Материалы оптических систем оптико-электронных приборов

Материалы оптической системы необходимо выбирать с учетом эксплуатационных, конструктивных и технологических характеристик конкретного ОЭП.

При этом обычно нужно учитывать следующие свойства оптических материалов:

- - спектральное пропускание или отражение;

- - показатель преломления или коэффициент отражения;

- - дисперсию;

- - изменение спектра пропускания и показателя преломления при изменении температуры;

- - твердость;

- - стойкость к воздействию различных сред, прежде всего, воды;

- - плотность;

- - теплопроводность;

- - термическое расширение;

- - теплоемкость;

- - модуль упругости;

- - температуру размягчения и плавления;

- - стоимость;

- - возможность обработки;

- - доступность материала.

Многообразие этих свойств и требований к ОЭП приводит часто к тому, что выбор оптического материала становится серьезной технико-экономической задачей. Правильно выбрав материал, можно упростить конструкцию оптического узла, улучшить характеристики всей системы. Например, используя для мениска в системе Максутова материал с минимальной дисперсией, можно пренебречь хроматической коррекцией системы, обеспечить малый кружок рассеяния без усложнения объектива, без ввода коррегирующей линзы. При выборе материалов для оптических деталей следует помнить о технологичности как отдельных узлов, так и всей системы.

Для работы в видимой и ближней ИК областях спектра очень широко используется обычное оптическое стекло, достоинствами которого являются дешевизна, хорошая обрабатываемость, хорошие физико-механические свойства, достаточная прозрачность для излучения с длинами волн до 2 мкм, что в видимом и ближнем ИК диапазонах делает его наиболее приемлемым материалом. Однако для работы в среднем и длинноволновом ИК диапазонах приходится применять либо специальные виды стекол (стекла типа ИКС), либо кристаллы или оптическую керамику.

Такие оптические кристаллы как фтористый кальций, фтористый литий, а в последние годы и оптические керамики широко применяются в различных ОЭП. Выбор типа кристалла определяется как его соответствием тем условиям, в которых работает прибор (температура, влажность и т.д.), так и доступностью его получения. К сожалению, часто бывает трудно получить хороший кристалл нужного размера. Если из обычных и ИК стекол удается изготовить детали диаметром в несколько десятков сантиметров, то диаметры линз из оптических керамик пока не превышают 200 мм, а из некоторых кристаллов и того меньше (например, из КРС-5 — не более 125 мм).

К настоящему времени промышленность освоила довольно большую номенклатуру оптических материалов для линзовых систем ОЭП. В табл. 5.2 — 5.5 и на рис. 5.14, 5.15 приведены некоторые физические свойства и характеристики распространенных на практике материалов.

Одним из наиболее распространенных материалов ИК оптических систем является германий. Он широко используется для изготовления оптических элементов, прозрачных в диапазоне 8...13 мкм. В диапазоне 3...5 мкм он применяется для хроматической коррекции, т. е. линзы из германия используются в паре с линзами, изготовленными из других материалов. Как и кремний, германий имеет большой показатель преломления (табл. 5.3) и малую дисперсию (см. рис. 5.14), поэтому в ряде случаев германиевые объективы не нужно ахроматизировать. Если же ахроматизация требуется, то хорошие результаты дает совместное использование в объективе линз, изготовленных из германия, и линз из халькогенидных стекол, например AMTIR-1.

В зеркальных и зеркально-линзовых системах, работающих в ИК диапазоне, в качестве материала для защитных элементов и коррегирующих линз часто используют германий, так как тонкие пластины и мениски или маленькие линзы обладают малыми хроматическими аберрациями.

В табл. 5.5 приведены значения показателя преломления ряда материалов, используемых для изготовления оптических систем, работающих в ИК диапазонах 3...5 и 8...12 мкм. Эти материалы освоены в производстве, сравнительно просто обрабатываются, негигроскопичны, на них достаточно легко наносятся просветляющие покрытия.

В качестве материалов для подложек зеркал, работающих в широком диапазоне температур, используется пирекс, плавленый кварц, ситаллы, бериллий и другие материалы. В табл. 5.6 приведены характеристики ряда материалов, используемых для изготовления точных крупногабаритных зеркал. Применение бериллия, отличающегося жесткостью, малой плотностью, позволяет заметно уменьшить массу зеркала. Вследствие кристаллической структуры бериллия его поверхность плохо полируется, поэтому перед нанесением на подложку отражающего слоя на ее поверхность наносят промежуточный слой никелевого сплава.

Коэффициент отражения большинства металлов увеличивается с ростом длины волны излучения. Хорошей отражательной способностью обладает алюминий. В ИК области спектра его коэффициент отражения достигает 95%. В качестве других отражающих покрытий применяются такие материалы, как золото, палладий, родий, коэффициент отражения которых в ИК области спектра достигает 95...98 %.

В качестве просветляющих покрытий можно использовать пленки пятиокиси ниобия, которые прозрачны (t > 90%) для излучения с длиной волны свыше 10 мкм. Показатель преломления п пятиокиси ниобия на длине волны l=2,8 мкм равен 2,04, что позволяет использовать это вещество для просветления германия (n = 4,06). Германий хорошо просветляется также диоксидом церия (для l = 2...4 мкм t = 85%) и сернистым цинком (для l = 7...14 мкм t = 95%). Последний применяется и для просветления кремния. Из других материалов для просветляющих покрытий следует отметить криолит (для l=0,2...10 мкм n=1,34), фтористый магний (для l=0,12...5 мкм n=1,35), сернистый цинк (для l=0,4...15 мкм n=2,15) и оксид кремния (для l=0,4...8 мкм n=1,45...1,90), обладающие высокой прочностью и химической стойкостью, а также диоксиды титана, циркония.