Содержание к диссертации
Введение
2. Глава 1 Пути решения проблемы коррекции аберраций оптических элементов и систем в градиентной оптике на основании данных литературного обзора . 18
2.1 Расчёт парметров оптических элементов и систем в градиентной оптике для коррекции аберраций . 14
2.2 Технология изготовления профилей градиента распределения показателя преломления с целью коррекции аберраций в оптических элементах ..24
2.3 Техника измерений параметров оптических элементов и систем.34
2.4 Кинетика образования криталлической фазы в светочувствительных алюмосиликатных стёклах . . 38
2.5 Выводы, сделанные на основании данных литературного обзора, и постановка задачи исследования . . 47
3. Глава 2 Методы исследования градиента распределения показателя преломления , .51
3.1 Методика и оборудование эксперимента . .51
3.2 Измерение изменения показателя преломления в стекле методом оптической интеферометрии . . 52
3.3 Проверка однородности поля УФ - излучения , создаваемого ртутной лампой ДРШ - 100, по интенсивности в области воздействия на исследуемые образцы стекла . .56
3.4 Экспериментальная метрологическая установка для автоматизированной обработки интерферограмм на базе фотоэлектрических приёмников излучения. . 58
4. Глава 3 Результаты исследования градиента распределения показателя преломления . .60
4.1 Выбор объекта исследования . .60
4.2 Определение оптимальных параметров кристаллического слоя при проведении через него ионообменной диффузии . . 62
4.3 Изготовление приповерхностного светочувствительного слоя в не светочувствительном стекле методом ионообменной диффузии , .67
4.4 Влияние концентрации кристаллической фазы в приповерхностном слое стекла на изменение распределения показателя преломления, при проведении через него ионообменной диффузии . . 72
4.5 Зависимость концентрации кристаллической фазы в светочувствительном слое от времени экспозиции при УФ - облучении стекла.. 74
4.6 Эволюция формы профиля градиента распределения концентрации кристаллической фазы в светочувствительном слое при изменении интенсивности УФ - облучения поверхности образцов . .82
4.7 Проведение ионообменной диффузии в не светочувствительное исходное стекло через изготовленный в нём светочувствительный слой, содержащий переменную по концентрации кристаллическую фазу (маску) метасиликата лития. . 84
4.8 Определение влияния степени шероховатости поверхности не светочувстви- тельного стекла на параметры, получаемого в нём, светочувствительного слоя и на форму профиля градиента распределения показателя преломления при проведении ионообменной диффузии. .89
4.9 Определение влияния ослабления интенсивности УФ - излучения в не светочувствительном стекле на параметры приповерхностных светочувствительных слоев и на форму профиля градиента распределения показателя преломления при проведении ионообменной диффузии..92
4.10 Определение влияния времени проведения ионообменной диффузии в не светочувствительное стекло на параметры светочувствительного слоя и на форму профиля градиента распределения показателя преломления..98
4.11 Сравнение форм профиля градиента распределения показателя преломле -
ния, полученных в не светочувствительном стекле, при различных законах изменения интенсивности УФ - облучения поверхности образцов и последующего проведения ионообменной диффузии .. 101
4.12 Получение профиля градиента распределения показателя преломления в не светочувствительном стекле, с изготовленным в нём светочувствительным слоем , при линейном изменении скорости выдвижения образцов из-за светонепроницаемой шторки под воздействие УФ - облучения.. 107
4.13 Пример простой апроксимации графиков, представленных на рис. 37, при помощи программы, составленной на языке програмирования PASCAL.110
4.14 Получение градиента распределения показателя преломления в стекле при помощи ионообменной диффузии, проходящей в системе" стекло -расплав соли " через пористую керамику. . 113
4.15 Визуальное отображение процесса образования кристаллической фазы в светочувствительном стекле при помощи измерения электрического заряда поверхности стекла, в процессе его отжига. 116
5. Глава 4. Обсуждение результатов проведённых экспериментов. 122
5.1 Обсуждение результатов экспериментов при сравнении двух методик получения нужной формы профиля градиента распределения показателя преломления в не светочувствительном стекле. . 122
5.2 Обсуждение оптимальных параметров проведённых экспнриментов . . 123
5.3 Обсуждение оптимальных параметров светочувствительного слоя, изготовленного в не светочувствительном стекле оптического качества и возможности применения этого метода при изготовлении различных оптических элементов.. 126
5.4 Обсуждение параметров кристаллической фазы изготовленной в свето - чувствительном слое, формы профиля её распределения в слое и возмож - ности применения этого метода в других областях науки и техники. . 127
5.5 Обсуждение результатов экспериментов по получению формы профилей распределения показателя преломления в не светочувствительном стекле оптического качества и возможности применения этого метода для коррекции аберраций оптических элементов и систем ..129
5.6 Выводы из результатов экспериментов и публикации работы.. 134
6. Список литературы .136
- Технология изготовления профилей градиента распределения показателя преломления с целью коррекции аберраций в оптических элементах
- Измерение изменения показателя преломления в стекле методом оптической интеферометрии
- Определение оптимальных параметров кристаллического слоя при проведении через него ионообменной диффузии
- Обсуждение оптимальных параметров проведённых экспнриментов
Введение к работе
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 стекло -расплав 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 УФ- облучении 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 получен -ных 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 Спекорд -М 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 радиального 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 УФ -излучения, 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 .
[.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.) - «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».(Международная научно-техническая конференция. Системные проблемы надёжности, качества информационных и электронных технологий в инновационных проектах . Сочи, 2006 г.)
Публикации.
