RU2008287C1 - Method of producing glass with refraction index gradient - Google Patents

Abstract

FIELD: glass production. SUBSTANCE: method of producing glass with refraction index gradient involves the steps of: providing a glass plate with a surface layer of photosensitive crystallizable glass, sequentially exposing the plate to produce exposure gradient along the surface, thermal treating and ion exchange treating in molten metal salts. Method is characterized in that glass with smooth distribution of reflection index in the plane to be worked is obtained. EFFECT: enhanced efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к способам обработки стекла в расплавах солей в режиме свободной и вынужденной диффузии катионов металлов и может быть использовано для получения элементов градиентной и интегральной оптики. The invention relates to methods for processing glass in molten salts in the mode of free and forced diffusion of metal cations and can be used to obtain elements of gradient and integrated optics.

Известен способ изготовления стекла с градиентом показателя преломления (стеклянных микролинзовых растров), включающий изготовление стеклянной пластины с использованием фоточувствительного кристаллизующегося стекла, экспонирование поверхности пластины, тепловую обработку экспонированной поверхности пластины и последующую ионообменную обработку указанной поверхности в расплаве солей металлов. В этом способе пластину готовят целиком (на всю ее толщину) из фоточувствительного кристаллизующегося стекла. Экспонирование пластины проводят через фотомаску с непрозрачными дисками, расположенными соответственно расположению микролинз в растре. При этом обязательным условием является равномерность экспонирования по всей площади пластины для получения идентичных по характеристикам микролинз. Последующую кристаллизацию экспонированных межлинзовых областей путем тепловой обработки и ионообменную обработку поверхности пластин ведут в расплавах солей, содержащих ионы большего или меньшего радиуса, чем изначально присутствующие в стекле. A known method of manufacturing glass with a gradient of refractive index (glass microlens rasters), including the manufacture of a glass plate using photosensitive crystallized glass, exposure of the surface of the plate, heat treatment of the exposed surface of the plate and subsequent ion-exchange treatment of the specified surface in a molten metal salt. In this method, the plate is prepared in its entirety (for its entire thickness) from photosensitive crystallizing glass. Exposure of the plate is carried out through a photomask with opaque disks located respectively to the location of the microlenses in the raster. In this case, the uniformity of exposure over the entire area of the plate to obtain microlenses identical in characteristics is a prerequisite. The subsequent crystallization of the exposed lens areas by heat treatment and ion-exchange treatment of the surface of the plates is carried out in molten salts containing ions of a larger or smaller radius than those originally present in the glass.

В известном способе после экспонирования стекла через маску и последующей тепловой обработки проэкспонированные части стекла кристаллизуются и теряют прозрачность на всю толщину стеклянной пластины, а области под непрозрачными частями маски остаются прозрачными и имеют в указанном случае вид одинаковых цилиндров. In the known method, after exposure of the glass through the mask and subsequent heat treatment, the exposed parts of the glass crystallize and lose transparency over the entire thickness of the glass plate, and the areas under the opaque parts of the mask remain transparent and in this case look like identical cylinders.

Проведение последующей ионообменной обработки полученной заготовки приводит к тому, что благодаря увеличению или уменьшению мольного объема исходного стекла его незакристаллизовавшиеся области выдавливаются над поверхностью или прогибаются внутрь объема, образуя сферические сегменты, т. е. микролинзы. Subsequent ion-exchange processing of the obtained preform leads to the fact that due to an increase or decrease in the molar volume of the initial glass, its non-crystallized regions are squeezed above the surface or bend into the volume, forming spherical segments, i.e. microlenses.

Диффузия в закристаллизованные области стекла происходит со значительно меньшей скоростью, чем в стекло, поэтому изменением их мольного объема можно пренебречь. Diffusion into the crystallized regions of glass occurs at a much lower rate than into glass; therefore, a change in their molar volume can be neglected.

Полученный микролинзовый растр относится к граданам первой группы, т. е. градиент показателя преломления направлен перпендикулярно поверхности обрабатываемого стекла. Известный способ не позволяет получать стекло с плавным изменением показателя преломления вдоль обрабатываемой поверхности, что, как указано выше, является актуальной задачей градиентной и интегральной оптики. The obtained microlens raster belongs to gradans of the first group, i.e., the gradient of the refractive index is directed perpendicular to the surface of the processed glass. The known method does not allow to obtain glass with a smooth change in the refractive index along the machined surface, which, as indicated above, is an urgent task of gradient and integrated optics.

