Характеристики матеріалів оптичних деталей

До оптичних відносять матеріали, прозорі для оптичного діапазону електромагнітних хвиль (світла), використовувані для виготовлення оптичних елементів (деталей), що працюють в ультрафіолетовій, видимій і інфрачервоній областях спектру. Оптичні матеріали є оптичними середовищами, до яких відносять також оптичні плівки, повітря, рідини, гази, оптичні клеї, віск, лак й інші речовини, проникаюче оптичне випромінювання.

Оптичні матеріали підрозділяються на: оптичне скло; оптичні ситали; оптичні кристали; оптичну кераміку.

Оптичне скло завдяки ряду позитивних оптичних, технологічних та експлуатаційних властивостей і характеристик є найбільш типовими й поширеними матеріалами, використовуваними для виготовлення оптичних деталей.

Оптичне скло поділяється на безбарвне (ГОСТ 3514-76), кольорове (ГОСТ 9411-81), кварцеве (ГОСТ 15130-79), органічне (ГОСТ 15809-70), з особливими властивостями. У свою чергу скло з особливими властивостями ділять на: світлорозсіювальне (молочне МС), дифузнорозсіювальне прохідне і відбите світло; фотохромне ФХС, яке оборотно змінює свою прозорість залежно від інтенсивності падаючого світлового потоку; радіаційно-стійке, зберігаюче оптичні властивості під дією радіаційного випромінювання; оптичне люмінесцентне ГЛС, що має вузькі смуги люмінесценції, використовувані для виготовлення активних елементів лазерів; інфрачервоне безкисневе ІКС, прозоре в ГІК області спектру (1-17 мкм). Скло з особливими властивостями постачаються відповідно до галузевих стандартів.

Відмітимо, що деякі оптичні деталі можуть бути виготовлені також і з інших матеріалів (неоптичних). Наприклад, дзеркала інколи виготовляють з мідних і алюмінієвих сплавів, неіржавіючої сталі, титану, берилію, карбіду кремнію, композитів; підкладки дифракційних грат - з фторопласту, поліетилену, алюмінієвих сплавів; растри, екрани, модулятори, шкали, поляроїди, розсіювачі - з металів, плівок, тканин, а також з використанням рідинних та газових оптичних середовищ, люмінофора, воску тощо.

Матеріали, використовувані для виготовлення оптичних деталей, повинні володіти рядом властивостей, що дозволяють отримати високу точність і чистоту робочих (полірованих) поверхонь, зберігати свої властивості та характеристики протягом довгого часу при можливій дії зовнішніх чинників (механічних, кліматичних, променевих, хімічних, бактеріологічних тощо). За необхідністю, оптичні матеріали повинні володіти здатністю змінювати параметри оптичного середовища або світлової хвилі при взаємодії зі світловим потоком або іншим виглядом електромагнітного поля (наприклад, генерувати когерентне випромінювання, змінювати світлопропускання, обертати площину поляризації тощо).

Вибір матеріалу оптичної деталі здійснюють, виходячи з її функціонального призначення і необхідних показників якості з врахуванням умов експлуатації, раціональній технології виготовлення, а також керуючись характеристиками та показниками якості матеріалів, їх номенклатурою, сортаментом, умовами і формами постачання відповідно до нормативних документів (стандартами, каталогами).

Характеристики і показники якості матеріалів, використовуваних для виготовлення оптичних деталей, підрозділяються на механічні, термічні (термооптичні), хімічні, спеціальні, технологічні та оптичні.

До механічних характеристик матеріалів відносяться: щільність; пружність; міцність, твердість, питома жорсткість, фотопружна.

Щільність (r, кг/м³) (відношення маси матеріалу до його об'єму) визначає масу заготовки й оптичної деталі, її можливий прогин під власною вагою, тиск на опорні поверхні тощо. Як правило, конструктор в переважній більшості випадків прагне застосовувати легкі матеріали: алюміній і сплави на його основі (r>2,75*10³ кг/м³), титан (r>4,5*10³ кг/м³), берилій (r>1,85*10³ кг/м³), кремній (r > 2,3*10³ кг/м³), ситал (r > 2,5*10³ кг/м³), оптична кераміка (r > 2,5*10³ кг/м³), кварц (r > 2,2*10³ кг/м³).

Пружні властивості матеріалу дозволяють визначати деформацію деталей при обробленні, кріпленні, від дії зовнішніх чинників та характеризуються стандартними параметрами: модулем пружності (Е, Па); модулем зсуву (G, Па); коефіцієнтом Пуассона (m). Найкращими вважаються матеріали, що володіють максимальними пружними характеристиками.

