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漸變折射率鏡片
在各式各樣不同的光學應用領域中,最令光學設計人員傷透腦筋的,莫過於色差
(chromatic aberration)、球面像差(spherical aberration)和像散(astigmatism)等因素。以
球面來做校正補償的工具,不是價格太昂貴就是不適當。
在此考量因素下,可利用漸變折射率光學組件(gradient-index optics) 來做補償,所謂
漸變折射率,乃是藉由漸進改變折射率的方式,來控制光的路徑。當光通過漸變折
射率物質時,其路徑會因為折射率不斷在改變而產生彎曲。目前最廣為商品化的漸
變折射率光學為用於通訊係統上的單模光纖(single mode fiber)。目前商品化的漸變式
鏡片有以下四類型:
第一類為Axial Gradient(沿軸向漸變的):
其折射率隨著光軸的方向改變而改變,且呈
單向改變,不是一直增加就是一直減少。
此類鏡片之同折射率平面與光軸互相垂直。
第二類為Transverse Gradient(沿橫波方向;
與光進行方向垂直漸變的):
此類鏡片之物理原理和第一類Axial Gradient類似,
只不過此類鏡片之同折射率平面與光軸互相平行。
第三類為Radial-Gradient(沿徑向漸變的):
其折射率是隨著軸半徑和光軸的距離而
變化。此類鏡片之同折射率平面(是呈圓
筒狀平行於光軸,主要用於光準直器
(collimator) ,影印機(將共軛焦點由60~
120公分縮短為6公分) ,照相機鏡頭。
第四類為Spherical Gradient or Luneburg lens:
其折射率隨著距離球心的距離而改變。其同折射率平面(與球為同心
圓,有別於洋蔥為一層層的球狀。
製程方式
漸變折射率玻璃多數是採玻璃-擴散的製程方式(glass-diffusion),而
離子交換法(ion-exchange)也可用來製造較淺小的漸變率。理論上,溶
凝膠(sol-gel)也可用來製造漸變折射率鏡。
Fabricating process of GRIN rods by sol-gel process based on the interdiffusion
of Pb+2 and K+ ions.
Magneto-optical glass(磁光玻璃)
The amount of polarization rotation is θ=VHl where:
θ = polarization rotation angle
V = Verdet constant of optical element
H = longitudinal component of magnetic intensity vector
l = optical path length
Applications- Optical isolator
An optical isolator is a unidirectional light gate, which
can prevent back reflection of light into lasers or ptical
amplifiers and reduce signal instability and noise. A
schematic diagram of the optical isolator is shown in
figure. Faraday rotation material is placed between two
polarizers (input and output) oriented at 45o with each
other and a magnetic field is applied to rotate the plane
of polarization of light traversing the glass by 45o.
Forward-going light is linearly polarized at the input
polarizer, rotated 45o on passage through the glass and
transmitted by the output polarizer. Back-reflected light
is linearly polarized at the output polarizer; however, it
undergoes an additional 45o rotation during its passage
through the glass and is rejected by the input polarizer.
玻璃陶瓷
玻璃陶瓷(Glass-Ceramics)指的是含有玻璃相的多晶固體材料,其製造由玻璃熔解開
