I. Introducción
El primer paso en la fabricación óptica es seleccionar el material óptico adecuado. Los parámetros ópticos (índice de refracción, número de Abbe, transmitancia, reflectancia), propiedades físicas (dureza, deformación, contenido de burbujas, relación de Poisson), características térmicas (coeficiente de expansión térmica, coeficiente termoóptico) y estabilidad química de un material óptico determinan colectivamente el rendimiento del componente óptico final o sistema. Este artículo proporciona una visión general sistemática de tres categorías principales de materiales ópticos comunes.—vidrio óptico, cristales ópticos y materiales ópticos especializados—junto con sus grados típicos y escenarios de aplicación.
II. Principales categorías de materiales ópticos
Los materiales ópticos son un término general para sustancias con propiedades ópticas específicas y funciones utilizadas en experimentos ópticos, instrumentos y aplicaciones. En función de su naturaleza, los materiales ópticos se pueden dividir en sistemas inorgánicos y orgánicos. Los materiales inorgánicos incluyen principalmente vidrio óptico y cristales ópticos ordenados a largo alcance, mientras que los materiales orgánicos están representados principalmente por plásticos ópticos, que ofrecen las ventajas de peso ligero y resistencia al impacto. La vidrio-cerámica constituye una categoría especial que se encuentra entre el vidrio y los cristales. El vidrio óptico es el medio de transmisión de luz más utilizado, mientras que los plásticos ópticos, debido a sus propiedades ligeras y resistentes a los golpes, se aplican cada vez más en productos ópticos de consumo como lentes de gafas, cámaras de teléfonos móviles y dispositivos VR / AR.
III. Vidrio óptico
El vidrio óptico es un medio amorfo (vidrio) transmisor de luz. A medida que la luz pasa a través de él, su dirección de propagación, fase e intensidad se pueden alterar de forma controllable, haciendo que el vidrio óptico sea ampliamente utilizado en la fabricación de prismas, lentes, espejos, ventanas y filtros. Cuenta con una alta transparencia, estabilidad química y un alto grado de uniformidad en sus propiedades físicas y químicas, con constantes ópticas precisas y reproducibles. En su estado sólido a baja temperatura, el vidrio conserva la estructura amorfa de su estado líquido a alta temperatura. Idealmente, sus propiedades físicas y químicas (como índice de refracción, coeficiente de expansión térmica, dureza, conductividad térmica, conductividad eléctrica y módulo elástico) son idénticas en todas las direcciones, una propiedad conocida como isotropía. Basándose en el rendimiento óptico y la composición, el vidrio óptico incoloro se puede dividir adicionalmente en vidrio corona (K) y vidrio de sílice (F). El vidrio de corona tiene un índice de refracción más bajo y un número Abbe más alto (baja dispersión), mientras que el vidrio de sílice tiene un índice de refracción más alto y un número Abbe más bajo (alta dispersión). La combinación de estos dos tipos puede corregir la aberración cromática en los sistemas ópticos.
Los principales fabricantes globales de vidrio óptico incluyen SCHOTT (Alemania), Corning (Estados Unidos), OHARA (Japón) y CDGM (China).
Vidrio óptico común para la banda ultravioleta: La sílice fundida de grado UV (UVFS) es el material más común para la banda UV. Los grados de cuarzo comúnmente utilizados incluyen los tipos chinos domésticos JGS1, JGS2 y JGS3, así como Corning 7980. JGS1 es producido por fusión de llama de oxihidrógeno de alta pureza, tiene un contenido de hidroxilo de aproximadamente 2000 ppm, y logra una transmitancia de más del 90% a 185 nm, lo que lo convierte en un excelente material para los 185 nm.–Rango de 2500 nm. JGS2 también se produce a partir de materia prima de cuarzo con una llama de oxihidrógeno, tiene un contenido de hidroxilo de 100–200 ppm, y ofrece una buena transmitancia en el 220–Rango de 2500 nm. JGS3 se fabrica utilizando un proceso de fusión eléctrica al vacío, no contiene casi ningún grupo hidroxilo, y es adecuado para aplicaciones infrarrojas en el 260–Rango de 3500 nm. Corning 7980, una sílice fundida sintética de alta pureza, ofrece una homogeneidad superior y un menor contenido de burbujas e impurezas, proporcionando un umbral de daño inducido por láser más alto, lo que lo hace ampliamente utilizado en componentes láser. OHARA ofrece grados de vidrio de cuarzo de alta calidad como SK-1300, SK-1310, SK-1320L y SK-1321. Para aplicaciones a longitudes de onda≤450 nm, la sílice fundida es típicamente el material preferido; cuandoλ >450 nm, se pueden seleccionar gafas ópticas tales como N-BK7.
