Последний уровень раздела предыдущего изложения   Текущий уровень изложения предыдущего раздела   Текущий уровень изложения следующего раздела   Следующий уровень изложения текущего раздела   Уровень: Глоссарии:


Характеристики материалов оптических деталей



К оптическим относят материалы, прозрачные для оптического диапазона электромагнитных волн (света), используемые для изготовления оптических элементов (деталей), работающих в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Оптические материалы являются оптическими средами, к которым относят также оптические пленки, воздух, жидкости, газы, оптические клеи, воск, лак и прочие вещества, пропускающие оптическое излучение.

Оптические материалы подразделяются на: оптические стекла; оптические ситаллы; оптические кристаллы; оптическую керамику .

Оптические стекла, благодаря ряду положительных оптических, технологических и эксплуатационных свойств и характеристик, являются наиболее типичными и распространенными материалами, используемыми для изготовления оптических деталей.

Оптические стекла подразделяются на бесцветные (ГОСТ 3514-76), цветные (ГОСТ 9411-81), кварцевые (ГОСТ 15130-79), органические (ГОСТ 15809-70), с особыми свойствами. В свою очередь стекла с особыми свойствами делят на: светорассеивающие (молочные МС), диффузно рассеивающие проходящий и отраженный свет; фотохромные ФХС, которые обратимо изменяют свою прозрачность в зависимости от интенсивности падающего светового потока; радиационно-стойкие, сохраняющие оптические свойства под действием радиационного излучения; оптические люминисцирующие ГЛС, имеющие узкие полосы люминисценции (используемые для изготовления активных элементов лазеров); инфракрасные бескислородные ИКС, прозрачные в ИК области спектра (1ё 17 мкм). Стекла с особыми свойствами поставляются в соответствии с отраслевыми стандартами.

Заметим, что некоторые оптические детали могут быть изготовлены также и из других материалов (неоптических). Например, зеркала иногда изготавливают из медных и алюминиевых сплавов, нержавеющей стали, титана, бериллия, карбида кремния, композитов; подложки дифракционных решеток - из фторопласта, полиэтилена, алюминиевых сплавов; растры, экраны, модуляторы, шкалы, поляроиды, рассеиватели - из металлов, пленок, тканей, а также с использованием жидкостных и газовых оптических сред, люминофора, воска и т.п.

Материалы, используемые для изготовления оптических деталей, должны обладать рядом свойств, позволяющих получить высокую точность и чистоту рабочих (полированных) поверхностей, сохранять свои свойства и характеристики в течение длительного времени при возможном воздействии внешних факторов (механических, климатических, лучевых, химических, бактериологических и т.п.). При необходимости, оптические материалы должны обладать способностью изменять параметры оптической среды или световой волны при взаимодействии со световым потоком или другим видом электромагнитного поля (например, генерировать когерентное излучение, изменять светопропускание, вращать плоскость поляризации и т.д.).

Выбор материала оптической детали осуществляют исходя из ее функционального назначения и требуемых показателей качества с учетом условий эксплуатации, рациональной технологии изготовления и т.д., а также руководствуясь характеристиками и показателями качества материалов, их номенклатурой, сортаментом, условиями и формами поставки в соответствии с нормативными документами (ГОСТами, ОСТами, каталогами).

Характеристики и показатели качества материалов, используемых для изготовления оптических деталей, подразделяются на механические, термические (термооптические), химические, специальные, технологические и оптические (см. табл. 1 прил.).

К механическим характеристикам материалов относятся: плотность; упругость; прочность, твердость, удельная жесткость, фотоупругость.

Плотность (r , кг/м3) (отношение массы материала к его объему) определяет массу заготовки и оптической детали, ее возможный прогиб под собственным весом, давление на опорные поверхности и т.п. Как правило, конструктор в подавляющем большинстве случаев стремится применять легкие материалы: алюминий и сплавы на его основе (r > 2,75 Ч 103 кг/м3 ), титан (r > 4,5 Ч 103 кг/м3 ), бериллий (r > 1,85 Ч 103 кг/м3 ), кремний (r > 2,3 Ч 103 кг/м3 ), ситалл (r > 2,5 Ч 103 кг/м 3), оптическая керамика (r > 2,5 Ч 103 кг/м 3), кварц (r > 2,2 Ч 103 кг/м3).