Объясняется это тем, что длительность экспозиции фоточувствительного стекла влияет не только на степень его кристаллизации, но и на толщину закристаллизованного слоя в направлении облучения, а именно, с увеличением времени экспозиции толщина закристаллизованного слоя растет. В результате засветки поверхности стекла с переменной вдоль поверхности экспозицией и последующей тепловой обработки в стекле образуется приповерхностный слой, содержащий кристаллическую фазу с разной степенью концентрации вдоль поверхности и имеющий разную толщину. Нижняя граница кристаллического слоя, как правило, имеет неотчетливый характер как по своей геометрии, так и по степени кристаллизации. Если экспозиция вдоль поверхности изменяется значительно, то толщина слоя может отличаться в несколько раз, при этом к тому же становится заметным градиент концентрации кристаллической фазы по глубине слоя. This is explained by the fact that the exposure time of photosensitive glass affects not only the degree of crystallization, but also the thickness of the crystallized layer in the direction of irradiation, namely, with increasing exposure time, the thickness of the crystallized layer increases. As a result of exposure of the glass surface with a variable exposure along the surface and subsequent heat treatment, a surface layer is formed in the glass containing a crystalline phase with a different degree of concentration along the surface and having a different thickness. The lower boundary of the crystalline layer, as a rule, has an indistinct character both in its geometry and degree of crystallization. If the exposure along the surface varies significantly, then the layer thickness can differ several times, and in addition, the concentration gradient of the crystalline phase along the depth of the layer becomes noticeable.

Использовать такой слой в качестве маски для последующей диффузионной обработки с целью получения в незакристаллизованной части стекла градиента показателя преломления, параллельного обрабатываемой поверхности, не представляется возможным. It is not possible to use such a layer as a mask for subsequent diffusion processing in order to obtain a gradient of the refractive index parallel to the surface being treated in the non-crystallized part of the glass.

Достигаемым техническим результатом является получение плавного распределения показателя преломления в плоскости обрабатываемой поверхности стекла. Achievable technical result is to obtain a smooth distribution of the refractive index in the plane of the processed glass surface.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления стекла с градиентом показателя преломления путем изготовления стеклянной пластины с использованием фоточувствительного кристаллизующегося стекла, экспонирования пластины, тепловой обработки ее и последующей ионообменной обработки в расплаве солей металлов, из фоточувствительного кристаллизующегося стекла изготавливают только поверхностный слой пластины, а экспонирование проводят с созданием градиента экспозиции вдоль поверхности. The specified technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing glass with a gradient of the refractive index by manufacturing a glass plate using photosensitive crystallizing glass, exposing the plate, heat treating it and subsequent ion exchange processing in a molten metal salt, only the surface layer of the plate is made from photosensitive crystallizing glass, and exposure is carried out with the creation of an exposure gradient along the surface.

Меняя экспозицию вдоль облучаемой поверхности, получают изменяющуюся вдоль поверхности степень кристаллизации (концентрацию кристаллической фазы) стекла. By changing the exposure along the irradiated surface, a crystallization degree (concentration of the crystalline phase) of the glass that varies along the surface is obtained.

При последующей ионообменной обработке в расплаве соли интенсивность диффузионного процесса будет тем меньше, чем больше степень кристаллизации стекла (т. е. чем больше концентрация кристаллической фазы). Таким образом образовавшийся в результате экспонирования стекла и последующей тепловой обработки поверхностный слой стекла с изменяющейся вдоль поверхности концентрацией кристаллической фазы будет играть роль маски с изменяющейся вдоль поверхности степенью "диффузной прозрачности". During subsequent ion-exchange treatment in the molten salt, the intensity of the diffusion process will be the lower, the greater the degree of crystallization of the glass (i.e., the greater the concentration of the crystalline phase). Thus, the surface layer of glass formed as a result of glass exposure and subsequent heat treatment with the concentration of the crystalline phase varying along the surface will play the role of a mask with a degree of "diffuse transparency" varying along the surface.

При этом изготовление пластины из фоточувствительного кристаллизующегося стекла только в поверхностном слое с экспонированием с градиентом экспозиции вдоль поверхности стекла изначально формирует строго одинаковый по толщине закристаллизованный слой, в котором меняется только концентрация кристаллической фазы. In this case, the manufacture of a plate from photosensitive crystallizing glass only in the surface layer with exposure with an exposure gradient along the glass surface initially forms a strictly identical thickness crystallized layer in which only the concentration of the crystalline phase changes.