По материалам диссертации опубликована I 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 .
Краткое содержание работы.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определены цель , задачи, новизна исследований , кратко изложено основное содержание каждого раздела диссертации . В первой главе, имеющей обзорный характер, проведён анализ отечественных и зарубежных источников, посвященных проблемам образования кристаллической фазы в светочувствительном стекле, различным методам получения профиля градиента распределения показателя преломления в стекле, а так же различным измерительным методикам . Анализ литературных данных показал, что градиентные линзы могут найти широкое применение практически во всех существующих оптических системах в качестве без аберрационных линз, коллиматоров, фокусирующих элементов с минимальными размерами фокусного пятна, элементов, заменяющих однородные элементы с асферической поверхностью для коррекции аберраций в оптических системах, а так же в кабельных световодных и волноводных оптических системах. Как следует из литературных данных, качество градиентных элементов с точки зрения коррекции аберраций и фокусирующих свойств выше, чем у однородных элементов в оптических системах аналогичных функций, но за счёт уменьшения числа элементов, т.к. градиентный элемент выполняет функции двух или трёх однородных элементов, вес и размеры таких систем становятся значительно меньше.
Градиентные элементы с радиальным распределением показателя преломления применяются чаще элементов с аксиальным распределением показателя преломления и они предпочтительнее с точки зрения коррекции аберраций , т.к. имеют большее число варьируемых параметров для коррекции аберраций и уменьшения размеров фокусного пятна. Технологически, используя любой из приведённых в литературных источниках способов, невозможно получить градиентный элемент с радиальным распределением показателя преломления диаметром более 20 мм, используя серебро в качестве диффундирующих в стекло ионов , т.к. максимальная глубина диффузии при времени диффузии порядка 240 часов составляет 10 мм. В большинстве случаев, при образовании градиентной области в стекле методом ионообменной диффузии используют расплав солей серебра, т.к. это обеспечивает низкую степень дисперсии градиента при относительно высоких значениях перепада показателя преломления . Форму профиля , при ионообменной диффузии через боковую поверхность стеклянной цилиндрической заготовки, заданную составом стекла и расплавной ванны можно в небольших пределах варьировать изменением температуры и временем диффузии. Получение заранее заданной формы радиального профиля распределения показателя преломления изменением других параметров при ионообменной диффузии в литературных источниках не встречалось. Не встречался также способ получения методом ионообменной диффузии градана диаметром более 20 мм с низкой дисперсией градиента и относительно высоким значением перепада показателя преломления.
Из литературных данных было получено полное представление о кинетике образования кристаллической фазы метасиликата лития, используемой в работе в качестве «маски» для последующей ионообменной диффузии через неё. Данные литературных источников полностью совпадали с результатами физико-химических исследований , проведённых автором при выборе нужных параметров кристаллической фазы, образовывающейся в светочувствительном слое стекла. Исследования, проведённые в этой области и описанные в отечественных литературных источниках достаточно полно отражают кинетику физико-химических процессов в стекле . Из данных литературного обзора было выяснено, что кристаллическая фаза метасиликата лития является наиболее плотной из всех ситаллов, образующихся в литиевоалюмосиликатном светочувствительном стекле, что существенно снижает величину дисперсии перепада показателя преломления при последующей ионообменной диффузии.
Кристаллическая фаза метасиликата лития даёт наименьшую усадку, т.е. разница в мольных объёмах этой фазы и исходного стекла минимальна, по сравнению с другими , образующимися в стекле ситаллами. Это обеспечивает максимальное сохранение первоначальной формы образца. Температура образования метасиликата лития самая низкая по сравнению с другими фотоситаллами. Это обеспечивает минимальную степень изменения структурных свойств исходных стёкол в процессе проведения их технологической обработки. Температура и время образования кристаллической фазы в стекле, взятые из литературного обзора, полностью совпадают с данными запатентованного автором метода визуализации процесса кристаллизации стекла, при его отжиге по измерению электрического заряда поверхности образцов . Во второй главе рассмотрена экспериментальная техника, на которой проводилась технологическая обработка и измерения полученных образцов . В качестве термической установки для получения градиентных стеклянных образцов ионным обменом из расплава солей использовалась шахтная печь сопротивления СШОЛ 1-16/12 с максимальной рабочей температурой 1250 С с автоматическим регулятором температуры ВРТ-2 . Ионообменная обработка и отжиг стёкол проводилась при температуре 450-615 С с длительностью обработки от 5 минут до 11 часов . Обработка проводилась в керамических тиглях ёмкостью 0.2 литра.
УФ-облучение образцов осуществлялось на экспериментальной установке, созданной на базе стандартного устройства РУ-5-02М при помощи ртутной лампы ДРШ-100 через оптическую щель . В процессе облучения производилось сканирование проекцией оптической щели на образце вдоль его поверхности . Изменение скорости сканирования соответствовало закону, нарисованному на диаграммной ленте устройства РУ-5-02М . Измерения производились на экспериментальной установке, созданной на базе интерферометра Маха-Цандера, в качестве источника излучения использовался гелио-неоновый лазер АГ-56 с длиной волны излучения 6328А. В одно из плеч интерферометра была поставлена кювета с образцом и иммерсионной жидкостью, показатель преломления которой соответствовал показателю преломления исследуемого стекла. Фотосъёмка интерференционных картин, возникающих в интерферометре , проводилась фотоаппаратом «Зенит» на фотоплёнку Микрат-300 . Измерения показателя преломления исходных однородных стёкол проводились на рефрактометре Пульфриха ИРФ-23 . Измерения образцов после проведения отжига проводились на микрокампараторе ИЗА-2 .
