الضوء المذكورة أعلاه ، تشمل المواد البصرية أيضًا مواد الألياف البصرية (المستخدمة في أنظمة الاتصالات الألياف البصرية) ، ومواد الأفلام الرقيقة البصرية (المستخدمة في الطلاءات المضادة للانعكاس ، والطلاءات عالية الانعكاس ، وطلاءات الفلتر) ، ومواد الكريستال السائل (المستخدمة في أجهزة العرض) ، ومختلف المواد مع التطور السريع للمجالات الناشئة مثل إضاءة الحالة الصلبة وتكنولوجيا الليزر والاتصالات البصرية والتصوير الطبي الحيوي والواقع الافتراضي / AR ، يتوسع نطاق تطبيق المواد البصرية باستمرار. يعتمد التقدم المستمر للتكنولوجيا البصرية على التطوير المتكرر لتكنولوجيا المواد البصرية.