El vidrio óptico se refiere a una calidad de vidrio adecuada para la fabricación de sistemas ópticos como lentes ópticas , prismas o espejos . A diferencia del vidrio para ventanas o el cristal , cuya fórmula se adapta al efecto estético deseado, el vidrio óptico contiene aditivos diseñados para modificar ciertas propiedades ópticas o mecánicas del vidrio: índice de refracción , dispersión , transmitancia , expansión térmica y otros parámetros. Las lentes producidas para aplicaciones ópticas utilizan una amplia variedad de materiales, desde sílice y borosilicatos convencionales hasta elementos como el germanio y la fluorita , algunos de los cuales son esenciales para la transparencia del vidrio en áreas distintas del espectro visible.
Para la formación del vidrio se pueden utilizar diversos elementos, entre ellos el silicio, el boro , el fósforo , el germanio y el arsénico , en su mayoría en forma de óxido , pero también en forma de seleniuros , sulfuros , fluoruros , etc. Estos materiales confieren al vidrio su característica estructura no cristalina. La adición de materiales como metales alcalinos , metales alcalinotérreos o tierras raras puede modificar las propiedades físico-químicas del conjunto para dar al vidrio las cualidades adecuadas a su función. Algunos vidrios ópticos utilizan hasta veinte componentes químicos diferentes para obtener las propiedades ópticas deseadas. [1]
Además de los parámetros ópticos y mecánicos, los vidrios ópticos se caracterizan por su pureza y calidad, que son esenciales para su uso en instrumentos de precisión. Los defectos se cuantifican y clasifican según estándares internacionales: burbujas, inclusiones, rayaduras, defectos de índice, coloración, etc.
Las primeras lentes ópticas conocidas , que datan de antes del año 700 a. C., se produjeron bajo el Imperio asirio : [2] estaban hechas de cristales pulidos, generalmente cuarzo , en lugar de vidrio.
No fue hasta la llegada de los griegos y los romanos que el vidrio se empezó a utilizar como material óptico. Lo utilizaban en forma de esferas llenas de agua para fabricar lentes para encender fuego ( vidrio ardiente ), como describieron Aristófanes y Plinio , o para hacer más grandes y nítidos caracteres muy pequeños e indistintos ( lupa ), según Séneca . [3]
Aunque no se conoce la fecha exacta de su invención, se dice que las gafas fueron descritas en 1299 por Sandro di Popozo en su Tratado sobre la conducta familiar : "Estoy tan alterado por la edad, que sin estas lentes llamadas gafas, ya no podría leer ni escribir. Han sido inventadas recientemente para beneficio de los ancianos pobres cuya vista se ha vuelto mala". Sin embargo, en esa época, las "gafas" en realidad se fabricaban de berilo o cuarzo . [4]
La única lente disponible en esa época, el vidrio sodocálcico ordinario , no era capaz de compensar las aberraciones ópticas . Sin embargo, evolucionó lentamente a lo largo de los siglos. Primero se aligeró mediante el uso de cenizas, que contienen dióxido de manganeso que transforma el óxido ferroso (FeO) en óxido férrico ( Fe2O3 ) , que es mucho menos colorido. Luego, alrededor de 1450, Angelo Barovier inventó el "vidrio cristalino" ( vetro cristallino ) o " vidrio veneciano " ( cristallo di Venezia ), mejorando el proceso anterior al purificar las cenizas por lixiviación para obtener una potasa más pura . La cal se introdujo, primero por razones económicas en el siglo XIV [5] , luego como una mejora técnica en Bohemia en el siglo XVII ( vidrio de Bohemia ), [6] eliminando una gran proporción de impurezas. Esta práctica no llegó a Francia hasta mediados del siglo XVIII. Fue en esta época cuando la Manufacture Royale de Glaces de Miroirs (Compagnie de Saint-Gobain SA) comenzó a producir vidrio compuesto de 74% de sílice, 17,5% de sosa y potasa y 8,5% de cal.
Así, los primeros instrumentos ópticos complejos, como el telescopio de Galileo (1609), utilizaban el vidrio sodocálcico ordinario (el primer vidrio corona ), compuesto de arena, sosa, potasa y a veces cal, que, aunque era adecuado para el esmaltado o las botellas, era poco adecuado para aplicaciones ópticas (distorsión, efecto borroso, irregularidades, etc.). En 1674, el inventor británico George Ravenscroft , queriendo rivalizar con el cristal veneciano y de Bohemia al tiempo que dependía menos de las materias primas importadas, sustituyó la cal por óxido de plomo (II) para compensar la falta de resistencia del vidrio a la humedad, inventando así el cristal de plomo (el primer vidrio de sílex , llamado así por la piedra silícea inglesa de alta pureza utilizada), más brillante que el vidrio ordinario, compuesto de sílice, óxido de plomo y potasa. [5]
Chester Moore Hall (1703-1771), utilizando los dos tipos de vidrio disponibles ( corona de cal sódica y sílex de plomo ), inventó el primer doblete acromático . Su trabajo fue retomado por John Dollond en su Account of some experiments regarding the different refrangibility of light (Relato de algunos experimentos sobre la diferente refrangibilidad de la luz ), publicado en 1758.
