Una ceramica trasparente è una ceramica che, cristallina o vetrosa, è caratterizzata da un elevato coefficiente di trasmissione delle onde elettromagnetiche in un intervallo di lunghezze d' onda che generalmente include la luce visibile . L' allumina Al 2 O 3è un esempio ben noto, ma nitruro di alluminio AlN, ossinitruro di alluminio Al 23 O 27 N 5, ossinitruro di silicio SiO x N y, lo spinello MgAl 2 O 4, ossido di ittrio (III) Y 2 O 3e lo YAG Y 3 Al 5 O 12sono altri esempi che hanno anche molte applicazioni industriali e militari. Includere tale ceramica sotto forma di parti solide, rivestimenti di film sottili e fibre in applicazioni come guide d'onda , interruttori ottici (en) , amplificatori ottici , lenticchie , laser solidi (en) , finestre ottiche per laser a gas (in) , nonché come componenti per la guida missilistica mediante occhiali a infrarossi e per la visione notturna .
Il materiale della ceramica monocristallina è generalmente largamente privo di difetti microstrutturali di dimensioni dello stesso ordine della lunghezza d'onda da trasmettere, tuttavia la trasparenza di un materiale policristallino è limitata dalla quantità di luce diffusa dalle imperfezioni microstrutturali del materiale. La quantità di luce diffusa è una funzione della lunghezza d'onda della luce incidente. Pertanto, poiché la luce visibile ha una lunghezza d'onda tipicamente compresa tra 380 e 740 nm , i centri di diffusione delle onde hanno dimensioni spaziali dello stesso ordine di grandezza. Tuttavia, le ceramiche sono generalmente ottenute da polveri fini che portano a strutture policristalline riempite con centri di diffusione della luce che hanno esattamente questa dimensione, il che significa che questi materiali sono generalmente opachi alle lunghezze d'onda visibili. Dall'inizio del secolo, tuttavia, le tecniche di produzione della ceramica policristallina hanno permesso di raggiungere qualità che garantiscono la trasparenza di tali materiali a lunghezze d'onda visibili, sia che si tratti di ossinitruro di alluminio, YAG (ad esempio Nd: YAG drogato con neodimio ), o anche cubico nitruro di silicio c -Si 3 N 4 .
I materiali attualmente utilizzati per le applicazioni a infrarossi risultano generalmente da un compromesso tra le loro prestazioni ottiche e la loro resistenza meccanica . Quindi, zaffiro ( allumina Al 2 O 3cristallino ) è molto resistente ma poco trasparente nell'intervallo di lunghezze d'onda da 3 a 5 µm , corrispondente al medio infrarosso. Al contrario , ossido di ittrio (III) Y 2 O 3è molto trasparente nell'intervallo da 3 a 5 µm ma ha una resistenza meccanica, una resistenza agli shock termici e una durezza insufficienti per le applicazioni aerospaziali impegnative. La combinazione di queste due sostanze sotto forma di granato ittrio e alluminio Y 3 Al 5 O 12 si è riscontrato che combina vantaggiosamente queste caratteristiche.
Un metodo per lo spray termico applicato all'allumina con ossidi di terre rare ha consentito agli ingegneri 3M di ottenere nel 2004 una ceramica ad alta resistenza con buone proprietà ottiche. Questo metodo ha evitato la maggior parte dei problemi incontrati con le tecniche di vetro convenzionali e potrebbe essere esteso ad altri ossidi. Sono proseguiti gli sviluppi con il processo sol-gel e le nanotecnologie . Molte ceramiche vetrose o cristalline sono state utilizzate negli strati attivi dei laser solidi (en) e come finestre ottiche per i laser a gas (en) . Il primo laser è stato realizzato nel 1960 da un rubino sintetico come un laser solido pompato otticamente operante a 694 nm . Zaffiri e rubini sono corindoni , varietà cristalline di allumina.
I laser a rubino sono costruiti su barre di zaffiro monocristallino drogato con cromo , tipicamente dell'ordine dello 0,05%. Le facce terminali sono piatte e parallele, lucidate con cura. Il Granato Ittrio Alluminio Y 3 Al 5 O 12drogato con neodimio (Nd: YAG) ha dimostrato di essere uno dei materiali più adatti ai laser solidi (in) . La crescita dei singoli cristalli di Nd: YAG mediante il processo Czochralski è ben controllata e questo materiale combina un'elevata durata di emissione spontanea , ampia sezione d' emissione stimolata , elevata soglia di danno, elevata resistenza meccanica, buona conducibilità termica e bassa distorsione termica del fascio. I laser Nd: YAG sono utilizzati per la microincisione e la marcatura di metalli o materie plastiche , in particolare per il taglio e la saldatura di acciai e leghe varie . Nella costruzione automobilistica , i livelli di potenza sono tipicamente da 1 a 5 kW . I laser Nd: YAG sono utilizzati anche in oftalmologia per correggere l'opacizzazione capsulare posteriore, una complicanza che può verificarsi dopo un intervento di cataratta , e per l' iridectomia periferica nei pazienti con glaucoma acuto ad angolo chiuso , dove si verifica, sostituzione dell'iridectomia chirurgica. I laser Nd: YAG con frequenza raddoppiata ( lunghezza d'onda 532 nm ) vengono utilizzati per la fotocoagulazione panretinica in pazienti con retinopatia diabetica . In oncologia , i laser Nd: YAG possono essere utilizzati per trattare alcuni tumori della pelle . Questi laser sono anche ampiamente utilizzati in medicina estetica per la depilazione laser e il trattamento di difetti vascolari minori come le teleangectasie del viso e delle gambe.
