مقدمة للمواد البصرية الشائعة

الخطوة الأولى في أي عملية تصنيع بصري هي اختيار المواد البصرية المناسبة. تؤثر جميع العوامل البصرية (معامل الانكسار، عدد آبي، النفاذية، الانعكاسية)، والخصائص الفيزيائية (الصلابة، التشوه، محتوى الفقاعات، نسبة بواسون)، وحتى خصائص درجة الحرارة (معامل التمدد الحراري، العلاقة بين معامل الانكسار ودرجة الحرارة) للمواد البصرية على خصائصها البصرية. أداء المكونات والأنظمة البصرية. ستقدم هذه المقالة تعريفًا موجزًا ​​للمواد البصرية الشائعة وخصائصها.
تنقسم المواد البصرية بشكل أساسي إلى ثلاث فئات: الزجاج البصري، والبلور البصري، والمواد البصرية الخاصة.

01 زجاج بصري
الزجاج البصري مادة وسيطة بصرية غير متبلورة (زجاجية) تنقل الضوء. يمكن للضوء المار عبرها تغيير اتجاه انتشاره وطوره وشدته. يُستخدم عادةً في إنتاج مكونات بصرية مثل المناشير والعدسات والمرايا والنوافذ والمرشحات في الأجهزة أو الأنظمة البصرية. يتميز الزجاج البصري بشفافية عالية وثبات كيميائي وتوحيد فيزيائي في البنية والأداء، وله ثوابت بصرية محددة ودقيقة. في الحالة الصلبة منخفضة الحرارة، يحتفظ الزجاج البصري بالبنية غير المتبلورة للحالة السائلة عالية الحرارة. في الحالة المثالية، تكون الخصائص الفيزيائية والكيميائية الداخلية للزجاج، مثل معامل الانكسار، ومعامل التمدد الحراري، والصلابة، والموصلية الحرارية، والموصلية الكهربائية، ومعامل المرونة، وغيرها، متماثلة في جميع الاتجاهات، وهو ما يُسمى بالتماثل الخواص.
تشمل الشركات المصنعة الرئيسية للزجاج البصري شركة Schott الألمانية، وشركة Corning الأمريكية، وشركة Ohara اليابانية، وشركة Chengdu Guangming Glass (CDGM) المحلية، وغيرها.

مخطط معامل الانكسار والتشتت

منحنيات معامل الانكسار للزجاج البصري

منحنيات النفاذية

02. البلورة البصرية

البلورة البصرية هي المادة البلورية المستخدمة في الوسائط البصرية. بفضل خصائصها الهيكلية، تُستخدم على نطاق واسع في صناعة النوافذ والعدسات والمناشير المختلفة لتطبيقات الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء. وتُصنف البلورة البصرية إلى بلورة أحادية ومتعددة البلورات، وذلك بفضل بنيتها البلورية العالية ونفاذيتها العالية للضوء، وانخفاض فقدها في الإشارة، لذا تُستخدم البلورات الأحادية بشكل رئيسي في البلورات البصرية.
على وجه التحديد: تشمل مواد البلورات الشائعة للأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء ما يلي: الكوارتز (SiO2)، فلوريد الكالسيوم (CaF2)، فلوريد الليثيوم (LiF)، ملح الصخور (NaCl)، السيليكون (Si)، الجرمانيوم (Ge)، إلخ.
البلورات المستقطبة: تشمل البلورات المستقطبة المستخدمة بشكل شائع الكالسيت (CaCO3)، والكوارتز (SiO2)، ونترات الصوديوم (نيترات)، وما إلى ذلك.
بلورة لا لونية: تُستخدم خصائص التشتت الخاصة بالبلورة في تصنيع عدسات موضوعية لا لونية. على سبيل المثال، يُمزج فلوريد الكالسيوم (CaF2) مع الزجاج لتشكيل نظام لا لوني، مما يُزيل الانحراف الكروي والطيف الثانوي.
بلورة الليزر: تستخدم كمواد عمل لليزر الحالة الصلبة، مثل الياقوت، وفلوريد الكالسيوم، وبلورة العقيق الألومنيوم الإيتريوم الممزوجة بالنيوديميوم، وما إلى ذلك.

تنقسم المواد البلورية إلى طبيعية وصناعية. البلورات الطبيعية نادرة جدًا، ويصعب زراعتها صناعيًا، ومحدودة الحجم، ومكلفة. تُستخدم عادةً عندما تكون المادة الزجاجية غير كافية، ويمكنها العمل في نطاق الضوء غير المرئي، وتُستخدم في صناعات أشباه الموصلات والليزر.

03 مواد بصرية خاصة

أ. الزجاج والسيراميك
السيراميك الزجاجي مادة بصرية خاصة، ليست زجاجًا ولا بلورة، بل هي في الواقع بين الاثنين. يكمن الفرق الرئيسي بين السيراميك الزجاجي والزجاج البصري العادي في وجود بنية بلورية. يتميز ببنية بلورية أدق من السيراميك. يتميز بمعامل تمدد حراري منخفض، وقوة وصلابة عالية، وكثافة منخفضة، وثبات عالٍ للغاية. يُستخدم على نطاق واسع في معالجة البلورات المسطحة، وعصي القياس القياسية، والمرايا الكبيرة، وجيروسكوبات الليزر، وغيرها.

يمكن أن يصل معامل التمدد الحراري للمواد البصرية الدقيقة إلى 0.0±0.2×10-7/℃ (0~50℃)

ب. كربيد السيليكون

كربيد السيليكون مادة سيراميكية متخصصة تُستخدم أيضًا كمادة بصرية. يتميز كربيد السيليكون بصلابة جيدة، ومعامل تشوه حراري منخفض، واستقرار حراري ممتاز، وقدرته على تخفيف الوزن بشكل ملحوظ. ويُعتبر المادة الرئيسية للمرايا كبيرة الحجم وخفيفة الوزن، ويُستخدم على نطاق واسع في مجال الطيران والفضاء، والليزر عالي الطاقة، وأشباه الموصلات، وغيرها من المجالات.

يمكن تسمية هذه الفئات من المواد البصرية أيضًا بمواد الوسائط البصرية. بالإضافة إلى الفئات الرئيسية لمواد الوسائط البصرية، فإن مواد الألياف البصرية، ومواد الأغشية البصرية، ومواد الكريستال السائل، والمواد المضيئة، وغيرها، تنتمي جميعها إلى المواد البصرية. إن تطور التكنولوجيا البصرية لا ينفصل عن تكنولوجيا المواد البصرية. نتطلع إلى تقدم تكنولوجيا المواد البصرية في بلدي.