1. Введение

Первый шаг в оптическом производстве — выбор подходящего оптического материала. Оптические параметры (показатель преломления, число Аббе, пропускание, отражение), физические характеристики (твёрдость, деформация, содержание пузырей, коэффициент Пуассона), тепловые свойства (коэффициент теплового расширения, температурный коэффициент показателя преломления) и химическая стабильность в совокупности определяют конечные характеристики оптических деталей и систем. В данной статье систематически рассматриваются три основные категории распространённых оптических материалов — оптическое стекло, оптические кристаллы и специальные оптические материалы, — а также их типичные марки и области применения.

2. Основные классы оптических материалов

Оптические материалы — это общее название веществ, обладающих определёнными оптическими свойствами и выполняющих определённые функции в оптических экспериментах, приборах и приложениях. По природе материала они делятся на неорганические и органические системы. Неорганические включают оптическое стекло и оптические кристаллы с дальним порядком; органические представлены оптическими пластиками, которые сочетают малый вес и стойкость к ударам. Стеклокерамика (ситаллы) занимает промежуточное положение между стеклом и кристаллом. Оптическое стекло является наиболее широко применяемым светопередающим материалом, в то время как оптические пластики благодаря лёгкости и ударопрочности всё чаще используются в потребительской оптике — линзах для очков, объективах смартфонов, устройствах VR/AR.

3. Оптическое стекло

Оптическое стекло — это аморфная (стеклообразная) светопередающая среда. Проходя через него, свет изменяет направление распространения, фазу и интенсивность, что позволяет изготавливать призмы, линзы, зеркала, окна, фильтры и другие оптические элементы. Оптическое стекло отличается высокой прозрачностью, химической стойкостью и высокой однородностью физико-химических свойств; его оптические постоянные точны и воспроизводимы. В твёрдом низкотемпературном состоянии стекло сохраняет неупорядоченную структуру высокотемпературного расплава; в идеальном случае его физико-химические свойства (показатель преломления, коэффициент теплового расширения, твёрдость, теплопроводность, электропроводность, модуль упругости и др.) одинаковы по всем направлениям, что называется изотропией. По оптическим свойствам бесцветные оптические стёкла подразделяются на кроны (K) и флинты (F): кроны обладают более низким показателем преломления и высоким числом Аббе (малая дисперсия), а флинты — высоким показателем преломления и низким числом Аббе (высокая дисперсия). Комбинируя стёкла этих двух типов, можно исправлять хроматические аберрации оптических систем.

Основные мировые производители оптического стекла: Schott (Германия), Corning (США), Ohara (Япония) и CDGM (Китай).

Оптические стёкла для УФ-диапазона: в ультрафиолетовой области чаще всего применяют плавленый кварц УФ-сорта (UVFS). К распространённым маркам относятся отечественные JGS1, JGS2, JGS3 и Corning 7980 и др. JGS1 изготавливается плавлением в водородно-кислородном пламени высокой чистоты, содержание гидроксильных групп около 2000 млн⁻¹ (ppm); на длине волны 185 нм его пропускание достигает 90 %, что делает этот материал превосходным для диапазона 185–2500 нм. JGS2 также производится из кварцевого сырья в водородно-кислородном пламени, содержание гидроксила 100–200 ppm, хорошо пропускает в диапазоне 220–2500 нм. JGS3 выплавляется в вакуумной электропечи, почти не содержит гидроксила и применяется в инфракрасной области 260–3500 нм. Corning 7980 — высокочистый синтетический плавленый кварц с лучшей однородностью, меньшим содержанием пузырей и включений; он обеспечивает более высокий порог лазерного повреждения и потому широко используется в лазерных элементах. Компания Ohara предлагает высококачественные кварцевые стёкла марок SK-1300, SK-1310, SK-1320L, SK-1321 и др. При длинах волн ≤450 нм предпочтительным материалом обычно является плавленый кварц; при λ > 450 нм можно использовать оптические стёкла типа N-BK7.

Оптические стёкла для видимой и ближней ИК-области: в диапазоне от видимого до ближнего инфракрасного излучения (приблизительно 350 нм – 2,0 мкм) чаще всего применяют стекло N-BK7 (Schott), флоат-стекло B270 и H-K9L (CDGM). N-BK7 и H-K9L обладают сходными оптическими свойствами и могут заменять друг друга. Показатель преломления N-BK7 на длине волны 587,6 нм составляет 1,51680; это типичное боросиликатное кроновое стекло. Прецизионно отожжённое стекло H-K9L отличается твёрдостью, устойчивостью к царапинам и химическим реагентам; благодаря малому количеству пузырей и включений оно идеально подходит для изготовления прецизионных линз, окон, призм и других ответственных элементов.

Пояснения к иллюстрациям: ниже представлены три технические диаграммы, показывающие распределение марок оптического стекла CDGM на диаграмме Аббе (зависимость показателя преломления от дисперсии), спектральные кривые показателя преломления распространённых марок стекла, а также кривые пропускания различных марок стекла в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях. Эти данные служат наглядным пособием при оптическом проектировании и выборе материалов.

(Рис. 1: Диаграмма показателей преломления и дисперсии оптических стёкол CDGM)

(Рис. 2: Кривые показателя преломления распространённых марок оптического стекла)

(Рис. 3: Кривые пропускания распространённых марок оптического стекла)

4. Оптические кристаллы

Оптические кристаллы — это общее название кристаллических материалов, используемых в качестве оптических сред. Благодаря упорядоченной кристаллической структуре они демонстрируют превосходные оптические характеристики в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах и широко применяются для изготовления окон, линз, призм в УФ- и ИК-технике. По структуре различают монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллические материалы обладают более высоким кристаллическим совершенством, большим пропусканием и меньшими потерями на рассеяние, поэтому именно они используются наиболее часто.

