Создание и исследование оптических градиентных систем с двумерным распределением показателя преломления

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы

.

Современное развитие науки и техники ставит перед оптической промышленностью ряд принципиально новых задач, для решения которых необходимосущественное улучшение параметров и характеристик оптических систем и создание принципиально новой оптической элементной базы. С точки зрения дальнейшего повышения качества оптических приборов и их эксплуатационных характеристик, возможности использования традиционных оптических элементов и технологий практически исчерпаны. Требуется создание новых технологических процессов, среди которых всё большее внимание уделяется методам градиентной оптики, предполагающим изготовление в оптических элементах из стекла аксиального и радиального профиля градиента распределения показателя преломления.

В традиционной оптике обычно используют материалы с постоянным и одинаковым для всех точек показателем преломления. В оптических приборах, построенных из таких материалов, отклонение луча от первоначального направления и формирование изображения осуществляется за счёт преломления или отражения на неплоских поверхностях. В градиентных материалах изменение направления распространения излучения определяется внутренними свойствами диэлектрической среды. Создание радиального распределения показателя преломления в направлении перпендикулярном оптической оси линзы позволяет получать оптический элемент эквивалентный асферической линзе.

Теоретическое рассмотрение показывает. что за счёт использования в оптических системах компонентов с радиальным распределением показателя преломления (РПП), общее количество компонентов может быть уменьшено в 2 — 3 раза, без потери качества изображения. Поэтому значительно уменьшаются габариты и вес оптической системы, снижается уровень рассеянного света и возрастает пропускание. Качество элемента, выполненного из неоднородного материала может быть выше качества элемента, выполненного средствами классической оптики. Однако достижение высоких характеристик оптических систем с неоднородными средами требует проведения серьёзных технологических работ, т.к. требования к случайному нерегулярному изменению показателя преломления в ответственных случаях столь же высоки, как и для элементов выполненных из однородных сред. К настоящему времени градиентной оптике было посвящено много международных конференций. Наиболее сильно вперёд продвинулось направление, занимающееся оптическими элементами с радиальным распределением показателя преломления — граданами. Широко используются оптические системы на их основе (множительная техника, факсимильная топография). Всё это говорит об актуальности исследований элементов с радиальным распределением показателя преломления и исходя из этого была выполнена данная диссертационная работа.

В настоящей работе получены экспериментальные результаты, которые показывают возможность получения градиентных линз большого диаметра (20 — 100) мм с радиальным распределением показателя преломления на основе литеевоалюмосиликатных стёкол оптического качества. Предложена новая методика изготовления таких градиентных элементов путём создания в стекле кристаллического слоя с радиальным распределением концентрации кристаллической фазы, играющего роль маски для проведения последующей ионообменной диффузии с целью создания радиального РПП. Определены оптимальные параметры технологического процесса для получения граданов с радиальным РПП.

Цель работы.

Целью работы является разработка основ технологии изготовления двумерных структур и граданов с радиальным распределением показателя преломления на основе способа создания стеклокристаллической маски с радиальным распределением кристаллической фазы в стеклянной заготовке с последующей ионообменной диффузией через неё.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи :

— разработать основы технологии двумерных структур граданов с радиальным РПП способом создания в объёме образца стеклокристаллической маски.

— разработать экспериментальные методы измерения РПП в образце .

— получить экспериментальные образцы и исследовать зависимость РПП от технологических параметров.

Научная новизна.

1. В предыдущих работах (в известных технологиях) РПП образуется в направлении перпендикулярном поверхности, причём закон РПП определяется законами диффузии, т. е. существуют жёсткие ограничения на РПП. Основным направлением работы является то, что РПП должно образовываться не в процессе диффузии, а формироваться независимо от него. В работе показана возможность создания в стекле слоя с радиальным РПП путём проведения ионообменной диффузии через маску из кристаллического слоя фиксированной толщины, изготовленную непосредственно в стекле.

2. В работе осуществлена идея создания светочувствительного слоя в не светочувствительном стекле за счёт проведения в стекло ионообменной диффузии и взаимозамещения катионов металлов в системе стеклорасплав соли. Для получения светочувствительного в УФ области слоя была проведена ионообменная диффузия серебра в стекло. Толщина полученного слоя составляла 70−100 мкм. После проведения диффузии стекло было подвергнуто интерференционному контролю, который показал, что оптические свойства исходного стекла, в т. ч. и коэффициент преломления остались неизменными .

