あらゆる光学製造プロセスの最初のステップは、適切な光学材料の選択です。光学材料の光学パラメータ（屈折率、アッベ数、透過率、反射率）、物理的特性（硬度、変形量、気泡含有量、ポアソン比）、さらには温度特性（熱膨張係数、屈折率と温度の関係）など、すべてが光学材料の光学特性に影響を与えます。光学部品およびシステムの性能。この記事では、一般的な光学材料とその特性について簡単に説明します。
光学材料は主に光学ガラス、光学結晶、特殊光学材料の3つのカテゴリーに分けられます。
01 光学ガラス
光学ガラスは、光を透過できる非晶質（ガラス質）の光学媒質材料です。光はこれを通過すると、伝播方向、位相、強度を変化させます。光学機器やシステムのプリズム、レンズ、ミラー、窓、フィルターなどの光学部品の製造に広く使用されています。光学ガラスは、高い透明性、化学的安定性、構造と性能の物理的均一性を備え、特定の正確な光学定数を持っています。低温固体状態では、光学ガラスは高温液体状態の非晶質構造を維持します。理想的には、屈折率、熱膨張係数、硬度、熱伝導率、電気伝導率、弾性率など、ガラス内部の物理的および化学的特性はすべての方向で同じであり、これを等方性と呼びます。
光学ガラスの主なメーカーとしては、ドイツのショット、アメリカのコーニング、日本のオハラ、国内の成都光明硝子（CDGM）などがあります。
屈折率と分散図
光学ガラスの屈折率曲線
透過率曲線
02. 光学結晶
光学結晶とは、光学媒体に用いられる結晶材料を指します。光学結晶の構造特性により、紫外線や赤外線用途の様々な窓、レンズ、プリズムの製造に広く用いられています。結晶構造の違いにより、単結晶と多結晶に分けられます。単結晶材料は結晶の完全性と光透過率が高く、入力損失が低いため、主に光学結晶に用いられています。
具体的には、一般的な UV および赤外線結晶材料には、石英 (SiO2)、フッ化カルシウム (CaF2)、フッ化リチウム (LiF)、岩塩 (NaCl)、シリコン (Si)、ゲルマニウム (Ge) などがあります。
偏光結晶：一般的に使用される偏光結晶には、方解石（CaCO3）、石英（SiO2）、硝酸ナトリウム（硝酸塩）などがあります。
アクロマート結晶：結晶の特殊な分散特性は、アクロマート対物レンズの製造に利用されます。例えば、フッ化カルシウム（CaF2）をガラスと組み合わせることでアクロマートシステムを形成し、球面収差と二次スペクトルを除去することができます。
レーザー結晶: ルビー、フッ化カルシウム、ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット結晶など、固体レーザーの作動材料として使用されます。
結晶材料は天然結晶と人工結晶に分けられます。天然結晶は非常に希少で、人工的に育成するのが難しく、サイズも限られており、コストも高くなります。一般的にガラス材料が不足している場合に利用され、非可視光帯域で動作するため、半導体やレーザー産業で使用されています。
03 特殊光学材料
a. ガラスセラミック
ガラスセラミックは、ガラスでも水晶でもない、その中間に位置する特殊な光学材料です。ガラスセラミックと通常の光学ガラスの主な違いは、結晶構造の有無です。セラミックよりも微細な結晶構造を有し、低熱膨張率、高強度、高硬度、低密度、極めて高い安定性といった特性を有しています。板状結晶、標準メーターの目盛り、大型ミラー、レーザージャイロスコープなどの加工に広く用いられています。
微結晶光学材料の熱膨張係数は0.0±0.2×10-7/℃（0~50℃）に達することがある。
b. シリコンカーバイド
炭化ケイ素は、光学材料としても用いられる特殊セラミック材料です。優れた剛性、低い熱変形係数、優れた熱安定性、そして大幅な軽量化効果を有しており、大型軽量ミラーの主要材料として注目されており、航空宇宙、高出力レーザー、半導体などの分野で広く利用されています。
これらの光学材料は、光学媒体材料とも呼ばれます。主要な光学媒体材料に加え、光ファイバー材料、光学フィルム材料、液晶材料、発光材料なども光学材料に属します。光学技術の発展は光学材料技術と切り離せないものであり、我が国の光学材料技術の発展に期待しています。
投稿日時: 2024年1月5日