Vidrio óptico común para la banda visible e infrarroja cercana: En la banda visible a infrarroja cercana (aproximadamente 350 nm)–2.0 µm), los materiales de vidrio óptico más comúnmente utilizados incluyen SCHOTT N-BK7, vidrio flotante B270 y CDGM H-K9L. N-BK7 y H-K9L tienen propiedades ópticas similares y se pueden usar de manera intercambiable. N-BK7 es un vidrio corona de borosilicato típico con un índice de refracción de 1,51680 a 587,6 nm. El vidrio óptico recocido fino H-K9L es un vidrio duro resistente a arañazos y productos químicos. Debido a su bajo contenido de burbujas e impurezas, es adecuado para la fabricación de lentes, ventanas y prismas de alta precisión.
Ilustraciones: Los siguientes tres gráficos técnicos muestran la distribución de varios grados de vidrio óptico CDGM en el diagrama de Abbe (índice de refracción frente a relación de dispersión), las curvas de índice de refracción de grados de vidrio comunes en función de la longitud de onda, y las curvas de transmitancia de diferentes grados de vidrio en el intervalo UV-VIS-NIR. Estos proporcionan una referencia intuitiva para el diseño óptico y la selección de materiales.
(Figura 1: Índice de refracción y diagrama de dispersión para los grados de vidrio óptico CDGM)
(Figura 2: Curvas de índice de refracción para grados de vidrio óptico comunes)
(Figura 3: Curvas de transmisión para grados de vidrio óptico comunes)
IV. Cristales ópticos
Los cristales ópticos son un término general para materiales cristalinos utilizados como medios ópticos. Debido a su estructura cristalina ordenada, los cristales ópticos exhiben un excelente rendimiento óptico en las bandas ultravioleta, visible e infrarroja y se usan ampliamente para fabricar ventanas, lentes y prismas para aplicaciones UV e IR. Se dividen en tipos monocristalinos y policristalinos; Los materiales monocristalinos ofrecen una mayor integridad cristalina, una mayor transmitancia óptica y menores pérdidas de dispersión, por lo que son los más utilizados.
Los cristales ópticos comunes pueden clasificarse por aplicación de la siguiente manera:
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Materiales de cristal UV e IR: Incluyendo cuarzo (SiO) ₂), fluorito (CaF) ₂), fluoruro de litio (LiF), sal rocosa (NaCl), silicio (Si) y germanio (Ge).
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Cristales polarizantes: Los cristales polarizantes comúnmente utilizados incluyen calcita (CaCO) ₃), Cuarzo (SiO) ₂), y nitrato de sodio (nitratina), que explotan su birefringencia para crear elementos ópticos polarizantes.
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Cristales apocromáticos: Las características únicas de dispersión de los cristales se utilizan para hacer objetivos apocromáticos. Por ejemplo, la combinación de fluorito (CaF) ₂) con vidrio forma un sistema apocromático que puede corregir eficazmente la aberración esférica y el espectro secundario.
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Cristales láser: Utilizado como medio activo en láseres de estado sólido, tales como cristales de rubí, fluoruro de calcio y granate de aluminio de itrio dopado con neodimio (Nd: YAG).
Propiedades clave de un material representativo—Fluúruro de calcio (CaF) ₂) Cristal:
El cristal de fluoruro de calcio es un material altamente representativo de alto rendimiento entre los cristales ópticos. Su índice de refracción nd = 1,43384 y número Abbeνd = 95,23 indican una dispersión extremadamente baja. El rango de transmisión de CaF ₂ cubre desde 130 nm (ultravioleta profunda) hasta aproximadamente 8µm (infrarrojo). También posee una excelente durabilidad láser, resistencia a la radiación y una homogeneidad del índice de refracción mejor que 0,5 ppm. En un ambiente seco, CaF ₂ puede soportar temperaturas de hasta 1000°C; sin embargo, en un ambiente húmedo, la degradación del rendimiento puede ocurrir a temperaturas superiores a 600°C. Estas propiedades lo hacen ampliamente utilizado en óptica de precisión, litografía de semiconductores, observación astronómica y tecnología láser.