La verdadera revolución en el vidrio óptico llegó con el desarrollo de la química industrial, que facilitó la composición del vidrio, permitiendo variar propiedades como el índice de refracción y el coeficiente de dispersión. Entre 1880 y 1886, el químico alemán Otto Schott , en colaboración con Ernst Abbe , inventó nuevos vidrios que contenían óxidos como la «barita anhidra» ( óxido de bario BaO) y el ácido bórico anhidro ( B2O3 ), con los que desarrolló coronas de bario, pedernales de bario y coronas de borosilicato . [ 6] [7]
Entre 1934 y 1956 se utilizaron otros óxidos. Luego, añadiendo fosfatos y fluoruros, se obtuvieron coronas de fosfato y coronas de flúor. A medida que la óptica se hizo cada vez más compleja y diversa, los catálogos de los fabricantes se ampliaron hasta incluir de 100 a 200 lentes diferentes; las masas de vidrio incluyeron cada vez más componentes especiales como óxidos de elementos pesados (alto índice de refracción y baja dispersión), calcogenuros ( sulfuro , seleniuro , telururo ), haluros como fluoruros (bajo índice de refracción y alta dispersión) o fosfuros , vidrios dopados con cerio para obtener lentes resistentes a la radiación, etcétera.
Sin embargo, desde la década de 1980, los catálogos de vidrio han tendido a volverse cada vez más limitados. [8]
Las propiedades físicas más importantes del vidrio para aplicaciones ópticas son el índice de refracción y la constricción, que son decisivos en el diseño de sistemas ópticos, y la transmisión, la resistencia del vidrio y los efectos no lineales.
El índice de refracción indica el poder refractario de un vidrio, es decir, su capacidad para desviar los rayos luminosos en mayor o menor medida. Esta desviación se puede deducir de la ley de Descartes . El índice de refracción es una magnitud dependiente de la longitud de onda, que crea aberraciones cromáticas en un sistema al refractar los rayos más o menos según su longitud de onda : Este es el fenómeno que se observa cuando la luz se descompone mediante un prisma. Varias leyes han aproximado esta relación con la longitud de onda, en particular la ley de Cauchy y la ecuación de Sellmeier .
El índice de refracción de un vidrio se da para la línea amarilla conocida como la línea d del helio (entonces indicada como n d ) o para la línea verde e del mercurio (entonces indicada como n e ), dependiendo del uso y de los dos estándares principales utilizados. [9] [10] [11]
La dependencia del índice de refracción con respecto a la longitud de onda requiere una medida de la dispersión del vidrio, es decir, la diferencia de desviación entre dos longitudes de onda. Un vidrio muy dispersivo desviará en gran medida las longitudes de onda cortas, pero en menor medida las longitudes de onda largas. La medida de la dispersión es el número de Abbe o constricción. La dispersión principal es la diferencia nF-nC (líneas de helio) o nF'-nC' ( líneas de cadmio ), y las constricciones para las mismas líneas que el índice de refracción se deducen mediante y . Un número de Abbe alto significa que el vidrio no es muy dispersivo, y viceversa.
Las lentes se dividen generalmente en dos grupos con los nombres genéricos de corona y sílex , que hacen referencia respectivamente a lentes de baja dispersión y bajo índice y lentes de alta dispersión y alto índice. Normalmente, la distinción se realiza alrededor de ν d = 50: las lentes por debajo de este valor son sílex, las demás son coronas. [9]
Estos dos parámetros son suficientes para diferenciar entre lentes: dos lentes con n d y ν d iguales son idénticas. Las gafas se representan en el llamado diagrama de Abbe, un gráfico con abscisas nd y ordenadas ν d , donde cada una de las gafas se denota por un punto en el gráfico.
Los vidrios de óxido se encuentran en un rango de n d de 1,4 a 2,0 y ν d de 20 a 90, siendo SiO2 el vidrio de óxido con la constringencia más alta y el índice más bajo. Los vidrios de fluoruro pueden alcanzar ν d >100 y nd<1,4, siendo BeF2 el vidrio de fluoruro con la constringencia más alta y el índice más bajo. Los vidrios de calcogenuro tienen índices superiores a 2, una gran proporción de los cuales no se pueden mostrar en un diagrama de Abbe debido a su absorción en longitudes de onda visibles que impiden una medición de νd relevante. Para los materiales ópticos que son opacos en el rango visible, la constringencia se mide a longitudes de onda más largas. [9]
Esta clasificación también tiene sus limitaciones cuando se trata de vidrios ópticos activos ( birrefringencia , efecto acústico-óptico y efectos no lineales ), filtros ópticos o lentes de índice graduado , por lo que restringimos el término "vidrio óptico clásico" a los vidrios antes mencionados, es decir, aquellos con índice y dispersión limitados, que pueden describirse esencialmente por su comportamiento dispersivo y su índice de refracción. [13]
Otra característica muy importante del vidrio óptico es su comportamiento de absorción y transmisión. El uso que se le dé a la futura lente determinará su comportamiento: filtros que absorben en determinadas bandas espectrales, lentes con gran transparencia en el visible, ultravioleta o infrarrojo, resistencia a la radiación.
Por regla general, la transmitancia del vidrio la da el fabricante, anotada τ i o T i , valor que depende del espesor del material y cuya medida permite tener en cuenta la pérdida de transmisión por absorción y difusión por defectos internos del vidrio. Como el término de transmitancia tiene en cuenta el índice de refracción a través del coeficiente de Fresnel , también depende de la longitud de onda y del espesor de la muestra a través de la fórmula donde es la transmitancia y el espesor.
Las ventanas de transmitancia son de especial interés a la hora de elegir el vidrio adecuado para aplicaciones como el infrarrojo lejano o el ultravioleta lejano. Estas ventanas son el resultado de la absorción de los materiales que componen el vidrio, que aumenta en el infrarrojo y el ultravioleta. La absorción en estos dos rangos de longitud de onda se debe a fenómenos distintos y puede evolucionar de forma diferente en función de las condiciones ambientales.
