Керамика, с которой мы обычно имеем дело, — это спечённый порошок, и она непрозрачна. Свет рассеивается на границах кристаллов, из которых она состоит. Похожая картина у стекла: стекло аморфно, в нём нет кристаллов и их границ, и оно прозрачно, а ситалл — кристаллизованное стекло — не прозрачен, он рассеивает свет.
Из керамики на основе Al2O3 делают электроизоляторы, вкладыши для кранов и многое другое, и во всех этих случаях она матовая. Монокристалл того же состава прозрачен — из него иногда делают «стёкла» часов.
Керамику можно сделать прозрачной, но для этого нужно соблюсти два условия. Первое: чтобы границы между кристаллами не рассеивали свет, сами кристаллы должны быть маленькими. Например, меньше 0,1 микрона, то есть в несколько раз меньше длины волны света (0,35—0,65 мкм). Порошки с частицами такого размера получить не просто. Используются экзотические приёмы, например распыление твёрдого вещества при облучении мощным лазерным импульсом — материал превращается в пар, но при разлёте конденсируется в наночастицы. И это только начало приключений, потому что из таких порошков сложно сделать плотный образец для спекания: из-за высокого трения они плохо прессуются.
И дело не только в размерах частиц, но и в структуре межкристаллитных границ, поэтому прозрачную керамику удавалось изготовить только из оксидов — Al2O3, Y2O3, Lu2O3, MgO, BeO. И то не очень прозрачную, в технике её скромно называют «просвечивающая». Для получения лазерных керамик с малыми оптическими потерями необходимо высокое совершенство границ между кристаллами (и это второе условие). Оно может быть достигнуто только для веществ с кубической симметрией, причём при их срастании определённым образом, например, когда один кристалл является зеркальным отражением другого. Кроме того, важна так называемая когерентность решёток соприкасающихся кристаллов, когда они имеют общий атомный слой.
Для лазерной техники потребовался по-настоящему прозрачный материал на основе фторидов, например CaF2 с добавкой редкоземельных элементов. Материал этот хорош, в частности, тем, что его коэффициент преломления слабо зависит от температуры, — это важно, потому что в процессе работы мощного лазера его активный элемент нагревается неравномерно и нарушается формирование луча. Монокристалл из этого материала сделать можно, но там свои проблемы, например, он недостаточно прочен.
Авторы работы, исследователи и технологи, сотрудники Института общей физики РАН, ухитрились подобрать условия синтеза и сделать прозрачную фторидную керамику. Непонятно одно — чего там больше: знания физики или чутья технологии.
Кузнецов С. В., Александров А. А., Фёдоров П. П. Фторидная оптическая нанокерамика. Неорганические материалы, 2021, № 6, с. 583.
