Оптические материалы4

Нелинейные кристаллы и кристаллы для управления

оптическим излучением

Самыми распространенными в настоящее время являются кристаллы группы KDP.

KDP (дигидрофосфат калия, KH2PO4),

DKDP (дидейтерофосфат калия, KD2PO4),

ADP (дигидрофосфат аммония NH4H2O4),

DADP (дейтерированный дигидрофосфат аммония ND4D2O4), CDA (дигидроарсенат цезия CsH2AsO4),

DCDA (детероарсенат цезия CsD2AsO4), KDA (дигидроарсенат калия KH2AsO4), RDA (дигидроарсенат рубидия RbH2AsO4), RDP (дигидрофосфат рудибия RbH2PO4).

В основном используются кристаллы KDP и DKDP.

Нелинейные кристаллы и кристаллы для управления

оптическим излучением

Дигидрофосфат калия (KDP) (KH2PO4) –

синтетический бесцветный кристалл, выращиваемый из водных растворов методом медленного снижения температуры.

Кристалл KDP был использован в качестве нелинейной среды одним из первых, так что величина его нелинейных характеристик до сих пор является эталоном, и часто нелинейные коэффициенты других кристаллов даются в единицах, относительно KDP.

Диапазон прозрачности 0,1767 1,5 мкм. Коэффициент линейного поглощения 0,03 0,05 см-1 вблизи = 1,06 мкм. Обладает высоким линейным электрооптическим эффектом при наложении электрического поля вдоль оси z, т.е. вдоль направления (001). Электрооптическая постоянная r63 = 10,5 10-10 см/В (при = 0,9893 мкм, Т = 295 К). В настоящее время является одним из основных материалов для изготовления умножителей частоты, генераторов гармоник, модуляторов света. Температура эксплуатации не должна превышать 393 К. Особенно эффективно применение при пониженных температурах и при частотах до 10 Гц (при СВЧ сильно возрастают диэлектрические потери). Показатели преломления

nо = 1,4936, nе = 1,4598 (для = 1,06 мкм). Полуволновое напряжение для = 0,547 мкм при T = 293 К 7,5 кВ. Плотность 2,338 г/см3.

Нелинейные кристаллы и кристаллы для управления

оптическим излучением

KDP имеет высокую оптическую прочность (около 2 ТВт/см2 при воздействии пикосекундных импульсов = 30 пс, = 1,06 мкм, поверхностная прочность примерно на порядок меньше и сильно зависит от состояния рабочих поверхностей). Кристаллы хорошо растворяются в этиловом спирте, бензине, но особенно хорошо растворяются в воде (33 г на 100 г воды) и высоко гигроскопичны.

К основным недостаткам относятся малая механическая прочность, высокая гигроскопичность и невозможность использования для модуляции излучения при длинах волн больше

1,5 мкм.

Нелинейные кристаллы и кристаллы для управления

оптическим излучением

Дидейтерофосфат калия (DKDP) (KD2PO4) – является дейтерированным аналогом KDP и имеет более высокие технические и эксплуатационные характеристики. DKDP выращивается из водных растворов с использованием тяжелой воды.

Прозрачен от 0,2 до 2 мкм, коэффициент поглощения при

= 1,06 мкм на порядок ниже, чем у KDP. В связи с более высоким значением электрооптического коэффициента (более чем в 2 раза) получил более широкое распространение в модуляторах, чем KDP (электрооптическая постоянная r63 = 25,7 10-10 см/В при = 0,69 мкм, Т = 293 К). При уменьшении температуры электрооптическая постоянная резко возрастает (379 10-10 см/В при 217 К).

Нелинейные кристаллы и кристаллы для управления

оптическим излучением

) – одноосный отрицательный кристалл тригональной сингонии. Нерастворим в воде и слабых кислотах. Весьма технологичен при механической обработке и склеивании. Производится методом вытягивания из расплава.

Диапазон прозрачности 0,33 5,5 мкм.

Нелинейные кристаллы и кристаллы для управления

оптическим излучением

Кристалл широко используется в системах генерации второй гармоники лазерного излучения и в электрооптических модуляторах света (т.к. обладает малыми полуволновыми напряжениями – всего сотни вольт).

Имеет существенные недостатки: ярко выраженный фоторефрактивный эффект (обратимое оптическое разрушение типа optical damage); малая оптическая прочность (излучение неодимового лазера разрушает кристаллы ниобата лития при интенсивности 6 МВт/см2); необходимость хорошей термостабилизации. Эти недостатки позволяют использовать ниобат лития в модуляторах только низкоинтенсивных лазеров (типа гелий-неонового). Ниобат лития с примесями элементов группы железа широко применяется в оптических запоминающих устройствах. Находит свое использование и в поляризационных призмах в условиях повышенной влажности.

Оптические поликристаллы (оптическая керамика)

Оптическая керамика (иртран )– это стеклокристаллический материал, получаемый из поликристаллической массы методом горячего (при температурах около 2/3 температуры плавления вещества) прессования под большим давлением в вакууме. Размер зерен микрокристаллов порядка десятков микрометров.

Данные керамики механически изотропны, по термомеханическим свойствам значительно превосходят аналоги соответствующих монокристаллов. Хорошо обрабатываются и обладают высокой устойчивостью к тепловым ударам. По плотности и прозрачности эти материалы близки к соответствующим монокристаллам.

Преимущество керамик заключается в их высокой однородности, которая дает возможность изготавливать из них крупные оптические детали.

Помимо этого керамика применяется для изготовления светорассеивающих экранов, подложек интерференционных светофильтров, окон приборов, работающих в ИК области спектра, а также в условиях высоких механических и термических нагрузок.

Оптические поликристаллы (оптическая керамика)

Наиболее распространена оптическая керамика КО1 (MgF2). Ее рабочий спектральный интервал 1…7 мкм.

Керамика КО2 (ZnS) работает в интервале 1…14 мкм. Показатель преломления для 10,6 мкм равен 2,2. Температура плавления 1850 С, но гораздо ранее она начинает окисляться.

Керамика КО3 (CaF2) может работать в спектральном интервале 0,4…10 мкм, но рабочая область сильно зависит от качества сырья, в видимой области прозрачность несколько ниже, чем у монокристалла. Химически устойчива. Отсутствие плоскостей спайности в поликристаллическом фтористом кальции увеличивает его устойчивость к механическим и тепловым ударам. Является перспективным материалом для прозрачных в ИК области элементов, работающих при больших перепадах давления и температуры.

Оптические поликристаллы (оптическая керамика)

Керамика КО4 (ZnSe)

диапазон 0,5…21 мкм (реально до 15 мкм),

но рабочая область зависит от качества сырья, в видимой области прозрачность несколько ниже, чем у монокристалла.

Показатель преломления n=2,402 при λ=10,6мкм (сильно зависит от температуры).

Показатель поглощения α=0,13 см-1 при λ=10,6мкм.

Температура плавления 1520 С, но сильное окисление начинается от

250 С.

В воде не растворяется, слабо растворяется в кислотах. Является перспективным материалом для прозрачных в ИК отласти элементов, работающих при больших перепадах давления и температуры.

Керамика КО5 (MgO), диапазон 0,4…8 мкм. Температура плавления 2800 С.

n=1,723 при =2 мкм.

Высокая теплопроводность позволяет использовать КО5 в изделиях, подвергающихся температурным ударам. В воде не растворяется, но при длительном хранении в атмосферных условиях взаимодействует с влагой и углекислотой с поверхностным образованием тонкого налета карбоната магния. Поэтому при длительном хранении поверхность лучше подвергать химической защите.