В главе описана экспериментальная метрологическая установка для автоматизированной обработки интерферограмм на базе фотоэлектрических приёмников излучения (фотодиодов ). Установка значительно снижает трудоёмкость и повышает точность измерений , не требуя при этом высокой квалификации оператора. Относительная погрешность измерений не превышает 5 %.
Третья глава посвящена результатам исследования .
Описывается выбор объекта исследования и механизм образования в стекле кристаллической фазы ,основанный на внедрении ионов серебра, показано как на практике можно использовать разницу в мольных объёмах стекла и кристаллической фазы. Образцы для исследования представляли собой плоскопараллельные пластина с размерами 30 х 8 х 5 мм . Технологическая обработка представляет собой четырёх стадийный процесс : 1.Ионообменная диффузия с целью создания в стекле слоя толщиной 70-ЮОмкм с содержанием ионов серебра. 2.0блучение образца УФ-светом (длины волн 250-470 нм) с целью захвата выбитых светом электронов на мелкие уровни в стекле . 3. "Отжиг образцов при температуре 6О0-610°С в течении 2 часов для восстановления ионов серебра до атомарного состояния и металлических коллоидных скоплений , которые будут являться центрами кристаллизации с последующим образованием вокруг них кристаллической фазы метасиликата лития.
4.Проведение вторичной ионообменной диффузии через кристаллическую маску с градиентом концентрации кристаллической фазы, с целью создания градиента распределения показателя преломления в стекле . Для исследования зависимостей различных параметров , получаемых в процессе обработки друг от друга использовались одни и те же образцы . Например, после проведения третей стадии обработки в полученных образцах исследовалось содержание кристаллической фазы. Были проведены рентгеновские измерения на дифрактометре АДП-1 и установке «Ротафлекс-РУ-200» , а так же спектральные измерения на установке «Спекорд М-400», Которые показали наличие в образце кристаллической фазы метасиликата литмя и распределение её концентрации по координате образца. Затем те же образцы прошли четвёртую стадию технологической обработки и после этого были подвергнуты интерференционному контролю на интерферометре Маха-Цандера с целю определения формы профиля градиента распределения показателя преломления в стеклянной матрице .
В главе приведено подробное описание стадий технологической обработки образцов, к особенностям первой стадии -изготовление приповерхностного светочувствительного слоя в стекле относится то, что в экспериментах использовалось два вида образцов из литиевоалюмосиликатного стекла практически одинакового состава, отличающиеся только тем , что в состав стекла одного вида входило серебро, т.е. оно изначально обладало светочувствительными свойствами, а в составе другого серебра не было -оно изначально было не светочувствительным и в нём изготавливался светочувствительный слой путём ионообменной диффузии. В экспериментах использовалось стекло следующего состава (мас.%):
Si О: -16, АЬ OJ - 8 , К2 О - 4 , Lis О -12 , Се Ог - 0.03 . Физические параметры этого стекла:
п-1.545, Tg-515°C , плотность-2340кг/м. Оптимальный состав расплава был найден экспериментально (мас.%):
Li NO3 - 99.75 , Ag N03 - 0.25 . Оба вида образцов прошли 2 стадии технологической обработки - УФ-облучение и последующий отжиг для получения в них кристаллической фазы После окончания термообработки было обнаружено , что на образцах стекла в диапазоне температур 550-570°С появилась прозрачная окраска различных цветов, а при более высоких температурах происходило выделение кристаллической фазы.
После проведения интеференционного контроля , было выявлено, что их оптические свойства и структура остались неизменными, после проведения рентгеновских измерений было выявлено наличие кристаллической фазы метасиликата лития в объёме образцов одного вида и в светочувствительном слое образцов другого вида. При сравнении полученных образцов было видно, что в отличии от неровного кристаллического слоя в образцах первого вида, кристаллический слой в образцах с изготовленным светочувствительным слоем имел одинаковую по всей облучённой поверхности толщину и чёткую нижнюю границу, воспроизводя форму диффузионного слоя.
Для определения оптимальных параметров кристаллического слоя при проведении через него ионообменной диффузии был проведён теоретический расчёт, данные из которого хорошо согласовывались с результатами эксперимента. В результате было определено , что оптимальная толщина кристаллического слоя должна составлять 70-100 мкм, оптимальное время диффузии - 5 минут при температуре 570°С .
Была рассмотрена зависимость концентрации кристаллической фазы в светочувствительном слое от времени экспозиции при УФ- облучении стекла. Изменение времени экспозиции обеспечивалось изменением скорости сканирования проекцией оптической щели на образец шириной 1мм по поверхности образца. Закон изменения скорости сканирования был задан линейным . В результате рентгеновских и спектральных измерений полученных образцов на установках «Спекорд» и АДП-1 было определено , что концентрация кристаллической фазы в этом случае имела нелинейную зависимость и была прямо пшпорциональна времени экспозиции. Для получения и исследования формы профиля градиента распределения показателя преломления в стеклянной матрице, через изготовленный в образцах кристаллический слой была проведена ионообменная диффузия. Температура и время диффузии, а так же состав диффузанта подбирались таким образом, чтобы оптические свойства исходного стекла оставались неизменными. Таким образом оптимальные параметры ионообменной диффузии были найдены :
Температура диффузии: 470°С Время проведения диффузии : 11 часов.
