Пособие соответствует утвержденной рабочей программе дисциплины «Современные проблемы оптотехники». Оно содержит также вопросы используемые при проведении контроля и тестирования. Библиография 76 наим

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 15

3.2. Оптические материалы

Если для видимого диапазона номенклатура оптических материалов, применяемых для изготовления линзовых компонентов, содержит сотни разновидностей, то, к сожалению, для ИК-диапазона она существенно меньше. Тем не менее количество материалов, используемых в ИК-диапазоне, непрерывно растет.

Материалы, используемые для создания оптических систем ИКС 3-го поколения, должны иметь широкую полосу пропускания излучения; высокую однородность и прозрачность; стойкость к внешним воздействиям; высокую механическую прочность; малый температурный коэффициент расширения и малый температурный коэффициент показателя преломления, обеспечивающий пассивную атермализацию [1].

Следует отметить, что приводимые в публикациях различных фирм параметры и характеристики материалов, использующих, казалось бы, одни и те же соединения, различаются порой весьма значительно. В качестве примера можно привести ряд, данных, заимствованных из различных источников (табл.3.1 - 3.4, рис.3.3).

Наиболее распространенные материалы иногда имеют различие в показателях преломления в пределах от 1,4 до 4,0, а в дисперсии – от 20 до 1000. Такой большой разброс значений этих параметров вынуждает уже на самых первых этапах проектирования тщательно выбирать оптический материал с учетом ряда эксплуатационных требований.

Таблица 3.1. Показатели преломления, числа Аббе и частные дисперсии ряда оптических материалов, прозрачных в ближнем (1,0…2,0) и средневолновом (3,5…5,0 мкм) ИК-диапазонах

Материал	Средний показатель преломления		Число Аббе V			Частная дисперсия Р
Материал	1,0…2,0 мкм	3,5…5,0 мкм	1,0…2,0 мкм	3,5…5,0 мкм	1,0…5,0 мкм	1,0…2,0 мкм	3,5…5,0 мкм	1,0…5,0 мкм
СdTe	2.7361	2.6883	24.1925	165.1665	13.6386	0.3417	0.3605	0.0823
KrS-5	2.4077	2.382	36.9464	232.2394	20.866	0.3418	0.3792	0.0896
AgCl	2.0106	2	85.6543	205.9362	40.3552	0.3512	0.4919	0.1955
CsL	1.749	1.743	91.7861	464.1561	50.2442	0.3495	0.4078	0.1081
CsBr	1.6725	1.6681	125.0137	409.921	63.317	0.3522	0.4625	0.1543
KBr	1.5392	1.5347	118.8285	221.1944	51.7953	0.3551	0.5057	0.2336
NaCl	1.5282	1.5217	140.5634	97.5772	39.7368	0.3711	0.5441	0.4053
KCl	1.4765	1.472	152.7634	145.7849	51.0416	0.3634	0.5359	0.349
LiF	1.3832	1.3493	97.4855	8.7576	6.0551	0.4994	0.569	0.659
MgF₂	1.3708	1.3488	133.4265	13.4663	9.1029	0.4851	0.5709	0.6551

Таблица 3.2. Основные параметры германия и сульфида цинка

___________________________________________________________________________

Наименование материала Ge ZnS

Спектральный диапазон прозрачности, мкм 1,8…16 4…12

Показатель преломления на длине волны 10 мкм 4,003 2,199

Дисперсия Аббе в полосе 8…12 мкм 942 23

Коэффициент теплового расширения, К^-1 6,1х10^-6 7,0 х 10^-6

Температурный коэффициент показателя преломления dn/dt, К^-1 40х10^-5 4,1 х 10^-5

Модуль Юнга, ГПа 100 75

Модуль прочности на разрыв, ГПа 72 60

__________________________________________________________________________

4.5

4

3.5

3

2.5

2

1.5

1

1

3

5

7

9

11

AMTIR1

GASIR3

GaAs

Ge

BaF2

ZnSe

ZnS

Длина волны λ, мкм)

