Шта је поређење материјала за таласоводе од смоле, стакла и силицијум карбида?

Раније смо објавили чланак под насловом 'Поређење карактеристика перформанси таласовода од смоле, стакла и силицијум карбида '(кликните да видите). Данас ћемо детаљније представити ова три материјала.

Смолни материјал таласовод

Оптицал Пропертиес

1. **Индекс преламања**: Индекс преламања смоле се обично креће од 1,49 до 1,60, што је ниже у поређењу са стаклом и силицијум карбидом. Нижи индекс преламања значи да је критични угао за укупну унутрашњу рефлексију у систему таласовода већи, што резултира нижом ефикасношћу преноса оптичког сигнала од других материјала са већим индексом преламања. (н = син и / син р, где је н индекс преламања, син и је синус упадног угла, а син р је синус преломљеног угла.)

2. **Пролазност**: Материјали од смоле показују добру пропусност у опсегу видљиве светлости, али на њихову оптичку униформност утиче молекуларни распоред. Нижа својства расејања светлости помажу у одржавању транспарентности, али продужена употреба може довести до смањења пропустљивости услед старења.

3. **Двоструко преламање**: Смоле обично показују ниску дволомност због своје релативно насумичне молекуларне структуре и ниског унутрашњег напрезања, што резултира минималним разликама у фазама током ширења светлости. Међутим, под одређеним околностима, спољашњи стрес може изазвати неуједначена оптичка својства.

Мецханицал Пропертиес

1. **Тврдоћа**: Тврдоћа смоле је генерално ниска (са тврдоћом по Викерсу од око 15-20 ХВ), што је чини подложнијом механичким оштећењима у поређењу са стаклом и силицијум карбидом, посебно када је површина подвргнута трењу. Ова нижа тврдоћа ограничава његов животни век у прецизним оптичким системима.

2. **Жилавост и модул еластичности**: Смола показује релативно високу жилавост и модул еластичности типично у опсегу од 2-5 ГПа, што пружа одређену отпорност на пуцање под ударом. Међутим, смањење модула еластичности може ослабити структурну стабилност оптичких уређаја, посебно при високим температурама или продуженој употреби. (Модул еластичности: Е = σ / ε, при чему што је већи модул еластичности, то је боља еластичност материјала, што указује на брз повратак у првобитни облик након напрезања.)

Хемијска својства

1. **Отпорност на хемијску корозију**: Смола показује добру хемијску стабилност и може да се одупре корозији многих киселина, база и органских растварача. Међутим, веома је осетљив на ултраљубичасто (УВ) светло, а продужено излагање УВ зрачењу може довести до пожутења или крхкости.

2. **Апсорпција влаге**: Материјали од смоле обично имају одређени степен хигроскопности, што може довести до пада оптичких перформанси након апсорпције воде, као што су промене индекса преламања и смањена транспарентност. Поред тога, апсорпција влаге може ослабити механичка својства материјала и повећати коефицијент топлотног ширења.

Стаклени материјал таласовода

Оптицал Пропертиес

1. **Индекс преламања**: Индекс преламања оптичког стакла се обично креће од 1,5 до 1,9, у зависности од његовог састава. Уобичајено оптичко стакло, као што је БК7, има индекс преламања од 1,5168, што омогућава стаклу да обезбеди супериорну ефикасност оптичког преноса у дизајну таласовода укупне унутрашње рефлексије и смањује губитак светлости. (н = син и / син р, где је н индекс преламања, син и је синус упадног угла, а син р је синус преломљеног угла.)

2. **Коефицијент дисперзије**: Аббеов број (В-вредност) стакла обично се креће од 50 до 60, што указује на низак коефицијент дисперзије, што значи да је промена индекса преламања на различитим таласним дужинама минимална. Стога, у АР таласоводима, стакло може ефикасно да смањи феномен дисперзије, обезбеђујући јасноћу слике и доследност боја. (σ = δλ * Д * Л, где је δλ средња квадратна спектрална ширина извора светлости, Д(λ) је коефицијент дисперзије, а Л је дужина. Коефицијент дисперзије за једномодна оптичка влакна је генерално око 20 пс/км·нм, што значи да дуже дужине влакана резултирају већом укупном дисперзијом.)

3. **Коефицијент пропустљивости и апсорпције**: Висококвалитетно оптичко стакло има изузетно високу пропусност, достижући преко 95%. Његов коефицијент апсорпције је низак, посебно у спектру видљиве светлости, уз минималну апсорпцију светлосне енергије, чиме се обезбеђује ефикасан пренос оптичких сигнала.

Мецханицал Пропертиес

1. **Тврдоћа и жилавост**: Стакло има високу тврдоћу (обично 500-700 ХВ), пружајући одличну отпорност на гребање и издржљивост. Иако је стакло релативно крхко, савремене технике обраде као што су хемијско јачање и физичко каљење могу значајно повећати његову отпорност на ударце и жилавост.

2. **Модул еластичности и Поасонов однос**: Модул еластичности типичног оптичког стакла креће се од 70 до 85 ГПа, са Поиссоновим односом од око 0,2-0,3. Ова комбинација омогућава стаклу да одржи добро задржавање облика под механичким оптерећењима, посебно у таласоводним системима, обезбеђујући стабилност оптичке путање. (Однос деформације у вертикалном правцу (εл) и напрезања у смеру оптерећења (ε) познат је као Поасонов однос. Означен као в, дефинисан је као в = -ε1/ε. Унутар фазе еластичне деформације, в је константа. Теоретски, за изотропне материјале, само две од три еластичне константе су независне (Е, Г, вЕла) (Е, Г = вЕла) ε Што је већи модул еластичности, то је боља еластичност материјала, што указује на брз повратак у првобитни облик након напрезања.)

Хемијска својства

1. **Хемијска стабилност**: Стаклени материјали показују одличну стабилност у већини хемијских окружења, посебно у киселинама, базама и органским растварачима. Одређени специјализовани типови стакла (као што је кварцно стакло) показују изузетну стабилност чак и у условима високе температуре и корозије.

2. **Отпорност на влагу**: Стакло је практично нехигроскопно, што осигурава да његове оптичке перформансе остају непромењене у влажном окружењу. Водена пара нема значајан утицај на индекс преламања, транспарентност или друге оптичке параметре стакла.

Материјал таласовода од силицијум карбида

Оптицал Пропертиес

1. **Индекс преламања**: Силицијум карбид има веома висок индекс преламања, приближно 2,65, што значајно побољшава његову способност савијања светлосних путања у оптичким дизајном, што га чини погодним за системе који захтевају прецизну контролу снопа. Међутим, висок индекс преламања такође доводи до веће стопе рефлексије за упадну светлост, што може довести до већег оптичког губитка на интерфејсима.

2. **Пролазност**: Иако силицијум карбид има релативно ниску пропусност у опсегу видљиве светлости, показује значајне предности у инфрацрвеном (ИР) и ултраљубичастом (УВ) опсегу. Ово својство чини силицијум карбид перспективним за пренос специфичних таласних дужина у системима таласовода.

3. **Оптички размак**: Силицијум карбид има широк појас (приближно 3,0 еВ), што указује на снажну стабилност при излагању фотонима високе енергије, спречавајући феномен фотодеградације који се види на стаклу и смоли под високофреквентним осветљењем. (αхν = Б(хν - Ег)^м, где је α моларни коефицијент апсорпције, х је Планкова константа, ν је фреквенција упадног фотона, Б је константа пропорционалности, Ег је оптички размак полупроводничког материјала, а м је повезано са материјалом и врстом прелаза.)

Мецханицал Пропертиес

1. **Тврдоћа**: Силицијум карбид је један од најтврђих познатих материјала, са тврдоћом близу 2500 ХВ. Његова изузетно висока тврдоћа осигурава минималну деформацију под механичким ударом и трењем, одржавајући дугорочну оптичку прецизност и стабилност.

2. **Жилавост лома**: Упркос својој тврдоћи, силицијум карбид има релативно ниску жилавост на лом (обично око 3,0 МПа·м^0,5), што га чини подложним кртом лому под јаким ударом или концентрацијом напрезања. (Живост лома се може мерити испитивањем лома, са формулом: Чврстоћа лома = чврстоћа лома / дужина лома.)

3. **Модул еластичности**: Силицијум карбид има изузетно висок модул еластичности (приближно 410 ГПа), што значи да испољава минималну еластичну деформацију под напрезањем, обезбеђујући структурну стабилност и оптичку прецизност при великим оптерећењима. (Модул еластичности: Е = σ / ε. Што је већи модул еластичности, то је боља еластичност материјала, што указује на брз повратак у првобитни облик након напрезања.)

Хемијска својства

1. **Отпорност на високе температуре**: Силицијум карбид задржава своју структуру и оптичке перформансе на екстремно високим температурама, са тачком топљења изнад 2700°Ц. Ово му омогућава да одржи одлична оптичка својства у окружењима са високим температурама, док стакло и смола могу бити подвргнути топлотној деформацији или деградацији у сличним условима.

2. **Отпорност на корозију**: Силицијум карбид показује одличну хемијску отпорност на корозију, способан је да издржи ефекте већине киселина, база и оксидације при високим температурама, додатно повећавајући његову издржљивост у тешким окружењима.

Резиме

Смолни таласоводи су лаки за обраду и имају високу жилавост, али имају слаба оптичка и механичка својства, посебно низак индекс преламања и недовољну тврдоћу. Стаклени таласоводи нуде добре опште оптичке перформансе и издржљивост, што их чини погодним за прецизне оптичке системе, са просечним механичким својствима и јаком хемијском стабилношћу. 

Таласоводи од силицијум карбида се истичу механичким перформансама и термичком стабилношћу, могу се похвалити изузетно високом тврдоћом погодном за оштре средине, али имају лошу оптичку пропусност у опсегу видљиве светлости и тешко их је обрадити.