En el ultravioleta, o UV , la caída de la transmisión se debe a las transiciones electrónicas de los elementos que componen el vidrio: los electrones de valencia absorben longitudes de onda cuya energía corresponde a su banda prohibida . Según la teoría de bandas del estado sólido , los electrones solo pueden adoptar ciertos valores de energía específicos en niveles de energía particulares, pero con suficiente energía, un electrón puede pasar de uno de estos niveles a otro. Las ondas de luz están cargadas con una energía h ν , inversamente proporcional a la longitud de onda ( ν=c/λ ), que puede permitir que un electrón pase de un nivel a otro si esta energía es suficiente y, por lo tanto, si la longitud de onda es lo suficientemente corta. Un vidrio de sílice absorbe longitudes de onda inferiores a 160 nm, un vidrio a base de trióxido de boro (B 2 O 3 ) absorbe por debajo de 172 nm, un vidrio de pentóxido de fósforo (P 2 O 5 ) absorbe por debajo de 145 nm.
Existen dos tipos de oxígeno en los vidrios de óxido: los que forman puentes y los que no forman puentes (que poseen una carga electrónica en exceso), detectables mediante espectroscopia fotoelectrónica . El oxígeno que no forma puentes posee electrones cuya energía cinética después de la liberación por rayos X monocromáticos es mayor que la del oxígeno que forma puentes. Los enlaces entre los oxígenos que no forman puentes y los cationes son generalmente iónicos. Estas características confieren al vidrio sus propiedades de banda energética, haciéndolo más o menos eficaz para transmitir la radiación. [14] Dependiendo de la intensidad de los enlaces con los cationes en el vidrio, la ventana de transmisión varía: en presencia de metales alcalinos , los electrones pueden moverse de una banda a la otra más fácilmente, ya que están menos unidos a los oxígenos que no forman puentes. Por otro lado, la introducción de aluminio ( Al2O3 ) para reemplazar la sílice aumentará la ventana de transmisión del vidrio, ya que la configuración tetraédrica de la alúmina reduce la proporción de oxígenos que no están en contacto y, por lo tanto, de electrones capaces de moverse de la banda de valencia a la banda de conducción. [15]
Como resultado, los vidrios que contienen metales pesados (como Ti + o Pb2 + ) tienden a transmitir peor que otros, ya que el oxígeno tenderá a compartir sus electrones con el catión y, por lo tanto, reducirá la brecha de banda. La desventaja es que la adición de estos metales da como resultado índices de refracción más altos. [15] Dependiendo del metal pesado utilizado, la caída en la transmisión UV será más o menos rápida, por lo que las lentes de plomo transmiten mejor que las lentes de niobio o titanio. Por lo tanto, es muy importante prestar atención a los materiales del crisol y del horno, ya que también pueden influir en la ventana de transmisión UV. El platino, por ejemplo, se usa ampliamente en la fusión de vidrio, pero las inclusiones de partículas de platino en la pasta de vidrio pueden causar pérdidas de transmisión indeseables debido a las impurezas. [16]
Otra fuente de variación en la pérdida de transmisión UV es la temperatura ambiente: cuanto más alta sea la temperatura del vidrio, más se desplazará la caída de UV hacia longitudes de onda más largas, debido a la banda prohibida reducida del material. [16]
La solarización , que es la exposición del vidrio (o de la pintura, en este caso) a la radiación electromagnética, puede "amarillentar" el vidrio [nb 2] dependiendo de la longitud de onda y la intensidad de la radiación. Las lentes con la mejor transmisión UV son las más afectadas por la solarización, que modifica su ventana de transmisión. Las lentes pueden ser dopadas con dióxido de cerio (C e O 2 ), que desplaza la caída de transmisión a longitudes de onda más largas y la estabiliza. Este dopaje es uno de los procesos utilizados para crear vidrios antirradiación, ya que un vidrio dopado de esta manera tiene la capacidad particular de proteger contra los tipos de radiación más energéticos, como los rayos X y los rayos gamma. [16]
En el infrarrojo, o IR , los fenómenos físicos que provocan una caída de la transmisión son diferentes. Cuando una molécula recibe una determinada cantidad de energía, comienza a vibrar en diferentes modos: fundamental , primer armónico , segundo armónico, etc., correspondientes a movimientos periódicos de los átomos de la molécula; cada frecuencia asociada a la energía del modo de vibración de la molécula es absorbida.
