ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК

Исаев А.С.¹, Сутчук А.Л.², Гулько Д.Я.³, Корсаков А.С.⁴, Жукова Л.В.⁵

¹Магистрант; ²магистрант; ³магистрант; ⁴кандидат химических наук, старший научный сотрудник, Уральский Федеральный Университет; ⁵профессор, доктор технических наук, старший научный сотрудник, Уральский Федеральный Университет.

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК

Аннотация

Разработка пластичных кристаллов на основе твердых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия, обладающих рядом свойств таких как: широкий диапазон спектрального пропускания от 0,4 до 40,0 мкм, фотостойкость, негигроскопичность, малые оптические потери, дает шаг к возможности применения данного материала не только как основы для изготовления фотонно-кристаллических ИК-световодов, полученных методом экструзии, но и для получения оптических изделий (линз) методом горячего прессования. Этой теме и посвящена данная работа.

Ключевые слова:  твердые растворы галогенидов серебра и таллия (I); метод горячего прессования; линза; ИК-диапазон 0,2-40,0 мкм; компьютерное моделирование.

IsaevA.S.¹, SutchukA.L.², GulkoD.Y.³, KorsakovA.S.⁴, ZhukovaL.V.⁵

¹Master student; ²master student; ³master student; ⁴PhD in Chemistry, Senior Researcher, Ural Federal University; ⁵professor, Doctor of Technical Sciences, Senior Researcher, Ural Federal University.

RESEARCH AND DEVELOPMENT OF MONOCRYSTAL-BASED OPTICAL WARE TECHNOLOGY

Abstract

The development of flexible crystals based on silver and monovalent thallium solid solutions, owning a number of properties, such as wide transmission range from 0,4 up to 40,0 mm, photostability, non-hygroscopicity, decreased optical losses, enables us to exploit this material not only as a basis for photonic crystal IR fiber extrusion, but also for optical wares (lenses) manufacturing via hot-pressing. It is this topic which is in the spotlight of current paper.

Keywords: silver and thallium (I) halide solid solutions; hot-pressing technique; lens; IR spectrum from 0,4 to 40,0 µm; computer simulation.

Изобретение лазера стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники ХХ века. Помимо научных и технических применений, лазерышироко используются в информационных технологиях и также для решения специальных задач. Наибольший интерес представляет излучение углекислотного лазера в силу его большей информационной емкости и большей длины волны (10,6 мкм). Оптические изделия на основе галогенидов одновалентного таллия и серебра являются наиболее подходящей средой для работы с данным излучением, что выгодно отличает их от изделий из такого материала волоконной оптики, как кварц, являющегося наиболее пригодным материалом для работы в диапазоне пропускания от 0,2  до 2,4 мкм. Также широко используется селенид цинка, применяемый для элементов оптики (линзы, ИК-окна, призмы) в  спектральном диапазоне от 0,58 до 22,0 мкм.

В построении волоконно-оптических систем немало важную роль занимают такие детали из оптически прозрачного однородного материала как линзы, обладающие свойством управления излучения. Они имеют такие параметры, как: фокусное расстояние, диаметр, толщина и радиус кривизны. В зависимости от свойств входного пучка излучения уже необходимо учитывать физические свойства самого материала, из которого изготовлена сама линза. Разработка пластичных кристаллов на основе твердых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия, обладающих рядом свойств, таких как: широкий диапазон спектрального пропускания от 0,4 до 40,0 мкм, фотостойкость, негигроскопичность, малые оптические потери, дает шаг к возможности применения данного материала для получения линз, участвующих в построении каскада оптических элементов.

Как описывается в работах [1, 2],при производстве оптических волокон важно добиться необходимых свойств ИК-световодов, а также возможности воспроизведения этих свойств. Для прогнозирования функциональных свойств фотонно-кристаллических ИК-световодов, а также для визуализации распространения излучения по волокну удобно воспользоваться методами компьютерного моделирования, которые позволяют определить, возможна ли работа того или иного волокна и при каких его характеристиках достигается тот или иной режим работы, а также какие параметры излучения и самого световода влияют на функциональные свойства последнего [3-5].

Моделирование картины прохождения светового луча по рабочему пространству линзы легко осуществить при помощи пакета программ ZEMAX Optical Design, который может моделировать, анализировать и помогать в проектировании оптических систем [6].

Рис.1 – Проектирование линзы. Lens Data Editor – окно для работы с параметрами линзы, Shaded Model – моделирование хода лучей, Physical Optics Propagation – распределение интенсивности излучения

Интерфейс программы прост в использовании и включает в себя набор инструментов для быстрого расчета требуемых величин, таких как: фокусное расстояние, радиус кривизны, диаметр и толщина оптического элемента. Алгоритм программы базируется на математическом моделировании (рис. 1).

Как было описано выше, все оптические изделия обладают важными характеристиками, такими как:

- Фокусное расстояние, показывающее на каком расстоянии и  в какой плоскости происходит процесс «управления» излучением;

- Диаметр и толщина линзы;

- Радиус кривизны - это мера кривизны поверхности линзы. Кривизна тем больше, чем сильнее кривая отличается от прямой.

