Лекция 28. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И УВЕЛИЧЕНИЯ ПРОЧНОСТИ СТЕКЛА (продолжение)
28.1.Упрочнение стекла поверхностной кристаллизацией
Встеклах некоторых составов в процессе кристаллизации при температурах, близких к температурному интервалу размягчения стекла, происходит выделение кристаллов, имеющих меньший мольный объем и меньший коэффициент термического расширения, чем исходные стекла.
При охлаждении в поверхностном слое стеклянного изделия формируются значительные по величине сжимающие напряжения, приводящие к увеличению прочности стеклянного изделия.
При надлежащем контроле процесс кристаллизации аморфного материала может быть ограничен тонким приповерхностным слоем.
Этот метод упрочнения применим только для ограниченного диапазона составов стекол, и в зависимости от условий термической обработки поверхностный слой упрочненного материала может быть как прозрачным, так и опалово-мутным.
28.2. Нанесение упрочняющих оксидных или полимерных покрытий
Оксидные покрытия
Упрочняющие оксидные покрытия осаждаются на горячую поверхность стекла из паров или аэрозолей соединений Sn, Ti, Al и других металлов.
При контакте этих паров или аэрозолей с поверхностью стекла, нагретой до температуры 500–600 °С, происходят процессы их высокотемпературного пиролиза или гидролиза, превращающие эти соединения в оксиды в форме тонких пленок (от нескольких нанометров до десятых долей микрометра) на поверхности стекла.
В качестве соединений, применяемых для нанесения оксидных покрытий, используются хлориды соответствующих металлов (например, SnCl4, TiCl4) или элементоорганические соединения (например, (СН3)2SnСl2 + СН3SnСl3).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Высокая твердость и химическая устойчивость. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Низкая стоимость и высокая скорость нанесения по- |
|
Достоинства |
|
|
|
крытий (время нанесения покрытия не превышает не- |
|
|
|
|
|
скольких секунд). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Технологическое оборудование для нанесения покры- |
|
|
|
|
|
тий легко встраивается прямо в производственную |
|
|
|
|
|
линию. |
|
|
|
|
|
|
Малая толщина упрочняющих покрытий уменьшает упрочняющий эффект покрытий.
|
|
|
|
|
|
|
|
Оксидные покрытия изменяют некоторые другие |
|
|
|
|
|
|
свойства (например, увеличивают электропровод- |
|
|
|
Недостатки |
|
|
ность поверхности). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С увеличением толщины пленок прозрачность изде- |
|
|
|
|
|
|
лия уменьшается. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
232
Полимерные покрытия
С целью упрочнения на поверхность стекла наносят тонкие слои органических или металлорганических полимерных соединений.
|
|
|
|
|
|
Полимерные |
покрытия |
улучшают гидрофобные свойства поверхности стекла, |
|
|
а прочность |
стекла |
после нанесения подобных покрытий увеличивается |
|
|
в 1,5–2,0 раза. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Нанесение полимерных покрытий осуществляется
из растворов при комнатной температуре с последующей термообработкой:
осаждение при комнатной температуре с последующим нагревом для полимеризации покрытия и его закреплении на поверхности изделия,
обработкой поверхности изделий из стекла парами различных полисилоксанов или аэрозолями силиконовых масел:
осаждение на горячую (300–600 °С) поверхность стекла.
28.3. Прочность стеклянных волокон
Механическая прочность и долговечность оптических волокон определяется поверхностной коррозией стекла под действием атмосферной влаги.
1 – в обычных комнатных условиях,
2 – в сухой атмосфере
Зависимость долговечности (времени до разрушения) волокна ts от приложенного внешнего механического напряжения уs описывается уравнением
Для предотвращения взаимодействия влаги с поверхностью волокна разработаны различные герметичные покрытия: металлические, керамические, полимерные.
В настоящее время наиболее распространенными покрытиями являются полимерные.
Первые покрытия для оптических волокон представляли собой силиконовые масла, целлюлозные лаки, полиуретаны, силиконовые каучуки, эластомеры горячего плавления и некоторые другие.
Для нанесения таких материалов требовалось достаточно сложное технологическое оборудование (экструдеры, специальные термические печи и др.), и сам процесс был довольно длителен.