En el vidrio de sílice , el enlace Si-O tiene dos modos principales de vibración, rotación y elongación. Dado que la frecuencia de elongación es de 0,34 × 10 14 Hz, la absorción tendrá lugar a 8,8 μm (fundamental), 4,4 μm (armónico 1), 2,9 μm (armónico 2), etc. Como la absorción debida a esta vibración es muy fuerte, la sílice se vuelve opaca a partir del primer armónico en adelante. La mayoría de los vidrios de cuarzo incluso muestran una marcada caída en la transmisión en el armónico 2. [15]
Los vidrios de calcogenuro se utilizan para reducir la frecuencia de las vibraciones moleculares: como el azufre o el selenio son más pesados, sus modos de vibración son más débiles y, por lo tanto, su transmisión es mejor en el infrarrojo. Sin embargo, esto tiene como contrapartida la transmisión en el visible, ya que los vidrios de calcogenuro son opacos en el visible. Otra solución es producir vidrios de haluro, en particular vidrios de fluoruro. Como el flúor es altamente electronegativo, los enlaces entre aniones y cationes se debilitan y, por lo tanto, las vibraciones son más débiles. [15]
La humedad del vidrio, es decir, la presencia de agua en el material, tiene una fuerte influencia en la curva de transmisión de los vidrios en la región de 2,9 μm a 4,2 μm. El agua toma la forma de grupos OH - , cuyo enlace OH vibra a una frecuencia de alrededor de 90 THz, equivalente a una absorción de longitudes de onda de 2,9 μm a 3,6 μm. Cuanto mayor sea la humedad de la muestra, mayor será la caída local en la transmisión, con una humedad muy alta que incluso causa absorción en los armónicos de la vibración del enlace OH, alrededor de 200 nm. [15]
Los láseres se utilizan a menudo en niveles de iluminancia muy altos. Se ha descubierto que en este alto rango de iluminación, el índice de refracción sigue una ley que se desvía del dominio lineal y se vuelve proporcional a la intensidad del flujo luminoso: donde es el índice de refracción del material, la longitud de onda, la intensidad del haz de luz, el índice de refracción para potencias bajas. Para el sílice, por ejemplo, es 3,2 × 10–20 m 2 W −1 para =1.060 nm. Los vidrios más dispersivos tienden a tener los índices de refracción no lineales más altos, probablemente debido a los iones metálicos presentes en el vidrio.
Por encima de TW mm −2 , la fluencia (o flujo) es suficiente para crear fenómenos ópticos no lineales de orden superior, como la absorción multifonónica y la fotoionización por avalancha. El primer fenómeno hace que el material sea absorbente mediante la adición de dos fotones, que liberan un electrón. El segundo fenómeno es la aceleración de un electrón liberado por el campo electromagnético, cuya energía cinética se transmite a otros electrones vecinos. Estos dos efectos combinados pueden causar daños al vidrio al destruir la red vítrea (los electrones liberados ceden energía a otros electrones que se liberan más fácilmente, y los enlaces de la red se debilitan por el agotamiento de los electrones). El material puede vaporizarse a una velocidad suficiente para que los fonones no puedan transmitir la energía en forma de calor al resto del vidrio. [17]
En 1988, un experimento demostró que la sílice, cuya red es isótropa , es capaz de emitir radiación verde cuando es atravesada por una potente radiación infrarroja. La generación de un segundo armónico en este contexto es atípica, pero podría explicarse por la presencia del centro F. [17]
La fluorescencia puede aparecer en los vidrios ópticos. La fluorescencia es la reemisión de radiación de mayor longitud de onda desde un material iluminado. La energía de la luz incidente excita los electrones del material, que luego se desexcitan y vuelven a su estado fundamental, emitiendo un fotón con una longitud de onda mayor que la original. Este fenómeno es particularmente problemático en aplicaciones donde la presencia de luz parásita o luz de una longitud de onda diferente a la longitud de onda de referencia plantea un problema. En los láseres, por ejemplo, es importante ponerse de acuerdo sobre una línea espectral única y precisa. Las causas de la fluorescencia incluyen iones de tierras raras , impurezas y centros de color. [18]
Los materiales básicos utilizados para fabricar lentes ópticas deben ser particularmente puros, ya que cualquier inclusión o impureza no sólo podría degradar el rendimiento sino también causar daños considerables a la lente (rotura, oscurecimiento, tintado, etc.). Por ejemplo, la arena utilizada para fabricar vidrio a base de sílice debe contener una proporción extremadamente baja de óxido férrico (Fe 2 O 3 ) (10 ppm máximo) y proporciones aún más bajas de otros óxidos y elementos ( cobalto , cobre , níquel , etc.). Hay muy pocos sitios geográficos donde las arenas sean suficientemente puras para estas aplicaciones. [19]
La mayor parte del vidrio se funde en un horno de crisol , que se utiliza para fundir cantidades limitadas de vidrio, mientras que ciertos vidrios ópticos producidos en masa (como el vidrio de borosilicato) se funden en hornos de tanque para la producción continua de vidrio. [20]
El proceso de fabricación del vidrio comprende una serie de etapas, comenzando por la fusión de la pasta de vidrio, seguida por el refinado y luego el templado o recocido , que son dos acabados diferentes. Finalmente, si es necesario, el vidrio puede ser pulido, sobre todo en el caso de espejos y lentes, para cualquier aplicación donde el objetivo sea una alta calidad de imagen.
Los materiales se colocan juntos en el horno y se calientan gradualmente hasta su punto de fusión. Se producen reacciones químicas de composición o descomposición de moléculas, lo que da lugar a una importante liberación de gases durante esta fase. Los hidratos, carbonatos, nitratos y sulfatos se recomponen para formar la pasta de vidrio con los elementos vitrificantes, dando lugar a gases como vapor de agua, dióxido de carbono, dióxido de azufre y otros. Por ejemplo, 1 L de pasta de vidrio sódico-cálcico libera alrededor de 1.440 L de diversos gases cuando se calienta a 100 °C, de los cuales el 70% es dióxido de carbono. [21]
El refinado es una etapa esencial en la calidad de las lentes ópticas, ya que consiste en homogeneizar el vidrio para que los componentes se distribuyan uniformemente en toda la pasta y el gas se libere por completo. La homogeneización evita el problema de la aparición de vetas en la lente. Para liberar los gases se utilizan agentes químicos, en particular el pentóxido de arsénico (As 2 O 5 ), que se descompone en trióxido de arsénico (As2O3), liberando oxígeno que se combina con los demás elementos y gases liberados, haciendo que las burbujas que quedan en la pasta suban. [21]
Como resultado del proceso de fusión del vidrio pueden aparecer defectos como burbujas, rayas, inclusiones y decoloraciones. Las burbujas son resultado de un refinado insuficiente, las rayas de la heterogeneidad del vidrio (el vidrio tiene un índice de refracción diferente localmente, lo que provoca deformaciones ), las inclusiones pueden provenir de vidrio que ha cristalizado localmente o de fragmentos de los recipientes utilizados para la fusión, la decoloración del vidrio se origina por una pureza insuficiente de los productos mezclados.
