микоп. КонспектЧ1. Оптические материалы и заводы оптического стекла

• Название: Оптические материалы и заводы оптического стекла
• Анкор: микоп
• Дата: 23.05.2023
• Размер: 3.13 Mb.
• Имя файла: КонспектЧ1.pdf
• Тип: Документы; #1153294
• страница: 3 из 3

Методы выращивания кристаллов:
1. Выращивание из паров (газовой фазы)
2. Выращивание из растворов
3. Выращивание из расплавов
4. Выращивание из твердой фазы
Кристаллизация из паровой (газовой) фазы: используется для выращивания покрытий, больших монокристаллов. Покрытие можно нанести на подложку.
Кристаллизация без участия химической реакции из паровой (газовой) фазы:
Вводится запаянная ампула, в которую до запайки вводится подложка, помещается материал, который необходимо кристаллизовать на эту подложку, затем ампулу запаивают и помещают в печь так, чтобы температура была неравномерно распределена по данной ампуле. В месте, где источник материала – температура больше, где подложка – меньше. В результате материал нагревается и испаряется. Вещество переносится в результате возгонки или катодного напыления на подложку, где в результате остужения образуются кристаллы.
Кристаллизация с участием химической реакции из паровой (газовой) фазы:
В ампуле температура Т
1
меньше температуры Т
2
. Вещество В служит транзитным веществом – переносит вещество А. В болле теплом крае ампулы (зона испарения) вещетво А переходит в газообразное состояние, смешиваясь, с веществом В. В результате конвекции или диффузии вещество А перемещается в болле холодный край ампулы (зона кристаллизации), где кристаллизуется.

Кристаллизация из растворов: способы выращивания кристаллов из растворов можно разделить на три группы:
1. Кристаллизация в результате понижения температуры раствора.
2. Кристаллизация за счет испарения растворителя.
3. Кристаллизация при наличии в системе температурного градиента.
Два метода: статический (кристалл статичен в объёме) и динамический (либо кристалл вращают, либо раствор мешают).
Выращивание из растворов используют для веществ, разлагающихся при температуре меньше температуры плавления. Нет дефектов, характерных для кристаллов из расплавов.
Выращивание кристаллов из раствора в расплаве охлаждением
(гомогенная реакция):
1 – кристаллизационная печь, 2 – цилиндрический карборундовый (SiC) экран, 3 – нагревательные силитовые стержни, 4 – под (дно) печи,
5 – тигель, 6 – устройство для вертикального перемещения,
7 – устройство для реверсивного вращения, 8 – термопара-датчик,
9 – контрольные термопары. Кристаллизация осуществляется при медленном охлаждении ниже точки насыщения. Растворители это расплавленные соли или оксиды. В жидком состоянии они неограниченно смешиваются с выращиваемым веществом, но не образуют раствора, когда твердые. В результате растворяем расплавом вещество при высокой температуре, понижаем температуру до той, при которой расплав твердеет, и раствор становится пересыщенным, происходит кристаллизация.
Выращивание кристаллов из раствора в расплаве охлаждением (гетерогенная реакция):
1 – термометр термостата, 3 – шпилька с резьбой, 3 – гайка,
4 – герметичная крышка, 5 – контактный термометр, 6 – наружный нагреватель, 7 – внутренний нагреватель, 8 – дополнительный наружный нагреватель, 9 – подставка. Исходные оксиды растворяют в водных растворах кислот и щелочей, потом плавно снижают температуру, и при медленном охлаждении ниже точки насыщения происходит кристаллизация. Таким образом растят крупные кристаллы, однако метод неудобен тем, что скорость роста регулировать крайне сложно.
Метод является высоко производительным
Выращивание кристаллов из раствора за счет испарения растворителя:
1 – крышка, регулирующая скорость испарения,
2 – поглотители водяных паров (пр. H
2
SO
4
).
Статический метод слева, динамический справа.
В случае статического раствор (растворитель + исходное вещество) заливают в кристаллизатор, растворитель испаряется, конденсирует на поверхности сосуда и стекает в поглотитель паров. В результате этого уменьшается количество паров растворителя – происходит кристаллизация. В динамическом режиме то же самое, только растворитель удаляется через сифонную трубку, и в кристаллизатор можно долить растворитель, если его слишком много испарилось. Кристаллы получаются крупные, структура получается более совершенная, т.к. это может происходить при более стабильном температурном режиме.

