ОПТИЧЕСКОЕ СТЕКЛО ИЗ ГЕТЕРОЭЛЕКТРИКА Российский патент 2007 года по МПК C03C4/08 C03C3/06 

Область изобретения. Изобретение относится к оптике, в частности к оптическим материалам для управления направлением электромагнитного излучения, интенсивностью, параметрами оптического луча, длиной волны излучения и может быть использовано для повышения разрешающей способности оптических систем, для создания светосильных линз, призм и других элементов.

Описание уровня техники. Современные оптические материалы имеют показатель преломления в пределах 1.3-1.8 [1]. Недостатком таких материалов является относительно низкий коэффициент преломления. Действительно, увеличение показателя преломления приводит к улучшению характеристик элементов оптических систем. Так, например, оптическая сила линзы есть

Ф=(n-1)(1/r₁-1/r₂)+d(n-1)²/nr₁r₂, где

n - показатель преломления,

d - толщина линзы,

r₁, r₂ - радиусы кривизны поверхностей линзы.

Таким образом, увеличение показателя преломления ведет к увеличению оптической силы линзы и к уменьшению ее размеров. Другим примером увеличения разрешающей способности оптической системы является микроскоп. Для большого показателя преломления уменьшается диаметр изображения бесконечно малой светящейся точки (диск Эри), где сосредоточено 84% световой энергии точки. Диаметр изображения точки есть d=1,22λ/nsinβ, где λ - длина волны излучения, β-апертурный угол. Таким образом, помещая прозрачную среду с между объективом микроскопа и объектом можно увеличить разрешающую способность микроскопа более чем в n раз.

В природе существуют также материалы с показателем преломления 2-4 и в исключительных случаях до 8-10. Это - полупроводниковые соединения [1]. Однако они не применяются для создания оптических устройств с целью повышения разрешающей способности в видимом диапазоне из-за высокого коэффициента поглощения.

Известен также гетероэлектрик [2] - вещество для управления электромагнитным излучением, частным случаем которого является оптическое стекло [3], включающее прозрачную матрицу с гомогенно распределенными в ней наночастицами металла, различных геометрических форм с линейными размерами много меньше длин волн оптического спектра, которое выбрано в качестве прототипа данного изобретения. Недостатками известного указанного оптического стекла, используемого главным образом в качестве светофильтра, также является недостаточно высокий коэффициент преломления.

Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков и увеличение показателя преломления оптического стекла.

Раскрытие изобретения. В соответствии с данным изобретением поставленная цель достигается в предлагаемом оптическом стекле из гетероэлектрика за счет того, что в известном оптическом стекле, включающем прозрачную матрицу, например SiO₂, с распределенными в ней наночастицами полупроводника, например Ве₂Те₃, с линейными размерами много меньше длин волн оптического спектра указанные наночастицы имеют форму эллипсоидов вращения с отношениями длин малых полуосей а к длинам больших полуосей b в интервале от 0,2 до 0,1 и расположены в указанной матрице в форме кубической решетки и с объемной плотностью порядка 10%, причем неточность относительного расположения соседних наночастиц не превышает b, а неточность значений а и b и их отношения для частиц данного оптического стекла не превышает 15%.

Краткое описание чертежей.

На Фиг.1 изображена схема расположения наночастиц в матрице предлагаемого оптического стекла из гетероэлектрика. Е изображает падающее электромагнитное излучение, поляризованное вдоль большой оси эллипсоидных наночастиц, а и b - длины полуосей эллипсоида вращения, r - расстояние между наночастицами, ε_р и ε_m - поляризуемости наночастиц и матрицы соответственно.

На Фиг.2 изображена зависимость показателя преломления гетерогенной среды (кривая 1), изображенной на Фиг.1, и ее коэффициента поглощения (в см^-1, кривая 2) от объемной концентрации η наночастиц в матрице.

Осуществление изобретения. В данном изобретении показатель преломления увеличивается за счет эффекта наведенной электромагнитным полем прозрачности в сочетании с эффектом локального поля Лоренца.

