光学セラミックス

光学セラミックス、光学用途で使用するために開発された高度な産業材料。

光学材料の有用性は、赤外線、光学、および紫外光に対する応答から導き出されます。最も明白な光学材料はガラスであり、工業用ガラスの記事で説明されていますが、セラミックも多くの光学用途向けに開発されています。この記事では、パッシブ（例：窓、レドーム、ランプエンベロープ、顔料）とアクティブ（例：蛍光体、レーザー、電気光学部品）の両方のこれらのアプリケーションのいくつかについて概説します。

受動装置

光学および赤外線ウィンドウ

純粋な状態では、ほとんどのセラミックはワイドバンドギャップ絶縁体です。これは、最も高い充填電子レベルのエネルギーと次に高い非占有レベルのエネルギーの間に禁制状態の大きなギャップがあることを意味します。このバンドギャップが光の光エネルギーよりも大きい場合、これらのセラミックは光学的に透明になります（ただし、このようなセラミックの粉末や多孔質の成形体は、光の散乱により白色で不透明になります）。光学的に透明なセラミックの2つの用途は、スーパーマーケットのバーコードリーダー用の窓と、赤外線レドームおよびレーザー窓です。

サファイア（酸化アルミニウムの単結晶フォーム、Al ₂ O ₃）は、スーパーマーケットのチェックアウトウィンドウに使用されています。光透過性と高い耐スクラッチ性を兼ね備えています。同様に、耐腐食性の赤外線レドームには、塩化ナトリウム（NaCl）、ルビジウムをドープした塩化カリウム（KCl）、フッ化カルシウム（CaF）、フッ化ストロンチウム（SrF ₂）などの単結晶または赤外線透過性の多結晶セラミックが使用されています。、赤外線検出器用のウィンドウ、および赤外線レーザーウィンドウ。これらの多結晶ハロゲン化物材料は、酸化物よりも短い波長を透過する傾向があり、赤外領域まで広がります。しかし、それらの粒界と多孔性は放射線を散乱させます。したがって、単結晶として使用するのが最適です。ただし、ハロゲン化物は大きな窓に対しては強度が不十分で、自重で塑性変形する可能性があります。それらを強化するために、単結晶は通常、熱間鍛造されて、きれいな結晶粒界と大きな結晶粒サイズを誘発します。これにより、赤外線透過率は大幅に低下しませんが、本体は変形に抵抗できます。代わりに、大きな粒子の材料を溶融鋳造することもできます。

ランプエンベロープ

封入されたガスが印加電圧によりエネルギーを与えられ、それにより発光する放電ランプは、非常に効率的な光源であるが、それらの動作に伴う熱および腐食は、光学セラミックをそれらの熱化学的限界に押しやる。1961年、米国のGeneral Electric CompanyのRobert Cobleがアルミナ（合成多結晶、Al ₂ O ₃）をマグネシア（酸化マグネシウム、MgO）を焼結助剤。この技術により、高圧ナトリウム蒸気ランプの非常に高温のナトリウム放電を、その光を透過する耐火物に含めることができました。内部のアルミナランプエンベロープ内のプラズマは、1,200°C（2,200°F）の温度に達します。エネルギー放出は可視スペクトルのほぼ全体をカバーし、琥珀色の輝きが主要都市のスカイラインで一般的である低圧ナトリウム蒸気ランプとは異なり、すべての色を反射する明るい白色光を生成します。

顔料

セラミックカラーまたはセラミック業界は、長年の伝統的な業界です。セラミック顔料またはステインは、特定の遷移金属または希土類元素と組み合わせた酸化物またはセレン化物でできています。これらの種による特定の波長の光の吸収は、化合物に特定の色を与えます。たとえば、アルミン酸コバルト（CoAl ₂ O ₄）とケイ酸コバルト（Co ₂ SiO ₄）は青色です。酸化バナジウムスズ（VドープSnO ₂として知られています）とジルコニウムバナジウム酸化物（VドープZrO ₂）は黄色です。コバルトクロマイト（CoCr ₂ O ₃）とクロムガーネット（2CaO・Cr ₂ O ₃・3SiO ₂）は緑色です。クロムヘマタイト（CrFe ₂ O ₃）は黒色です。天然のケイ酸塩材料では利用できない真の赤色は、硫化カドミウムとセレン化カドミウム（CdS-CdSe）の固溶体に含まれています。