Состав расплавной ванны (мае. %): AgNCb - 20, NaNCb - 80. В главе было рассмотрено влияние концентрации кристаллической фазы в приповерхностном светочувствительном слое стекла на изменение распределения показателя преломления при проведении ионообменной диффузии через слой . Процентная концентрация кристаллической фазы в светочувствительном слое измерялась на установке «Спекорд» и определялась по спектрам поглощения света в стекле . Из полученных интерферограмм видно, что по мере увеличения концентрации кристаллической фазы, толщина диффузионного слоя в котором происходит перепад показателя преломления, уменьшается .
Было исследовано, как изменяется форма профиля градиента распределения кристаллической фазы в светочувствительном слое с увеличением времени экспозиции. Процентное изменение концентрации кристаллической фазы в слое было измерено на установке «Спекорд» по спектрам поглощения света в стекле на длинах волн 525,555 и 630 нм. Из приведённых данных видно , что с увеличением времени экспозиции (с уменьшением, линейно заданной скорости сканирования), форма профиля градиента распределения кристаллической фазы всё больше приближалась к линейной зависимости . Для определения влияния степени шероховатости поверхности стекла на параметры полученного в нём светочувствительного слоя и в дальнейшем на форму профиля градиента распределения показателя преломления, в эксперименте использовался шлифованный Rz 40 и полированный Rz 0.5 образец . Из проведённых экспериментов был сделан вывод, что чем больше степень шероховатости поверхности стекла, тем на большую глубину, при прочих равных условиях, в него проходят ионы диффузанта и ,соответст-вено, больше будет толщина, получаемого при этом, светочувствительного слоя. После проведения интерферометрических измерений было определено, что форма полученного профиля градиента распределения показателя преломления у полированного образца имеет большее приближение к линейной, чем у шлифованного, при линейном задании изменения времени экспозиции УФ-облучения образцов.
Для определения влияния изменения интенсивности УФ-излучения на параметры светочувствительного слоя и на полученную форму профиля градиента распределения показателя преломления был задан один линейный закон изменения скорости сканирования УФ- излучением по поверхности образца,но число проходов образца относительно оптической щели (кратное число сканирований) для нескольких образцов, используемых в эксперименте и прошедших одинаковую технологическую обработку было различно. Таким образом, время экспозиции или интенсивность воздействия УФ-облучения на разные образцы отличалось в кратное число раз . Каждый из используемых образцов имел две рабочие поверхности - лицевую и обратную . Лицевая сторона подвергалась непосредственному воздействию УФ- облучения, а обратная подвергалась воздействию УФ-облучения, ослабленного прохождением стеклянной толщины образца. Проведённые после отжига образцов измерения показали различие в толщине кристаллического слоя на лицевой и обратной стороне образцов (на лицевой стороне толщина кристаллического слоя была больше), а так же прямо пропорциональную нелинейную зависимость толщины кристалли -ческого слоя (концентрации кристаллической фазы) от интенсивности воздействия УФ-облучения. По интерференционным измерениям , после проведения ионообменной диффузии через полученные кристаллические слои было определено, что форма профиля градиента распределения показателя преломления на обратной стороне образцов практически линейна и соответствует закону изменения интенсивности УФ-излучения вдоль поверхности образцов.
Технология изготовления профилей градиента распределения показателя преломления с целью коррекции аберраций в оптических элементах
В работе [67] был исследован метод получения градиентных фотохромных слоев в стандартных стёклах оптического качества. Данная методика включала в себя три стадии ехнологического процесса ;1. Обработка стекла в расплаве солей серебра, что позволяет посредством ионообменной диффузии ввести ионы серебра в поверхностный слой.2. Отжиг стекла на воздухе.3. Обработка стекла в расплаве хлоридных солей.
Исследования проводились на натриевоалюмоборосиликатном стекле БС-12, содержащем ионы хлора.На первой стадии технологического процесса образцы обрабатывались в расплаве солей состава (моль.%):
20AgNO3-80NaNO3 при температуре 350С в течении 16 часов. Отжиг на воздухе проводился при температуре 450С . По результатам измерений добавочной оптической плотности было определено, что её величина пропорциональна количеству серебра, прошедшего в образец , т.е . степени замены ионов Na на ионы Ag. Насыщение достигалось при 50 моль % Ag NO3 в расплаве . В процессе отжига на воздухе происходило образование коллоидных частиц серебра, в результате чего образцы приобретали окраску, меняющуюся от лимонно-жёлтой до коричневой. Было определено , что с увеличением времени обработки при данной температуре процесс коллоидообразования будет стремиться к завершению по мере падения концентрации ионов серебра в матрице . Так же этот процесс происходил при фиксированном времени обработки , но с ростом температуры . После обработки в хлоридном расплаве образцы приобретали фотохромные свойства. Одновременно с этим шёл процесс разрушения коллоида, что проявлялось в изменении спектров пропускания. Было определено , что при участии ионов хлора, диффундирующих из расплава, происходило превращение коллоидных частиц в частицы AgHal. Проведённые измерения показали , что концентрация хлора в фотохромном слое почти в два раза больше, чем в исходном стекле и только наличие в расплаве свободных ионов хлора , способных диффундировать в стекло , приводит к получению фотохромного слоя в стекле. Таким образом , в данной работе доказано, что образование фотохромных центров идёт за счёт превращения коллоидных частиц в микрокристаллы AgHal в результате взаимодействия их с ионами хлора, диффундирующими в стекло из расплава. Установлена линейная зависимость между величиной добавочной оптической плотности и количеством серебра, продиффундировавшего в стекло . Параметры двух первых стадий технологической обработки стекла, описанные в данной работе были взяты автором диссертационной работы за основу для разработки методики создания светочувствительных слоев в литеевоалюмосиликатном стекле.
