کریستال‌های نوری
تعریف: بلورهایی برای کاربردهای اپتیکی با وجوه سایش یافته
در بسیاری از کاربردهای اپتیکی، طیف وسیعی از مواد نوری مورد استفاده قرار می‌گیرد. اغلب از شیشه‌های اپتیکی به عنوان مواد شفاف استفاده می‌شود. اما در بعضی از کاربردها به سبب خواص مواد بلوری نوری و اغلب مواد تک‌بلوری[1] مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ این مواد دارای خواص زیر هستند:
- بر خلاف شیشه، بلورها می‌توانند خاصیت دوشکستی[2] نشان دهند. این حالت در انواعی از قطبش‌گرها، تیغه‌های موج، کوک‌کننده‌های دو شکستی[3] مورد نیاز است. مواد مورد استفاده در بلورهای دو شکستی شامل کوارتز، کلسیت و یاقوت کبود است.
- مواد بلوری با شبکه بلوری نه چندان متقارن خود (به طور مثال مثلثی، چهارضلعی یا منوکلینیک[4]) می‌توانند غیرخطی بودن χ(2) را نشان دهند. این حالت بیشتر در تبدیل فرکانس غیر خطی و در برخی موارد در مدوله کننده‌های نوری (مانند سلول‌های پاکلز[5]) استفاده می‌شود.
- به طور کلی مواد برای مدوله کننده‌های آکوستیک-نوری[6] نیازی به بلورین بودن ندارند اما به‌طور مثال برای فیلترهای قابل تنظیم آکوستیک نوری که در آنها دو شکست ضروری است از بلورهای آکوستیک نوری استفاده می‌شود.
- از بلورهای دیگری مانند بلور رامان نیز استفاده می‌شود. رفتار پراکندگی رامان شبیه‌سازی شده بیشتر به‌منظور وارون‌سازی فرکانس غیر خطی[7] مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- طیف گسترده ای از مواد بلوری را می‌توان به عنوان بلور لیزر، یا به‌عبارتی مواد میزبان آلاینده‌های فعال لیزر، یون های خاکی کمیاب یا یون های فلزی گذار استفاده کرد. در مقایسه با شیشه‌های فعال لیزری، آنها به‌طور معمول سطح مقطع گذار نسبتاً بزرگ، پهنای باند بهره کم و رسانش گرمایی خوبی از خود نشان می‌دهند. غالباً امکان غلظت های بالاتر آلاینده نیز وجود دارد. دوشکستی نیز در برخی موارد، به عنوان مثال برای جلوگیری از اتلاف‌های واقطبیدگی، مفید است.
- در بعضی موارد، گستره طول‌موجی شیشه‌ها به اندازه کافی وسیع نیستند و تراگسیلی زیادی ندارند، در این حالت از مواد بلوری در ناحیه‌های طیفی استفاده می‌شود. به طور خاص، مواد مختلفی مانند سولفید روی، سلنید روی و یاقوت کبود به عنوان کریستال‌های فروسرخ و مواد دیگری مانند فلوراید لیتیوم، فلوراید کلسیم و فلوراید منیزیم به عنوان کریستال‌های فرابنفش استفاده می‌شود.
- رسانایی گرمایی بسیار زیاد مواد بلوری نیز برای برخی از کاربردها مناسب است، مثلاً برای به حداقل رساندن اثرات لنز حرارتی. در بعضی موارد، رسانش گرمایی حتی هدف اصلی استفاده از بلور نوری است. به عنوان مثال، پخش کننده‌های حرارتی الماس برای این منظور وجود دارد.
- از اثر فارادی (چرخش قطبش ناشی از میدان مغناطیسی) در برخی از مواد بلوری (به عنوان مثال گارنت تربیوم-گالیوم) برای چرخاننده‌های فارادی و ایزوله‌کننده‌های فارادی استفاده می‌شود.
- اثر پیروالکتریک برخی از مواد بلوری در آشکارسازهای پیروالکتریک استفاده می شود.
- برای آشکارسازی تابش برخی مواد خاص می‌توان از بلورهای سوسو‌زن[8] استفاده کرد.
بیشتر بلورهای نوری از مواد عایق هستند. آنها یک شکاف باند عریض و جذب بسیار کم در ناحیه طیف مرئی دارند. با این حال، نیمه‌هادی‌هایی نیز وجود دارد که به عنوان بلورهای نوری استفاده می‌شوند، مثلاً به عنوان بلورهای فروسرخ، جایی که به جذب شدید در ناحیه مرئی بستگی ندارد از بلورهای نوری نیمه‌هادی استفاده می‌شود.
بلورهای نوری با طیف گسترده‌ای از اشکال هندسی، از جمله مکعب های ساده، استوانه ها و اشکال دیگر با سطح منحنی ساخته می‌شوند. شکل خاصی از بلورها فیبرهای تک‌بلوری است که اغلب نسبت طول به قطر بزرگی دارند.
