Optikai üveggyártás Optikai üveggyártás

Üveg: Üveg: kb. 6000 éve ismerik és használják!kb. 6000 éve ismerik és használják! különböző oxidok egymásban való szilárd oldata,különböző oxidok egymásban való szilárd oldata, túlhűtött folyadék, amelynek az üvegesedési túlhűtött folyadék, amelynek az üvegesedési

hőmérséklet alatt a viszkozitása nagyobb mint 10hőmérséklet alatt a viszkozitása nagyobb mint 101212Pa.sPa.s tökéletesen izotróp anyag, benne a fizikai folyamatok tökéletesen izotróp anyag, benne a fizikai folyamatok

terjedése minden irányban azonos,terjedése minden irányban azonos, nincs határozott olvadási hőmérséklete,nincs határozott olvadási hőmérséklete, legismertebbek az oxid üvegek: SiOlegismertebbek az oxid üvegek: SiO22, , B2O3, GeO2,

P2O5,

tulajdonságai adalékolással változtathatók,tulajdonságai adalékolással változtathatók, nincs határozott kémiai összetétele,nincs határozott kémiai összetétele, az alkotók nem különböztethetők meg benne,az alkotók nem különböztethetők meg benne, az állapotváltozás reverzibilis.az állapotváltozás reverzibilis.

Üveggyártás nyersanyagai:Üveggyártás nyersanyagai:

- alapanyagok- alapanyagok- üvegképző oxidok (szilícium-dioxid, bór-trioxid,stb.),- üvegképző oxidok (szilícium-dioxid, bór-trioxid,stb.),

- olvasztó oxidok (nátrium-oxid, kálium-oxid, litium-oxid),- olvasztó oxidok (nátrium-oxid, kálium-oxid, litium-oxid),

- állandósító oxidok (kálcium-oxid, magnézium-oxid, cink-oxid, - állandósító oxidok (kálcium-oxid, magnézium-oxid, cink-oxid, ólomoxid),ólomoxid),

- segédanyagok (tisztulást elősegítő anyagok, - segédanyagok (tisztulást elősegítő anyagok, színtelenítő- vagy színező anyagok),színtelenítő- vagy színező anyagok),

- adalékanyagok (üvegcserép).- adalékanyagok (üvegcserép).

Üveggyártás:Üveggyártás:Az összeolvasztás samott kádakban széndioxid vagy Az összeolvasztás samott kádakban széndioxid vagy nitrogén atmoszférában, megfelelő idejű hőntartás, majd nitrogén atmoszférában, megfelelő idejű hőntartás, majd lassú hűtés (lehet akár ½ év is!). lassú hűtés (lehet akár ½ év is!).

Tulajdonságai:Tulajdonságai:n=1,48-1,96n=1,48-1,96

σσB húzásB húzás=38-80 N/mm=38-80 N/mm22,,

σσB nyomásB nyomás=600-1250 N/mm=600-1250 N/mm22,,

ρρ=2,2-6,4 kg/dm=2,2-6,4 kg/dm33..

Optikai üveg fajtái:Optikai üveg fajtái:- koronaüveg (színtelen, törésmutatója kisebb, - koronaüveg (színtelen, törésmutatója kisebb, diszperziódiszperzió>>55),55),

- flintüveg ( zöldes színű, nagyobb a törésmutatója, - flintüveg ( zöldes színű, nagyobb a törésmutatója, diszperziódiszperzió<<50).50).

Hagyományos optikai-üveg technológiák:Hagyományos optikai-üveg technológiák: darabolás,darabolás, marás,marás, csiszolás,csiszolás, polírozás,polírozás, központosítás,központosítás, vékonyrétegezés.vékonyrétegezés.

A marás és csiszolás szerszámai, eszközei.

Az anyagleválasztás kötött vagy diszperz eloszlású gyémánt vagy SiC szemcsével történik.

