Optikai üveggyártás

1. Optikai üveggyártás

2. Üveg: kb. 6000 éve ismerik és használják! • különböző oxidok egymásban való szilárd oldata, • túlhűtött folyadék, amelynek az üvegesedési hőmérséklet alatt a viszkozitása nagyobb mint 1012Pa.s • tökéletesen izotróp anyag, benne a fizikai folyamatok terjedése minden irányban azonos, • nincs határozott olvadási hőmérséklete, • legismertebbek az oxid üvegek: SiO2, B2O3, GeO2, P2O5, • tulajdonságai adalékolással változtathatók, • nincs határozott kémiai összetétele, • az alkotók nem különböztethetők meg benne, • az állapotváltozás reverzibilis.

3. Üveggyártás nyersanyagai: - alapanyagok - üvegképző oxidok (szilícium-dioxid, bór-trioxid,stb.), - olvasztó oxidok (nátrium-oxid, kálium-oxid, litium-oxid), - állandósító oxidok (kálcium-oxid, magnézium-oxid, cink-oxid, ólomoxid), - segédanyagok (tisztulást elősegítő anyagok, színtelenítő- vagy színező anyagok), - adalékanyagok (üvegcserép). Üveggyártás: Az összeolvasztás samott kádakban széndioxid vagy nitrogén atmoszférában, megfelelő idejű hőntartás, majd lassú hűtés (lehet akár ½ év is!).

4. Tulajdonságai: n=1,48-1,96 σB húzás=38-80 N/mm2, σB nyomás=600-1250 N/mm2, ρ=2,2-6,4 kg/dm3. Optikai üveg fajtái: - koronaüveg (színtelen, törésmutatója kisebb, diszperzió>55), - flintüveg ( zöldes színű, nagyobb a törésmutatója, diszperzió<50).

6. Hagyományos optikai-üveg technológiák: • darabolás, • marás, • csiszolás, • polírozás, • központosítás, • vékonyrétegezés. A marás és csiszolás szerszámai, eszközei. Az anyagleválasztás kötött vagy diszperz eloszlású gyémánt vagy SiC szemcsével történik.

7. A polírozás eszközei

8. Különleges bevonatok készítése fémgőzöléssel: - normál nyomáson – magas hőmérsékleten, - vákuumban, előnye: - alacsonyabb hőmérséklet, - finomabb eloszlás, - szigetelő anyagra is lehetséges. alkalmazás: - optikai ipar: - tükrök, - reflexiócsökkentő bevonatok, - interferencia szűrők, - polarizátorok, - elektronikai ipar (vékonyréteg ák.)

9. Tükör lehet: - fénymegosztó (százalékos-, féligáteresztő tükör), - teljes fény visszaverő tükör. Tükrökön a réteg lehet: - elülső oldalon, - hátulsó oldalon. Tükörgyártás (ezüst, alumínium, króm): - kémiai eljárással (ezüst valamilyen komplex vegyületét szerves anyaggal redukálják fém ezüstté), - vákuumporlasztással. Optikai elemekre rétegfelvitel – vákuumporlasztással.

10. Vákuumporlasztás • vákuumtechnológiák előnye: tisztaság, • forrástól adott távolságra a hordozón a részecskék kondenzálódnak, • ha a p~10-5 mbar akkor az átlagos szabad úthossz λ~1 m, a részecskék egyenes vonalban (ütközés, szennyeződés nélkül) érik el a bevonandó felületet.

