Оптические материалы классифицируются по различным признакам, наиболее существенными из которых являются:
Пассивные материалы пропускают, отражают или поглощают свет, не изменяя его характеристик (в рамках линейной оптики). Активные материалы, напротив, способны усиливать свет, модулировать его или генерировать когерентное излучение — к таким относят лазерные среды, нелинейные кристаллы, материалы с фотонной инверсией и др.
Основным критерием пригодности материала для использования в оптике является его прозрачность в заданном спектральном диапазоне. Прозрачность материала количественно характеризуется коэффициентом пропускания T(λ), который зависит от длины волны излучения. Для идеальных диэлектриков в пределах полосы прозрачности T(λ) стремится к 1.
Материалы, обладающие широкой полосой прозрачности, такие как кварц, фторид кальция и сапфир, находят широкое применение в лазерной оптике, спектроскопии и фотолитографии.
Поглощение света описывается коэффициентом поглощения α, связанного с мнимой частью показателя преломления:
$$ \tilde{n} = n + i\kappa, \quad \alpha = \frac{4\pi \kappa}{\lambda} $$
Значения κ и α зависят от энергетической структуры вещества, наличия примесей, дефектов кристаллической решетки, температурного режима и других факторов. Высокое поглощение характерно для металлов и полупроводников при определённых длинах волн.
Показатель преломления n(λ) является функцией длины волны света и описывает скорость распространения электромагнитной волны в материале. Для большинства прозрачных веществ выполняется нормальная дисперсия, при которой n убывает с ростом λ. Эта зависимость выражается уравнением Коши или уравнением Зелмейера:
$$ n^2(\lambda) = A + \frac{B}{\lambda^2} + \frac{C}{\lambda^4} $$
Где A, B, C — эмпирические константы, определяемые спектроскопическими методами.
Вблизи полос поглощения возможна аномальная дисперсия, при которой n(λ) резко возрастает, сопровождаясь увеличением κ. Это явление используется, например, в областях спектроскопии и нелинейной оптики.
Некоторые кристаллы (например, кальцит, турмалин) обладают анизотропией оптических свойств. Это означает, что показатель преломления зависит от направления распространения света и его поляризации. В таких материалах наблюдается двулучепреломление — разделение входящего луча на два: обыкновенный и необыкновенный.
Для униаксиальных кристаллов (одна оптическая ось) используются два показателя преломления: no и ne. Разность Δn = ne − no определяет величину анизотропии. Эта особенность широко применяется в поляризационной оптике, модуляторах, волновых пластинах.
В сильных полях (например, в фокусе мощного лазера) нарушается линейная зависимость между поляризацией среды и напряжённостью поля. Поляризация описывается рядом:
P⃗ = ε0(χ(1)E⃗ + χ(2)E⃗2 + χ(3)E⃗3 + …)
Где χ(2), χ(3) — нелинейные восприимчивости второго и третьего порядка.
Нелинейные эффекты включают:
Наиболее эффективные нелинейные кристаллы: KDP, BBO, LiNbO₃, GaAs.
Оптическая дисперсия влияет не только на фазовую, но и на групповую скорость света, что особенно важно при передаче коротких (фемтосекундных) импульсов. Групповая скорость определяется выражением:
$$ v_g = \frac{d\omega}{dk} = c \left( n + \omega \frac{dn}{d\omega} \right)^{-1} $$
Материалы с минимальной хроматической дисперсией в заданной области спектра используются в волоконной связи, прецизионной спектроскопии, фемтосекундной оптике.
Поглощение может быть:
Двухфотонное и трёхфотонное поглощение наблюдается в условиях высокой интенсивности излучения и используется в 3D-микроскопии, микролитографии и биофотонике.
Материалы могут изменять показатель преломления под действием механических напряжений или акустических волн. Фотоупругое поведение описывается изменением тензора диэлектрической проницаемости Δεij ∝ σkl, где σkl — тензор механических напряжений.
Акустооптические модуляторы и дефлекторы используют изменение оптической плотности под действием бегущей ультразвуковой волны, что позволяет эффективно управлять направлением и модуляцией света.
Вещества с ярко выраженной зависимостью оптических характеристик от приложенного поля называют электрооптическими или магнитооптическими материалами.
Пьезоэлектрический эффект, эффект Поккельса и эффект Керра позволяют управлять фазой и поляризацией света с помощью напряжения. Материалы: LiNbO₃, KDP, GaAs.
Фарадеев эффект — вращение плоскости поляризации в магнитном поле. Используется в изоляторах, циркуляторах и лазерной защите.
Некоторые материалы испускают свет под действием возбуждения (оптического, электронного, химического и т. д.). Это явление включает:
Такие свойства характерны для фосфоров, органических красителей, редкоземельных ионов в стекле или кристаллах (например, Nd³⁺, Er³⁺, Yb³⁺).
Они обладают регулярной решеткой, что определяет устойчивость и предсказуемость оптических свойств. Используются в нелинейной оптике, лазерной технике и акустооптике.
Оптические стёкла (на основе SiO₂, As₂S₃, фторидов) характеризуются изотропностью и высокой однородностью. Их легко формовать, они устойчивы к внешним воздействиям.
В последние десятилетия активно развиваются метаматериалы, фотонные кристаллы и нанокомпозиты, позволяющие создавать материалы с заданными дисперсионными и поляризационными характеристиками, в том числе с отрицательным показателем преломления.
Для длинноволновой инфракрасной оптики применяются особые материалы: германиевые и кремниевые линзы, ZnSe, CdTe, а также полупроводники с широкой запрещённой зоной. В терагерцовом диапазоне перспективны кристаллы GaP, LiNbO₃ и специальные полимерные среды.
Для реализации высокоточных оптических компонентов важно обеспечить:
Применяются методы химического травления, ионной полировки, многослойных покрытий, лазерной обработки. Особое внимание уделяется созданию антиотражающих, защитных и спектральных покрытий.