В работе [ 10 ] описывается метод ионообменной диффузии. Рассматривается метод обмена ионов серебра из расплава на ионы натрия из стекла. Аналитически процесс обмена Ag на Na можно представить уравнением : Фактор п будет равен 1, если коэффициент активности ионов не зависит от их концентрации. Зависимость между концентрацией Ag в расплаве и Д п -линейна, при этом значение А п было 0,091. Если в расплавной ванне сделать эвтектику Ag CI I Zn СІ - Д n достигает значения 0,093. Равновесная концентрация может рассчитываться векторно из химического анализа ионов стекла и расплава, или скалярно из электрического потенциала стеклянной мембраны при ионном обмене мембраны с солевым расплавом. Анионный эффект для равновесной константы соответствует : С 2 04 Р 04 N Оз S 04 При увеличении концентрации сульфата от 0 до 60 моль.% постоянная равновесия увеличивается на два порядка. Вклад в постоянную равновесия вносят как анионы стекла, так и анионы расплава. Для сравнения влияния анионов , стеклянные кубы с диффузионной поверхностью 1,96 см пропитывались расплавом при температуре 500 - 503 С. Общее мольное содержание серебра в каждой ванне было 0,33. Пластинка 0,7 мм для измерения в интерферометре Маха-Цандера вырезалась через центр куба. Каждый анион различно влияет на Д п и на форму профиля.Во всех случаях форма профиля концентрации серебра в стекле совпадает с формой профиля Д п . Это объясняется тем , что Na образует комплексы , которые влияют на поляризацию иона Na. На ион Ag влияние мало, т.к. он очень сильно поляризован . Чем больше поляризационная сила катионов, тем сильнее дестабилизация комплексов. Например, с К она будет сильнее , чем с Na, а с Li сильнее, чем с Ag. При смешении Zn СЬили Pb СЬ с Ag CI, Zn СЬ даст больший Д п из за комплектации. Равновесная постоянная - это функция силового взаимодействия между анионами стекла и анионами расплава. По приведённым выше уравнениям можно рассчитать концентрации серебра и натрия необходимые для обмена катионов. Солевая концентрация серебра в ванне была апроксимированна как 1. Солевая концентрация натрия была рассчитана из баланса масс , основанном назнаний концентрационного профиля натрия в градиентном стекле. Отношение мольной фракции натрия и серебра в расплаве было 10,4. По этим данным константа равновесия - 0,075. Чем выше концентрация оксидов, тем лучше ионный обмен. С увеличением концентрации серебра в расплаве и уменьшением концентрации натрия Д п увеличивается. В комбинации Na2 Zn CU образуется комплексный ион, возрастает концентрация свободных катионов натрия в расплаве, что ведёт к низкой равновесной концентрации натрия на стеклянной поверхности и увеличению Дп. Другой способ увеличения константы равновесия - уменьшение чувствительности стекла к внешним диффузионным катионам. Для этого в расплав добавляют композицию оксидов серебра. В результате стекло содержит много натрия и приблизительно равнозначное количество серебра, что ведёт к высокому Д п. Равновесная постоянная для 16 % оксидной смеси составляет 0,075 , что на порядок выше, чем для чистого хлорида серебра - 0,0024. В работе [11] показано обеспечение высокого коэффициента преломления стекла в результате ионообменной реакции с участием оксида серебра из соляного расплава, В этом случае достигается высокое качество аксиальных и радиальных градиентных профилей. Высокий коэффициент преломления достигается за счёт высокой поляризуемости ионов серебра. Проблема заключается в невозможности внедрения большого количества оксида серебра в кремниевосиликатное оптическое стекло при обмене серебра на натрий. Эта проблема решена в работе [ 12 ]. Стекло с высоким содержанием оксида натрия помещается в ванну с нитратом серебра и выдерживается до тех пор , пока в стекле не будет однородного распределения серебра. Затем стекло помещается в ванну с нитратом натрия до достижения расчётной концентрации оксида натрия и оксида серебра. Этот метод используется при изготовлении линз с диаметром до 16 мм и Л п = 0,06. Уравнение обмена можно записать в форме :
Измерение изменения показателя преломления в стекле методом оптической интеферометрии
Для измерения изменения показателя преломления в градиентных образцах использовалась лабораторная интерферометрическая установка, основанная на схеме интерферометра Маха-Цендера [ 36 ].
Схема приведена на рис. 12. В качестве источника излучения использовался гелио-неоновый лазер АГ- 56 с длиной волны излучения 6328 А, световой пучок от которого, расширенный и сколлимированный линзами 1 и 2 на входе в интерферометр разделяется полупрозрачной пластиной 3 на два взаимоперпендикулярных когерентных пучка. Эти пучки, после отражения от зеркал 4 и 5 вновь соединяются полупрозрачной пластиной 6 и интерферируют. Картина интерференции проектируется линзой 7 на плоскость фотокамеры 8 . В результате на фотоплёнке 9 появляется изображение интерференционной картины. Поле интерферометра имеет диаметр 40 мм, диаметр освещающего пучка- 90 мм. Передвижкой зеркал 4 и 5 , снабжённых юстировочными винтами, вдоль направления пучка создаётся геометрический клин, вследствии чего появляется интерференционная картина полос равной толщины, параллельных ребру клина. Расстояние между полосами регулируется изменением угла клина. При параллельном расположении зеркал 4 и 5 поле зрения освещено равномерно.
Исследуемый образец 0 размещается на столике с юстировочными винтами, с помощью которых его плоскость выставляется перпендикулярно падающему пучку. При введении образца в плечо интерферометра между зеркалом 4 и пластиной 6 на интерференционной картине произойдёт смещение на какое-то число полос из-за дополнительной разности хода интерферирующих пучков.