По назначению оптические кристаллы можно разделить на несколько групп:

• УФ- и ИК-материалы: кварц (SiO₂), флюорит (CaF₂), фторид лития (LiF), каменная соль (NaCl), кремний (Si), германий (Ge) и др.

• Поляризационные кристаллы: наиболее распространены кальцит (CaCO₃), кварц (SiO₂) и нитрат натрия (NaNO₃); их двулучепреломление используется для создания поляризационных оптических элементов.

• Апохроматические кристаллы: используя особые дисперсионные свойства кристаллов, создают апохроматические объективы, например комбинация флюорита (CaF₂) со стеклом позволяет эффективно устранять сферическую аберрацию и вторичный спектр.

• Лазерные кристаллы: служат активной средой твердотельных лазеров; к ним относятся рубин, фторид кальция, кристаллы Nd:YAG (иттрий-алюминиевый гранат, легированный неодимом) и др.

Ключевые характеристики флюорита (CaF₂) — яркого представителя оптических кристаллов:

Флюорит является чрезвычайно высокоэффективным материалом. Его показатель преломления nd = 1,43384, число Аббе νd = 95,23, что свидетельствует о крайне низкой дисперсии. Спектральный диапазон пропускания CaF₂ простирается от 130 нм (глубокий УФ) до примерно 8 мкм (ИК). Материал обладает превосходной лазерной стойкостью, высокой радиационной устойчивостью и однородностью показателя преломления менее 0,5 ppm. В сухой среде CaF₂ может выдерживать нагрев до 1000 °C; во влажной атмосфере при температуре свыше 600 °C возможно ухудшение характеристик. Эти свойства делают его востребованным в прецизионной оптике, полупроводниковой литографии, астрономических приборах и лазерной технике.

Кристаллы бывают природные и искусственно выращенные. Природные встречаются редко; искусственное выращивание технологически сложно, размеры кристаллов ограничены, а цена высока. Как правило, их применяют только тогда, когда оптические стёкла не могут удовлетворить требованиям (например, при работе в невидимых диапазонах), — в полупроводниковой и лазерной индустрии и т.п.

5. Специальные оптические материалы

Ситаллы (стеклокерамика)

Ситаллы — это специальные оптические материалы, занимающие промежуточное положение между стеклом и кристаллом. В отличие от обычного оптического стекла, они содержат кристаллическую фазу, однако размер кристаллитов в них значительно меньше, чем в традиционной керамике. Ситаллы отличаются низким коэффициентом теплового расширения (КТР), высокой прочностью, высокой твёрдостью, малой плотностью и исключительной размерной стабильностью. Их широко используют для изготовления плоскопараллельных концевых мер (плиток Иогансона), эталонных линеек, крупногабаритных зеркал и лазерных гироскопов. Основными международными продуктами в этом классе являются стекло ULE® (Corning) и стеклокерамика ZERODUR® (Schott). ULE® представляет собой аморфное стекло системы SiO₂–TiO₂, обладает хорошим оптическим пропусканием и подходит для просветной оптики. ZERODUR® — это гетерогенный композит (около 70 % кристаллической фазы и 30 % стеклофазы), не прозрачен, но обладает высокой механической прочностью и служит основным материалом для подложек зеркал астрономических телескопов. КТР стекла ULE® (20–300 °C) составляет 0 ± 0,02 × 10⁻⁶ K⁻¹, а в диапазоне 5–35 °C типичное значение равно 0 ± 30 × 10⁻⁹ K⁻¹.

Карбид кремния

Карбид кремния (SiC) — это особый керамический материал, который также используется в оптике. Он обладает высоким отношением жёсткости к массе, низким коэффициентом тепловой деформации, превосходной термостабильностью и значительным эффектом облегчения конструкции. В области крупногабаритных оптических зеркал SiC обладает преимуществами, недостижимыми для традиционных стеклообразных материалов, и считается предпочтительным материалом для больших облегчённых зеркал. Он широко применяется в космическом дистанционном зондировании, наземных крупноапертурных телескопах, мощной лазерной технике и полупроводниковой промышленности. В последние годы Чанчуньский институт оптики, точной механики и физики (CIOMP) КАН совместно с Центром космических приложений КАН разработали инновационный метод аддитивного производства из композитного порошка «графит/карбид кремния», позволивший увеличить содержание SiC в зеркале с 46,36 % до 64,54 %. В результате было успешно изготовлено зеркало диаметром 220 мм с топологической структурой; после обработки точность формы оптической поверхности составила лучше λ/50 RMS (λ = 632,8 нм), а шероховатость поверхности — всего 0,772 нм.

6. Другие важные оптические материалы

Помимо трёх основных классов светопередающих сред, к оптическим материалам также относятся оптические волокна (для волоконно-оптических систем связи), оптические тонкоплёночные покрытия (для просветляющих, высокоотражающих и фильтрующих покрытий), жидкокристаллические материалы (для устройств отображения) и различные люминесцентные материалы. С быстрым развитием полупроводникового освещения, лазерных технологий, оптической связи, биомедицинской визуализации, устройств виртуальной и дополненной реальности области применения оптических материалов постоянно расширяются. Дальнейший прогресс оптических технологий неразрывно связан с развитием оптического материаловедения.