Планарные микрооптические градиентные структуры на основе стекол

• Автор: Журихина, Валентина Владимировна
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 152 с.

Содержание
Введение

Глава I. Общие характеристики ионообменных оптических

элементов

1.1 Введение.

1.2 Процесс ионного обмена в стекле.

1.3 Ионнообмениые оптические волноводы.

1.4 Ионнообменные дифракционные решегки

1.5 Ионнообменные микролинзы и граданы.

1.6 Уравнение ионообменной диффузии в стекле.

1.7 Расчет модового спектра ионообменных волноводов

1.8 Расчет характеристик дифракционной решетки
1.9 Расчет оптических характеристик линз и граданов.
Глава II. Формирование ионообменных дифракционных
решеток в стекле
2.1 Линейная термодиффузия.
2.2 Нелинейная термодиффузия.
2.3 Линейная электростимулированная диффузия.
2.4 Нелинейная электростимулированная диффузия.
Глава III. Разработка и моделирование дифракционной решетки дли оптоволоконного разветвителя
3.1 Учет времени установления постоянной концентрации на
поверхности и поверхностного рельефа
3.2 Моделирование решетки для 13 разветвителя.
Глава IV. Формирование ионообменных линз и граданов в
4.1. Вычисление распределения показателя преломления
4.2.ахождение траектории луча.
4.3 Формирование ионообменных микролинз в процессе
термической диффузии.
4.4 Формирование ионообменных микролинз в процессе
электростимулированной диффузии
Заключение
Литература


В Приложении II приводится алгоритм решения уравнения диффузии в цилиндрической системе координат, с помощью которого можно рассчитать профиль концентрации диффузанта при ионном обмене через маску с круглым отверстием. В Приложении III приведен алгоритм расчета траектории световых лучей в среде с градиентом показателя преломления. Научная новизна работы заключается в разработке нового стекла, специально предназначенного для формирования ионообменных ірадиентньїх оптических элементов с помощью низкотемпературной диффузии; исследовании процесса ионного обмена в новой стеклянной матрице и определении параметров разработанного материала, необходимых для моделирования диффузионных процессов; моделировании процесса диффузии с учетом нелинейности, влияния внешнего электрического поля, скорости установления концентрации на поверхности и поверхностного рельефа; определении профилей концентрации диффузанта при диффузии через маску с различной геометрией; нахождении траекторий световых лучей, распространяющихся в градиентной среде с показателем преломления, определенным в результате комплексного моделирования ионообменного процесса. Также новым является теоретическое исследование влияния внешнего электрического поля и нелинейности диффузии на характеристики ионообменных микролинз и фазовых дифракционных решеток и определение оптимальных режимов диффузии и последиффузионного отжига, позволяющих сформировать дифракционные решетки с наибольшей эффективностью и микролинзы с наименьшей аберрацией. Глава I. До настоящего времени стекла остаются наиболее широко используемым оптическим материалом |], применяемым в классической оптике (линзы, призмы и т. Преимуществами стекла как оптического материала являются его стабильность, однородность, простота изготовления и низкая стоимость. Кислородные стекла представляют собой аморфные оксиды элементов-ссткообразователей (кремния, фосфора, германия, теллура и др. Модификаторы изменяют механические, оптические или химические свойства стекла 1]. Обычно в кислородные стекла добавляют оксиды натрия, калия, кальция, бария, бора или лития. Если стекло содержит оксиды моновалентных металлов, то появляется возможность замены одновалентных ионов в стекле при ионном обмене при условии, что коэффициенты диффузии достаточно велики и в процессе обмена не происходит разрушения поверхности стекла. Процесс ионного обмена в стекле происходит при температуре 0-0°С (низкотемпературный обмен) или при температурах, превышающих температуру стеклования1 (высокотемпературный обмен). Температура стеклования отличается для различных стекол и обычно лежит в диапазоне 0-0°С. Процесс ионного обмена в стекле - это диффузионный процесс, в котором ионы, содержащиеся в стеклянной матрице, заменяются ионами из внешнего источника. Диффундирующий ион изменяет оптические характеристики стекла, в частности, показатель преломления. Поскольку диффузионная методика может применяться для различных стекол и допирующих ионов, процесс ионного обмена широко используется для изготовления элементов интегральной оптики и микрооптики. Так с помощью низкотемпературного ионного обмена могут быть получены оптические волноводы в стекле, поверхностные [,] и заглубленные [], дифракционные решетки [,] и микролинзы 7,], а также такие структуры, как разветвители светового сигнала [] и др. Кроме того, этот процесс используется для упрочнения поверхности стекла -напряжения, возникающие при замене меньших ионов на большие, способствуют увеличению прочност и поверхностного слоя. Рассматривая процесс ионного обмена в стекле, необходимо учитывать, что существует принципиальная разница между ионным обменом при температуре выше и ниже температуры стеклования Т? Если диффузия происходит мри температуре Т>Т8, то объем матрицы в результате замены ионов изменится, а механические напряжения, вызванные отличием радиусов входящего иона и иона матрицы, будут релаксировать []. Если диффузия происходит при Т<Т8 (обычно при Т=0-0°С это условие выполняется), то объем матрицы не меняется, в результате чего напряжения в стекле “заморожены” [1. Чем больше разница ионных радиусов диффузанта и иона матрицы, тем больше будет величина напряжений в стекле.