การแนะนำวัสดุออปติกทั่วไป

ขั้นตอนแรกในกระบวนการผลิตออปติกคือการเลือกวัสดุออปติกที่เหมาะสม พารามิเตอร์ทางแสง (ดัชนีหักเหแสง หมายเลข Abbe การส่งผ่านแสง การสะท้อนแสง) คุณสมบัติทางกายภาพ (ความแข็ง การเสียรูป ปริมาณฟองอากาศ อัตราส่วนปัวซอง) และแม้แต่ลักษณะอุณหภูมิ (ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน ความสัมพันธ์ระหว่างดัชนีหักเหแสงและอุณหภูมิ) ของวัสดุออปติก ทั้งหมดนี้ล้วนส่งผลต่อคุณสมบัติทางแสงของวัสดุออปติก ประสิทธิภาพของส่วนประกอบและระบบออปติก บทความนี้จะแนะนำวัสดุออปติกทั่วไปและคุณสมบัติของวัสดุเหล่านี้โดยย่อ
วัสดุออปติกแบ่งออกเป็น 3 ประเภทหลักๆ ได้แก่ กระจกออปติก คริสตัลออปติก และวัสดุออปติกพิเศษ

01 กระจกออปติคอล
กระจกออปติกเป็นวัสดุตัวกลางออปติกแบบอะมอร์ฟัส (คล้ายแก้ว) ที่สามารถส่งผ่านแสงได้ แสงที่ผ่านกระจกออปติกสามารถเปลี่ยนทิศทางการแพร่กระจาย เฟส และความเข้มได้ กระจกออปติกมักใช้ในการผลิตส่วนประกอบออปติก เช่น ปริซึม เลนส์ กระจกเงา หน้าต่าง และฟิลเตอร์ในเครื่องมือหรือระบบออปติก กระจกออปติกมีความโปร่งใสสูง มีความเสถียรทางเคมี และมีความสม่ำเสมอทางกายภาพในโครงสร้างและประสิทธิภาพ มีค่าคงที่ทางแสงที่เฉพาะเจาะจงและแม่นยำ ในสถานะของแข็งอุณหภูมิต่ำ กระจกออปติกจะคงโครงสร้างอะมอร์ฟัสของสถานะของเหลวอุณหภูมิสูงไว้ ในอุดมคติ คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีภายในของกระจก เช่น ดัชนีหักเหของแสง ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน ความแข็ง การนำความร้อน การนำไฟฟ้า โมดูลัสของความยืดหยุ่น ฯลฯ จะต้องเหมือนกันในทุกทิศทาง ซึ่งเรียกว่า ไอโซทรอปี
ผู้ผลิตกระจกออปติกหลักๆ ได้แก่ Schott จากเยอรมนี Corning จากสหรัฐอเมริกา Ohara จากญี่ปุ่น และ Chengdu Guangming Glass (CDGM) ในประเทศ เป็นต้น