Упругие свойства материала позволяют определять деформацию деталей при обработке, креплении, от воздействия внешних факторов и характеризуются стандартными параметрами : модулем упругости (Е, Па); модулем сдвига ( G , Па); коэффициентом Пуассона (m ). Наилучшими считаются материалы, обладающие максимальными упругими характеристиками.

Прочность - способность выдерживать нагрузки без разрушения, характеризуется значениями предельных напряжений ( s, Па) на сжатие, растяжение, изгиб. Заметим, что оптическое стекло (наиболее часто используемое для изготовления оптических деталей) обладая сравнительно высокой прочностью на сжатие s = (5 ё 10)Ч 107 Па, имеет значения предельного напряжения на растяжение в 15-20 раз хуже, чем на сжатие.

Стекло является хрупким материалом, практически не обладающим пластическими свойствами и плохо сопротивляется действию ударных и изгибающих сил. Ударная (динамическая) прочность стекла и других оптических материалов значительно ниже "статической" прочности. Царапины, выколки и трещины приводят к появлению значительных напряжений в материале даже при относительно небольших нагрузках и могут вызвать разрушение или скол детали при ее обработке, закреплении и при эксплуатации. При механической обработке оптических материалов в поверхностном слое возникает трещиноватый слой (микротрещины Гриффита), который играет роль концентраторов напряжения. Поэтому обработка оптических деталей способом глубокого шлифования и полирования существенно повышает прочностные свойства оптических материалов.

Твердость - способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела, подразделяют на микротвердость и твердость по сошлифовыванию. Заметим, что высокая твердость сказывается отрицательно при шлифовке оптических деталей (увеличивает трудоемкость процесса) и положительно при их полировке, т.к. позволяет получить более точные поверхности.

Микротвердость характеризуют отношением нагрузки к площади отпечатка при вдавливании алмазной пирамиды (по Виккерсу, НV) алмазного ромбовидного наконечника (по Кнопу, НК) - для контроля оптических материалов; алмазного конуса или стального шарика (по Роквеллу, HRC и по Бринеллю, НВ) - для контроля металлов, а также шириной царапины, образующейся на поверхности материала (стекла) при царапании иглой (с радиусом закругления 2 мкм) или трехгранной пирамидой Бирбаума.

Твердостью по сошлифовыванию характеризуют сопротивление ряда оптических материалов разрушению свободным образивом (т. е. скорость износа материала при шлифовке). Она определяется относительным значением (Н S ) твердости различных оптических материалов по сравнению с твердостью стекла К8 (твердость которого принимается за единицу) и равна отношению сошлифованного объема стекла марки К8 к объему данного материала, сошлифованного в тех же условиях. Например, наибольшая твердость по сошлифовыванию обладают ситаллы, кварцевое стекло (НS = 1,5 ё 1,9), а наименьшей - фосфатные кроны, тяжелые флинты, инфракрасные бескислородные стекла, ряд кристаллов (НS = 0,1 ё 0,5).

Для более полного ознакомления с различными аспектами прочности оптических материалов рекомендуется ознакомиться с работой [17]*.

Удельная жесткость - способность материала сопротивляться деформации, определяется отношением его модуля упругости к плотности (Е/r ., м) и позволяет оценить стабильность формы поверхностей оптических деталей при изготовлении и эксплуатации. Наилучшей удельной жесткостью обладают такие материалы как бериллий (Е/r = 15,1Ч 106 м), карбид кремния (Е/r = 13Ч 106 м), ситалл (Е/r = 3,7Ч 106 м), плавленый кварц (Е/r = 3,2Ч 106 м), что обуславливает их использование для изготовления космических зеркал [18]* (см. далее п.2.4.).