С учётом однократного прохождения света через образец, в интерферометре Маха-Цендера условие максимума и минимума интерференционных полос записывается в виде : Т.е. между любыми двумя соседними интерференционными полосами наплоскопараллельном градиентном образце, показатель преломления меняетсяна величину : Д п = XI d
Среднее значение перепада показателя преломления (Д n) на расстоянии между двумя соседними интерференционными полосами будет :
Для любых двух точек интерференционной картины полос равной оптической толщины справедливо отношение :
Фотосъёмка интерференционных картин, возникающих в интерферометре проводилась фотоаппаратом « Зенит» на фотоплёнку Микрат - 300. На основании измерений положения интерференционных полос на микрокомпараторе ИЗА - 2 по негативам и при достаточном увеличении фотоотпечатков с помощью циркуля строились графики зависимости Д пг и Д ш , отражающие профиль изменения показателя преломления в градиентном слое образца.
Поскольку интерферограммы отражают профиль показателя преломления в случае образца, представляющего собой оптический клин, а не геометрический, особо контролировалась плоскостность образцов и отсутствие завалов при шлифовке и полировке на краях. Плоскостность образцов была около 1 полосы. Требование к плоскопараллельности срезов было меньшим :5-6 полос, т.к. наличие плоского геометрического клина между поверхностями клина можно было скомпенсировать искусственным созданием клина между зеркалами интерферометра. Толщина градиентных образцов выбиралась с учётом двух факторов, заключающихся в увеличении его толщины и уменьшении разности хода между интерферирующими лучами, при уменьшении толщины. По этим причинам точность измерений уменьшается.
Измерения плоско-параллельных образцов, прошедших технологический цикл, проводились также на интерферометре Маха-Цендера, при этом требования к плоскостности были менее жёсткими - 5 полос. Для этого подбирался раствор иммерсии, показатель преломления которого соответствовал показателю преломления исходных стёкол. Интерференционная картина для образцов цилиндрической формы, в частности линз, использовалась для последующего расчёта при коррекции аберраций. Измерения показателя преломления исходных однородных стёкол проводились на рефрактометре Пульфриха ИРФ - 23. На без свильных образцах точность измерений была в пределах паспортной :
Для проверки однородности поля УФ - излучения , создаваемого ртутной лампой ДРШ -100 , применяемой в экспериментах по облучению образцов, использовался фотодиод ФД -21.
Фотодиод ФД-21 помещался на расстоянии 10 мм от лампы ДРШ- 100,таким образом, что геометрические центры фотодиода и лампы лежали на одной оси, а расстояние между осями, проведёнными через близлежащие крайнюю точку корпуса фотодиода и крайнюю точку колбы лампы, расположенными в одной плоскости, составляло 10 мм.
Измерения проводились в точках поля излучения лампы на оси , проходящей, по касательной, через крайнюю точку приёмной выпуклой линзы фотодиода, с шагом 3 мм влево и вправо от оси, проходящей через центр лампы ДРШ - 100 . Всего было проведено по 10 измерений по разные стороны от центральной оси лампы.
Значения тока фотодиода в эксперименте измерялись цифровым амперметром . На рис. 39 приведена блок - схема измерительной установки . На рис. 39 приведён график исследуемого поля излучения лампы с одной сторо -ны от её центральной оси. График измерений с другой стороны оси полностью симметричен первому.
Было установлено, что разность между интенсивностью излучения в центре створа лампы и на краю исследуемой зоны составляет 18%. Интенсивности излучения в центре створа лампы и на расстоянии 10 мм от центра , что является реальной рабочей зоной отличаются на 5,5 % . Если учесть, что излучение проходит через оптическую щель шириной 0,5 мм , то можно считать - излучение в этих пределах абсолютно однородно по интенсивности .
Определение оптимальных параметров кристаллического слоя при проведении через него ионообменной диффузии
Эксперименты проводились на шлифованных (Rz 40) и полированных(Rz 0,5 ) образцах исходного стекла.Технологический цикл обработки образцов включал в себя четыре стадии :1. Ионообменная диффузия ионов серебра из расплава солей в не светочувствительное исходное стекло, не содержащее серебра для получения в нём светочувствительного слоя.2. УФ- облучение исходного стекла для образования в изготовленном в нём светочувствительном слое центров кристаллизации, т.е. восстановления продиффундироваших в него ионов серебра до атомарного состояния.светочувствительном слое определённой из данных литературного обзора, кристаллической фазы метасиликата лития, обладающей необходимым набором физико-химических свойств для получения «маски» с достаточным диапазоном диффузионной прозрачности. 4. Проведение ионообменной диффузии через, изготовленную непосредственно в материале стекла, кристаллическую «маску» для получения в образованном диффузионном слое за «маской», расчётной формы градиента распределения показателя преломления.
Измерения перепада показателя преломления в образцах, прошедших четырёхстадийный цикл технологической обработки проводились по методике, описанной в работе [ 36 ] на интерферометре Маха-Цендера. На первой стадии технологической обработки образцов использовался расплав солей, содержащий 99,75 весовых % нитрата лития и 0,25 весовых % нитрата серебра. Стеклянный образец выдерживался в расплаве 5 минут при температуре 570 С. Это время и температура оказались оптимальными с точки зрения получения в стекле светочувствительного слоя нужной толщины. Для определения этих оптимальных параметров было проведено несколько экспериментов, в которых образцы выдерживались в расплаве солей от 1 до 20 минут.