جنبه‌های مختلف بلورهای نوری
ساخت؛ جهت گیری شبکه بلوری
در بیشتر موارد بلورهای نوری، تک‌بلوری هستند، فارغ از برخی تراکم‌های نقص شبکه، یک شبکه بلوری یکنواخت را در یک قطعه بزرگ یکپارچه به نمایش می‌گذارند. این جهت‌گیری یکنواخت را نمی‌توان همیشه به‌دست آورد، مثلاً به سادگی سردسازی مواد مذاب (مانند یک شیشه نوری) نیست، زیرا به طور کلی منجر به تعداد زیادی از حوزه‌های بلوری با جهت‌گیری شبکه‌های مختلف می‌شود. در عوض، لازم است از تکنیک‌های ویژه رشد بلور مانند روش چکرالسکی یا روش بریجمن-استوکبرگر استفاده شود. به‌طور معمول، یک بلور از بذر تک بلور کوچک تهیه می‌شود و شرایط رشد طوری بهینه می‌شود که تمام مواد اضافه شده فقط شبکه کریستال بذر را گسترش می‌دهد به‌جای اینکه حوزه‌های جدیدی را تشکیل دهد. در بیشتر موارد، سرعت رشد باید در سطح نسبتاً پایینی نگه داشته شود، زیرا در غیر این صورت مواد کریستالی کیفیت بالایی نخواهند داشت.
در بسیاری از موارد، خلوص مواد اولیه مورد استفاده باید بسیار زیاد باشد (بسیار بالاتر از شیشه‌های نوری که اغلب استفاده می شود).
برای استفاده کاربردی، معمولاً لازم است جهت‌گیری مناسب شبکه بلوری را نسبت به جهت انتشار یک پرتو نور یا تا وجه انتهایی آن تضمین کنید. اگر جهت‌گیری از قبل به طور کارآمدی توسط فرآیند رشد بلور تعیین نشده باشد، در جایی که ممکن است مجبور به استفاده از روش‌هایی مانند پراش اشعه X برای تعیین دقیق جهت‌گیری کریستال باشیم، یک پیچیدگی اضافی برای فرآیند ساخت وجود خواهد داشت.
بدیهی است که جنبه های توضیح داده شده در مورد خلوص مواد، کنترل دقیق شرایط رشد و مشاهده جهت‌گیری شبکه باعث می‌شوند هزینه ساخت بیشتر شود. به همین دلیل قیمت مواد بلوری در بیشتر موارد به طور قابل توجهی بالاتر از مواد شیشه‌ای است.
اتلاف‌های انتشار
تلفات انتشار نور اغلب در مواد بلوری در مقایسه با شیشه بسیار کم است. این امر تا حدی به دلیل کیفیت بالای مواد (به عنوان مثال داشتن غلظت کم ناخالصی‌های جذب کننده) و بخشی به دلیل شبکه یکنواخت بلوری، جلوگیری از پراکندگی ریلی غیرقابل اجتناب در افت و خیزهای چگالی در شیشه‌ها است.
تلفات انتشار کم می‌تواند نه تنها برای به حداکثر رساندن گسیل، بلکه برای به حداقل رساندن اثرات حرارتی در کاربردهای لیزر پرتوان مهم باشد.
خواص حرارتی
به طور کلی، مواد بلوری رسانش حرارتی بسیار بالاتر از مواد بی‌شکل مانند شیشه دارند. این اساساً به این دلیل است که فونون‌ها (کوانتاهای ارتعاشات شبکه‌ای) می‌توانند با طول‌های زیادی در یک کریستال گسترش یابند، در حالی که آنها با پراکندگی قابل توجهی در محیط بی‌شکل قرار دارند. رسانایی حرارتی بالا، گرادیان‌های دما را به حداقل می‌رساند و بنابراین اثرات نوری مانند عدسی حرارتی را در مواردی که مقدار قابل توجهی گرما در یک بلور ذخیره می‌شود، به حداقل می‌رساند. بسیاری از مواد کریستالی انبساط حرارتی بسیار زیاد ناهمسانگرد از خود نشان می‌دهند، به عنوان مثال، با گرم شدن آنها در جهات خاص بیش از جهات دیگر منبسط می‌شوند. این امر می‌تواند، خصوصاً هنگامی رخ دهد که وجه‌های انتهایی باید به پوشش‌های دی الکتریک مجهز شوند. به طور کلی برای این که انبساط حرارتی همسانگرد از خود نشان دهند، مطابقت کامل ضرایب انبساط با هر نوع انتخاب مواد پوششی امکان پذیر نیست. بنابراین، بعضی از بلورهای پوششی فقط باید در معرض چرخه دمایی محدودی قرار بگیرند، زیرا در غیر این صورت ممکن است پوشش‌های دی الکتریک آسیب ببینند. این مورد به ویژه زمانی که از تطبیق فاز غیر بحرانی در دمای عملیاتی بسیار بالا استفاده می‌شود، برای مواد بلوری غیرخطی مناسب است.
[1] Monocrystalline Materials
[2] Birefringence
[3] Birefringent Tuners
[4] بلورهای منوکلینیک دارای سه محور بلورشناسی به ابعاد مختلف می باشند. که دو محور آن بر هم عمود و محور سوم نسبت به آنها به طور مایل قرار گرفته است.
[5] Pockels Cells
[6] Acousto-Optic Modulators
[7] Nonlinear Frequency Conversion
[8] Scintillator crystalls