Фотоупругость - свойство оптического материала, заключающееся в изменении его показателя преломления при приложении к нему нагрузок сжатия или растяжения. При этом материал переходит из изотропного в анизотропное состояние и возникает двойное лучепреломление лучей света, которое исчезает при снятии приложенного напряжения.

Фотоупругость материала (стекла) характеризуется фотоупругими постоянными С1 и С 2 , выражающими приращение показателей преломления в направлениях вдоль и перпендикулярно действию напряжения, равного 105 Па, а также оптическим коэффициентом напряжения В = С 1 - С 2.

Рассмотрим основные термические и термооптические характеристики материалов оптических деталей (табл.1 ).

Температурный коэффициент линейного расширения материала (a , 1/град.) характеризует изменение линейных размеров и объема детали при отклонении температуры от номинального значения (20° С). Он учитывается при разработке конструкций крепления оптических деталей [1]*, определении возможности соединять оптические детали приклеиванием или оптическим контактом, осуществлять "остекловывание" металлических деталей [18]*, при расчете температурных расфокусировок, термоаберраций, термопогрешностей [19]*, влияет на длительность "отстаивания" деталей при их обработке и ряд других свойств и характеристик проектируемых изделий.

Значения a для используемых материалов существенно различаются. Наименьшим a обладают, например, плавленый кварц (a > 0,55Ч 10-6 град -1), ситалл (a > 0,15 Ч 10-6 град -1), карбид кремния (a > 2,5 Ч 10-6 град -1), наибольшим - алюминий (a > 24 Ч 10-6 град -1), медь (a > 16,5 Ч 10-6 град-1).

Удельная теплоемкость (С, дж/(кг Ч град)) - количество теплоты, требуемое для нагревания единицы массы материала на один градус.

Теплопроводность ( Ч l , Вт/(м Ч град)) - характеризует способность материала передавать тепло от нагретых участков к менее нагретым.

Температуропроводность ( q = l /(C Ч r ), м2/сек) определяет скорость изменения температуры материала при нестандартных тепловых режимах.

Температурная стабильность материала (a / l , м/Вт) характеризует величину термодеформаций детали при медленно меняющихся тепловых потоках (квазистационарный тепловой режим).

Термические характеристики (С, l , a , q, a / l ) являются важными при выборе материалов оптических деталей, работающих при перепаде температур (например, зеркал телескопов [18]*, [20]*, [21],*, а также определении режимов отжига и обработки заготовок.

Термостойкость - способность оптических материалов выдерживат ь без разрушения резкие перепады температуры. Показателем термостойкости является наибольшая разность температуры, которую образец материала выдерживает без разрушения. Одним из способов определения термостойкости оптических материалов является сброс нагретых в специальной печи образцов в воду комнатной температуры [17]*. Термостойкость оптических материалов является важной характеристикой для охлаждаемых активных элементов лазеров, при определении условий прогрева деталей при нанесении покрытий, для обеспечения стойкости оптических элементов в случае "тепловых ударов". Теплостойкими являются, например, такие оптические материалы как кварц, специальные термостойкие стекла (например, ЛК5), ситаллы, оптическая керамика. Наименее термостойки, например, многосвинцовые селикатные стекла и фторфосфатные стекла (типа ОК1).

Термооптические постоянные (V l t, W/ l t, R l t ) учитывают изменение показателя преломления оптического материала, вклад термических изменений геометрических размеров и фотоупругих напряжений при отклонении температуры на характеристики и аберрации оптических элементов.

где b l t - температурное приращение показателя преломления для длины волны света l ; n l - показатель преломления ; a t - коэффициент линейного расширения материала; m - коэффициент поперечной деформации; Е - модуль упругости; С1 и С2 - фотоупругие постоянные.

Термооптическая постоянная V l t используется обычно для расчета расфокусировки оптической системы [10]* при стационарном изменении температуры.

Сумма термооптических постоянных (W l ,t , + Rl ,t) является критерием атермальности оптических материалов (стекол) и характеризует термоволновые аберрации также и в условиях неравномерного распределения температуры.