11. Vákuumgőzölő: Anyag felfűtése, hogy a gőznyomása 10-4…10-3 mbar legyen Közvetlen fűtés Közvetett fűtés: W csónak (magas op, nem ötvöződik) Hordozók gömbfelületen, forgatva. Rétegvastagság számítható, mérhető Ötvözet gőzölés. kupola forgatás hordozók búra forrás áram szivattyú Kupola forgatás búra

12. Nagyvákuum térbe Ar gáz 0,1..10..100mbar nyomásig Gázkisülés létrehozása, elektronok ütköznek az Ar atomokkal  Ar+ ionok Target nagy negatív potenciálon, Ar+ bele-ütközik, bevonó anyag részecskéit löki ki  lerakódik a hordozón Nagyobb rétegépülési sebesség, Nem kell magas hőm. Triódás katódporlasztás anód szelep - hordozó + target (- kV) katód szivattyú Katódporlasztás

13. Optikai szál Az optikai szál egy igen tiszta, néhány tíz (a technológia megjelenése idején még néhány száz) mikrométer átmérőjű szálból és az ezt körülvevő, kisebb optikai törésmutatójú héjból álló vezeték. Működési elve a fénysugár teljes viszaverődésén alapul: A fénykábel egyik végén belépő fényimpulzus a vezeték teljes hosszán teljes visszaverődést szenved, így a vezeték hajlítása esetén is – minimális energiaveszteséggel – a szál másik végén fog kilépni.

14. A folyadéksugár „csapdába ejti” a fényt! Ez volt az alapötlet, ami az optikai szál technikai alkalmazásához vezetett.

15. Az optikai szál egy olyan hengeres, szigetelt, könnyen hajlítható szál, amely fényt továbbít az üvegmag belsejében, a teljes fényvisszaverődés elve alapján. A szál egy üvegmagból áll, amelyet egy védőréteg vesz körül – ezt héjnak nevezzük. Azért, hogy az optikai jel teljes fényvisszaverődéssel a magban terjedjen tovább (vagyis a szálból ne lépjen ki), a mag törésmutatójának nagyobbnak kell lennie, mint a héjnak.

16. A határ a mag és a védő réteg között lehet hirtelen, mint az egymódusú szálnál, vagy lehet fokozatos átmenetű, mint a multimódusú szál esetében. A nagy magátmérőjű szálat multimódusú szálnak nevezzük, az elektromágneses analízis alapján. A bevezetett fénysugarak a mag belső fala tengelyének irányában halad végig a szál mentén a teljes visszaverődés miatt. A mag és védőréteg határához nagy szögben érkező sugarak (a határhoz párhuzamosan húzott vonalhoz képest nagy szögben) teljesen visszaverődnek. A teljes visszaverődés által meghatározott visszaverődési határszöget (a legkisebb szög, amelynél a fénysugár még teljes mértékben visszaverődik) az üvegmag és a héj anyagainak törésmutató-különbsége határozza meg.

17. Pl.: az üveg törésmutatója n=1,5 a teljes visszaverődés határszöge Θh=41,8o Így egy l=1m hosszú, d=50μm átmérőjű szálban, amennyiben a fény Θh=41,8o határszögben éri el a homlokfelületet, összesen 22360 visszaverődés történik, majd a fény kilép a szálból. Kiszámítható, hogy a szál mekkora r sugárral hajlítható meg anélkül, hogy a fény a szál palástfelületén kilépne: r ≥ 2d. Ha a totálreflexió a külső íven jön létre, akkor a belső íven is biztosan létrejön, mert a beesési szög nagyobb a belső íven, mint a külső íven.

18. Multimódusú szál Lépcsős indexű szál Egymódusú szál

19. Az üvegszál digitális távközlési vonalként történő alkalmazása 1966-ban merült fel. Akkoriban még a kilométerenkénti csillapítása (jelveszteség) több száz decibel volt, ami mára már az elfogadható 0,2 dB/km érték alá csökkent.

20. Képtovábbításra rendezett szálköteg alkalmas.

21. A kitöltési tényező megmutatja, hogy mekkora hatásfokkal viszi át a köteg a fényt. Körszelvényű elemi szálak esetén az elemi szálak középpontjai által meghatározott síkidom és a körcikkek által meghatározott terület hányadosa.

22. Az üvegszálköteg egyikén megvilágítják a műtéti területet, a másik pedig a látott képet továbbítja.

23. Szálhúzás rúdból A kontinuítást figyelembevéve d1=10mm d2=10μm → igen nagy áttételre van szükség!