3. На основе исследования влияния технологических факторов формируются основные представления о характере процессов создания элементов с градиентом распределения показателя преломления при помощи создания фотоситалла в стеклянной матрице. В данной работе исследуется такие технологические факторы, как время экспозиции при УФ — облучения стекла (изменение скорости сканирования УФ-облучением поверхности образца), время проведения ионообменных диффузий, состав компонентов в расплавах солей, время и температура отжига для получения фотоситалла в стеклянной матрице. Был выбран один варьируемый параметр, независимый от других технологических факторов — это время экспозиции при УФоблучении стекла. К преимуществам этого параметра можно отнести: лёгкость и широкий диапазон варьирования, высокую степень точности и простоту применения. Сканирование УФ — излучением по поверхности образца проводилось ртутной лампой ДРШ-100 через оптическую щель. Закон скорости перемещения образца относительно щели задавался устройством РУ-5−02М. Отжиг образцов для образования кристаллической фазы в светочувствительном слое проводился в шахтной печи СШОЛ. Для проведения диффузии использовались ионы серебра, т.к. было экспериментально установлено, что только они проходят через кристаллическую «маску «.

4. Разработан и исследован способ образования стеклокристаллического слоя с градиентом концентрации кристаллической фазы в стекле, в качестве «маски «для последующей ионообменной диффузии через неё. Установлено, что интенсивность диффузионного процесса уменьшается с увеличением концентрации кристаллической фазы в светочувствительном слое. Установлено, что значение перепада показателя преломления в стеклянной матрице за светочувствительным слоем, после проведения ионообменной диффузии, обратно пропорционально концентрации кристаллической фазы в светочувствительном слое. Была выбрана оптимальная для этих целей кристаллическая фаза, имеющая достаточный диапазон диффузионной прозрачности, это — метасиликат лития, который образовывался при отжиге стекла в печи, при» этом структурных изменений состава стекла, по сравнению с исходным не наблюдалось. На основании проведённых измерений была исследована зависимость концентрации кристаллической фазы в слое от закона изменения интенсивности засветки по координате образца.

5. Предлагается методика определения профиля градиента распределения показателя преломления по экспериментальным данным. Исследования формы профиля градиента распределения показателя преломления проводились по данным интерферограмм, полученным на фотографической плёнке при помощи измерительной установки, которая основана на интерферометре Маха-Цандера и описана в данной работе. Исследования показали, что полученная в стеклянной матрице форма профиля градиента распределения показателя преломления соответствует закону изменения времени экспозиции при УФ — облучении стекла. В пределах относительной погрешности 5% наблюдалась воспроизводимость результатов.

6. Предлагается способ для определения параметров полученного фотоситалла по измерению заряда поверхности стекла в процессе его отжига. Разработана электрометрическая методика контроля процесса кристаллизации стекла при изготовлении «маски «. Была создана установка для визуализации процесса образования кристаллической фазы в стекле с целью прерывания процесса отжига при достижении нужной концентрации кристаллической фазы. При измерении заряда поверхности образца во время процесса отжига электрометром В7−30 наблюдалось резкое увеличение заряда поверхности образца в интервале температур и времени, соответствующих образованию фазы метасиликата лития в стекле .

7. Описывается автоматизированная установка для обработки полученных интерферограмм с повышенной точностью. Для измерения и последующей обработки параметров интерференционной картины была создана установка на базе фотоэлектрических приёмников излучения. Разрешение устройства — 70 мкм на стандартном фотографическом слайде. Относительная погрешность измерений-5%. Устройство повышает точность и снижает трудоёмкость измерений .

8. Для определения состава и распределения кристаллической фазы в слое были проведены исследования рентгеновскими и спектральными методами. Рентгеновские измерения полученной кристаллической фазы проводились на дифрактометре АДП — 1 и показали наличие в ситалловом слое образцов кристаллической фазы метасиликата лития, размеры кристаллов в которой составляли 486 А в направлении оси /001/. Спектральные измерения проводились на установке СпекордМ 400 на длинах волн 500, 555, 630 нм. Было определено процентное распределение концентрации кристаллической фазы по координате длины образца. Относительная погрешность этих приборов была не более 5%.

9. Экспериментально показана возможность изготовления выпуклых и вогнутых поверхностей на базе светочувствительных кристаллизующихся стёкол.

Практическая значимость работы.