В результате после окончания процесса ионообменной диффузии под закристаллизованным слоем образуется стекло с градиентом показателя преломления, не только перпендикулярным, но и с плавно изменяющимся градиентом показателя преломления, параллельным обрабатываемой поверхности. As a result, after the end of the ion-exchange diffusion process, a glass is formed under the crystallized layer with a refractive index gradient that is not only perpendicular, but also with a smoothly varying refractive index gradient parallel to the surface being treated.

Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.

В стеклянной пластине создают поверхностный слой фоточувствительного кристаллизующегося стекла. Получить в силикатном стекле фоточувствительный кристаллизующийся слой можно различными способами. Можно, например, нанести на силикатное стекло пленку расплавленного фоточувствительного стекла или посадить на оптический контакт тонкую пластинку такого стекла. Можно использовать для этой же цели ионообменную диффузию. Учитывая, что фоточувствительные стекла по своим составам подобны обычным силикатным стеклам и отличаются только тем, что содержат незначительные добавки: фоточувствительных металлов и сенсибилизаторов, то при правильном подборе этих добавок большинство составов силикатных стекол можно сделать фоточувствительными. В том числе не только по всему объему стекла, но и локально. A surface layer of photosensitive crystallizing glass is created in the glass plate. The photosensitive crystallizing layer can be obtained in silicate glass in various ways. It is possible, for example, to apply a film of molten photosensitive glass to silicate glass or to place a thin plate of such glass on an optical contact. You can use ion exchange diffusion for the same purpose. Considering that photosensitive glasses are similar in composition to ordinary silicate glasses and differ only in that they contain insignificant additives: photosensitive metals and sensitizers, with the correct selection of these additives, most silicate glass compositions can be made photosensitive. Including not only the entire volume of glass, but also locally.

Поверхность матрицы облучают ультрафиолетовым излучением, создавая градиент экспозиции вдоль поверхности. The surface of the matrix is irradiated with ultraviolet radiation, creating an exposure gradient along the surface.

Изменение экспозиции вдоль обрабатываемой поверхности по требуемому закону можно обеспечить различными способами. Можно экспонировать поверхность широким равномерным пучком ультрафиолетового излучения через маску, прозрачность которой для этого излучения меняется по тому же закону, что и закон изменения экспозиции. Changing the exposure along the surface to be treated according to the required law can be achieved in various ways. You can expose the surface with a wide uniform beam of ultraviolet radiation through a mask, the transparency of which for this radiation changes according to the same law as the law of exposure.

Можно экспонировать поверхность стекла локально, узким пучком излучения и, сканируя лучом по поверхности, менять скорость сканирования или мощность пучка. После экспонирования матрицу подвергают тепловой обработке до образования в экспонированном слое кристаллической фазы, концентрация которой будет пропорциональна экспозиции в данной точке поверхности. It is possible to expose the glass surface locally, with a narrow beam of radiation and, scanning the beam along the surface, change the scanning speed or beam power. After exposure, the matrix is subjected to heat treatment until a crystalline phase forms in the exposed layer, the concentration of which will be proportional to the exposure at a given point on the surface.

Матрицу с закристаллизованным в равной степени поверхностным слоем подвергают ионообменной обработке в расплаве солей. Катионы из расплава проникают в толщину стекла через закристаллизованный слой, выполняющий роль маски с неодинаковой по поверхности "диффузионной прозрачностью". Поскольку толщина слоя изначально одинакова по всей поверхности, то интенсивность процесса диффузии через слой определяется только временем экспозиции в данном месте слоя, что дает возможность совместить процесс изготовления градана с технологией микроэлектроники (фотолитографии). The matrix with an equally crystallized surface layer is subjected to ion exchange treatment in a molten salt. Cations from the melt penetrate the thickness of the glass through a crystallized layer, which acts as a mask with a "diffusion transparency" that differs over the surface. Since the layer thickness is initially the same over the entire surface, the intensity of the diffusion process through the layer is determined only by the exposure time at a given location in the layer, which makes it possible to combine the production of gradan with microelectronics (photolithography) technology.

На чертеже представлена интерферограмма, иллюстрирующая предлагаемый способ. The drawing shows an interferogram illustrating the proposed method.