Радиус кривизны в свою очередь является опорной характеристикой, от которой зависит значение фокусного расстояния. Диаметр также тесно связан с величиной радиуса кривизны и с точки зрения пространственной геометрии - это основание сегмента шара, радиусомкоторого является радиус кривизны линзы.

Для получения значения требуемых величин расчет ведется с учетом представления формы линзы как двух частей сегментов шара (рис. 2).

Рис. 2 – Представление линзы в виде двух сегментов шара: d–диаметр двояковыпуклой линзы, h− толщина плосковыпуклой линзы

Каждый сегмент представляет собой плосковыпуклую тонкую линзы, которая имеет величину радиуса кривизны, длины основания, равного диаметру линзы, и толщины линзы, равной половине общей толщины двояковыпуклой линзы.

Расчет величин радиуса кривизны и фокусного расстояния производится при помощи формул:

где R – радиус кривизны плосковыпуклой линзы, мм; h – толщина плосковыпуклой линзы, мм; d – диаметр двояковыпуклой линзы, мм. где F – фокусное расстояние двояковыпуклой линзы, мм; n – показатель преломления; R₁ и R₂ – радиусы кривизны первой и второй плосковыпуклой линзы, мм. Стоит отметить, что, помимо таких величин, как фокусное расстояние и радиус кривизны, изделия, предназначенные для работы с лазерным излучением, должны обладать пропусканием в данной области и малыми потерями на поглощение и рассеяние.

Рис. 3 – а) – монокристаллическая заготовка для прессования, б) – нижняя часть фильеры с помещенной в нее заготовкой, в) – фильера в сборе, готовая к помещению под пресс

Такие свойства твердых растворов Ag_1-xTl_xBr_1-хI_х (0,01≤x≤0,08), Ag_1-xTl_xCl_yI_zBr_1-y-z (0,003≤x≤0,040; 0,066≤y≤0,246; 0,004≤z≤0,048), AgCl_xBr_1-x (0≤x≤1),  как пластичность, прочность, отсутствие эффекта спайности в кристаллах, хорошая прозрачность для излучения лазеров на окиси углерода и углекислом газе, говорят о применимости данного материала для изготовления ПКС (поликристаллических световодов) и также возможности исполнения оптических элементов, таких как линза.

Оснастка для изготовления оптических изделий (рис. 3б, рис. 3в) была изготовлена из материала, инертного по отношению к монокристаллическим заготовкам (рис. 3а), из которых в дальнейшем получаем готовую линзу.

Существенным требованием являются заданные радиусы кривизны верхней и нижней частей оснастки. Они задаются при помощи процесса шлифовки.

Далее происходит процесс горячего прессования. На рис. 4 изображен режим прессования в виде графической зависимости температуры от времени.

Рис. 4 – Графическая зависимость температуры от времени прессования

Температурный режим 180^оС. Нагрев проходит в течение 5 минут, и продолжительность режима 20 минут. После чего, оказываем нагрузку в 5 тонн с удержанием в 1 минуту. Далее происходит охлаждение изделия при комнатной температуре в течение 40 минут. Полученное изделие изображено на рис. 5.

При сжатии без нагрева линза будет иметь множественные дефекты, что уменьшает коэффициент пропускания.

Рис. 5 – Полученное изделие, размеры линзы d = 12 мм и h = 3,6 мм

Исследование физических свойств и анализ полученных данных

Визуальный анализ линзы показывает, что в объеме линзы отсутствуют пузыри, в центре имеется особо прозрачное пятно. «Излишек» материала образует ровный контур по диаметру полученного изделия, можно сказать, что под влиянием температуры материал изделия становится пластичным и податливым для процесса сжатия. Дополнительная обработка краев изделия зависит от положения линзы в оптической системе.

Следующим шагом, является проверка прогнозируемых свойств, полученной линзы. Проверка физических свойств линзы, а также процента пропускания, проводиться на стенде с СО₂-лазером с длинной волны λ=10,6 мкм и камерой Spiricon Pyrocam III. Результаты измерений сведены в табл. 1.

Таблица 1 – Результаты измерений физических свойств линзы

Фокусное расстояние, мм	4,8
Мощность на входе, мВт	550
Мощность на выходе, мВт	412
Коэффициент пропускания, %	75

По методике расчета фокусного расстояния, для полученной линзы F= 4,75 мм. Таким образом, относительная погрешность определения фокусного расстояния составила 1,04%, что не существенно в рамках данного опыта.

Вывод

Разработанная технология значительно упрощает процесс получения оптических изделий пластичных материалов, так как образцы материала, претерпевая процесс деформации, помещены в пространство с заданной геометрией, в результате чего получаемые изделия обладают высоким качеством поверхности и необходимыми геометрическими параметрами, т.е. потребность в дополнительной механической обработке, которая требует высокой точности и специальной подготовки, отпадает.