Il vetro può anche essere utilizzato come modello per realizzare laser . Questo tipo di materiale offre una maggiore libertà di progettazione rispetto ai materiali cristallini in termini di dimensioni e forma e può essere prodotto come solidi omogenei isotropi di grandi dimensioni con eccellenti proprietà ottiche . L' indice di rifrazione di questi vetri può essere regolato tra circa 1,5 e 2, e sia il comportamento termico di questo indice di rifrazione che la deformazione ottica dei fasci di luce possono essere regolati modificando la composizione chimica del materiale. Tuttavia, i vetri sono meno buoni conduttori di calore dell'allumina e dello YAG , il che ne limita l'uso in applicazioni ad alta frequenza continue o pulsate.
La principale differenza tra vetri e cristalli sta nel fatto che l'ambiente locale di ogni ione drogante che causa l'emissione laser è molto più variabile in un vetro che in un cristallo, il che allarga le bande di frequenza di emissione nei vetri. Pertanto, l'ampiezza di emissione dei cationi di neodimio Nd 3+ in YAG è dell'ordine di 1 nm , rispetto ai 30 nm tipici dell'ossido di vetro. Questo allargamento rende più difficile ottenere laser ad onda continua nei vetri che nei materiali cristallini.
Diversi tipi di vetro sono utilizzati negli scudi trasparenti, come i normali bicchieri piatti a calce sodata , vetri borosilicati e vetri al quarzo . I vetri piatti sono i più utilizzati a causa del loro basso costo, ma la necessità di migliorare le qualità ottiche e la resistenza balistica ha portato allo sviluppo di nuovi materiali. È possibile migliorare la resistenza meccanica dei vetri mediante opportuni trattamenti chimici o termici, mentre la cristallizzazione controllata di alcune composizioni vetrose può produrre vetroceramica di qualità ottica.
E 'stato dimostrato durante la XXI e secolo è possibile produrre a un costo relativamente basso, dei materiali costituenti i laser ( amplificatori , commutatori (en) , ioni droganti di stampo, ecc ) da nanomateriali da polveri fini ceramiche molto puri trattato mediante sinterizzazione a bassa temperatura. I componenti ottenuti sono esenti da tensioni interne e birifrangenza intrinseca. Accettano livelli di drogaggio elevati e profili di drogaggio ottimizzati, il che rende possibile considerare applicazioni per laser ad alta energia. I principali centri di diffusione dei nanomateriali policristallini sono in particolare i difetti microstrutturali come la porosità residua e i bordi dei grani . L'opacità di un materiale risulta in parte dalla dispersione incoerente della luce da parte delle sue interfacce e superfici interne, che si trovano a livello dei pori interni e dei bordi dei grani che separano i domini cristallini di dimensione nanometrica. Tuttavia, la luce cessa di essere dispersa in modo significativo quando la dimensione dei centri di diffusione delle onde luminose è notevolmente inferiore alla sua lunghezza d'onda , che è proprio il caso di questi nanomateriali. La dimensione dei domini cristallini dei nanomateriali ceramici ottenuti in condizioni sfavorevoli dipende innanzitutto dalla dimensione delle particelle cristalline costituenti la polvere ceramica da cui si cerca di ottenere un materiale ceramico con proprietà optomeccaniche superiori. È così possibile ottenere un materiale traslucido , o anche trasparente , da polveri ceramiche costituite da granuli la cui dimensione è nettamente inferiore alla lunghezza d'onda dello spettro visibile , e quindi sostanzialmente inferiore a 500 nm . Inoltre, è stato dimostrato che la porosità residua, localizzata principalmente ai bordi del grano, è una fonte significativa di dispersione della luce nel materiale, che impedisce una reale trasparenza; la frazione in volume di questi pori nanometrici, vale a dire la porosità sia intergranulare che intragranulare, deve essere inferiore all'1% per una trasmissione del segnale di alta qualità.