В соответствии с формулой Лоренц-Лоренца [4] электромагнитное поле излучения, действующее на частицу среды (локальное поле), увеличивается и описывается

Где Е есть Фурье компонента максвелловского электромагнитного поля, Р - Фурье компонента поляризации среды. Уравнение (1) ведет к выражению для диэлектрической функции среды ((Клаузиуса-Мосотти), содержащей наночастицы:

где α_к - поляризуемость одиночной частицы сорта к, N_к ее концентрация в объеме среды. Известно, что слабое излучение с длиной волны больше размера частиц вызывает самофазировку колебаний ее частиц-диполей и к росту, тем самым, взаимодействия среды с полем. Одним из проявлений такого суперкогерентного взаимодействия является рост дисперсии среды вследствие того, что локальное поле, действующее на частицу среды, сильно отличается от среднего поля на длине волны поля. Малое поглощение прозрачной среды способствует достижению критического значения поляризуемости среды. Выбирая подходящую среду, материал, размеры, форму, взаимное расположение и концентрацию наночастиц, можно создать условия, когда наступает так называемая катастрофа Клаузиуса-Мосотти, обусловленная самофазировкой колебаний частиц среды, взаимодействующих через спонтанное излучение, и ведущая к тому, что диэлектрическая функция среды, содержащей указанные наночастицы, соответственно показатель преломления, будет стремиться к бесконечности.

Действительно, рассмотрим среду, в которой частицы эллипсоидного типа сделаны из материала с диэлектрической функцией ε_р и помещены в диэлектрическую матрицу - среду с диэлектрической функцией ε_m. При этом наночастицы могут быть из прозрачного диэлектрика или из полупроводника. Размер частиц меньше, чем длина волны электромагнитного поля, и поэтому каждая частица может рассматриваться в качестве диполя. Для простоты рассмотрения положим, что все частицы имеют одну и ту же ориентацию и электромагнитное поле поляризовано вдоль большой оси частицы, а потерями в среде пренебрежем. В зависимости от концентрации наночастиц диэлектрическая функция гетерогенной среды линейно растет для малых концентраций [5]. Когда вклад наночастиц становится порядка диэлектрической функции матрицы, то кроме дипольного взаимодействия с атомами среды наночастицы начинают взаимодействовать друг с другом через ближнее поле. Это обуславливает их когерентное взаимодействие со средой. Наночастица, рассматриваемая как диполь, ведет себя в электромагнитном поле как гармонический осциллятор. Энергия хаотических колебаний осцилляторов с концентрацией N в единице объема есть E_мин=EN, в то время как для самофазирующихся (когерентных) колебаний наночастиц эта энергия E_мак=EN². Таким образом, самофазировка колебаний наночастиц в поле в N раз повышает их энергию и, как следствие, диэлектрическую функцию и показатель преломления гетерогенной среды.

Известными методами легко рассчитать необходимую для указанной самофазировки концентрацию наночастиц. Например:

Поляризация отдельной наночастицы [5]

где; V₀ - объем наночастицы, ε=ε_p/ε_m a 0<k<1, где k есть параметр деполяризуемости, зависящий от формы частицы.

Для гетерогенной среды, таким образом, будем иметь

где N₀ - концентрация наночастиц, а 4παN - описывает матрицу среды с величиной объемной концентрации частиц η:

Вставив уравнение (3) в уравнение (4), имея в виду (5), можно найти ту концентрацию, при которой выполняется условие (4):

Так, для матрицы из стекла с ε_m=1.33² и полупроводниковых частиц Ве₂Те₃ с ε_p=9² [1], если к=0.01, что соответствует отношению осей элипсоида b/а=6.2 [4], то получим из (6), что η=0.07 - критическая концентрация частиц для катастрофы Клазиуса-Мосотти. Показатель преломления гетерогенной среды n=Re(√ε) определяется из соотношения (2) как функция объемной концентрации наночастиц. Расстояние r между наночастицами оценивается из соотношения η=V₀/V₁, где V₁=2br² - объем, приходящийся на одну наночастицу, а объем наночастицы-эллипсоида вращения V₀=(4π/3)ab², следовательно r=(2π/3η)^1/2b. Расстояние r=5.5b соответствует наибольшему достижимому показателю преломления гетерогенной среды при оптимальной объемной концентрации наночастиц в матрице, равной 0.07 долей. Расчеты также показывают, что для достижения близких значений (по всему объему стекла неточность расположения соседних наночастиц не может превышает 6, а неточность значений а и b и их отношения - 15%.