Los materiales cristalinos están disponibles en formas naturales y cultivadas artificialmente. Los cristales naturales son escasos, mientras que los procesos de crecimiento artificial son desafiantes, limitados en tamaño y caros. Los cristales se eligen típicamente solo cuando los materiales de vidrio no pueden cumplir con los requisitos (por ejemplo, para su uso en bandas de longitud de onda no visibles), principalmente en las industrias de semiconductores, láser y relacionadas.
V. Materiales ópticos especializados
Vidrio-Cerámica
La vidrio-cerámica es un tipo de material óptico especializado que se encuentra entre el vidrio y los cristales. La diferencia clave con respecto al vidrio óptico ordinario es su estructura cristalina, mientras que la principal diferencia con respecto a la cerámica tradicional es que su estructura cristalina es mucho más fina. Las cerámicas de vidrio se caracterizan por un coeficiente de expansión térmica muy bajo, alta resistencia, alta dureza, baja densidad y estabilidad extrema. Se utilizan ampliamente en la fabricación de planos ópticos, escalas de medidores estándar, espejos reflectantes grandes y giroscopios láser. Actualmente, los principales productos internacionales de vidrio-cerámica incluyen ULE de Corning®vidrio de expansión ultrabaja y ZERODUR de SCHOTT®vidrio-cerámica. ULE®es un vidrio amorfo en el SiO ₂–TiO₂ sistema con buena transparencia óptica, adecuado para elementos ópticos transmisores. ZERODUR®es un compuesto microcristalino (aproximadamente 70% de cristal + 30% de fase de vidrio) con alta resistencia mecánica pero es opaco, lo que lo convierte en la elección principal para sustratos de espejo de telescopios astronómicos. El coeficiente de expansión térmica (20–300°C) de ULE®es 0±0.02 ×10⁻⁶/ K, con un valor típico de 0±30 ×10⁻⁹/ K sobre los 5–35°Rango C.
carburo de silicio
El carburo de silicio (SiC) es un material cerámico especial que también puede servir como material óptico. El SiC posee una alta rigidez específica, un bajo coeficiente de deformación térmica, una excelente estabilidad térmica y ventajas significativas de peso ligero. En el campo de los espejos ópticos de gran apertura, ofrece ventajas que los materiales de vidrio tradicionales no pueden igualar y se considera la primera opción para espejos de gran tamaño y ligeros, con amplias aplicaciones en teleobservación espacial, telescopios de gran apertura basados en tierra, láseres de alta energía y semiconductores. Recientemente, el Instituto de Óptica, Mecánica Fina y Física de Changchun (CIOMP), en colaboración con el Centro de Tecnología e Ingeniería para la Utilización del Espacio (CSU), propuso un innovador "método de fabricación aditiva de polvo compuesto de grafito / carburo de silicio". Esto aumentó el contenido de carburo de silicio en el cuerpo del espejo de SiC del 46,36% al 64,54%, fabricando con éxito un espejo de estructura topológica de SiC con un diámetro de 220 mm.λ50 RMS (λ = 632,8 nm) y una rugosidad superficial de solo 0,772 nm.
VI. Otros materiales ópticos importantes
Además de las tres categorías principales de medios de transmisión de luz mencionadas anteriormente, los materiales ópticos también incluyen materiales de fibra óptica (usados en sistemas de comunicación de fibra óptica), materiales de película delgada óptica (usados para recubrimientos antirreflexivos, recubrimientos de alta reflexión y recubrimientos de filtro), materiales de cristal líquido (usados en dispositivos de visualización) y varios materiales luminescentes. Con el rápido desarrollo de campos emergentes como la iluminación de estado sólido, la tecnología láser, la comunicación óptica, la imagen biomédica y la realidad virtual / realidad aumentada, el alcance de aplicación de los materiales ópticos se está expandiendo continuamente. El avance continuo de la tecnología óptica se basa en el desarrollo iterativo de la tecnología de materiales ópticos.
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