Вязкость материала ( h , Па Ч с) характеризует свойство материала сопротивляться перемещению одной из его частей относительно другой, когда он находится в жидком (газообразном) состоянии, а также необратимо поглощать энергию при пластическом деформировании твердых тел. Вязкость материала изменяется в зависимости от температуры. Наиболее важна эта характеристика для варки и горячего формообразования заготовок из стекла, поэтому в каталоге оптических стекол приведены температуры, при которых вязкость стекла равна 10 7, 109, 1012 и 1013,5 Па Ч с, соответствующих процессам его моллирования, спекания и отжига.

Температура спекания (t сп, град) - температура, при которой происходит термическое спекание двух образцов оптического материала (стекол) размером 20х 20х10 мм, уложенных друг на друга полированными поверхностями и нагреваемыми со скоростью 2 ° С в минуту. Температура спекания, например, стекла К8 - 720 ° С, стекла ТФ7 - 459 ° С. Эта характеристика оптического материала используется при определении температурно-временного режима изготовления стекло-металлических зеркал при спекании ("остекловывании") металлических оснований зеркал со стеклянными пластинами; при изготовлении волоконно-оптических элементов; изготовлении кювет и т. д.

Химические характеристикиматериалов определяют их устойчивость к химическому и электрохимическому воздействию окружающей среды.

Оптические материалы характеризуются налётоопастностью и пятнаемостью.

Налётоопастность характеризует устойчивость оптического материала к воздействию влажной атмосферы. Устойчивость определяется при выдержке заготовок в течении 1-20 часов при температуре 50 ° С для силикатных и 60 ° С для несиликатных стекол и относительной влажности 85%. По устойчивости к действию влажной атмосферы, например, силикатные (и несиликатные) стекла подразделяются на 4 группы: А (с) - устойчивые стекла, на полированной поверхности которых не образуется капельно-гигроскопический налет после 20 часовой выдержки; Б (у)- стекла, на которых налет образуется за 5-20 часов (промежуточные стекла); В (д), Г (дд) - налетоопасные стекла, на которых налет появляется при выдержке от 2-х до 5 часов и выдержке менее 2 часов соответственно. Детали, изготовленные из стекол группы В(д) и Г(дд) следует сразу же после их обработки покрывать защитными пленками.

Пятнаемость характеризует устойчивость оптического материала к слабокислым водным растворам и дистиллированной воде. Устойчивость определяется временем, за которое свежеполированная поверхность заготовки, помещенная в 0,1 н раствора уксусной кислоты или дистиллированной воды при температуре 50 ° С приобретет в отраженном свете фиолетовую окраску (снижение коэффициента отражения на 0,4%).

По устойчивости к пятнаемости, например, силикатное и несиликатное стекла делятся на 6 групп:

  1. (непятнающиеся) - время выдержки в кислотной среде, необходимое для снижения коэффициента отражения на 0,4% более 5 часов;
  2. (промежуточные) - время выдержки - 1- 5 часов;
  3. (слабопятнающиеся) - время выдержки 0,25 часов;
  4. (пятнающиеся) - время выдержки - менее 0,25 часа;
  5. (нестойкие) - время выдержки в дистиллированной воде - 0,25 ё 1 час;
  6. (нестойкие) - время выдержки в воде - менее 0,25 часа.


В оптических приборах рекомендуется применять стекла первых трех групп устойчивости к кислоте, детали из стекол 4-6 групп требуют защиты.

Неоптические материалы характеризуются коррозионной стойкостью .

Химическая и электрохимическая коррозия приводят к разрушению материалов и ухудшению их свойств. В зависимости от климатических зон и районов работы прибора (например, тропический, морской, жаркий влажный, холодный и т.д.), места установки прибора (на открытом воздухе, под крышей, в закрытом помещении ), вида и степени коррозионной нагрузки (концентрация и вид примесей химических реагентов в атмосфере, плесень, иней, солнечные лучи, роса и т. д.) условия эксплуатации подразделяют на 4 группы: Л - легкие, С - средние, Ж - жесткие и ОЖ - очень жесткие.