Выращивание кристаллов из раствора при наличии в системе температурного градиента, гидротермальный синтез:
1 – раствор, 2 – кристалл, 3 – печь, 4 – вещество для кристаллизации (T
1
2
).
При геотермальном синтезе непрерывный перенос растворенного вещества производится перенос конвекционными потоками из-за разности температур в автоклаве. Осуществляется в автоклавах с защитными антикоррозионными вкладышами. Применяется, когда исходное вещество не растворимо при нормальных условиях. В результате на дне автоклава при более высокой температуре вещество растворяется, пересыщенный раствор поднимается по автоклаву, охлаждается, увеличивается пересыщение, и наверху растут кристаллы (в болле холодной области). Скорость метода очень маленькая.
Кристаллизация из расплавов: в зависим от способа отвода тепла из расплава их можно подразделить на четыре вида в зависимости от способа отвода тепла из расплава:
1. Изменение температуры при неподвижном тигле;
2. Перемещение кристалла в поле градиента температуры;
3. Перемещение тигля или печи в поле градиента температуры;
4. Бестигельный метод.
Много дефектов, больший кристаллы, быстрый рост.
Выращивание кристалла путем изменения температуры при неподвижном тигле (метод Киропулоса):
1 – растущий кристалл; 2 – расплав; 3 – тигель; 4 – нагреватель;
5 – экраны; 6 – корпус установки; 7 – суппорт (подставка);
8 – сильфон; 9 – стержень; 10 – индикатор веса кристалла;
11 – пружина ;12 – шарнир. Монокристаллическая затравка закрепляется на охлаждаемом кристаллодержателе. Затем затравка приводится в контакт с расплавом в тигле. На ней растёт кристалл.
Когда кристалл приближается к стенкам тигля, его немного поднимают, но поддерживают контакт с расплавом на всё протяжении кристаллизации. Диаметр кристалла ограничен размером тигля.
Выращивание кристалла при перемещении их в поле температурного градиента (метод Чохральского «чайный пакетик»):
1 – тигель с расплавом, 2 – кристалл, 3 – печь, 4 – холодильник,
5, 6 – механизм вытягивания. Затравка на кристаллодержателе опускается в расплав, смачивается и подымается над его поверхностью с прилипшим расплавом. Кристалл растёт над расплавом. После кристаллизациии расплава на затравке процесс повторяют, пока не кончится расплав в тигле.
В данном случае размер не ограничен размером тигля. Кристаллы YAG производятся таким способом.
Выращивание кристалла при перемещении тигля в поле температурного градиента (метод Бриджмена-Стокбаргера):
1 – тигель с расплавом, 2 – кристалл, 3 – печь, 4 – холодильник,
5 – термопара, 6 – тепловой экран. Запаянный с расплавом тигель с коническим дном медленно опускают из горячей зоны печи в более холодную. Кристаллизация начинается с нижнего конца при переходе между зонами печи. Образуются высокие напряжения из-за ограниченного объёма. Вес кристалла до 50 кг и в диаметре до 300 мм растят флюариды.

Выращивание кристалла бестигельным методом (метод Вернейля):
1 – шихта, 2 – дозатор, 3 – кристаллизационная камера, 4 – кристаллодержатель,
5 – кристалл, 6, 8 – подача кислорода, 7 – подача водорода. Просыпают маленькие порции шихты в трубчатую печь. Кристаллики при пролёте через кислородно-водородное пламя плавятся и питают каплю на поверхности затравки. Затравка постепенно вытягивается вниз, капля прибывает на одном и том же уровне. Преймущество: Отсутсвие точного контроля температуры и возможность визуального наблюдения Недостатки: Огромный перепад температур и вследствие чего возникают высокие напряжения из-за этого
Растят рубин синтетический, гранаты и т.д.
Оптические ситаллы, оптическая керамика, оптические термопластмассовые
материалы, металлооптика
Оптическая керамика (в США иртран) – керамические материалы прозрачные в оптическом диапазоне спектра.
Керамика, представляет собой поликристаллический многофазный материал, в котором одновременно существуют: аморфное стекло, монокристаллы и газообразная фаза – поры (в
оптической керамике, как правило, наличие пор недопустимо).
Производство оптической керамики методом горячего прессования:
1. Приготовление шихты (керамической массы)
2. Вакуумирование
3. Предварительное прокаливание шихты и пресс-формы
4. Нагрев керамической массы до 0,5–0,8 от температуры плавления шихты
5. Прессование
Достоинства технологии керамик:
1. Керамику можно получить из любого кристалла с любыми добавками и почти с любыми свойствами
2. Обладает высокой термостойкостью
3. Относительно дешёвая технология производства (не нужно больших ванн для плавки стекломассы, используются обычные простые обжиговые печи).
4. Прессование позволяет получить практически любую форму изделия, заготовки из оптической керамики легко обрабатываются.
Оптическая керамика изотропна по оптическим и механическим свойствам. Оптическая керамика применяется при изготовления светорассеивающих экранов, подложек интерференционных светофильтров, защитных окон и обтекателей.
Ситалл (в США – легированный плавленый кварц ULE; в Германии – церодур) – стеклокристаллический материал, состоящий из двух основных фаз: стекловидной связки и равномерно распределенных в ней кристаллов и получаемый направленной кристаллизацией различных стекол при их термической обработке.