Рис.3.3. Зависимости показателя преломления n ряда материалов от длины волны

Таблица 3.3. Параметры халькогенидных стекол, производимых компанией AMI

Материал	AMTIR-1	AMTIR-2	AMTIR-3	AMTIR-4	AMTIR-5	AMTIR-6	C1
Состав	Ge-As-Se	As-Se	Ge-Sb-Se	As-Se	As-Se	As-S	As-Se-Te
Спектральный диапазон пропускания, мкм	0,7…12,0	1…14	1…12	1…12	1…12	0,6…8,0	1,2…14,0
Показатель преломления на l=10 мкм	2,4981	2,7613	2,6027	2,6431	2,7398	2,3807	2,8051
Температурный коэффициент показателя преломления (×10^-6) на l=10 мкм	72	5	91	-23	<1	<1 (l=5 мкм)	31
Твердость по Кнупу	170	110	150	84	87	109	110
Коэффициент температурного расширения (×10^-6), К^-1	12	22,4	14	27	23,7	21,6	23
Теплопроводность, кал·(г·с·К)^-1×10^-4	6	5,3	5,3	5,3	5,7	8,0	5,2
Теплоемкость, кал·(г·К)^-1	0,072	0,068	0,066	0,086	0,076	0,081	0,062
Плотность, г·см^-3	4,4	4,66	4,67	4,49	4,51	3,2	4,69
Прочность на разрыв, Па	2700	2500	2500	2358	2400	2400	2500
Модуль Юнга (×10^-6), Па	3,2	5,6	3,1	2,2	2,56	2,3	1,8
Модуль сдвига (×10^-6), Па	1,3	1,03	1,2	0,85	1,01	0,94	1,03
Отношение Пуассона	0,27	0,29	0,26	0,297	0,279	0,24	0,29
Температура размягчения, °С	405	188	295	131	170	210	154
Температура фазового перехода, °С	368	167	278	103	143	187	133
Максимальная температура использования, °С	300	150	250	90	130	150	120
Дисперсия в диапазоне 3…5 мкм	202	171	159	186	175	155	148
Дисперсия в диапазоне 8…12 мкм	109	149	110	235	172	-	196

Таблица 3.4. Параметры оптических материалов, производимых компанией MEMS Optical Inc. [12]

Параметр	Ge	Si	As₄₀Se₆₀
Плотность, г·см^-3	5,327	2,329	4,63
Коэффициент температурного расширения (×10^-6), К^-1	5,7	2,62	20,7
Теплоемкость, Дж·ГК^-1	0,3230	0,7139	0,36
Теплопроводность, Вт·мК^-1	59,9	140	0,24
Модуль Юнга, ГПа	132	162	18,3
Модуль сдвига, ГПа	54,8	66,2	8,0
Показатель преломления на l=3 мкм	4,0445	3,4323	2,8014
Показатель преломления на l=10 мкм	4,0044	3,4178	2,7775
Температурный коэффициент показателя преломления, dn/dT·10^-6К^-1	416 (l=5 мкм) 401 (l=20 мкм)	159 (l=5 мкм) 157 (l=10 мкм)	35 (l=3,4 мкм) 41 (l=10,6 мкм)
Температура фазового перехода, °С	-	-	185

Традиционным путем решения свойственной ИКС третьего поколения проблемы ахроматизации оптической системы, которая должна работать в широком спектральном диапазоне, является подбор таких материалов линзовых деталей, которые в своей совокупности устраняют или ослабляют хроматизм всей оптической системы.

Как известно, дисперсия оптического материала определяется числом Аббе

и частной дисперсией

,

где n₁,n₂ и n₃ – показатели преломления для нижней (l₁), средней (l₂) и верхней (l₃) границ рабочего спектрального диапазона.

Условиями ахроматизации, т.е. устранения хроматизма, ведущего к различию в положении и размерах изображения для длин волн l₁, l₂ и l₃ в оптической системе, состоящей из n линз, являются

,

где Ф₁, Ф_2,….Ф_n – оптические силы отдельных линз, причем общая оптическая сила системы Ф, состоящей из n линз, равна

Ф₁+Ф₂+_….Ф_n=Ф.

Подбирая материалы с различными V и P, можно добиться идентичности и совпадения положений изображений в различных спектральных диапазонах (на разных l).

