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Lexikon der Optik: optische Kristalle

optische Kristalle, Sammelbezeichnung für Kristalle, die als optische Medien Verwendung finden. Sie sollen optisch homogen, also frei von Strukturdefekten, Schlieren, Inhomogenitäten des Brechungsindexes u.a. sein sowie keine durch Verunreinigungen bedingte Absorptionsbanden besitzen. Deshalb werden o. K. heute fast ausschließlich synthetisch aus hochreinen Ausgangsmaterialien nach speziellen Züchtungsverfahren, zumeist aus der Schmelze, hergestellt. Hauptsächlich werden optisch isotrope, also kubische Kristalle verwendet.

Anwendungsgebiete:

1) Zur Erweiterung des spektralen Durchlässigkeitsbereiches optischer Medien werden im Ultravioletten vor allem Lithiumfluorid (LiF), Calciumfluorid (CaF2) und Quarz (SiO2) bzw. Quarzglas, im Infraroten (IR) vor allem Kaliumbromid (KBr), Thalliumbromidiodid (KRS-5, Tl(Br,I)) und Cäsiumiodid (CsI) verwendet (Abb.). Spezielle Optiken und Fenster für das IR werden auch aus Germanium sowie aus Zinkselenid (ZnSe) gefertigt (z.B. für CO2-Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 10,6 μm). Für Prismen in IR-Spektrographen soll das Material eine möglichst große Dispersion besitzen. Da letztere mit Annäherung an die langwellige Durchlässigkeitsgrenze stark wächst, verwendet man einen Satz von Prismen aus verschiedenen Kristallen: Quarz (für den Spektralbereich vom Sichtbaren bis 2,7 μm), LiF (für 2,7 bis 5,5 μm), Natriumfluorid NaF (für 5,5 bis 9 μm), Natriumchlorid NaCl (für 8 bis 16 μm), KBr (für 15 bis 28 μm), Tl(Br,I) (für 24 bis 40 μm) und CsI (für 40 bis 60 μm).

Da die Alkalihalogenide wasserlöslich und z.T. hygroskopisch (wasseranziehend) sind, müssen sie vor Luftfeuchtigkeit geschützt werden. Bei der Züchtung dieser Kristalle sind besondere Maßnahmen erforderlich, um Spuren von Sauerstoff bzw. Wasser, welche zu unerwünschten Absorptionsbanden (OH-Banden) Anlaß geben, fernzuhalten.

Da Quarz doppelbrechend ist (optische Doppelbrechung), werden Quarzprismen so geschnitten, daß ihre brechende Kante parallel zur optischen Achse des Kristalls verläuft, um eine Strahlaufspaltung zu vermeiden. Da Quarz zudem optisch aktiv ist (optische Aktivität), werden optische Systeme so aus rechtsdrehenden und aus linksdrehenden Quarzen zusammengesetzt, daß sich die von ihnen verursachten Drehungen der Polarisationsebene des Lichtes gegenseitig aufheben. – Quarzglas ist optisch isotrop, also weder doppelbrechend noch optisch aktiv.

2) Für Objektive von Mikroskopen und Kameras werden Linsen aus Fluorit (CaF2) herangezogen, die zusammen mit Linsen aus Glas die Konstruktion von Systemen mit sehr guter Farbkorrektur (chromatische Aberration) bzw. mit einer kleineren Anzahl von Linsen ermöglichen. Die Berechnung solcher Objektivsysteme kann deswegen zu günstigen Ergebnissen geführt werden, weil Fluorit eine von optischen Gläsern verschiedene Dispersion bzw. verschiedene Teildispersionen und zugleich einen niedrigen Brechungsindex besitzt. In ähnlicher Weise werden auch Natriumchlorid (NaCl), Natriumfluorid (NaF) und Kaliumaluminiumalaun (KAl(SO4)2·12H2O) eingesetzt. Alaun hat dabei den Nachteil leichter Wasserlöslichkeit.

3) Für polarisationsoptische Bauelemente wird als stark doppelbrechender Kristall Kalkspat (Calcit, CaCO3) verwendet, der in ausreichender Qualität bis heute nur aus begrenzten natürlichen Vorkommen verfügbar ist. In der Polarisationsmikroskopie werden ferner Plättchen aus (natürlichem) Gips und Glimmer benutzt. Bauelemente mit geringer Doppelbrechung werden aus Kristallen von Quarz (SiO2), Korund (Al2O3) oder Ammoniumdihydrogenphosphat (ADP, (NH4)H2PO4) gefertigt.

4) Für elektrooptische und nichtlineare optische Bauelemente werden Kristalle verwendet, die einen möglichst großen elektrooptischen Effekt bzw. nichtlinearen optischen Effekt (nichtlineare Optik) zeigen. Beide Effekte stehen miteinander im Zusammenhang und sind an Kristalle mit fehlendem Symmetriezentrum gebunden. Die meisten Kristalle besitzen allerdings ein Symmetriezentrum und zeigen daher die Effekte nicht. Für die Anfertigung von elektrooptischen bzw. nichtlinearen optischen Bauelementen gebräuchliche Kristalle sind: Ammoniumdihydrogenphosphat (ADP, (NH4)H2PO4), Kaliumdihydrogenphosphat (KH2PO4) (zur Erhöhung des Effekts auch mit Deuterium anstelle von Wasserstoff), Lithiumformiatmonohydrat (LFM, HCOOLi·H2O), Lithiumiodat (LiIO3), Kaliumpentaborat (KB5, KB5O8·4H2O) und Bariummetaborat (BBO, Ba3(B3O6)2). Die genannten Kristalle werden meist aus wäßriger Lösung gezüchtet und sind auch im ultravioletten Spektralbereich (bis herab zu einer Wellenlänge von 200 nm) verwendbar. Ferner werden verwendet: Lithiumniobat (LiNbO3), Strontiumbariumniobat (SBN, (Sr,Ba)Nb2O6), Bariumnatriumniobat (Banana, Ba2NaNb5O15) und Kaliumtantalatniobat (KTN, K(Ta,Nb)O3). Die Niobate werden aus der Schmelze bei Temperaturen bis 1800 K gezüchtet. Sie zeigen große Effekte, erleiden jedoch durch hohe Lichtintensitäten (insbesondere bei kürzeren Wellenlängen) Veränderungen des Brechungsindexes (optical damage); im infraroten Spektralbereich finden außerdem Galliumarsenid (GaAs), Silberarsensulfid (Proustit, Ag3AsS3), Cadmiumgermaniumarsenid (CdGeAs2) und Tellur (Te) Verwendung.

5) Für akustooptische Bauelemente (Debye-Sears-Effekt) werden (synthetische) Kristalle von Bleimolybdat (PbMoO4), von Tellurdioxid (TeO2) und von Quecksilber(I)-chlorid (Kalomel, Hg2Cl2) benutzt.

Kristalle werden in der Optik außer als optische Medien noch für verschiedene andere Zwecke verwendet: als Laserkristalle (Laser), als Szintillatoren (Szintillationszähler), als Leuchtstoffe und Detektoren für γ- und Röntgenstrahlung, als Detektoren für IR-Strahlung (unter Ausnutzung des pyrolelektrischen Effektes), als Medium für die optische Speicherung von Daten (unter Ausnutzung der Photochromie und des photorefraktiven Effektes), als Monochromatoren für Röntgen- und Neutronenstrahlen u.a.



Optische Kristalle: Durchlässigkeitsbereiche optischer Kristalle.

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