始,經過玻璃成形,再施予控制結晶(Controlled Crystallization)熱處理,使其結晶化
而形成多晶固體,既有玻璃成形法製程彈性大、成形容易的特點,又具有陶瓷較佳
性質的優點。有用的玻璃陶瓷材料必須能控制結晶,使玻璃內部形成多量且均勻分
佈的結晶核,並於其後同時進行晶體成長,形成粒度均一、微細、均勻,且無孔與
零孔隙率之陶瓷。玻璃陶瓷之結晶化與一般玻璃之失透(Devitrification)不同。玻璃之
失透現象是應該避免的,因為它不僅使玻璃局部失去透光性,而且因為是局部性,
且晶粒較大,容易造成不均勻之高應力區,而使玻璃強度急遽下降。至於玻璃陶瓷
之結晶化則是在控制之下,
,因此不僅不會產生破壞的現象
,而且大抵均能增加其性能。
另一方面,玻璃陶瓷與一般燒結陶瓷的不同點在於:前者由均勻的玻璃相中析出晶
體,由於母相(玻璃)中並無孔隙,因此成品亦無孔隙;而後者由於是從堆疊的粉粒開始
,其間有許多孔隙存在,經燒結反應之擴散消除孔隙,無法完全,會有殘存孔隙留
下,而影響其強度。這是玻璃陶瓷優於燒結陶瓷的地方。
玻璃陶瓷材料並可經由化學組成與結晶熱處理的調整,改變晶體的種類、結晶量、
以及各種微結構,可配製出性質寬廣且優異之材料,諸如超低或特定之熱膨脹性、
高機械強度、化學抗蝕性、易加工性,以及特殊的光電特性等。因此,玻璃陶瓷在
各方面之應用相當廣泛,已成為陶瓷工業中極為重要的一類材料。
相分離(Phase Separation)
玻璃以往都被認為是均質的材料,不過由於電子顯微鏡及x光繞射技術的發展,已確定玻
璃實際上均有某種程度的相分離現象,亦即分開成為兩種成分不同而不互溶(Immiscibility)
的玻璃相區。此種相分離或不互溶的現象隨玻璃系統而變。有的系統例如MgO-SiO2 ,
CaO-SiO2,SrO-SiO2,ZnO-SiO2,及TiO2-SiO2等,均在高溫熔融時,即產生不互溶的液相
分離,形成兩個液相,稱為穩定性液相分離。而有些系統如Li2O-SiO2 、 Na2O-SiO2 、
K2O-SiO2 、及BaO-SiO2等,則在高溫熔融時是一均勻的熔體(液體),但在冷卻過程中,或
在形成玻璃後於再加熱至某一溫度範圍,才逐漸產生
相分離的現象,此種稱為介穩性液相分離。玻璃陶瓷系統中所遭遇
者一般均為後者。此種介穩性液相分離祇產生於一特定之溫度-成
分區域內,稱為不互溶區(Immiscibility Region)。在此區域內之成
分及溫度條件下,即產生不互溶之相分離。此不互溶區內又有兩條
虛線,將不互溶區分為三小區,有不同的相分離模式:
(i)離相分解(Spinodal Decomposition),出現於兩虛線間
之中間區。分離開始時,玻璃內相鄰部份產生些微的成
分差異,繼而此成分差異逐漸增大,到最後則成為兩
個不同固定成分之液相。
(ii)成核與成長(Nucleation and Growth),發生於旁邊的兩
小區。此種分相模式必須玻璃內局部區域先凝聚成固定
成分且大小都超過臨界尺寸的粒子,此即為成核。未達
此臨界尺寸之粒子可能再變小甚至不見,唯有達到此臨
界尺寸之粒子才能持續成長,此即為成核與成長。
相分離後,玻璃仍為非結晶,只是兩種不同成分的非晶相,
後期
初期
中期
但對後續熱處理之結晶過程會造成劇烈的影響。
體結晶(Bulk Crystallization)
若結晶同時出現於材料之各個部位,則稱為體結晶。玻璃陶瓷的基本條件就是有產生高密
度晶核體結晶的能力,成核基本工分為兩種:(a)均質成核,及(b)非均質成核。晶核的形
成若均勻出現於系統中而無特殊偏好位置者,稱為均質成核(homogeneous Nucleation)。當
晶核形成於既存的介面上時,稱為非均質成核(Heterogeneous Nucleation)。此種介面若均
勻分佈於系統中時,如相分離時兩相間的介面,則非均質成核亦能造成體結晶。若此介面
僅存在某些特定部位,如表面、氣泡、或雜物等,則無法形成體結晶。
有了穩定的晶核後,不論是均質成核或非均質成核,晶體都可從晶核逐漸長大。晶體成長
的方武亦有多種,如正常成長(Normal Growth),表面成核成長(Surface Nucleation Growth),
及螺旋錯位成長(Screw Dislocation Growth)
度極為敏感,且有一極大值,溫度高或低於此極大值時成長速率均下降。
控制結晶之典型示意圖(I:成核速率曲線,G:晶體成長曲線)
成核劑(Nucleating Agent)
成核劑其目的在產生均勻分佈且多數量的晶核。一般說來,成核劑可為金屬及化合物兩類。
金屬成核劑主要有Cu,Ag,Au,及Pt等,其作用可以Cu為例說明。Cu於高溫時可溶於玻
璃內,並以離子態存在,若為Cu+1則無色;若為Cu+2則為藍色,含銅之玻璃熔體,於冷卻
過程中,若速度適中,或者於冷卻後再加熱於適當之溫度範圍,則產生下列反應:
Cu++e-→ Cu0
