Оптические материалы

Оптические материалы подразделяются на: оптические стекла; оптические ситаллы; оптические кристаллы; оптическую керамику и полимерные материалы (полимерные оптические волокна)

Характеристики и показатели качества материалов приведены в табл.1.

2.1. Характеристики оптических материалов Оптические свойства стекла

П оказатель преломления среды зависит от длины волны света n = n(). Это явление называют дисперсией света. В области прозрачности вещества n уменьшается с увеличением  (нормальная дисперсия), а в области поглощения – n возрастает с увеличением  (аномальная дисперсия).

Показатель преломления для зеленого цвета n_е и коэффициент дисперсии  являются важнейшими характеристиками оптических материалов.

Благодаря дисперсии немонохроматический луч раскладывается на монохроматические составляющие при прохождении через границу раздела двух сред.

1. Показатель преломления является важнейшим оптическим свойством стекла измеренный для нескольких длин волн. В качестве основного показателя преломления оптического стекла конкретной марки ГОСТ 3514—94 установлен показатель преломления , для длины волны 546,07 нм спектральной линии е ртути. Эта линия расположена в зеленой части спектра света вблизи области максимума чувствительности глаза человека. Кроме того, оптический материал характеризуется еще двумя показателями преломления и для длин волн 479,99 и 643,85 нм спектральных линий F' и С' кадмия, ограничивающих видимую часть спектра.

2. Средняя дисперсия — оптическая характеристика, определяющая дисперсионные свойства материала.

3. Коэффициент дисперсии, называемый иначе числом Аббе. Характеризуется как .

Физические свойства

Плотность стекла при температуре 20º..

Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) характеризует относительное удлинение образца стекла при нагревании его на 1˚.

Температура спекания — температура, при которой происходит термическое спекание образцов стекла размером 20 20 10 ммс полированными поверхностями, уложенных один на другой.

Радиационно-оптическая устойчивость характеризует приращение оптической плотности ΔD на 1 см после облучения.

Показатели качества оптических стёкол

Допуски на показатели качества материалов рассчитывают в соответствии с техническими требованиями к оптической системе. Завышение требований к показателям качества сверх необходимых не дает заметного улучшения выходных характеристик прибора в то же время резко увеличивает стоимость оптического материала. Например, при изменении требований к оптической однородности стекла с третьей категории на первую стоимость стекла возрастает в 4 – 5 раз.

Однородность партии заготовок стекла по отклонению показателя преломления и по средней дисперсии (нормируется).

Однородность партии заготовок стекла по отклонению показателя преломления и по средней дисперсии (нормируется).

Остаточные аберрации оптических систем пропорциональны отклонениям показателя преломления и средней дисперсии. Нормирование однородности партии заготовок стекла по и соответствующими классами обеспечивает на производстве выполнение принципа взаимозаменяемости.

Оптическая однородность показателя преломления во всем объеме заготовки в зависимости от ее размеров или условий работы деталей оценивается по разрешающей способности или по фактическому градиенту показателя преломления, характеризуемого волновыми аберрациями.

Двойное лучепреломление является показателем качества отжига стекла, который характеризуется разностью хода (в нанометрах на 1 см пути) двух лучей, на которые разделяется падающий луч под действием остаточных напряжений при прохождении в толще стекла в направлении наибольшего размера. У заготовок малого размера двойное лучепреломление не оказывает существенного влияния на качество изображения. При определенных условиях отжига между оптической неоднородностью стекла и двойным лучепреломлением имеется соответствие, которое контроль оптической однородности крупных заготовок позволяет выполнять по двойному лучепреломлению. При этом абсолютные значения краевого двойного лучепреломления не так существенны, как их осевая симметрия.

Показатель ослабления или есть величина, обратная расстоянию, на котором поток излучения от источника типа А (электрической лампы накаливания при цветовой температуре тела накала 2850 ± 50 К и мощности 100 Вт) ослабляется, в результате поглощения и рассеяния в стекле в 10 раз.

Свили являются резко выраженными локальными оптическими неоднородностями стекла. Они представляют собой прозрачные нитевидные или слоистые включения, имеющие показатель преломления, отличный от показателя преломления основной массы стекла. Присутствие в стекле свилей снижает качество изображения.