Міцність - здатність витримувати навантаження без руйнування, характеризується значеннями граничного напруження (s, Па) на стискування, розтягування, згин. Відмітимо, що оптичне скло, найчастіше використовуване для виготовлення оптичних деталей, володіючи порівняно високою міцністю на стискування s=(5 - 10)*10⁷ Па, має значення граничної напруги на розтягування в 15-20 разів гірше, ніж на стискування.

Скло є крихким матеріалом, що практично не володіє пластичними властивостями і погано чинить опір дії ударних і згинаючих сил. Ударна (динамічна) міцність скла й інших оптичних матеріалів значно нижча за "статичну" міцність. Подряпини, виколювання та тріщини призводять до появи значного напруження в матеріалі навіть при відносно невеликих навантаженнях і можуть викликати руйнування скла деталі при його обробленні, закріпленні та при експлуатації. При механічному обробленні оптичних матеріалів в поверхневому шарі виникає тріщинуватий шар (мікротріщини Грифіта), який грає роль концентраторів напруження. Тому оброблення оптичних деталей способом глибокого шліфування і полірування істотно підвищує міцнісні властивості оптичних матеріалів.

Твердість - здатність матеріалу чинити опір впровадженню в нього іншого, твердішого тіла, підрозділяють на мікротвердість та твердість по зішліфовуванню. Відмітимо, що висока твердість позначається негативно при шліфуванні оптичних деталей (збільшує трудомісткість процесу) і позитивно при їх поліруванні, оскільки дозволяє отримати точніші поверхні.

Мікротвердість характеризують відношенням навантаження до площі відбитку при втискуванні діамантової піраміди (за Віккерсом, Нv) діамантового ромбоподібного наконечника (за Кнопом, НК) - для контролю оптичних матеріалів; діамантового конуса або сталевої кульки (за Роквелом, HRC і за Бренелем, НВ) - для контролю металів, а також ширини подряпини, що утворюється на поверхні матеріалу (скла) при дряпанні голкою (з радіусом закруглення 2 мкм) або тригранною пірамідою Бірбаума.

Твердістю по зішліфовуванню характеризують опір ряду оптичних матеріалів руйнуванню вільним абразивом, тобто швидкість зношення матеріалу при шліфуванні. Вона визначається відносним значенням (НS) твердості різних оптичних матеріалів в порівнянні з твердістю скла К8 (твердість якого береться за одиницю) і дорівнює відношенню зішліфованого об'єму скла марки К8 до об'єму даного матеріалу, зішліфованого в тих самих умовах. Наприклад, найбільшу твердість по зішліфовуванню мають ситали, кварцове скло (НS = 1,5 - 1,9), а найменшу - фосфатні крони, важкі флінти, інфрачервоні безкисневі стекла, ряд кристалів (НS = 0,1 - 0,5).

Питома жорсткість - здатність матеріалу чинити опір деформації, визначається відношенням його модуля пружності до щільності (Е/r, м) і дозволяє оцінити стабільність форми поверхонь оптичних деталей при виготовленні і експлуатації. Найкращою питомою жорсткістю володіють такі матеріали як берилій (Е/r=15,1*10⁶ м), карбід кремнію (Е/r=13*10⁶ м), ситал (Е/r=3,7*10⁶ м), плавлений кварц (Е/r=3,2*10⁶ м), що обумовлює їх використання для виготовлення космічних дзеркал.

Фотопружність - властивість оптичного матеріалу, що полягає в зміні його показника заломлення при додаванні до нього навантажень стискування або розтягування. При цьому матеріал переходить з ізотропного в анізотропний стан і виникає подвійне променезаломлення променів світла, яке зникає при знятті прикладеного напруження.

Фотопружність матеріалу (скла) характеризується фотопружними сталими С₁ і С₂, виражаючими приріст показників заломлення в напрямах вздовж та перпендикулярно дії напруження, рівної 10⁵ Па, а також оптичним коефіцієнтом напруження В = С₁ - С₂.

Температурний коефіцієнт лінійного розширення матеріалу (а, 1/град) характеризує зміну лінійних розмірів і об'єму деталі при відхиленні температури від номінального значення (20°С). Він враховується при розробленні конструкцій кріплення оптичних деталей, визначенні можливості з’єднувати оптичні деталі приклеюванням або оптичним контактом, здійснювати "склування" металевих деталей, при розрахунку температурних розфокусувань, термоаберраций, термопохибок, впливає на тривалість "відстоювання" деталей при їх обробленні та ряд інших властивостей і характеристик проектованих виробів.