A polírozás eszközei

Különleges bevonatok készítéseKülönleges bevonatok készítésefémgőzöléssel:fémgőzöléssel:- normál nyomáson – magas hőmérsékleten,- normál nyomáson – magas hőmérsékleten,- vákuumban,- vákuumban,

előnye:előnye:- alacsonyabb hőmérséklet,- alacsonyabb hőmérséklet,- finomabb eloszlás,- finomabb eloszlás,- szigetelő anyagra is lehetséges.- szigetelő anyagra is lehetséges.

alkalmazás:alkalmazás:- optikai ipar:- optikai ipar:

- tükrök,- tükrök,- reflexiócsökkentő bevonatok,- reflexiócsökkentő bevonatok,- interferencia szűrők,- interferencia szűrők,- polarizátorok,- polarizátorok,

- elektronikai ipar (vékonyréteg ák.)- elektronikai ipar (vékonyréteg ák.)

Tükör lehet: Tükör lehet:

- fénymegosztó (százalékos-, féligáteresztő tükör),- fénymegosztó (százalékos-, féligáteresztő tükör),

- teljes fény visszaverő tükör.- teljes fény visszaverő tükör.

Tükrökön a réteg lehet:Tükrökön a réteg lehet:

- elülső oldalon,- elülső oldalon,

- hátulsó oldalon.- hátulsó oldalon.

Tükörgyártás (ezüst, alumínium, króm):Tükörgyártás (ezüst, alumínium, króm):

- kémiai eljárással (ezüst valamilyen komplex vegyületét - kémiai eljárással (ezüst valamilyen komplex vegyületét szerves anyaggal redukálják fém ezüstté),szerves anyaggal redukálják fém ezüstté),

- vákuumporlasztással.- vákuumporlasztással.

Optikai elemekre rétegfelvitel – vákuumporlasztással.Optikai elemekre rétegfelvitel – vákuumporlasztással.

• 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.

Vákuumporlasztás

Vákuumgőzölő:Vákuumgőzölő: Anyag felfűtése, hogy a Anyag felfűtése, hogy a

gőznyomása 10-4…10-3 gőznyomása 10-4…10-3 mbar legyenmbar legyen

Közvetlen fűtésKözvetlen fűtés Közvetett fűtés: W csónak Közvetett fűtés: W csónak

(magas op, nem ötvöződik)(magas op, nem ötvöződik) Hordozók gömbfelületen, Hordozók gömbfelületen,

forgatva. forgatva. Rétegvastagság Rétegvastagság

számítható, mérhetőszámítható, mérhető Ötvözet gőzölés.Ötvözet gőzölés.

búra

kupola forgatás

áram

szivattyú

forrás

hordozók

Kupola forgatás

búra

+

anód

target (- kV)

katód

szivattyú

hordozó

szelep

Triódás katódporlasztás

-

KatódporlasztásKatódporlasztás Nagyvákuum térbe Nagyvákuum térbe ArAr gáz gáz

0,1..10..100mbar nyomásig0,1..10..100mbar nyomásig Gázkisülés létrehozása, Gázkisülés létrehozása,

elektronok ütköznek az Ar elektronok ütköznek az Ar atomokkal atomokkal Ar+Ar+ ionok ionok

TargetTarget nagy negatív nagy negatív potenciálon, Ar+ bele-potenciálon, Ar+ bele-ütközik, bevonó anyag ütközik, bevonó anyag részecskéit részecskéit lökilöki ki ki lerakódik lerakódik a hordozóna hordozón

Nagyobb rétegépülési Nagyobb rétegépülési sebesség, sebesség,

Nem kell magas hőm.Nem kell magas hőm.

Optikai szál

Az Az optikai száloptikai szál egy igen tiszta, néhány tíz (a egy igen tiszta, néhány tíz (a technológia megjelenése idején még néhány technológia megjelenése idején még néhány száz) mikrométer átmérőjű szálból és az ezt száz) mikrométer átmérőjű szálból és az ezt körülvevő, kisebb optikai törésmutatójú héjból körülvevő, kisebb optikai törésmutatójú héjból álló vezeték. álló vezeték.

