Введение. Начиная знакомство с данным разделом дисциплины "Оптическое материаловедение", студентам нужно иметь в виду

Начиная знакомство с данным разделом дисциплины "Оптическое материаловедение", студентам нужно иметь в виду, что этот раздел предполагает наличие у них некоторого базового объема знаний по смежным естественнонаучным дисциплинам (таким, как, например, «Физика твердого тела»). Необходимость таких исходных базовых знаний обусловлена тем, что при изложении всех вопросов от самых истоков непосредственно в данном разделе дисциплины объем этого раздела превысил бы все разумные рамки.

При этом следует также учитывать, что любые названия конкретных дисциплин являются достаточно условными. В природе не существует жестких разграничительных линий между различными классами явлений. Поэтому, например, в средние века, когда весь имеющийся объем знаний о естественных науках еще мог быть охвачен и проанализирован мозгом одного человека, не возникало и необходимости как-то разграничивать эти науки друг от друга, и все они обозначались единым термином – натурфилософия. По мере развития естественных наук исследователи оказались вынужденными проводить какие-то разграничительные линии, чтобы структурировать все возрастающий объем знаний и получить возможность специализироваться в тех или иных направлениях. Естественно, эти разграничительные линии и, соответственно, названия конкретных дисциплин менялись и продолжают меняться с течением времени. Например, первое издание всеобъемлющей монографии Роберта Вуда, вышедшее в 1909 г., называлось «Физическая оптика»: в то время понятие «Физическая оптика» включало в себя почти все, что к тому времени было известно существенного обо всем классе оптических явлений (включая вопросы, выделившиеся позднее в направление «Спектроскопия»). Вышедшая в 1967 г. монография Макса Гарбуни «Оптическая физика» (в русском переводе – «Физика оптических явлений» [1]) снова освещает, несмотря на различие названий, тот же круг общих вопросов, что и монография Роберта Вуда, отражая при этом уже значительно более поздний этап развития данной области науки и включая ряд новых аспектов. Современное же содержание термина «Оптическая физика» (как можно видеть, например, по дисциплине, обозначаемой этим термином в действующей учебной программе естественнонаучного цикла) стало существенно более узким по части изложения общих вопросов, но зато затрагивает многие новые направления, еще только появившиеся или даже просто не существовавшие во времена Макса Гарбуни.

Ввиду такой условности границ между различными смежными дисциплинами некоторые исходные моменты излагаемых ниже вопросов (включая математические соотношения) неизбежно перекликаются с теми, которые представлены и в других дисциплинах (например, в тех же дисциплинах естественнонаучного цикла «Физика твердого тела» и «Оптическая физика»). Присутствие ряда таких общих исходных моментов в данном разделе необходимо ради сохранения логической последовательности изложения, так как здесь эти моменты и соотношения развиваются далее и детализируются до уровней, не достигаемых в других дисциплинах. Сравнивая аналогичные исходные уравнения в различных дисциплинах, следует иметь в виду, что набор мировых констант, участвующих в том или ином уравнении, и положение в нем множителя 2 p могут различаться в зависимости от выбора системы единиц. В данном разделе все уравнения приводятся для системы единиц CGSE, так как в системе СИ они были бы более громоздкими из-за необходимости введения дополнительных констант (прежде всего диэлектрической проницаемости вакуума, являющейся в системе СИ размерной величиной в отличие от системы CGSE, где она безразмерна и равна единице).

Известно, что в качестве оптических материалов могут использоваться не только твердые тела, но и вещества в других агрегатных состояниях (например, жидкие и газообразные активные среды для некоторых типов лазеров). Однако в подавляющем большинстве случаев оптические материалы являются твердотельными, то есть по своей физической природе они относятся либо к кристаллам, либо к стеклам. Поэтому данный раздел дисциплины посвящен, прежде всего, именно этим классам оптических материалов. Общая схема взаимосвязей между различными группами оптических материалов приведена на рис. 1.

Все оптические материалы для удобства последующего рассмотрения можно условно разделить по их практическому применению на две больших группы - пассивные и активные материалы (см. рис. 1). Пассивные оптические материалы служат для передачи световых потоков, несущих энергию излучения или оптическое изображение, и для формирования этого изображения. Активные оптические материалы служат дляуправления световыми потоками и генерации этих потоков. Исторически первые оптические материалы были именно пассивными материалами, а активные материалы возникли позднее. Они разрабатывались, используя имевшиеся пассивные оптические материалы как исходные матрицы для последующей модификации путем введения активаторов (то есть добавок определенных веществ) или направленного создания дефектов, которые придают матрице дополнительные свойства. Поэтому для понимания всей совокупности оптических свойств даже самых сложных современных активных материалов совершенно необходимы глубокие знания в области механизмов формирования оптических свойств пассивных материалов.

Основополагающим требованием к пассивным оптическим материалам является оптическая однородность, то есть отсутствие заметных изменений волнового фронта при прохождении через слой материала в произвольно выбранном направлении. Вопрос об оптической однородности ставится принципиально различным образом для кристаллических и стеклообразных материалов. Для кристаллов наличие правильной решетки, обладающей свойством трансляционной симметрии, предопределяет, как известно, неизбежную анизотропию большинства или даже всех их свойств (более подробно данный вопрос уже рассматривался в предшествующем разделе данной дисциплины и затрагивался также в дисциплине естественнонаучного цикла «Физика твердого тела»). Изотропность оптических свойств и соответственно оптическая однородность свойственны лишь кристаллам кубической сингонии, для которых скорости распространения световой волны по трем осям решетки совпадают (тогда как некоторые другие их свойства – например, механические – все же обладают анизотропией). Для стекол, лишенных технологических дефектов, полная изотропность всех их свойств и соответственно оптическая однородность являются, напротив, их характерными отличительными чертами. Это обусловливается такой принципиальной физической особенностью стеклообразного состояния вещества как случайная неупорядоченность его структуры (этот вопрос более подробно затрагивается ниже в параграфе 5.1, а также рассматривается в последующем разделе данной дисциплины).

К сожалению, в русскоязычной научной и педагогической литературе отсутствуют какие-либо издания, охватывающие достаточно большую часть тематики данного раздела дисциплины. Известные переводные монографии [1-3] уже не соответствуют современному состоянию науки и к тому же освещают лишь общие вопросы, не затрагивая расчетных методов и задач практического применения оптических материалов. То же самое относится и к хорошо известному учебнику [4]. Поэтому значительная часть необходимого материала оказывается рассеянной по узкоспециализированным монографиям (например, [5-7]) и оригинальным журнальным публикациям, а некоторые вопросы вообще не освещены в русскоязычной литературе. В англоязычной литературе превалируют те же тенденции – с тем исключением, что тематика данного раздела достаточно широко излагается как целое в монографии [8]. Однако эта монография имеется лишь в двух крупнейших научных библиотеках Петербурга и Москвы и поэтому мало доступна студентам. Данное учебное пособие призвано в какой-то мере возместить эти пробелы в имеющейся литературе.

Общая схема взаимосвязей между различными группами оптических материалов.

Основные понятия физики оптических явлений в твердых телах