El proceso de templado se reserva para el vidrio cuya estructura se va a endurecer. El vidrio utilizado para la óptica suele ser frágil y fino, por lo que no se templa. Las fibras ópticas se templan después del trefilado para darles suficiente resistencia mecánica. [22]
El recocido consiste en enfriar lentamente y de forma controlada un vidrio a partir de una temperatura determinada en la que ha empezado a solidificarse (alrededor de 1.000 °C para el vidrio silíceo o 450 °C para el vidrio sódico-cálcico, por ejemplo). El recocido es necesario para eliminar las tensiones internas del material que se hayan podido producir durante la fusión (impurezas, vetas, burbujas, etc.) y para evitar un enfriamiento desigual del material, con partes internas que tardan más en calentarse y enfriarse. [22] El tiempo de recocido varía de cien a mil horas, dependiendo de la cantidad de vidrio a recocer y de su composición. [23]
El desarrollo progresivo de la industria del vidrio óptico ha dado lugar a la creación de nuevas familias de lentes. Las lentes se pueden diferenciar por sus componentes principales, que les confieren sus características mecánicas, térmicas y ópticas.
Además de los dos grupos principales de vidrios, el sílex y el corona , basados esencialmente en sílice u óxidos de SiO 2 , existen otros grupos, como los vidrios de haluro y los vidrios de calcogenuro (excluyendo el oxígeno). [24]
Las siguientes tablas resumen la mayoría de las familias de vidrios y su composición. Cada composición tiene sus propias propiedades y defectos particulares. Aumentar el índice a menudo requiere sacrificar la transmisión en el ultravioleta, y aunque la investigación desde los primeros días de la fabricación de vidrio ha mejorado considerablemente esta situación, no es posible obtener vidrios altamente dispersivos y de baja refracción, o vidrios poco dispersivos y de alta refracción.
Los sílex y las coronas son vidrios compuestos de óxidos , a menudo titanatos de SiO2 o TiO2 . Su índice oscila entre 1,4 y 2,4. Este gran grupo se puede identificar por su perfil de transmisión característico que va de 200 nm a 2,5 μm, debido a las altas energías de gap y a los picos de absorción de fotones de los grupos hidroxilo en el infrarrojo.
Se utilizan diversos óxidos, siendo los más comunes los vidrios a base de sílice, pero también se pueden utilizar otras moléculas para formar sistemas vítreos, como: [24] [25]
Los vidrios fosfatados tienen temperaturas de fusión más bajas y son más viscosos que los vidrios de borosilicato, pero son menos resistentes al ataque químico y menos duraderos. [25] Los vidrios basados en un sistema vítreo de fosfato, borato o borofosfato son buenos candidatos para la atermalización, ya que su , es decir, la variación del índice de refracción con la temperatura, es generalmente negativa. La atermalización consiste en compensar la expansión térmica del material modificando su índice. La familia de los vidrios fosfatados es particularmente adecuada para estas posibilidades. [26]
Los vidrios corona de borosilicato son la familia de vidrios más ampliamente producidos y con un mejor control de la homogeneidad final. En esta familia se encuentra el BK 7 , el vidrio ampliamente utilizado en óptica. Los óxidos alcalinos y el trióxido de boro B 2 O 3 facilitan la fusión del dióxido de silicio SiO 2 , que requiere temperaturas muy altas para licuarse.
Las coronas de bario y las coronas densas se desarrollaron por la capacidad del bario de aumentar significativamente el índice de refracción sin reducir significativamente la constricción del vidrio o la transmisión ultravioleta, algo que suele hacer el óxido de plomo . Algunas lentes utilizan una mezcla de óxido de zinc ZnO y óxido de bario BaO.
Las coronas, coronas de zinc y pedernales de corona son pequeñas familias de vidrios que contienen una amplia variedad de óxidos (CaO o BaO, ZnO y PbO respectivamente) para aumentar la dureza o durabilidad.
Las coronas de fosfato se caracterizan por su dispersión relativamente baja y su índice medio, con una dispersión generalmente mayor en el azul, lo que las hace útiles para corregir el cromatismo en combinaciones ópticas.
Las coronas de flúor utilizan las propiedades del flúor para reducir la dispersión y el índice del vidrio: la alta electronegatividad del flúor y el radio más pequeño de los iones de flúor son responsables de esto. Al igual que las coronas de fosfato, estas lentes son particularmente adecuadas para corregir la aberración cromática, gracias a su dispersión parcial en el azul. [27]
Los pedernales densos o ligeros son familias de larga data, como las coronas de borosilicato, y se utilizan como vidrio óptico y como cristal para la fabricación cotidiana de vidrio. Sus principales propiedades se derivan de la proporción de PbO introducido. El PbO aumenta el índice de refracción al tiempo que reduce el número de Abbe, y también afecta a la dispersión parcial. El óxido de plomo también aumentará la densidad del vidrio y reducirá su resistencia al ataque químico. La capacidad de vitrificación del par PbO-SiO 2 permite alcanzar proporciones de PbO superiores a 70 moles por 100, lo que no sería posible si el PbO fuera simplemente un modificador químico de la malla. De hecho, una alta concentración de PbO produce PbO 4 tetraédrico , que puede formar una malla similar al vidrio.