Működési elve a fénysugár teljes viszaverődésén Működési elve a fénysugár teljes viszaverődésén alapul: A fénykábel egyik végén belépő alapul: A fénykábel egyik végén belépő fényimpulzus a vezeték teljes hosszán teljes fényimpulzus a vezeték teljes hosszán teljes visszaverődést szenved, így a vezeték visszaverődést szenved, így a vezeték hajlítása esetén is – minimális hajlítása esetén is – minimális energiaveszteséggel – a szál másik végén fog energiaveszteséggel – a szál másik végén fog kilépni.kilépni.

A folyadéksugár „csapdába ejti” a fényt!A folyadéksugár „csapdába ejti” a fényt!

Ez volt az alapötlet, ami az optikai szál technikai Ez volt az alapötlet, ami az optikai szál technikai alkalmazásához vezetett.alkalmazásához vezetett.

                                          

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

A határ a mag és a védő réteg között lehet hirtelen, mint A határ a mag és a védő réteg között lehet hirtelen, mint az egymódusú szálnál, vagy lehet fokozatos átmenetű, az egymódusú szálnál, vagy lehet fokozatos átmenetű, mint a multimódusú szál esetében. mint a multimódusú szál esetében.

A nagy magátmérőjű szálat multimódusú szálnak A nagy magátmérőjű szálat multimódusú szálnak nevezzük, az elektromágneses analízis alapján. nevezzük, az elektromágneses analízis alapján.

A bevezetett fénysugarak a mag belső fala tengelyének A bevezetett fénysugarak a mag belső fala tengelyének irányában halad végig a szál mentén a teljes irányában halad végig a szál mentén a teljes visszaverődés miatt. visszaverődés miatt.

A mag és védőréteg határához nagy szögben érkező A mag és védőréteg határához nagy szögben érkező sugarak (a határhoz párhuzamosan húzott vonalhoz sugarak (a határhoz párhuzamosan húzott vonalhoz képest nagy szögben) teljesen visszaverődnek. képest nagy szögben) teljesen visszaverődnek.

A teljes visszaverődés által meghatározott visszaverődési A teljes visszaverődés által meghatározott visszaverődési határszöget (a legkisebb szög, amelynél a fénysugár határszöget (a legkisebb szög, amelynél a fénysugár még teljes mértékben visszaverődik) az üvegmag és a még teljes mértékben visszaverődik) az üvegmag és a héj anyagainak törésmutató-különbsége határozza héj anyagainak törésmutató-különbsége határozza meg.meg.

Pl.:Pl.:

az üveg törésmutatója n=1,5az üveg törésmutatója n=1,5

a teljes visszaverődés határszöge a teljes visszaverődés határszöge ΘΘhh=41,8=41,8oo

Így egy l=1m hosszú, d=50Így egy l=1m hosszú, d=50μμm átmérőjű szálban, m átmérőjű szálban, amennyiben a fény amennyiben a fény ΘΘhh=41,8=41,8oo határszögben éri el a határszögben éri el a

homlokfelületet, összesen 22360 visszaverődés homlokfelületet, összesen 22360 visszaverődés történik, majd a fény kilép a szálból.történik, majd a fény kilép a szálból.

Kiszámítható, hogy a szál mekkora r sugárral hajlítható Kiszámítható, hogy a szál mekkora r sugárral hajlítható meg anélkül, hogy a fény a szál palástfelületén kilépne:meg anélkül, hogy a fény a szál palástfelületén kilépne:

r ≥ 2d.r ≥ 2d.

Ha a totálreflexió a külső íven jön létre, akkor a belső íven Ha a totálreflexió a külső íven jön létre, akkor a belső íven is biztosan létrejön, mert a beesési szög nagyobb a is biztosan létrejön, mert a beesési szög nagyobb a belső íven, mint a külső íven.belső íven, mint a külső íven.

Multimódusú szál

Lépcsős indexű szál

Egymódusú szál

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

                                          

Képtovábbításra rendezett szálköteg alkalmas.Képtovábbításra rendezett szálköteg alkalmas.

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

322

321

421 2

d

d

d

háromszög

44

2

2

d

d

négyzet

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

Szálhúzás rúdbólSzálhúzás rúdból

2211 FvFv A kontinuítást figyelembevéve

2

1

2

1

2

2

1

d

d

F

F

v

v

d1=10mm

d2=10μm → igen nagy áttételre van szükség!