Cu原子在適當溫度時,可經由擴散而凝聚,形成Cu膠體(Colloid),此時含Cu之玻璃呈現深
紅色。一般欲提供電子給Cu+而促成上述反應,可在玻璃中添加少量SnO或Sb2O3。當Cu0長
成一穩定臨界膠體時,其表面即為一非均質介面,可以降低成核的能障(活化能),使成核
速率增加。若結晶相之晶格常數與金屬膠體接近,則非均質成核效果更佳。大約0.05wt%
的Cu就足以便Li20-Al2O3-SiO2及Li2O-ZnO-SiO2玻璃產生足夠的結晶核。Ag,Au及Pt等金屬
成核劑之作用,大體與Cu相似,祇是利用加熱以產生膠體的必要性,依序遞減。Cu最需要
加熱,而Pt最不需要,在冷卻過程中即可形成Pt膠體,而於加熱時,直接產生結晶。
除了上述利用加熱使金屬離子補捉電子而形成膠體的方法之外,有些玻璃尚可利用紫外線
照射玻璃的方,提供電子。紫外線照射到的部份,Cu+還原而於加熱時形成膠體,並在膠體
上以非均質成核方式生長所要的玻璃陶瓷結晶相,未照到的地方則仍為透明的玻璃。利用
此種方可在玻璃上形成圖案,此種機構稱為光成核(Photonucleation)。
化合物成核劑以TiO2、ZrO2、及P2O5為主,包含Cr2O3、MoO3、WO3、Fe2O3、氟化物、硫
化物及硒化物等。此類化合物成核劑大多會產生相分離現象,因而提高玻璃陶瓷之成核能
力。如前所述,相分離產生許多介面,而能進行非均質成核。又相分離後之兩玻璃相,其
中一相會富含某些成分,如含有TiO2成核劑的玻璃,其中一相會富含Ti,因而會析出類似
TiO2或A12Ti2O7等晶體粒子,這些粒子即可成為該玻璃相內之非均質成核位置,故成核速
率增大。有時則因為相分離後,其中一相的成分接近於結晶相的成分,降低擴散需求,而
加速均質成核速率。
玻璃陶瓷之成核法與結晶過程
Li2O‧Al2O3 ‧ SiO2系玻璃陶瓷
本系之主要結晶相有三種,即鋰霞石(Li2O‧Al2O3 ‧2 SiO2),鋰輝石(Li2O‧Al2O3 ‧4 SiO2)及葉
長石(Li2O‧Al2O3 ‧8 SiO2)。其中,鋰霞石及鋰輝石在本系中,係穩定之固溶體,SiO2之含量
隨成分及熱處理而定。此外,本系另有一介穩態之β -石英固溶體,其成分位於鋰霞石一氧化
矽之間。
Li2O‧Al2O3 ‧ SiO2玻璃形成區
β-石英固溶體的晶格常數及熱膨脹係數均隨其SiO2的含量而定。純石英
(100%SiO2)之轉換溫度為575℃,且高於轉換溫度時呈些微收縮,即熱膨
脹係數為負,且其值很小(-5 × 10-7K-1),當β-石英固溶體內之SiO2含量降
低時,此轉換溫度亦隨之降低。當β-石英固體之 SiO2含量為85wt%時,
此轉換溫度已低於室溫,故此時β-石英固溶體玻璃陶瓷之熱膨脹係數為負
值且極小,與純石英晶體在轉換溫度以上所顯示者類似。此種成分之玻
璃陶瓷是低熱膨脹玻璃陶瓷之主體,非常重要。 β-石英固溶體之結晶約
產生於800~900℃問,此時β-石英固溶體內之SiO2含量受相分離的影響極
大。當原始成分及熱處理溫度位於相圖之相分離區時如圖28.10中A及T0,
亦即熱處理溫度(T0)低於臨界分相溫度(Tn),玻璃會先產生相分離,一相
具高SiO2含量(x),另一相則具低SiO2含量之相(y)其中SiO2低含量之相(y),
會結晶為β-石英固溶體,此β-石英固溶體之成分(即SiO2含量)與熱處理溫
度有密切關係。不同的熱處理溫度(如T1)導致SiO2含量不同之β-石英固溶
體(y’),而具有不同之性質,而高SiO2含量之玻璃相則仍保持非晶態。若
原始成分及熱處理溫度不在相圖之相分離區內時(如成分B,溫度T0),所
產生之β-石英固溶體之SiO2含量與原始成分之SiO2含量(B)相同。由於β-石
英固溶體之特性與其內之SiO2含量有極大的相關性,因此本系統之成分是
否在相分離區內,以及所使用之熱處理溫度高低均會使最後玻璃陶瓷的
性質產生相當大的變化。
其他常用之玻璃陶瓷系
Al2O3 ‧ SiO2系玻璃陶瓷: 具有高溫度穩定性(至1500 ℃) 、優良透光性可維持至
1200 ℃ ,可製造絕熱陶磁纖維。
MgO‧Al2O3 ‧ SiO2系玻璃陶瓷:低膨脹係數、高機械強度、優良介電性質、雷達
波穿透性。
ZnO‧Al2O3 ‧ SiO2系玻璃陶瓷:熱膨脹係數範圍很廣,由負值到正200 × 10-7K-1、
電阻率高、抗蝕性佳。
CaO‧Al2O3 ‧ SiO2系玻璃陶瓷:優良機械性質、抗蝕力,優越之抗磨性。
K2O‧MgO‧Al2O3 ‧ SiO2‧F系玻璃陶瓷:可削性玻璃陶磁、優良的抗熱震性、高直
流電阻率、高介電強度、小介電損失、化學性差,由其是對酸。
玻璃陶瓷之應用
玻璃陶瓷中所含晶相之熱膨脹系數
玻璃陶瓷與其他材料抗折強度比較
玻璃陶瓷與其他材料體電阻率比較
玻璃陶瓷與其他材料的介電比較
玻璃陶瓷與其他材料之介電崩潰強度比較
幾各主要商業化玻璃陶瓷產品-1
幾各主要商業化玻璃陶瓷產品-2