Оптический ситалл – ситалл размер кристаллов которого меньше длины волны света.
Технологический процесс производства оптических ситаллов построен таким образом, чтобы не дать вырасти кристаллам крупнее 0,4 мкм.
Производство оптических ситаллов:
Главной в процессе производства ситаллов является двухстадийная термообработка.
Первая стадия – образование центров кристаллизации:
1. Охлаждение стекла до температуры максимальной скорости образования кристаллов
(Kg);
2. Выдержка при этой температуре.
Вторая стадия (отжиг) – рост кристаллов:
3. Нагревание до температуры максимальной скорости роста кристаллов (Kv);
4. Выдержка при этой температуре;
5. Охлаждение до комнатной температуры
Свойства оптических ситаллов:
По сравнение с оптическим стеклом:
1. Низкий коэффициент пропускания (пропускание тонких пластин ситалла в видимой области спектра до 95%).
2. Повышенная термостойкость.
3. Повышенная механическая прочность.
4. Повышенная твёрдость (твёрже высокоуглеродистой стали).
5. Легче алюминия.
6. Хрупки, разрушаются под воздействием ударно-вибрационных нагрузок.
Лазерные стёкла – оптические стёкла на силикатной, фосфатной или другой стеклообразной матрице с примесью различных редкоземельных ионов (Се
3+
, Pr
3+
, Sm
3+
, Eu
3+
,
Gd
3+
, Tb
3+
и др.). Лазерные стекла варятся по технологии варки оптического бесцветного стекла.
Для снятия внутренних напряжений лазерные стекла проходят вторичный отжиг при температуре  600 С, длящийся 2–3 недели.
Преимущества лазерных стёкол:
1. Возможность изготовления качественных активных элементов практически неограниченных размеров;
2. Простота изготовления;
3. Активаторные ионы, вводимые в необходимых концентрациях, равномерно распределяются по объему стержня;
4. Высокая оптическая однородность.

Недостаток лазерных стёкол:низкая теплопроводность, ограничивающая частоту повторения импульсов и исключающая реализацию непрерывного режима генерации.
Полимер (от греч. πολύ- - «много» и μέρος - «часть») это высокомолекулярное соединение, состоит из большого числа повторяющихся одинаковых или различных по строению атомных группировок - составных звеньев, соединенных между собой в длинные линейные
(например, целлюлоза) или разветвленные (например, амилопектин) цепи, а также пространственные трёхмерные структуры.
В качестве материала для изготовления оптических деталей используют некоторые термопластичные полимеры – оптические термопластмассовые материалы.
Методы производства полимерных деталей:
1. Литье под давлением,
2. Прессование,
3. Полимеризация в форме,
4. Механическая обработка (шлифование и полирование).
Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. При выборе способа изготовления конкретной оптической детали учитывают требования, предъявляемые к оптическим качествам полимерных деталей, серийность их производства и технические возможности их изготовления.
Достоинства:
1. Низкая стоимость
2. Малая масса
3. Высокая ударопрочность
Основные недостатки:
1. Высокий коэффициент расширения
2. Оптическая неоднородность
3. Большой температурный коэффициент расширения

Области применения:
1. Полимеры широко применяются при изготовлении изделий массового потребления
(лупы, бинокли, простая фотооптика, простые конденсоры, светофильтры и т.д.).
2. Легкая формуемость полимеров делает возможным массовое изготовление оптических деталей сложной конфигурации, которые трудно или невозможно получить из силикатного стекла (детали с асферическими поверхностями и линзы Френеля).
3. Полимерные световоды
4. Среда для записи голограмм
Металлы – это простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами: высокой электропроводностью и теплопроводностью, отрицательным температурным коэффициентом электропроводности, способностью хорошо отражать электромагнитные волны (блеск и непрозрачность), пластичностью. М. в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение. В парообразном состоянии М. одноатомны. Коэффициенты отражения металлов: