Wat is de vergelijking van golfgeleidermaterialen van hars, glas en siliciumcarbide?

Eerder publiceerden we een artikel met de titel 'Vergelijking van prestatiekenmerken van golfgeleiders van hars, glas en siliciumcarbide '(klik om te bekijken). Vandaag zullen we de drie materialen in meer detail introduceren.

Golfgeleider van harsmateriaal

Optische eigenschappen

1. **Refractieve index**: De brekingsindex van hars varieert doorgaans van 1,49 tot 1,60, wat lager is in vergelijking met glas en siliciumcarbide. Een lagere brekingsindex betekent dat de kritische hoek voor totale interne reflectie in het golfgeleidersysteem groter is, wat resulteert in een lagere optische signaaloverdrachtsefficiëntie dan andere materialen met hogere brekingsindices. (n = sin i / sin r, waarbij n de brekingsindex is, sin i de sinus van de invalshoek en sin r de sinus van de gebroken hoek.)

2. **Transmissie**: Harsmaterialen vertonen een goede transmissie in het zichtbare lichtbereik, maar hun optische uniformiteit wordt beïnvloed door de moleculaire rangschikking. Lagere lichtverstrooiingseigenschappen helpen de transparantie te behouden, maar langdurig gebruik kan leiden tot een afname van de transmissie als gevolg van veroudering.

3. **Dubbele breking**: Harsen vertonen doorgaans een lage dubbele breking vanwege hun relatief willekeurige moleculaire structuur en lage interne spanning, wat resulteert in minimale faseverschillen tijdens de voortplanting van licht. Onder bepaalde omstandigheden kan externe spanning echter ongelijkmatige optische eigenschappen veroorzaken.

Mechanische eigenschappen

1. **Hardheid**: De hardheid van hars is over het algemeen laag (met een Vickers-hardheid van ongeveer 15-20 HV), waardoor het gevoeliger is voor mechanische schade in vergelijking met glas en siliciumcarbide, vooral wanneer het oppervlak wordt blootgesteld aan wrijving. Deze lagere hardheid beperkt de levensduur in optische precisiesystemen.

2. **Taaiheid en elastische modulus**: Hars vertoont een relatief hoge taaiheid en een elastische modulus die doorgaans in het bereik van 2-5 GPa ligt, wat enige weerstand biedt tegen scheuren bij impact. Een afname van de elastische modulus kan echter de structurele stabiliteit van optische apparaten verzwakken, vooral bij hoge temperaturen of langdurig gebruik. (Elastische modulus: E = σ / ε, waarbij hoe groter de elastische modulus is, hoe beter de elasticiteit van het materiaal, wat wijst op een snelle terugkeer naar de oorspronkelijke vorm na spanning.)

Chemische eigenschappen

1. **Weerstand tegen chemische corrosie**: Hars vertoont een goede chemische stabiliteit en is bestand tegen de corrosie van veel zuren, basen en organische oplosmiddelen. Het is echter zeer gevoelig voor ultraviolet (UV) licht en langdurige blootstelling aan UV-straling kan leiden tot vergeling of verbrossing.

2. **Vochtabsorptie**: Harsmaterialen hebben doorgaans een zekere mate van hygroscopiciteit, wat kan leiden tot een afname van de optische prestaties na waterabsorptie, zoals veranderingen in de brekingsindex en verminderde transparantie. Bovendien kan vochtopname de mechanische eigenschappen van het materiaal verzwakken en de thermische uitzettingscoëfficiënt verhogen.

Golfgeleider van glasmateriaal

Optische eigenschappen

1. **Refractieve index**: De brekingsindex van glas van optische kwaliteit varieert doorgaans van 1,5 tot 1,9, afhankelijk van de samenstelling. Gewoon optisch glas, zoals BK7, heeft een brekingsindex van 1,5168, waardoor glas superieure optische transmissie-efficiëntie kan bieden in golfgeleiderontwerpen met totale interne reflectie en lichtverlies kan verminderen. (n = sin i / sin r, waarbij n de brekingsindex is, sin i de sinus van de invalshoek en sin r de sinus van de gebroken hoek.)

2. **Dispersiecoëfficiënt**: Het Abbe-getal (V-waarde) van glas varieert gewoonlijk van 50 tot 60, wat wijst op een lage dispersiecoëfficiënt, wat betekent dat de verandering in de brekingsindex over verschillende golflengten minimaal is. Daarom kan glas in AR-golfgeleiders dispersieverschijnselen effectief verminderen, waardoor beeldhelderheid en kleurconsistentie worden gegarandeerd. (σ = δλ * D * L, waarbij δλ de wortelgemiddelde vierkante spectrale breedte van de lichtbron is, D(λ) de dispersiecoëfficiënt is en L de lengte is. De dispersiecoëfficiënt voor single-mode optische vezels ligt doorgaans rond de 20 ps/km·nm, wat betekent dat langere vezellengtes resulteren in een grotere totale dispersie.)

3. **Transmissie- en absorptiecoëfficiënt**: Optisch glas van hoge kwaliteit heeft een extreem hoge transmissie, die meer dan 95% bedraagt. De absorptiecoëfficiënt is laag, vooral in het zichtbare lichtspectrum, met minimale absorptie van lichtenergie, waardoor een efficiënte overdracht van optische signalen wordt gegarandeerd.

Mechanische eigenschappen

1. **Hardheid en taaiheid**: Glas heeft een hoge hardheid (doorgaans 500-700 HV), wat uitstekende krasbestendigheid en duurzaamheid biedt. Hoewel glas relatief bros is, kunnen moderne verwerkingstechnieken zoals chemische versterking en fysische tempering de slagvastheid en taaiheid ervan aanzienlijk verbeteren.

2. **Elastische modulus en Poisson-verhouding**: De elastische modulus van typisch optisch glas varieert van 70 tot 85 GPa, met een Poisson-verhouding van ongeveer 0,2-0,3. Deze combinatie zorgt ervoor dat glas een goede vormvastheid behoudt onder mechanische belastingen, vooral in golfgeleidersystemen, waardoor de stabiliteit van het optische pad wordt gegarandeerd. (De verhouding tussen spanning in de verticale richting (εl) en spanning in de belastingsrichting (ε) staat bekend als de Poisson-verhouding. Aangeduid als v, wordt deze gedefinieerd als v = -ε1/ε. Binnen de elastische vervormingsfase is v een constante. Theoretisch zijn voor isotrope materialen slechts twee van de drie elastische constanten (E, G, v) onafhankelijk.) (Elastische modulus: E = σ / ε. Hoe groter de elastische modulus, hoe beter de elasticiteit van het materiaal, wat wijst op een snelle terugkeer naar zijn oorspronkelijke vorm na spanning.)

Chemische eigenschappen

1. **Chemische stabiliteit**: Glasmaterialen vertonen uitstekende stabiliteit in de meeste chemische omgevingen, vooral in zuren, basen en organische oplosmiddelen. Bepaalde gespecialiseerde glassoorten (zoals kwartsglas) vertonen uitzonderlijke stabiliteit, zelfs bij hoge temperaturen en corrosieve omstandigheden.

2. **Vochtbestendigheid**: Glas is vrijwel niet-hygroscopisch, waardoor de optische prestaties onaangetast blijven in vochtige omgevingen. Waterdamp heeft geen significante invloed op de brekingsindex, transparantie of andere optische parameters van glas.

Golfgeleidermateriaal van siliciumcarbide

Optische eigenschappen

1. **Refractieve index**: Siliciumcarbide heeft een zeer hoge brekingsindex, ongeveer 2,65, waardoor het vermogen om lichtpaden in optische ontwerpen te buigen aanzienlijk wordt vergroot, waardoor het geschikt is voor systemen die nauwkeurige straalcontrole vereisen. De hoge brekingsindex resulteert echter ook in een hogere reflectiesnelheid voor invallend licht, wat meer optisch verlies aan grensvlakken kan veroorzaken.

2. **Transmissie**: Hoewel siliciumcarbide een relatief lage transmissie heeft in het zichtbare lichtbereik, vertoont het aanzienlijke voordelen in de infrarode (IR) en ultraviolette (UV) banden. Deze eigenschap maakt siliciumcarbide veelbelovend voor de transmissie van specifieke golflengten in golfgeleidersystemen.

3. **Optische bandafstand**: Siliciumcarbide heeft een grote bandafstand (ongeveer 3,0 eV), wat duidt op een sterke stabiliteit bij blootstelling aan hoogenergetische fotonen, waardoor fotodegradatieverschijnselen worden voorkomen die worden waargenomen in glas en hars bij hoogfrequente verlichting. (αhν = B(hν - Eg)^m, waarbij α de molaire absorptiecoëfficiënt is, h de constante van Planck is, ν de frequentie is van het invallende foton, B een evenredigheidsconstante is, bijv. de optische bandafstand van het halfgeleidermateriaal is, en m gerelateerd is aan het materiaal en het type overgang.)

Mechanische eigenschappen

1. **Hardheid**: Siliciumcarbide is een van de hardste bekende materialen, met een hardheid dichtbij 2500 HV. De extreem hoge hardheid zorgt voor minimale vervorming onder mechanische impact en wrijving, waardoor de optische precisie en stabiliteit op lange termijn behouden blijft.

2. **Breektaaiheid**: Ondanks zijn hardheid heeft siliciumcarbide een relatief lage breuktaaiheid (typisch rond 3,0 MPa·m^0,5), waardoor het gevoelig is voor brosse breuk bij sterke impact of spanningsconcentratie. (Breektaaiheid kan worden gemeten door middel van breuktesten, met de formule: Breuktaaiheid = Breuksterkte / Breuklengte.)

3. **Elastische modulus**: Siliciumcarbide heeft een extreem hoge elastische modulus (ongeveer 410 GPa), wat betekent dat het minimale elastische vervorming vertoont onder spanning, waardoor structurele stabiliteit en optische precisie onder hoge belastingen wordt gegarandeerd. (Elastische modulus: E = σ / ε. Hoe groter de elastische modulus, hoe beter de elasticiteit van het materiaal, wat wijst op een snelle terugkeer naar zijn oorspronkelijke vorm na spanning.)

Chemische eigenschappen

1. **Bestand tegen hoge temperaturen**: Siliciumcarbide behoudt zijn structuur en optische prestaties bij extreem hoge temperaturen, met een smeltpunt boven 2700°C. Hierdoor behoudt het uitstekende optische eigenschappen in omgevingen met hoge temperaturen, terwijl glas en hars onder vergelijkbare omstandigheden thermische vervorming of degradatie kunnen ondergaan.

2. **Corrosiebestendigheid**: Siliciumcarbide vertoont een uitstekende weerstand tegen chemische corrosie en is bestand tegen de effecten van de meeste zuren, basen en oxidatie bij hoge temperaturen, waardoor de duurzaamheid ervan onder zware omstandigheden verder wordt verbeterd.

Samenvatting

Harsgolfgeleiders zijn gemakkelijk te verwerken en hebben een hoge taaiheid, maar ze hebben zwakke optische en mechanische eigenschappen, met name een lage brekingsindex en onvoldoende hardheid. Glazen golfgeleiders bieden goede algemene optische prestaties en duurzaamheid, waardoor ze geschikt zijn voor optische precisiesystemen, met gemiddelde mechanische eigenschappen en sterke chemische stabiliteit. 

Golfgeleiders van siliciumcarbide blinken uit in mechanische prestaties en thermische stabiliteit, en beschikken over een extreem hoge hardheid die geschikt is voor zware omstandigheden, maar ze hebben een slechte optische transmissie in het zichtbare lichtbereik en zijn moeilijk te verwerken.