На основании проведённых измерений был сделан вывод, что время выдержки в расплаве солей 5 минут является оптимальным для создания в стекле кристаллического слоя с последующей ионообменной диффузией через него. При этом толщина светочувствительного слоя составляет 70-100 мкм. При меньшем времени выдержки образца в расплаве очень сильны флуктуации по толщине светочувствительного слоя (± 20 мкм) и фиксированная толщина светочувствительного слоя не будет определена. При времени выдержки в расплаве от 20 минут до 1 часа толщина слоя с внедрёнными ионами серебра достигнет 300 мкм, в соответствии с формулой дифференциального уравнения второго закона Фика :где : С - концентрация серебра в стекле до начала диффузии Со - концентрация серебра в расплаве D - коэффициент диффузии г\ - коэффициент вязкости стекла X - глубина проникновения в стекло ионов серебра с концентрацией С.
В этом случае кристаллический слой оказывается непреодолимым препятствием для прохождения диффузанта, даже при небольшом времени экспозиции при облучении образца (1-3 секунды). Таким образом, создание в стекле градиента распределения показателя преломления, после прохождения всех четырёх стадий обработки, определяется оптимальным временем ионообменной диффузии - 5 минут. Результаты экспериментов показывают, что степень шероховатости поверхности образца также влияет на конечный результат - получение градиента распределения показателя преломления в стекле. В зависимости от степени шероховатости поверхности стекла изменяется, в конечном итоге, и форма профиля градиента распределения показателя преломления в стекле. Другим важным параметром технологического цикла является температура отжига стекла на третей стадии получения заданной формы распределения показателя преломления в стекле.
При температуре 600 - 620 С образовывается кристаллическая фаза метасиликата лития. Эта кристаллическая фаза имеет наиболее плотную структуру из всех кристаллических фаз, образуемых в светочувствительном стекле и самую низкую температуру образования. Температура образования этой фазы на несколько градусов меньше Tg исходного стекла, поэтому пространственное расположение крем некислородных тетраэдров и физикохимические свойства стекла, при образовании этой фазы остаются неизменными. Отсутствие в структуре кристаллического слоя сквозных каналов, микрораковин и микротрещин обеспечивает низкую величину дисперсии распределения показателя преломления, получаемого в стекле. Результаты опытов хорошо согласуются с литературными данными, где сказано, что оптимальное время образования метасиликата лития при температуре 600 С - 2 часа. Эти параметры оставались неизменными в процессе всего технологического цикла.
Для определения температуры и времени диффузии на четвёртой стадии изготовления градиентных образцов использовались экспериментальные данные. Состав расплавной ванны для проведения ионообменной диффузии был : 20 весовых % нитрата серебра и 80 весовых % нитрата натрия. Концентрация серебра в расплаве солей была найдена экспериментально и соответствовала получению максимального перепада показателя преломления в стекле : -г.
Обсуждение оптимальных параметров проведённых экспнриментов
Все проведённые эксперименты по первой методике можно разделить на три группы:1. Эксперименты , сделанные в целях создания и исследования свето -чувствительного слоя в не светочувствительном исходном стекле .2. Эксперименты, сделанные в целях изготовления и исследования кристаллической фазы в этом светочувствительном слое.3. Эксперименты, сделанные в целях изготовления и исследования формы профиля градиента распределения показателя преломления в не светочувствительном стекле, при проведении ионообменной диффузии в стекло через, изготовленный в нём,светочувствительный слой.
К параметрам экспериментов первой группы можно отнести: время проведения ионообменной диффузии в стекло в системе " стекло - расплав соли ", состав рас -плавной ванны, температуру проведения ионообменной диффузии . Время проведения ионообменной диффузии было выбрано на основании данных литературного обзора [ 10 ], [ 11 ], [ 12 ], [ 13 ], [ 14 ], [ 41 ], [ 54 ], [ 55 ],[ 69 ], [ 71 ], а так же на основании экспериментальных данных. Критерием данного выбора являлось создание в стекле светочувствительного слоя толщиной 80-120 мкм, Как видно из измерений, приведённых в параграфах ЦА, к.9, УЛО, t/.l 1 Главы 3 данной работы, в,исследуемых Ьбразцах,сЬздавался свето -чувствительный слой именно такой толщины . Экспериментально было установ -лено, что при проведении ионообменной диффузии через этот слой с изготовлен -яой s нём кристаллической фазой, ионы диффузанта свободно проходят в стекло, если толщина слоя меньше 80 мкм , и совсем не проходят, если толщина слоя больше 120 мкм,
Таким образом, оптимальное время ионообменной диффузии было выбрано 5 мин, Параметры состава расплавной ванны и температуры ионообменной диффузии были выбраны так же на основании данных;из вышеприведённых публикаций, а так же на основании данных из, проведённых экспериментов . Критерием для выбора состава расплавной ванны являлось колличественное содер -жание ионов серебра в солевой смеси s силу процессов, описанных в параграфах Ч.\ и &16 Главы 3 данной работы . Экспериментально было установлено, что кол -лнчество центров кристаллизации, на которых впоследствии образуется кристал -лическая фаза метасиликата лития , будет оптимальным для вышеприведённой толщины светочувствительного слоя, если состав расплавной ванны будет ( мас.% ;Li N6\, -99.75, AgNO - 0.25 Критерием для выбора температуры ионообменной диффузии являлось с одной стороны;обеспечение проведения этой диффузии за максимально короткое время, с другой сторонЫуОбеспечение неизменности оптических свойств исходного стеклауДО и после диффузии. Проведённые методы контроля этих параметров пи -саны в работах [ 36 ], [ 67 ]. Экспериментально было определено, что оптималь -ная температура диффузии - 70 С К параметрам экспериментов третьей группы можно отнести : время проведения ионообменной диффузии в системе " стекло - расплав соли", состав расплавной ванны, температуру проведения ионообменной диффузии . Время проведения ионообменной диффузии было выбрано на основании данных литературного обзора [ 10 ], [ 11 ],[ 12 ], [ 13 ],[ 14 ], [ 41 ], [ 54 ],[ 55 ], [ 69 ], [ 71 ] и на основании экспериментальных данных .