La inclusión de PbO presenta varios inconvenientes. En primer lugar, los vidrios son ligeramente amarillentos debido a la alta concentración de óxido de plomo. En segundo lugar, las inclusiones e impurezas como el óxido de hierro (III) Fe 2 O 3 o el óxido de cromo (III) Cr 2 O 3 degradan la transmisión del vidrio en un grado mucho mayor que en los vidrios de sosa, potasa o cal. En tercer lugar, se establece un equilibrio químico entre Pb 2+ y Pb 4+ que, en presencia de vidrio saturado de oxígeno, conduce a la creación de dióxido de plomo PbO 2 , un compuesto marrón que oscurece el vidrio. Sin embargo, esta última coloración se puede revertir mediante una transformación redox de la pasta de vidrio, ya que no se origina a partir de impurezas.
Para superar estos problemas, se puede añadir dióxido de titanio TiO2 y dióxido de circonio ZrO2 , aumentando la estabilidad química del vidrio y preservando su transmisión ultravioleta.
Los pedernales de bario cristalizan con menor facilidad que otras familias de vidrios debido a la presencia de óxido de plomo (II) (PbO) en la mezcla. Cuanto mayor es la proporción de PbO, mayor es el índice de refracción y menor la temperatura de fusión, por lo que son vidrios que, aunque muy útiles por sus altos índices, presentan complicaciones durante la fusión. El BaO en estos vidrios a veces se sustituye por ZnO.
Los pedernales y coronas de lantano son familias extensas que logran índices de refracción altos con dispersión media. El uso de SiO 2 en la pasta crea inestabilidades de cristalización, un escollo que se evita reemplazando la sílice con trióxido de boro B 2 O 3 y óxidos divalentes. Para aumentar aún más su índice de refracción, se ha generalizado el uso de óxidos múltiples, incluidos los óxidos de gadolinio , itrio , titanio , niobio , tántalo , tungsteno y circonio (Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , TiO 2 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , WO 3 y ZrO 2 ).
Los pedernales cortos son una familia que se distingue no por su índice o constricción, sino por su dispersión parcial. Llamados así por su estrecho espectro azul, los pedernales cortos también son una ventaja en el diseño de sistemas ópticos por su bajo impacto azul. Se obtienen reemplazando el óxido de plomo en los vidrios de sílex por óxido de antimonio Sb2O3 . [ 27 ]
Los primeros vidrios fluorados aparecieron alrededor de 1970 para satisfacer la creciente necesidad de vidrios transmisores de infrarrojo medio. [25] Estos vidrios se componen reemplazando el oxígeno en vidrios de óxido con un halógeno, flúor o cloro, y más raramente con halógenos pesados. Su transmisión cubre el rango visible e infrarrojo medio, de 200 nm a 7 μm, debido al intervalo de banda bastante alto (en promedio, un vidrio fluorado tiene su caída de transmisión alrededor de 250 nm, debido a su intervalo de banda de alrededor de 5 eV) [25] y las vibraciones de baja frecuencia de los enlaces de fluoruro de metales pesados; La absorción de sílice resulta de las vibraciones de los enlaces Si-O a 1,1 × 10 3 cm −1 , mientras que la absorción de fluorocirconato resultará de las vibraciones de los enlaces Zr-F a una frecuencia de 0,58 × 103 cm −1 , razón por la cual los vidrios de óxido y haluro se comportan de manera tan diferente en el infrarrojo.
Al utilizar tierras raras en lugar de metales pesados, obtenemos un vidrio fluorado de tierras raras que transmite aún más lejos en el infrarrojo. Otra forma de transmitir más lejos en el infrarrojo es hacer vidrio de cloruro en lugar de vidrio fluorado, pero esto reduce la estabilidad del vidrio. [24] Un tipo de vidrio desarrollado recientemente en la Universidad de Rennes utiliza un haluro de telurio . Como la brecha de energía en el visible es mayor, la caída de la transmisión en el visible avanza hasta 700 nm-1,5 μm, mientras que su transmisión mejora en el infrarrojo lejano. Como el índice de refracción de un vidrio de este tipo es muy alto, se comporta como un vidrio calcogenuro, con una fuerte reflexión que reduce su transmisión. [24]
Las lentes de fluoruro también son útiles por su transmisión de rayos ultravioleta cercanos. Los lentes que transmiten rayos ultravioleta cercanos son pocos en cantidad, pero incluyen los de fluoruro de litio, fluoruro de calcio y fluoruro de magnesio. [28]
Los vidrios de calcogenuro se han desarrollado específicamente desde la década de 1980 [25] para mejorar la transmisión infrarroja de los vidrios ópticos. El oxígeno se reemplaza por otro calcógeno (azufre, selenio, telurio) y el silicio se reemplaza por metales más pesados como el germanio, el arsénico, el antimonio y otros. Su índice es mayor que 2 y aparecen negros debido a su débil brecha y a sus múltiples bandas de absorción en el rango visible. La transmisión de estos vidrios varía de 1 μm a 12 μm, pero es menor que la de los vidrios de óxido o haluro debido a su altísimo índice de refracción, lo que da como resultado un alto coeficiente de reflexión. [24]
Este grupo se puede dividir en dos familias: los vidrios que pueden estar dopados con iones de tierras raras o no. Los primeros están compuestos principalmente por sulfuros y seleniuros de germanio y galio, mientras que los segundos, aunque no están dopados, ofrecen el mejor rendimiento de transmisión en el infrarrojo lejano. [25]
El campo de las lentes ópticas abarca una multitud de materiales con propiedades extremadamente diversas y aplicaciones igualmente diversas. No obstante, se acepta generalmente que las lentes ópticas se dividen en varias familias principales. Una gran proporción de lentes ópticas son las llamadas lentes "clásicas", diseñadas para aplicaciones como la formación de imágenes y el filtrado. También forman parte de la familia de los vidrios ópticos familias más pequeñas de lentes, como las fibras ópticas o las llamadas lentes "activas" para aplicaciones en óptica no lineal o acusto-óptica , por ejemplo. [13]
El vidrio de cuarzo se distingue de otros vidrios ópticos por el origen del material utilizado en su fabricación. Muchos fabricantes producen vidrio de cuarzo, pero las diferencias radican principalmente en la naturaleza de las impurezas y el contenido de agua. Estas diferencias le dan a cada vidrio de cuarzo sus propias características especiales, como la transmisión y la resistencia al ataque químico. [29]
El vidrio de cuarzo está formado por un único material: sílice. Sus principales propiedades son una baja expansión (α≈0,5 × 10 −6 K −1 ), [30] una alta estabilidad térmica (hasta 1.000 K) [30] y una transmisión en el ultravioleta y el infrarrojo que puede adaptarse según las necesidades.