Данная технологическая методика позволяет использовать метод ионообменной диффузии для получения градиентных линз большого диаметра (20 — 100) мм, в предыдущих технологиях диаметры получаемых линз не превышали 20 мм и определялись физическими свойствами процесса диффузии .Для решения задачи создания градиентных линз с радиальным распределением показателя преломления большого диаметра необходимо проводить ионообменную диффузию не через боковую поверхность по традиционной технологии, а с торца цилиндрической стеклянной заготовки. Способ использования боковой поверхности заготовки характерен для получения градиентных линз с аксиальным распределением показателя преломления. Для решения задачи радйального распределения показателя преломления на торце цилиндра из светочувствительного стекла создаётся кристаллический слой с радиальным распределением показателя кристаллической фазы, которая выполняет функции «маски» при последующем проведении ионообменной диффузии через торец цилиндрической заготовки.

Данная технологическая методика позволяет получать заранее рассчитанную форму радиального градиента распределения показателя преломления, которая в сочетании с такими параметрами линзы, как толщина и кривизна первой и второй поверхности, будет являться фактором для коррекции 5 видов аберраций: Комы, Дисторсии, Астигматизма, Сферической аберрации и кривизны Петсваля. Корректировать аберрации можно будет не только в процессе изготовления линзы, но и в уже изготовленных линзах.

В результате проведённых исследований было определено, что форма градиента распределения показателя преломления полученная на обратной стороне образца т. е. на стороне образца подвергнутой воздействию УФизлучения, ослабленного прохождением толщины его стекла, соответствует закону изменения времени экспозиции излучения или закону изменения скорости сканирования УФ — излучением по поверхности образца .

Найдены оптимальные параметры технологического цикла получения заранее рассчитанной формы градиента распределения показателя преломления в стеклянной матрице, так же определён один, независимый от других параметр этого цикла, обладающий простотой варьирования, высокой степенью точности и простотой применения — это изменение времени экспозиции УФ — облучения стекла .

Разработан способ визуализации процесса образования кристаллической фазы в стеклянной матрице по измерению электрического заряда поверхности стекла во время его отжига. В данной технологической методике этот способ позволяет в нужное время и при достижении нужной температуры прервать процесс отжига стекла для получения расчётной концентрации кристаллической фазы.

На защиту выносятся следующие основные положения .

1 .Результаты исследования процесса получения светочувствительного слоя фиксированной толщины в не светочувствительном стекле и процесса образования в этом светочувствительном слое кристаллической фазы метасиликата лития, обладающей достаточным диапазоном диффузионной прозрачности.

2.Результаты исследования зависимостей концентрации кристаллической фазы, полученной в светочувствительном слое, а так же формы профиля градиента распределения показателя преломления и значений перепада показателя преломления, полученных при проведении ионообменной диффузии через эту кристаллическую «маску» от времени экспозиции при УФ — облучении стекла.

3.Разработка технологического режима и оптимизация параметров технологического цикла получения расчётной формы профиля градиента распределения показателя преломления изготовленного в стеклянной матрице после проведения в неё ионообменной диффузии через кристаллическую «маску».

4.0писание технологических и измерительных установок и методов контроля используемых в данной работе .

Личный вклад автора в представленную работу состоит в следующем :

— проведение экспериментальных исследований, связанных с разработкой технологических режимов изготовления заданной формы профиля распределения показателя преломления в стекле и с разработкой метода визуализации процесса образования кристаллической фазы в стекле, а так же разработка этих режимов и методов.

— разработка технологических и измерительных установок и методов контроля, используемых в данной работе .

— проведение исследований оптических и физико-химических свойств стеклянных и кристаллических образцов, полученных в результате проведённых экспериментов.

— анализ и интерпретация полученных результатов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях :

— «Оптические элементы на основе светочувствительных стёкол с градиентом кристаллической фазы». (Вторая Всесоюзная конференция физики стекла. Рига, Саласпилс 1, 1991 г.) и.

— «Изготовление в стекле показателя преломления расчётной формы с целью коррекции аберраций оптических элементов». (VIII Все российская научная конференция студентов и аспирантов, Таганрог, 2006 г.).

— «Изготовление в стекле профиля показателя преломления расчётной формы с целью коррекции аберраций оптических элементов». (Между-народная научно-техническая конференция. Системные проблемы надёжности, качества информационных и электронных технологий в инновационных проектах. Сочи, 2006 г.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликована 1 печатная работа, получено 2 авторских свидетельства на изобретение .

Структура и объём диссертации .

Диссертация состоит из введения, 4 глав и списка литературы. Основной материал изложен на 140 страницах, включая 38 рисунков и списка литературы из 75 наименований .

5.6 Выводы из результатов экспериментов и публикации работы.