Берут плоскую прямоугольную пластину размером 10 х 30 х 30 мм из стекла следующего состава, мас. % : SiO₂ 76,0; Al₂O₃ 8,0; Li₂O 12,0; СеО 0,03. Пластинку помещают на 5 мин в расплав 0,1 мол. % AgNO₃ плюс 99,9 мол. % LiNO₃ при t = 570^оС. Затем образец вынимают из расплава, охлаждают, промывают от остатков соли, и поверхность образца с образованным фоточувствительным кристаллизующимся слоем экспонируют узким пучком ультрафиолетового света (ртутная лампа ДПШ-100), меняя скорость сканирования. После этого образец подвергают тепловой обработке при t= 600^оС в течение 2 ч. В результате в стекле образуется поверхностный слой с изменяющейся вдоль поверхности концентрацией кристаллической фазы.Take a flat rectangular plate measuring 10 x 30 x 30 mm from glass of the following composition, wt. %: SiO ₂ 76.0; Al ₂ O ₃ 8.0; Li ₂ O 12.0; CeO 0.03. The plate is placed for 5 min in a molten 0.1 mol. % AgNO ₃ plus 99.9 mol. % LiNO ₃ at t = 570 ° ^C. The sample was then removed from the melt, cooled, washed free of salt residues, and the sample surface with the formed photosensitive layer is exposed to crystallizing a narrow beam of ultraviolet light (mercury lamp DPN-100), changing the scanning speed. The sample was then heat treated at t = 600 ^{° C} for 2 hours. As a result, in the glass surface layer formed along the surface with a varying concentration of the crystalline phase.

Подготовленное таким образом стекло подвергают ионообменной обработке при t= 470^оС в расплаве 20 мол. % AgNO₃ и 80 мол. % NaNO₃ в течение 11 ч. После этого стекло вынимают из расплава и проводят интерференционный контроль. Для этого с образца делают плоскопараллельный срез толщиной 0,2-1,0 мм, параллельный направлению диффузии. Срез помещают в интерферометр Маха-Цендера и просвечивают перпендикулярно направлению среза (см. чертеж).The prepared glass thus subjected to ion exchange treatment at t = 470 ^{° C} melt 20 mol. % AgNO ₃ and 80 mol. % NaNO ₃ for 11 hours. After that, the glass is removed from the melt and interference monitoring is carried out. For this, a plane-parallel slice is made from the sample with a thickness of 0.2-1.0 mm, parallel to the direction of diffusion. The slice is placed in a Mach-Zehnder interferometer and translucent perpendicular to the direction of the slice (see drawing).

Из интерферограммы видно, что под кристаллическим слоем образуется стекло с градиентом показателя преломления, параллельным обрабатываемой поверхности. It is seen from the interferogram that glass forms with a refractive index gradient parallel to the surface being processed under the crystalline layer.

Таким образом предлагаемый способ позволяет изготавливать элементы градиентной и интегральной оптики с заданной плавной формой распределения показателя преломления вдоль обрабатываемой поверхности стекла. Thus, the proposed method allows to produce elements of gradient and integrated optics with a given smooth form of distribution of the refractive index along the processed surface of the glass.

Способ обладает преимуществом по сравнению со всеми известными способами масочной технологии изготовления элементов интегральной оптики, так как в нем маска не наносится на поверхность стекла, а создается в самом стекле. (56) Авторское свидетельство СССР N 1446579, кл. G 02 B 3/00, 1987.  The method has an advantage over all known methods of mask technology for manufacturing elements of integrated optics, since in it a mask is not applied to the surface of the glass, but is created in the glass itself. (56) Copyright certificate of the USSR N 1446579, cl. G 02 B 3/00, 1987.

Claims (1)

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕКЛА С ГРАДИЕНТОМ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ путем изготовления стеклянной пластины из фоточувствительного кристаллизующегося стекла, экспонирования пластины, тепловой обработки ее и с последующей ионообменной обработки в расплаве солей металлов, отличающийся тем, что из фоточувствительного кристаллизующегося стекла изготавливают только поверхностный слой пластины, а экспонирование проводят с созданием градиента экспозиции вдоль поверхности.  METHOD FOR PRODUCING GLASS WITH A REFRACTION INDICATOR GRADIENT by manufacturing a glass plate from photosensitive crystallizing glass, exposing the plate, heat treating it and then ion-exchanging it in molten metal salts, characterized in that only the surface layer of the plate is made from photosensitive crystallizing glass, and creating an exposure gradient along the surface.

Images