С учетом этих условий эксплуатации других факторов (работа в вакууме, функциональное назначение детали, технология изготовления) конструктор выбирает материалы, определяет допустимые и недопустимые контакты (соединения) между деталями, назначает класс шероховатости поверхностей, (влияющий на степень и скорость коррозии), подбирает вид защитных покрытий для обеспечения коррозийной стойкости изделия [8]*, [11]*.

Рассмотрим вкратце некоторые специальные характеристики материалов оптических деталей.

Лучевая (оптическая) прочность характеризует прочность оптических материалов, работающих с лазерным излучением. Она важна для материалов таких деталей как активные элементы твердотельных лазеров (например, рубиновых, из неодимового стекла), а также резонаторов, окон, линз, зеркал, призм, установленных в пучках лазерного излучения.

Различают три вида лучевой прочности оптических материалов: термоупругое растрескивание, разрушение вследствие разогрева инородных включений и пробой в поле световой волны (явление самофокусировки) [17]*.

Для повышения лучевой прочности рекомендуется выполнять рабочие поверхности оптических деталей методом глубокой шлифовки и полировки, использовать оптические материалы, обладающие наибольшей микротвердостью (по Кнопу), при производстве материалов следует удалять инородные включения высокотемпературным центрифугированием их расплавов [17]*.

Радиационная устойчивость характеризует способность оптического материала сохранять оптические свойства под действием ионизирующего излучения. Например, большинство обычных оптических стекол под действием радиации (гамма и гамма-нейтронного излучения) окрашивается (темнеет), поэтому в этих случаях необходимо использовать специальные радиационно-стойкие стекла, кристаллы и керамику.

Люминесцентные характеристики важны для материалов оптических деталей и оптических сред, используемых для генерации лазерного излучения (твердотельные, газовые, жидкостные активные элементы лазеров), преобразования электрических полей, лучистой и других видов энергии в оптическое излучение, (например, свечение люминофоров, экранов из люминесцентной оптической керамики КОЛ1).

Токсичность материалов и оптических сред необходимо учитывать как при их выборе, так и организации производства деталей оптических элементов. Например, некоторые марки стекла (ИКС), кристаллов (таллий, цезий :), оптические клеи (ОК-50П:) являются токсичными и требуют соблюдения техники безопасности во время технологического процесса. Из неоптических материалов весьма токсичным в процессе обработки является такой перспективный материал для космических зеркал как бериллий [20]*.

Диэлектрическая проницаемость и коэрцитивное поле являются электромагнитными характеристиками, например, таких материалов, как электрическая керамика (КЭО10), используемая для электрических управляемых затворов и светофильтров.

К технологическим свойствам материалов и оптических сред относятся такие, которые определяют возможность применения прогрессивных технологических процессов и затраты времени и средств для изготовления и сборки оптических заготовок и деталей. К ним относятся, например, прессуемость, моллируемость, возможность использования литья, штамповки, определяющие возможность получения заготовок деталей производительными методами формообразования.

Трудоемкость обработки материала определяется его микротвердостью (например, лейкосапфир Аl2 О3 , из которого изготавливаются защитные стекла и обтекатели приборов УФ и ИК диапазона, работающие в тяжелых условиях эксплуатации, уступает по твердости только алмазу), относительной твердостью по сошлифовыванию (например, стекло ФК14 имеет Н S=0,2 , стекло ТБФ4 - НS =1,7, а ситалл СО21-НS =1,9), физико-химическими свойствами и структурой (например, плохо обрабатывающийся резанием сплав инвар, а также бериллий, требующий многократных стабилизирующих термоциклических воздействий, для снятия остаточных напряжений после черновой и чистовой механических обработок).

Типичным примером влияния оптических сред на трудоемкость технологических процессов могут служить оптические клеи, одни из которых требуют при склеивании деталей обеспечения повышенной температуры (в термостате) и времени выдержки до 5ё6 суток (акриловый клей), а другие (ОК-72ФТ15 ) имеют продолжительность склеивания при комнатной температуре не более одних суток.

Оптические характеристики материалов рассмотрены в разделе 2.3.