1. На базе проведённых исследований показана возможность создания в стекле слоя с радиальным распределением показателя преломления путём проведения ионообменной диффузии через маску из кристаллического слоя фиксированной толщины, изготовленную непосредственно в материале стекла. Технологический цикл получения в стекле заданного профиля распределения показателя преломления состоит из следующих операций: а). Изготовление светочувствительного слоя в не светочувствительном стекле. Для получения светочувствительного в УФ области слоя была проведена ионообменная диффузия серебра в стекло. Толщина полученного слоя составляла 70−100 мкм. б). Облучение полученных образцов в УФ свете по заданному закону. в). Отжиг образцов для образования кристаллической фазы в светочувствительном слое. г). Проведение через полученную «маску» ионообменной диффузии для изменения показателя преломления стекла по закону, соответствующему закону облучения. Для проведения диффузии использовались ионы серебра, т.к. было установлено, что только они проходят через кристаллическую «маску».

2. Выбрана оптимальная для этих целей кристаллическая фаза, имеющая достаточный диапазон диффузионной прозрачности.

Была выбрана кристаллическая фаза метасиликата лития, которая образовывалась при отжиге стекла в печи. При этом структурных изменений состава стекла, по сравнению с исходным не наблюдалось. Аналогичная кристаллическая фаза образовывалась в образцах стекла с серебром, введённым при варке из шихты .

3. Найдены параметры технологического цикла получения в литиевоалю-мосиликатном стекле градиента распределения показателя преломления.

4. На основании проведённых измерений, исследована зависимость получаемой концентрации кристаллической фазы в слое от закона изменения интенсивности засветки по координате образца. Измерения показали, что значение перепада показателя преломления обратно пропорционально концентрации кристаллической фазы в слое. В пределах относительной погрешности 5% наблюдалась воспроизводимость результатов.

5. Для определения состава и распределения кристаллической фазы в слое были проведены исследования рентгеновскими и спектральными методами, которые показали наличие в ситалловом слое образцов кристаллической фазы метасиликата лития, размеры кристаллов которой составляли 486 А в направлении оси / 001 /.

6.С помощью разработанной технологии в стеклянной матрице за слоем была получена и исследована расчётная форма градиента распределе ния показателя преломления. Было определено, что значение перепада показателя преломления в стеклянной матрице обратно пропорционально концентрации кристаллической фазы в слое и, что форма профиля градиента распределения показателя преломления на обратной воздействию излучения стороне образца, соответствует закону изменения интенсивности УФ-излучения. Это свойство очень актуально для коррекции аберраций оптический элементов .

7. В данной работе было проведено исследование зависимости формы получаемых профилей градиента распределения показателя преломления от: а).степени шероховатости поверхности стекла при проведении ионообменной диффузии. Показано, что с уменьшением степени шероховатости, увеличивается степень соответствия формы градиента закону изменения интенсивности облучения. б).степени изменения интенсивности УФ-облучения поверхности стекла. Показано, что с увеличением интенсивности облучения, повышается соответствие формы градиента закону изменения интенсивности облучения. в), времени проведения ионообменной диффузии в не светочувствительное стекло. С увеличением толщины светочувствительного слоя, перепад показателя преломления уменьшается.

8. Для измерения и последующей обработки параметров интерференционной картины был применён метод, с использованием фотодиодов как приёмников излучения. Разрешение устройства 70 мкм на стандартном фотографическом слайде. Относительная погрешность измерений 5%. Устройство повышает точность и снижает трудоёмкость измерений .

9. Была применена методика визуализации процесса образования кристаллической фазы в стекле с целью прерывания процесса отжига при достижении нужной концентрации кристаллической фазы .

При измерении заряда поверхности образца во время процесса отжига в интервале температур, соответствующих образованию фазы метасиликата лития в стекле, наблюдалось резкое увеличение электрического заряда.

По теме диссертации опубликованы следующие работы :

1. П. М. Валов, С. Ф. Грилихес, М. Н. Полянский, Б. И. Юдин Формирование поверхностных светочувствительных слоёв стекла методом ионообменной диффузии. // Журнал «Физика и химия стекла» 1994 г., Т. 20, № 3, стр. 427- 429.

2. С. Ф. Грилихес, М. Н. Полянский, Б. И. Юдин, А. К. Якхинд ,.

A.A. Жилин, Т. И. Чуваева Способ изготовления стекла с градиентом показателя преломления. // Патент РФ № 2 008 287, кл. С 03 С 21/00, 1994 г.

3. Б. И. Юдин Способ определения светочувствительных характеристик фотоситаллов. // Патент РФ № 2 011 988, кл. G 01 N 27/60, 1994 г.