В [13] приводится пример ахроматизации объектива, состоящего из трех линз (триплета) и работающего в двух спектральных диапазонах – 1,0…2,0 и 3,5…5,0 мкм. Минимальный хроматизм в диапазоне 1,0…5,0 мкм обеспечивала комбинация ZnSe/GaAs/ZnS, а в отдельных спектральных полосах 1,0…2,0 мкм и 3,5…5,0 мкм комбинации линз из CsI/GaAs/AMTIR6 и CsBr/GaAs/AMTIR6. Для последней системы-объектива с фокусным расстоянием 38 мм, относительным отверстием 1:3 и угловым полем 15° разрешение было близко к дифракционному и составляло более 40 лин/мм.

Еще одним методом ахроматизации объективов ИКС третьего поколения, работающих в нескольких рабочих спектральных диапазонах, может быть использование дифракционных (гибридных) линз [2]. Такие линзы или оптические системы, состоящие из них, должны строить изображения отдельных дифракционных порядков, относящихся к разным узкополосным спектральным диапазонам, в одной плоскости.

Для описанного в [13] триплета с указанными выше параметрами и состоящего из линз, выполненных из ZnSe, GaAs и ZnS, при изготовлении первой линзы в виде дифракционного элемента и расположении первого дифракционного порядка для диапазона 3,5…5,0 мкм и компенсации второго, третьего и четвертого порядков для диапазона 1,0…2,0 мкм удалось получить во всем диапазоне 1,0…5,0 мкм качество изображения, близкое к дифракционному пределу [13].

Компания UMICORE (Бельгия) производит халькогенидные стекла GASIR, имеющие широкий диапазон прозрачности – от 0,8 до 14 мкм (рис.3.4) ) и позволяющие

Рис.3
Дата
.4. Спектральная характеристика пропускания GASIR

сравнительно недорого формировать асферические и дифракционные поверхности [14]. Показатель преломления GASIR на длине волны 10 мкм составляет 2,494, а дисперсия Аббе в полосе 8…12 мкм равна 120, коэффициент теплового расширения - 7,0 х 10^-6 , модуль Юнга - 18, и модуль прочности на разрыв 0 17. Температурный коэффициент показателя преломления dn/dt у GASIR невелик - 5,5х 10^-5 /K (у Ge – около 4 10^-4/K), что важно с точки зрения уменьшения термоаберраций оптической системы. Хорошее сочетание значений коэффициентов теплового расширения и температурного коэффициента показателя преломления позволяет создавать системы, мало чувствительные к изменениям окружающей температуры за счет пассивной атермализации. Недостатком GASIR является невысокая механическая прочность, что затрудняет его использование в некоторых ИКС.

Учитывая тенденцию использования асферических поверхностей для упрощения конструкции оптической системы и снижения её массы и габаритов, ведущие мировые фирмы – производители оптических элементов стремятся упростить и удешевить технологию производства деталей с асферическими поверхностями.

Так, компания Agiltron сообщила о производстве линз с асферикой из новых дешевых халькогенидных стекол с хорошими термомеханическими свойствами методом моллирования, причем просветляющие покрытия создаются на поверхностях линз непосредственно в процессе их изготовления. Материалы таких линз имеют малые температурные коэффициенты показателей преломления. В системах на их основе достигается высокое качество изображения за счет использования асферических поверхностей, компенсации термоаберраций и атермализации оптических узлов, а также отсутствия механических деформаций.

В отличие от известных халькогенидных стекол, работающих в видимой области спектра и имеющих температуру размягчения более 900°С, стекла фирмы Agiltron имеют температуру размягчения немного ниже 200°С, что заметно удешевляет, упрощает и ускоряет технологический процесс изготовления деталей методом моллирования (прессования). В [15] сообщается, что моллированные поверхности сферических, асферических и цилиндрических линз, изготовленных из этих стекол, имеют высокую степень чистоты и не нуждаются в шлифовке и полировке. Линзы могут впрессовываться непосредственно в термообработанные алюминиевые оправы, изготавливаемые способом алмазного точения.

Для двух- и многодиапазонных ИКС, в которых используется общий для всех спектральных диапазонов линзовый объектив, необходимо иметь оптические просветляющие (антиотражательные) покрытия линзовых элементов, обеспечивающие хорошее пропускание в рабочих полосах спектра.

Потери на френелевское отражение для материалов с большими n могут быть весьма значительными. Например, одна поверхность линзы из германия может вносить потери порядка 36%.. При использовании материалов с относительно небольшими показателями преломления эти потери в ограниченной полосе спектра существенно меньше, но в двух- и многодиапазонных системах их также следует принимать во внимание, тем более что изготовление просветляющих покрытий в этих случаях более сложно.