Современные полимерные покрытия наносят на оптическое волокно обычно с помощью фотостимулируемого отверждения олигомеров (УФ-отверждение).
УФ-отверждение является фотохимическим процессом, при котором мономеры (олигомеры) подвергаются полимеризации.
УФ-полимеризуемые композиции содержат фотоинициатор, который поглощает УФ-энергию и инициирует полимеризацию мономеров.
В качестве УФ-отверждаемых покрытий для защиты оптических волокон широко используются композиции на основе эпоксиакрилатов.
Основа композиции – бромированный бисфенол, этерифицированный акриловой кислотой в присутствии диглицидилового эфира 1,4-бутандиола, гидрохинона и диэтиламиноэтанола.
К полученной композиции добавляют фотоинициатор и силановую адгезионную добавку.
Такая композиция позволяет покрывать оптическое волокно защитным полимерным покрытием со скоростью до
25 м/мин.
Во время фотополимеризации олигомера покрытие взаимодействует с поверхностью кварцевой нити, в результате чего прочность световода увеличивается в несколько раз.
Дополнительное введение синергических добавок ускоряет процесс полимеризации покрытий.
При добавлении УФ-абсорберов повышается стойкость полимерной оболочки к действию внешних излучений.
УФ-абсорберы расширяют диапазон длин волн (от УФ до видимого света) полимеризации фотоотверждаемых композиций.
Лекция 29. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
на оксидные системы,
По составу кристаллические оптические 
фторидные системы, материалы подразделяются
полупроводники.
По назначению кристаллические оптические материалы подразделяются
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
на пассивные: |
|
|
|
|
активные: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
инфракрасная оптика, |
|
генераторы излучения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ультрафиолетовая оптика; |
|
|
|
|
|
|
элементы нелинейной оптики. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Лейкосапфир Al2O3 
Лейкосапфир является бесцветной разновидностью корунда (монокристаллическая модификация
Al2O3).
Лейкосапфир отличается уникальным сочетанием широкого диапазона пропускания – от ультрафиолетовой области до инфракрасной части спектра – и высоким коэффициентом пропускания.
Лейкосапфир используется в оптических окнах, призмах и линзах в оптическом диапазоне 190–4000 нм.
Длина волны, |
1,0 2,0 3,0 4,0 |
мкм |
|
Показатель 1,7541,7371,7021,675 преломления 1,7461,7301,6921,668 n0/ne
Лейкосапфир является основой для создания активных элементов лазеров (например, титан-сапфировых с полосой генерации 700–1100 нм).
Плотность, г/см3 |
3,98 |
Твердость по Моосу |
9,0 |
Область пропускания, |
0,17–5,0 |
мкм |
|
Рубин Al2O3:Cr3+ 
Рубин представляет собой окрашенную разновидность корунда (примесь Cr в Al2O3 придает ему окраску разных оттенков красного цвета).
Рубин является одним из важнейших материалов лазерной техники – первый лазер был сконструирован в 1960 г. именно на рубине.
В лазерной технике используют бледно-розовый рубин с содержанием хрома 0,05 % (длина волны 694 нм, КПД ~1 %).
Рубин обладает высокой пороговой величиной поверхностного разрушения (от ~106 Вт/см2 для длинных импульсов до ~3·108 Вт/см2 для импульсов длительностью около 50 нс).
239
Сапфир Al2O3:Ti3+ 
Легированный титаном сапфир широко используется в перестраиваемых и фемтосекундных лазерах.
Монокристаллы сапфира имеют превосходную теплопроводность, нивелируя большинство термических эффектов даже при больших мощностях и интенсивностях.
Ион Ti3+ имеет очень широкую полосу усиления, что позволяет получать импульсы излучения экстремально короткой длительности и широко перестраивать длину волны излучения с помощью двулучепреломляющего тюнера (возможный диапазон перестройки от 650 нм до ~1100 нм).
Диапазон длин волн титансапфирового лазера может быть расширен с помощью нелинейной генерации гармоник.
С помощью параметрических генераторов получают широкий диапазон перестройки в ближней и средней ИК-областях.
Для типичной относительной влажности воздуха 30–100 % параметр 
Спектр пропускания лейкосапфира