Мелкие и крупные нитевидные одиночные свили не оказывают влияния на технологию обработки заготовки. Свили в виде слоев вызывают астигматизм поверхности. В местах выхода на поверхность узловых или одиночных свилей возникают местные ошибки поверхности.

Пузыри нормируют из-за видимости их в поле зрения прибора в случае их расположения в фокальной плоскости изображения; появлению размытых пятен, если пузыри расположены вблизи этой плоскости; экранирующему действию большого числа пузырей и увеличению количества диффузно рассеянного света.

Пузырность характеризуется диаметром наибольшего пузыря, допускаемого в заготовке при просмотре её в определенных условиях. Камни, кристаллы и головки узловых свилей приравнивают к пузырям. Камни, сопровождающиеся трещинами, в заготовках не допустимы. Камни, имеющие отличные от основной массы стекла теплофизические характеристики, являются потенциальными центрами локальных напряжений, приводящих при интенсивных режимах обработки или при прохождении мощных световых потоков к разрушениям.

Таблица 1

Характеристики и показатели качества материалов, используемых для изготовления оптических деталей
Свойства	Характеристики, показатели
Механические	- плотность (r); - упругость (E,m,G); - прочность (s ); - твердость V(H от, Hv); - удельная жесткость (E /r) - фотоупругость; и т.д.
Термические (термооптические)	- температурный коэффициент линейного расширения (a); - удельная теплоемкость (С); - теплопроводность (q) - термостойкость; - вязкость (h ); - температура спекания ( tсп); и т.д.
Химические	- налетоопасность; - пятнаемость; - коррозионная стойкость; и т.д.
Специальные	- оптическая прочность; - радиационная устойчивость; - люминесценция; - токсичность; - диэлектрическая проницаемость; и т.д.
Технологические	- прессуемость; - моллируемость; - трудоемкость обработки; и т.д.
Оптические	- показатель преломления (n e); - средняя дисперсия (nF - nc ), - отклонение показателя преломления (ne); - отклонение средней дисперсии  (nF ' - nc ' ); - оптическая однородность; - показатель ослабления (  А); - двойное лучепреломление; - бессвильность; - пузырность; - спектральные характеристики; - поляризационные характеристики; и т.д.

Присутствие на поверхности вскрывшихся пузырей и тем более их скоплений исключает возможность получения поверхностей высоких классов чистоты. Крупные пузыри вызывают появление вокруг них местных ям на поверхности. Особенно опасны вскрывшиеся крупные пузыри на заготовках крупных зеркал. Они также затрудняют чистку поверхностей, нанесение на них покрытий высокого качества, соединение склеиванием или оптическим контактом. Вскрывшиеся пузыри являются центрами химического биологического разрушения полированных поверхностей деталей.

Точность обработки ответственных полированных поверхностей деталей весьма высока и намного превышает точность обработки металлов. Если на металлообработке детали изготавливают обычно с точностью до сотых и тысячных долей миллиметра, то серийные оптические детали обрабатывают часто с точностью до долей микрона. Такая точность обработки вызвана высокими требованиями к качеству изображения оптических систем. Установлено, что прибор для визуального наблюдения дает безупречное качество изображения, если деформация фронта световой волны не превышает четверти ее длины. Допуск на волновые аберрации в высокоточных визуальных приборах 140 нм.

Отклонения конструктивных параметров деталей от расчетного номинала ухудшает свойства оптической системы прибора. Значения указанных отклонений показателей приборов, при которых не нарушается их нормальная работа, определяют допуски на конструктивные параметры изготовляемых деталей.

Допускаемые отклонения конструктивных параметров оптических деталей определяют по формулам оптотехнического расчета, связывающим допустимое отклонение показателей свойств прибора с отклонением конструктивного параметра детали. Величина допуска на тот или иной конструктивный параметр детали зависит от ее назначения в оптической системе и местоположения.

Спектральные характеристики:

– показатель поглощения (ослабления) или оптической плотности (D),

– спектральные кривые коэффициента пропускания (τ).

Поляризационные характеристики материалов наиболее важны для элементов лазерной техники и деталей поляризационных и спектральных приборов.

От допусков на показатели качества используемого оптического материала в существенной степени зависит его стоимость, а также качество оптических характеристик проектируемой системы. Жесткие допуски приводят к удорожанию изделия, а их необоснованное расширение – к невозможности обеспечения требуемых оптических характеристик.

Приложение 3