В [10] приводятся требования к пропусканию отдельных линз для обеспечения заданного значения общего коэффициента пропускания оптической системы τ_о, состоящей из 5…10 линз (табл.3.5). Там же приводятся требования к коэффициентам отражения отдельных зеркал, при которых обеспечивается заданный общий коэффициент пропускания зеркальной оптической системы τ_о, состоящей из 5…8 зеркал (табл.3.6). Содержащиеся в этих таблицах значения τ_о могут быть положены в основу выбора требуемых просветляющих и отражающих покрытий.

Таблица 3.5. Значения общего коэффициента пропускания τ_о многолинзовой оптической системы при заданных значениях пропускания одиночной линзы [10]

Число линз в системе	Пропускание одиночной линзы
Число линз в системе	0,95	0,96	0,97	0,98	0,99
5	0,774	0,815	0,859	0,904	0,951
6	0,735	0,783	0,833	0,886	0,941
7	0,698	0,751	0,808	0,868	0,932
8	0,663	0,721	0,784	0,851	0,923
9	0,630	0,693	0,760	0,834	0,914
10	0,599	0,665	0,737	0,817	0,904

Таблица 3.6. Значения общего коэффициента пропускания τ_о многозеркальной оптической системы при заданных значениях коэффициента отражения одиночного зеркала [10]

Число зеркал в системе	Коэффициент отражения одиночных зеркал
Число зеркал в системе	0,97	0,975	0,980	0,985	0,99
3	0,913	0,927	0,941	0,956	0,97
4	0,885	0,904	0,922	0,941	0,961
5	0,859	0,881	0,904	0,927	0,951
6	0,833	0,859	0,886	0,913	0,941
7	0,808	0,838	0,868	0,9	0,932
8	0,784	0,817	0,851	0,886	0,923

В [16] описываются результаты разработки покрытий для линз и пластин из Ge, AMTIR, ZnSe и CaF₂ на основе многослойных (от 8 до 24) покрытий из ZnS, YF₃ и Ge. Из-за того, что в оптических системах ИКС 3-го поколения часто используется много линз (от 6 до 10) и зеркал (от 5 до 8), очень важно использовать эффективные просветляющие покрытия. Так, для просветления деталей из GASIR было разработано специальное покрытие iDLCTM, имеющее в диапазоне 8…12 мкм коэффициент отражения менее 1,5% на каждой поверхности.

В [16] сообщается о методе расчета и изготовления противоотражающих покрытий, обеспечивающих хорошее пропускание в широкой полосе спектра – от видимого до длинноволнового ИК диапазонов. При использовании пятислойного покрытия для диапазона 7,5…12 мкм из пленок сульфида цинка ZnS и фторида иттрия YF3 удалось снизить потери на отражение до уровня менее 0,5% при нормальном падении излучения и до уровня менее 0,5% при падении лучей под углом 30о.

Моделирование противоотражающих покрытий показало, что использование третьего материала улучшает пропускание без существенного усложнения покрытия. Однако, начиная с некоторого числа слоев пропускание двухдиапазонных покрытий с ростом числа слоев выше некоторого предела не увеличивается, достигая 0,953…0,984 в диапазоне 3,5 и 5,0 мкм и 0,886…0,990 в диапазоне 7,8…10,5 мкм.

В качестве примера можно также привести фильтры компании JDSV, имеющие пропускание в полосе 3,44…4,08 мкм более 76%, а в полосе 4,51…4,93 мкм – более 85%, причем фронты спектральных характеристик этих полосовых фильтров не превышают 2,45 % от ширины полосы пропускания. Пропускание в подавляемой полосе поглощения СО2 (4,08…4,51 мкм) не превышает 1% [17]. Та же компания выпускает четырехполосные фильтры, почти прямоугольные полосы пропускания которых с центрами на длинах волн 1,23; 1,6; 2,2 и 3,75 мкм очень близко повторяют спектральное пропускание атмосферы в диапазоне 1,3…4,3 мкм, а также двухполосные фильтры с Dl=3,2…5,5 и 7,0…11,5 мкм. Важно отметить, что спектральные характеристики фильтров достаточно стабильны в широком диапазоне температур – от комнатной до 77 К.

Blog

Содержание

3.2. Оптические материалы