Значення а для використовуваних матеріалів істотно розрізняються. Найменшим а володіють, наприклад, плавлений кварц (а > 0,55*10^-6 град^-1), ситал (а > 0,15*10^-6 град^-1), карбід кремнію (а > 2,5*10^-6 град^-1), найбільшим - алюміній (а > 24*10^-6 град^-1), мідь (а > 16,5х10^-6 град^-1).

Питома теплоємність (С, дж/(кг*град)) - кількість теплоти, потрібна для нагрівання одиниці маси матеріалу на один градус.

Теплопровідність (l, Вт/(м*град)) - характеризує здатність матеріалу передавати тепло від нагрітих ділянок до охолоджених.

Температуропровідність (q=l/(C х r), м²/сек) визначає швидкість зміни температури матеріалу при нестандартних теплових режимах.

Температурна стабільність матеріалу (а/l, м/Вт) характеризує величину термодеформацій деталі при повільно змінних теплових потоках (квазістаціонарний тепловий режим).

Термічні характеристики (С, l, а, q, а/l) є важливими при виборі матеріалів оптичних деталей, що працюють при перепаді температур, наприклад, дзеркал мікроскопів, а також визначенні режимів відпалу та оброблення заготовок.

Термостійкість - здатність оптичних матеріалів витримувати без руйнування різкі перепади температури. Показником термостійкості є найбільша різниця температури, яку зразок матеріалу витримує без руйнування. Одним із способів визначення термостійкості оптичних матеріалів є скидання нагрітих в спеціальній печі зразків у воду кімнатної температури. Термостійкість оптичних матеріалів є важливою характеристикою для охолоджуваних активних елементів лазерів, при визначенні умов прогрівання деталей при нанесенні покриттів, для забезпечення стійкості оптичних елементів в разі "теплових ударів". Теплостійкими є, наприклад, такі оптичні матеріали як кварц, спеціальні термостійке скло (наприклад, ЛК5), ситали, оптична кераміка. Найменш термостійкі, наприклад, багатосвинцеве силікатне скло і фторфосфатне скло (типу ОК1).

Термооптичні сталі (V_λt, W_λt, R_λt) враховують зміну показника заломлення оптичного матеріалу, вклад термічних змін геометричних розмірів і фотопружного напругження при відхиленні температури на характеристики і аберацію оптичних елементів:

, (1.1)

, (1.2)

, (1.3)

де λ, t - температурний приріст показника заломлення для довжини хвилі світла l; n_λ - показник заломлення; t - коефіцієнт лінійного розширення матеріалу; m - коефіцієнт поперечної деформації; Е - модуль пружності; С₁ і С₂ - фотопружні сталі.

Термооптична стала V_λt використовується, зазвичай, для розрахунку розфокусування оптичної системи при стаціонарній зміні температури.

Сума термооптичних сталих (W_λt + R_λt) є критерієм атермальності оптичних матеріалів і характеризує термохвильові аберації також і в умовах нерівномірного розподілу температури.

В'язкість матеріалу (h, ) характеризує здатність матеріалу чинити опір переміщенню однієї з його частин відносно іншої, коли він знаходиться в рідкому (газоподібному) стані, а також необоротний поглинати енергію при пластичній деформації твердих тіл. В'язкість матеріалу змінюється залежно від температури. Найбільш важлива ця характеристика для варіння та гарячого формоутворення заготовок із скла, тому в каталозі оптичного скла приведені температури, при яких в'язкість скла дорівнює 10⁷, 10⁹, 10¹² і 10^13,5Па*с, відповідних процесам його спікання та відпалу.

Температура спікання (t_сп, град) - температура, при якій відбувається термічне спікання двох зразків оптичного матеріалу розміром 20х 20х10 мм, укладених один на одного полірованими поверхнями, які нагріваються із швидкістю 2°С в хвилину. Температура спікання, наприклад, скла К8 - 720°С, скла ТФ7 - 459°С. Ця характеристика оптичного матеріалу використовується при визначенні температурно-часового режиму виготовлення металевих для скла дзеркал при спіканні металевих підстав дзеркал із скляними пластинами; при виготовленні волоконно-оптичних елементів; виготовленні кювет тощо.