Los filtros son vidrios diseñados para transmitir sólo ciertas partes del espectro de la luz incidente. Un filtro puede ser incoloro, un simple vidrio óptico cuya gota de transmisión sirve para cortar las longitudes de onda más allá de un cierto valor, o coloreado de diversas maneras, por la introducción de iones de metales pesados o tierras raras, por coloración molecular o incluso por una suspensión coloidal . Los vidrios filtrantes muestran una notable fotoluminiscencia . [31]
Los filtros ópticos de vidrio coloreado tienen forma de lámina con una cara paralela y un espesor que depende de las cualidades de transmisión requeridas; al igual que los filtros electrónicos , se denominan filtros pasa altos, pasa bajos, pasa banda o filtros de muesca.
Se utilizan varios tipos de vidrio para láseres, incluyendo vidrios de Li2O - CaO-SiO2 por su resistencia al choque térmico, y vidrios de fosfato de potasio-bario, cuya sección transversal efectiva es lo suficientemente grande para la emisión estimulada. La adición de óxidos de sodio, litio o aluminio reduce drásticamente la distorsión. Estos vidrios están atermalizados. Además de estos dos tipos de vidrio, se pueden utilizar fosfatos de litio-aluminio. Estos son tratados por intercambio iónico y son particularmente resistentes, lo que los hace ideales para aplicaciones donde la potencia promedio del láser es muy alta (por ejemplo, láseres pulsados de femtosegundos ), o fluorofosfatos , que tienen un índice ligeramente no lineal. [32]
Estos vidrios dopados con Nd 3+ se utilizan como medio láser activo .
Las lentes de índice de gradiente aprovechan las propiedades especiales de propagación de la luz en un medio de índice variable. En 1854, James Clerk Maxwell inventó la "lente ojo de pez" en respuesta a un problema de la Academia Irlandesa en el que se pedía el índice de refracción de un material de imagen perfecta. Esta lente teórica, de forma esférica, tiene un índice de la forma donde es el índice de refracción del vidrio en un punto de la lente esférica y el radio de esta lente; permite que cualquier punto de su superficie se pueda visualizar perfectamente en otro punto diametralmente opuesto. En 1966, Rudolf Karl Lüneburg (de) propuso una generalización de esta lente esférica utilizando un perfil de índice diferente. En 1905, Robert Williams Wood desarrolló una lente que consiste en una hoja con una cara paralela cuyo índice varía parabólicamente, con el extremo del índice situado en el eje de revolución del componente. La lente de Wood puede utilizarse para enfocar o divergir rayos, al igual que una lente convencional. [33] [34]
Desde aproximadamente 1970, la tecnología de fabricación de vidrio ha hecho posible desarrollar, calificar y mecanizar vidrios de índice graduado. Dos usos principales para los vidrios de índice graduado son en telecomunicaciones, con fibras ópticas , y en imágenes, con lentes mecanizadas a partir de material de índice graduado. Los gradientes también se pueden dividir en tres tipos de perfil: gradientes esféricos, gradientes cilíndricos y gradientes axiales. [35]
Existen varias técnicas para producir vidrio de índice graduado: bombardeo neutrónico , relleno iónico o superposición de capas de vidrio. Dependiendo de la técnica utilizada, el gradiente será más fuerte o más débil, y su perfil más o menos controlado. Los métodos de inyección o relleno iónico pueden producir gradientes de 10 a 50 mm, con una amplitud de índice de 0,04. Los métodos de bombardeo neutrónico y deposición química en fase de vapor producen gradientes poco profundos (aproximadamente 100 μm) de baja amplitud. Para gradientes mayores, existe la polimerización parcial en lente de un monómero que reacciona a la exposición a rayos UV (gradientes de alrededor de cien milímetros para una amplitud de índice de 0,01), o la superposición y luego fusión parcial de capas de vidrio de borosilicato o sílex (los vidrios que contienen lantano no son adecuados para esta técnica debido a sus problemas de recristalización e inestabilidad térmica). Una última técnica consiste en fundir y luego rotar la pasta de manera que se establezca un gradiente de material, y por lo tanto un gradiente de índice, en el vidrio. [36]
Ciertos entornos extremos no son propicios para el uso de lentes convencionales; cuando el sistema se expone a la radiación ultravioleta de campo lejano (X, gamma, etc.) o a flujos de partículas como alfa o beta, se observa una caída en la transmisión de la lente, debido a la decoloración del material. En términos generales, la radiación electromagnética causa una caída en la transmisión azul, un fenómeno conocido como solarización. Como esto es perjudicial para el rendimiento del sistema, fue necesario desarrollar nuevos tipos de lentes resistentes a la radiación. [37]
La radiación tiene una variedad de efectos: ionización, captura de electrones o huecos, fisión de enlaces Si-O , etc. Estos efectos pueden ser fácilmente amplificados por la presencia de impurezas que cambian la valencia de las moléculas o concentran la radiación, provocando una degradación local del vidrio.
