Оптический контакт

Опти́ческий конта́кт — механический бесклеевой контакт прозрачных в оптическом диапазоне тел, при котором зазор между этими телами составляет величину порядка радиуса действия молекулярных сил для данных веществ. Соответственно, величина зазора оптического контакта гораздо меньше длины световой волны.

Бесклеевые оптические контакты бывают двух типов: разъёмные (оптический контакт, ОК) и неразъёмные (глубокий оптический контакт, ГОК). Как правило, ГОК подвергаются термическому упрочнению при температуре 100—150 °С. Иногда термической обработке подвергают весь оптический узел, используя инфракрасный нагрев в специальной нагревательной печи при температуре 250 ± 10 °С.

Физические основы

Файл:EshelonMaikelsona.jpg

Эшелон Майкельсона. Между всеми пластинами выполнен оптический контакт

Как правило, для создания оптического контакта используют вещества, показатели преломления которых или равны, или близки друг к другу. В этом случае свет, проходя через границу раздела двух сред, не изменяет своего направления, или меняет его на ничтожно малую величину. Согласно законам сохранения, коэффициент отражения от границы раздела таких сред (оптического контакта) весьма мал (для стёкол составляет величину в пределах 10^-4—10^-7).

Оптические контакты получают путём тщательной полировки поверхности соприкасающихся веществ и после механического контакта фиксируют, чтобы избежать сдвигов соприкасающихся материалов друг относительно друга (различают нормальную $\sigma _{n}$и тангенциальную $\sigma _{t}$, составляющие силы сцепления).

Область оптического контакта мала, вследствие чего можно определить коэффициент отражения от границы раздела двух сред как быстро убывающую функцию расстояния между их поверхностями $n_{i}=f_{i}(l_{i})$, где $n_{i}$ — показатель преломления i-среды, $l_{i}$ — расстояние от границы соприкосновения двух сред.

Если показатели преломления двух контактирующих сред подобраны таким образом, чтобы происходило явление полного внутреннего отражения, коэффициент отражения быстро изменяется от 1 до очень малой величины ~0, что позволяет модулировать интенсивность света и разделять длинноволновую и коротковолновую часть светового излучения.

ОК, в частности, применяется в эшелоне Майкельсона и других оптических приборах и системах.

Технические параметры

Основными техническими параметрами для сред, образующих оптический контакт, являются:

Шероховатость, согласно ГОСТ 2789-73, определяется по ряду номенклатурных параметров (среднее арифметическое отклонение профиля $R_{a}$, высота неровностей профиля по десяти точкам $R_{z}$, наибольшая высота профиля $P_{max}$, средний шаг неровностей $S_{m}$, средний шаг местных выступов профиля $S$, относительная опорная длина профиля $t_{p}$, где $p$ — значения уровня сечения профиля), предпочтительным из которых является $R_{a}$. Допустимая шероховатость для ОК:

$R_{a}\leqslant 0,050$.

Чистота должна соответствовать III классу, определённому в ГОСТ 11141-84. При этом точ­ность формы поверхностей определяется размером соединяемых сред.

Механическая прочность соединения ОК и ГОК для оптических стёкол должна быть в пределах от 4 до 8 кг/см². Следует учитывать, что через 5—7 суток после соединения прочность увеличивается примерно на 30 % по сравнению с первоначальной.

Технология получения ГОК

Коэффициент теплового расширения
$\beta ={\frac {1}{V}}\left({\frac {dV}{dT}}\right)_{p}$
Размерность	Θ−1
Единицы измерения
СИ	К−1
СГС	К−1

Одним из способов получения глубокого оптического контакта (ГОК) является нанесение на соединяемые оптические поверхности тонкой плёнки кремнезёма ${\ce {SiO_2}}$ с последующим механическим сдавливанием и прогревом при температуре ~250 °С. Толщина зазора между оптическими поверхностями становится порядка радиуса действия молекулярных сил. Эта технология успешно конкурирует со спеканием и сваркой оптических деталей, что позволяет применять её в сложных высокоточных многокомпонентных оптических узлах, предназначенных, в частности, в условиях жёсткой эксплуатации — механической тряске, радиационном облучении, и т. д.

Применяется, как правило, для оптических деталей из силикатного и кварцевого стёкол, ситаллов, некоторых кристаллов (Si, Ge и др.) с учётом разности коэффициентов расширения для данных материалов; допускается разница в пределах $(15-20)\cdot 10^{-7}$ градус⁻¹.

Плёнку ${\ce {SiO_2}}$ получают гидролизом ${\ce {SiCl4}}$ или травлением в растворах кислот (${\ce {HNO3}}$ или ${\ce {CHgCOOH}}$) на поверхностях контактирующих оптических сред, например, кварцевого стекла или ситаллов, после чего прогревают в течение ~30 с. Механическое соединение нужно производить не позднее 1—2 суток после нанесения плёнки. На последнем этапе изготовления ГОК узел подвергают термообработке в сушильном шкафу в течение приблизительно 8 часов.

См. также

• Оптика
• Оптические материалы
• Оптические приборы
• Оптические явления
• Волоконная оптика
• Волоконно-оптическая связь
• Лазерная физика

Литература

• Яворский Б. М., Детлаф А. А. Курс физики. Том III. Волновые процессы, оптика, атомная и ядерная физика. — М. : Высшая школа, 1972.
• Апенко М. И., Дубовик А. С. Прикладная оптика. — М. : Наука, 1982.
• Бутиков Е. И. Оптика : учебное пособие для вузов. — СПб. : БХВ-Петербург : Невский ДиалектЪ, 2003.
• Заказнов Н. П., Кирюшин С. И., Кузичев В. И. Теория оптических систем : учебное пособие для студентов вузов. — СПб., : Лань, 2008.
• Запрягаева Л. А. Прикладная оптика. Ч. 1. Введение в теорию оптических систем. — М. : Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъёмки и картографии, 2017.
• Ландсберг Г. С. Оптика : учебное пособие для вузов. — М. : Физматлит, 2003.
• Михеенко А. В. Геометрическая оптика : учебное пособие. — Хабаровск : Издательство Тихоокеанского государственного университета, 2018.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 4. Оптика. — М. : Физматлит, 2014.
• Куртц Л. Ю. Склеивание оптических деталей. — М. : Оборонгиз, 1944.
• Rayleigh Lord. Lauer of polished silica and glass with further studies optical contact. — Proc. Roy. Soc., 1937.
• Обреимов И. В., Трехов Е. С. Оптический контакт полированных стеклянных поверхностей. ЖЭТФ. 1957. Т. 32. Вып. 2. С. 185—192.
• Кузнецов С. М., Окатов М. А. Справочник технолога — оптика. — Л.: Машиностроение, 1983.

Ссылки

• ГОСТ 2789-73 (СТ СЭВ 638-77)
• ГОСТ 11141-84

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Оптический контакт», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Оптический_контакт» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».