Таким образом, предлагаемое оптическое стекло из гетероэлектрика с высоким показателем преломления, достигающим значений n более 10, для преобразователей оптического излучения состоит из прозрачной диэлектрической матрицы, например SiO₂ и введенных в матрицу прозрачных диэлектрических или полупроводниковых наночастиц, например Ве₂Те₃, с показателем преломления, равным 9. Наночастицы имеют размеры меньше длины волны электромагнитного поля, взаимодействующего со средой, и форму, близкую к эллипсоидальной. Они упорядоченно расположены в матрице, как показано на Фиг.1, где а - длина меньшей полуоси наночастицы-эллипсоида, b - длина ее большой полуоси, r - расстояние между центрами наночастиц, определяемое из оптимальной объемной концентрации наночастиц. На Фиг.2 приведена расчетная зависимость показателя преломления указанного оптического стекла от объемной концентрации наночастиц, который может достигать значений 10 и более.

Пример реализации изобретения.

Наночастицы из полупроводника получают из раствора смеси окислов исходных компонентов и вытягиванием их из расплава на платиновом стержне при медленном снижении температуры расплава. Для получения нужной формы наночастиц стержень вращается. Полученные наночастицы из полупроводника смешиваются с расплавленным диэлектрическим носителем (SiO₂). Размер, форма наночастиц и взаимное расстояние между наночастицами контролируется атомно-силовым микроскопом после укладки их на монослой расплава стекла порядка размера наночастиц. Размер наночастиц и их взаимное расстояние выдерживаются с точностью ˜15% и отбираются на основании измерений атомно-силовым микроскопом.

Измерение диэлектрической функции гетероэлектрика осуществляется эллипсометрическим спектрометром.

Источники информации

1. Физические величины, справочник под ред. И.С.Григорьева и Е.З.Мейлихова, Москва: Энергоатомиздат, 1991.

2. Займидорога О.А., Проценко И.Е., Самойлов В.Н., Патент RU 2249277.

3. Займидорога О.А., Проценко И.Е., Самойлов В.Н., Патент RU 2209785.

4. И.Е.Тамм. Основы теории электричества, Физматлит, стр.127, 2003 г.

5. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Электродинамика сплошных сред. - Москва: Физматлит, 2001 г.

Использование: для изготовления оптических фильтров. Оптическое стекло из гетероэлектрика включает прозрачную матрицу, например SiO₂, с распределенными в ней наночастицами полупроводника, например Ве₂Те₃, с линейными размерами много меньше длин волн оптического спектра. Указанные наночастицы имеют форму эллипсоидов вращения с отношением длин малых полуосей а к длинам больших полуосей b в интервале 0,2-0,1 и расположены в матрице в форме кубической решетки с плотностью порядка 0,1 объемных долей. Техническая задача изобретения - увеличение показателя преломления стекла. 2 ил.

Оптическое стекло из гетероэлектрика, включающее прозрачную матрицу, например SiO₂, с распределенными в ней наночастицами полупроводника, например Ве₂Те₃, с линейными размерами много меньше длин волн оптического спектра, отличающееся тем, что указанные наночастицы имеют форму эллипсоидов вращения с соотношениями длин малых полуосей а к длинам больших полуосей b в интервале от 0,2 до 0,1 и расположены в указанной матрице в форме кубической решетки с плотностью порядка 0,1 объемных долей, причем неточность относительного расположения соседних наночастиц не превышает b, а неточность значений а и b и их отношения для частиц данного оптического стекла не превышает 15%.