Para reducir la caída en la transmisión y el rendimiento del vidrio, se dopan con CeO 2 , lo que cambia ligeramente la caída de transmisión del vidrio, pero hace que sea prácticamente imposible sentir los efectos de la radiación en el rendimiento óptico del vidrio. [37]
Además de las lentes ya mencionadas, todas ellas específicas en su diseño o uso, existen también materiales especiales similares al vidrio.
Entre ellos se encuentran las lentes atermalizadas , que se producen de tal manera que el camino óptico a través de la lente es independiente de la temperatura. Nótese que la diferencia en el camino óptico en función de la temperatura es Δ L = s ( α ( n − 1 ) + d n / d t ) Δ T = s G T {\textstyle \Delta L=s(\alpha (n-1)+dn/dt)\Delta T=sGT} determinada por el espesor del vidrio, el coeficiente de expansión térmica, el índice, la temperatura y el coeficiente termoóptico. Los vidrios atermalizados se pueden encontrar en las coronas fluoradas, coronas de fosfato, coronas densas, pedernales de bario y titanio y otras familias. [38]
Los vidrios cerámicos o vitrocerámicos son vidrios en los que el proceso de formación de cristales se ha estimulado durante un largo y complejo período de calentamiento. La adición de cristales para iniciar la cristalización da como resultado un vidrio con una proporción de cristalizado que varía entre el 50 y el 90%. Dependiendo de los cristales incorporados y de la proporción de vidrio en el vidrio cerámico, las propiedades serán diferentes. En términos generales, el vidrio cerámico es muy resistente al choque térmico y tiene una expansión térmica casi nula (por ejemplo, Zerodur de Schott AG se utilizó específicamente para el Very Large Telescope por estas propiedades térmicas). [39]
Existen numerosas normas para componentes ópticos cuyo objetivo es unificar las notaciones y tolerancias aplicadas a los componentes y definir normas de calidad óptica. Existen dos normas principales: MIL (norma militar estadounidense) e ISO (norma internacional). En Francia, la norma AFNOR es muy similar a la norma ISO, ya que la Union de normalisation de la mécanique tiene el interés de ajustarse lo más posible a las publicaciones ISO. [40]
Las normas MIL e ISO cubren un campo muy amplio y ambas estandarizan las lentes, sus defectos, tratamientos de superficie, métodos de prueba y representaciones esquemáticas.
Existen numerosos fabricantes de lentes especiales para los distintos campos de la óptica, cuyos catálogos ofrecen una amplia selección de lentes ópticas y lentes especiales, a veces además de filtros y lentes y cristales activos. [9] [13] Sin embargo, desde 1980, los catálogos han tendido a reducir la elección, aunque las herramientas de diseño óptico siguen incluyendo catálogos que ya no existen. Entre los fabricantes se incluyen los siguientes: [nb 3]
Además de los catálogos de vidrio óptico y de diversos materiales, otros fabricantes también venden vidrio óptico activo o especial. Por ejemplo, vidrio de índice graduado, utilizado para enfocar los rayos de luz en las fibras ópticas; fibras ópticas, que en una proporción significativa de los casos son hilos de vidrio óptico hilados; y filtros ópticos. Estos productos se pueden encontrar en los catálogos de un mayor número de fabricantes, una lista no exhaustiva pero relevante de los cuales se puede encontrar en los mismos catálogos seleccionados por el software de diseño óptico: [nb 5]
Los vidrios ópticos se utilizan principalmente en muchos instrumentos ópticos , como lentes o espejos. Entre ellos se incluyen, entre otros, telescopios , microscopios , lentes fotográficas y lentes de visores. Otros sistemas ópticos posibles incluyen colimadores y oculares .
Las lentes ópticas, especialmente las oftálmicas, se utilizan para las gafas graduadas. Las gafas también pueden estar hechas de vidrio fotocromático , cuyo tono cambia según la radiación.
Los vidrios ópticos se utilizan para otras aplicaciones mucho más diversas y especializadas, como los detectores de partículas de alta energía (vidrios que detectan la radiación Cherenkov , efectos de centelleo , etc.) y aplicaciones nucleares, como la óptica de a bordo en sistemas sometidos a radiaciones, por ejemplo.
El vidrio óptico se puede hilar para formar una fibra óptica o formar lentes de índice graduado ( lentes SELFOC o lentes Geltech) para inyección en estas mismas fibras.
El vidrio óptico en una u otra forma, dopado o no, se puede utilizar como medio amplificador para láseres.
Por último, pero no por ello menos importante, la microlitografía , que utiliza vidrios transmisores de luz ultravioleta como el FK5HT (Flint crown), el LF5HT (Flint light) o el LLF1HT (Flint extra light) de Schott, llamados vidrios i-line por la empresa en honor al rayo i de mercurio.
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