แผนภูมิดัชนีหักเหและการกระจายตัว

เส้นโค้งดัชนีหักเหของกระจกออปติคอล

เส้นโค้งการส่งผ่าน

02. คริสตัลออปติคอล

คริสตัลออปติคัลหมายถึงวัสดุคริสตัลที่ใช้ในสื่อออปติคัล เนื่องจากลักษณะโครงสร้างของคริสตัลออปติคัล จึงสามารถนำไปใช้ทำหน้าต่าง เลนส์ และปริซึมต่างๆ สำหรับการใช้งานอุลตราไวโอเลตและอินฟราเรดได้อย่างกว้างขวาง โดยแบ่งตามโครงสร้างคริสตัลได้เป็นคริสตัลเดี่ยวและโพลีคริสตัลไลน์ วัสดุคริสตัลเดี่ยวมีความสมบูรณ์ของคริสตัลและการส่งผ่านแสงสูง รวมถึงการสูญเสียอินพุตต่ำ ดังนั้นคริสตัลเดี่ยวจึงใช้เป็นหลักในคริสตัลออปติคัล
โดยเฉพาะ: วัสดุผลึก UV และอินฟราเรดทั่วไปได้แก่ ควอตซ์ (SiO2), แคลเซียมฟลูออไรด์ (CaF2), ลิเธียมฟลูออไรด์ (LiF), เกลือหิน (NaCl), ซิลิกอน (Si), เจอร์เมเนียม (Ge) ฯลฯ
คริสตัลโพลาไรซ์: คริสตัลโพลาไรซ์ที่ใช้กันทั่วไปได้แก่ แคลไซต์ (CaCO3), ควอตซ์ (SiO2), โซเดียมไนเตรต (ไนเตรต) ฯลฯ
คริสตัลอะโครมาติก: ลักษณะการกระจายแสงพิเศษของคริสตัลถูกนำมาใช้ในการผลิตเลนส์วัตถุอะโครมาติก ตัวอย่างเช่น แคลเซียมฟลูออไรด์ (CaF2) จะถูกผสมกับแก้วเพื่อสร้างระบบอะโครมาติก ซึ่งสามารถขจัดความคลาดทรงกลมและสเปกตรัมรองได้
คริสตัลเลเซอร์: ใช้เป็นวัสดุทำงานสำหรับเลเซอร์โซลิดสเตต เช่น ทับทิม แคลเซียมฟลูออไรด์ ผลึกอลูมิเนียมการ์เนตอิตเทรียมเจือปนนีโอดิเมียม ฯลฯ

วัสดุคริสตัลแบ่งออกเป็นวัสดุธรรมชาติและวัสดุสังเคราะห์ วัสดุคริสตัลธรรมชาตินั้นหายากมาก ยากต่อการปลูกด้วยเทคนิค มีขนาดจำกัด และมีราคาแพง โดยทั่วไปแล้ววัสดุแก้วจะถือว่าใช้งานได้ในแถบแสงที่มองไม่เห็น และใช้ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และเลเซอร์

03 วัสดุออปติกพิเศษ

ก. แก้ว-เซรามิก
กระจกเซรามิกเป็นวัสดุออปติกพิเศษที่ไม่ใช่แก้วหรือคริสตัล แต่เป็นวัสดุที่อยู่ระหว่างกลาง ความแตกต่างหลักระหว่างกระจกเซรามิกและกระจกออปติกธรรมดาคือการมีโครงสร้างผลึก กระจกเซรามิกมีโครงสร้างผลึกที่ละเอียดกว่าเซรามิก มีคุณสมบัติคือมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่ำ มีความแข็งแรงสูง ความแข็งสูง ความหนาแน่นต่ำ และมีเสถียรภาพสูงมาก กระจกเซรามิกใช้กันอย่างแพร่หลายในการประมวลผลผลึกแบน แท่งวัดมาตรฐาน กระจกบานใหญ่ ไจโรสโคปเลเซอร์ เป็นต้น

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของวัสดุออปติกไมโครคริสตัลลีนสามารถเข้าถึง 0.0±0.2×10-7/℃ (0~50℃)

ข. ซิลิกอนคาร์ไบด์

ซิลิกอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุเซรามิกชนิดพิเศษที่ใช้เป็นวัสดุออปติกด้วย ซิลิกอนคาร์ไบด์มีความแข็งที่ดี ค่าสัมประสิทธิ์การเสียรูปเนื่องจากความร้อนต่ำ มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ยอดเยี่ยม และมีผลในการลดน้ำหนักอย่างมีนัยสำคัญ ถือเป็นวัสดุหลักสำหรับกระจกน้ำหนักเบาขนาดใหญ่ และใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ เลเซอร์กำลังสูง เซมิคอนดักเตอร์ และสาขาอื่นๆ

วัสดุออปติกเหล่านี้ยังเรียกอีกอย่างว่าวัสดุสื่อออปติก นอกเหนือจากวัสดุสื่อออปติกประเภทหลักแล้ว วัสดุใยแก้วนำแสง วัสดุฟิล์มออปติก วัสดุคริสตัลเหลว วัสดุเรืองแสง ฯลฯ ล้วนจัดอยู่ในวัสดุออปติก การพัฒนาเทคโนโลยีออปติกนั้นแยกไม่ออกจากเทคโนโลยีวัสดุออปติก เรารอคอยที่จะได้สัมผัสกับความก้าวหน้าของเทคโนโลยีวัสดุออปติกของประเทศของเรา