Критерием данного выбора являлась глубина проработки стекла при прохождении диффузанта, через кристаллический слой, в стекло .
В параграфе 4.4 Главы 3 приведено описание экспериментов, проведённых на об -разцах, с различной концентрацией кристаллической фазы в светочувствитель -ном слое. Из данных экспериментов видно, что с увеличением концентрации кристаллической фазы в светочувствительном слое, глубина проработки стекла диффузантом уменьшается,
Данная методика изготовления заданной формы профиля градиента градиента рас -пределения показателя преломления предполагает, что в целях коррекции аберра -ций оптических элементов, будет использоваться именно радиальное распредиле -ние градиента, т.е. по радиусу оптического элемента или, вдоль поверхности ис -следуемого образца, а не аксиальное, т.е. в глубину материала оптического элемента или образца. Поэтому, глубина проработки стекла порядка 20 -100 мкм для данной методики вполне приемлема.
На основании данных вышеприведённых публикаций и экспериментов было установлено оптимальное время ионообменной диффузии - 11 часов . Критерием для выбора температуры ионообменной диффузии было условие сох -ранения оптических свойств исходного стекла до и после диффузионной обработ -ки .Проведённые методы контроля этих параметров описаны в работах [ 36 ], [ 67 ] Кроме того , учитывая, что длительность проведения ионообменной диффузии на на четвёртой стадии данного метода должна быть значительно больше, чем на первой, температура её проведения была выбрана с условием неизменности физи -ко - механических свойств стекла, после проведения диффузии, т. е. температура диффузии должна быть меньше Tg исходного стекла, ( Tg стекла - 515 С ). В силу этих условий , температура проведения диффузии была определена - 470С . Критерием для выбора состава расплавной ванны для ионообменной диффузии было условие, что функции ионов серебра на первой и четвёртой стадиях данной методики принципиально различны . Если на первой стадии ионы серебра необхо -димы для образования; светочувствительного слоя в не светочувствительном стек -ле, то на четвёртой стадии данного метода, ионы серебра выполняют функцию замещения ионов натрия в крем некислородном каркасе стекла, создавая при этом градиент распределения показателя преломления .
Поэтому, количество , введённых через светочувствительный слой , ионов серебра на четвёртой стадии технологической обработки стекла должно быть значительно больше , чем на первой .
На основании данных, полученных из вышеприведённых публикаций и экспери -ментов, описанных в параграфе 3.8 , Главы 3 , был выбран состав расплавной ванны (мас.%): AgN03 - 20 , NaNCb - Изготовление приповерхностного светочувствительного слоя в стекле методом ионообменной диффузии описано в параграфе 4.3 , Главы 3 данной работы . Механизм образования светочувствительного слоя в не светочувствительном стекле описан в параграфе 4.1 , Главы 3 настоящей работы . Как видно из этих описаний, изготовление светочувствительного слоя , при соблюдении необходимых, приведённых в работе, технологических параметров не изменяет физико - химических, физико - механических и оптических свойств исходного стекла. Наиболее важным для данной работы является неизменность оптических свойств, которая легко проверяется специальной методикой [ 36 ]. Для решения задач, поставленных в данной работе, к основным параметрам светочувствительного слоя можно отнести его толщину в материале стекла, спо -собность к образованию в нём кристаллической фазы, после УФ - облучения и отжига стекла (диффузионную прозрачность), а так же отсутствие размытости (чёткость) его границ в материале стекла.
Эти три параметра оказывают прямое влияние на параметры образующейся в не светочувствительном стекле, формы градиента распределения показателя прелом -ления, после проведения ионообменной диффузии через светочувствительный слой.
Эти параметры, в особенности толщина слоя и его диффузионная прозрачность, зависят от параметров ионообменной диффузии при его изготовлении [ 41 ]. По данным экспериментов, описанных в параграфах Главы 3 , для получения результата в данной работе, толщина слоя должна быть порядка 80-120 мкм, а его диффузионная прозрачность определялась концентрацией серебра в расплав -ной ванне при проведении ионообменной диффузии . Таким образом оптимальные параметры диффузии, приведённые в предыдущем параграфе и в работе [ 41 ], и определяют оптимальные параметры светочувствительного слоя в данном случае . На основании среза, сделанного с образца стекла, после проведения всех техно -логических операций , был сделан вывод о том , что светочувствительный слой имеет чёткие границы [ 41 ].
Особый интерес представляет изготовление светочувствительного слоя не на лице -вой, а на обратной стороне образца, т. е. на стороне образца, подверженной УФ -излучению , ослабленному при прохождении материала стекла. Изготовление светочувствительного слоя в не светочувствительном стекле может найти применение при создании многих оптических элементов, в частности, по данным работы [ 38 ], при изготовлении микролинз с различной кривизной сфе -рической поверхности, в том числе с изменением знака .Очевидна возможность использования стёкол со светочувствительным слоем для изготовления интегрально - оптических элементов, например , полосковых световодов .
