KR20000048738A - 강화된 광학 유리 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고-플루언스 레이저용 적층된, 광학 필터 렌즈(10) 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 필터 렌즈(10)는 필수적으로 순수한 단일 용융 산화 조성물을 갖는 코어(12), 및 상기 코어(12)와는 다른 용융 산화 조성물을 갖으며 상기 코어(12)보다 낮은 열팽창계수를 갖는 클래딩(14 및 16)을 포함한다.

Description

강화된 광학 유리 필터{Strengthened optical glass filter}

원래 상태의 유리는 높은 기계적 강도를 갖는 것으로 알려져 있다. 그러나, 약간의 표면 손상만으로도 이러한 유리의 고유 강도를 현저히 감소시킬 수 있다. 더욱이, 일반적으로 눈에 보이지 않는 표면 균열(surface crack)들은 인장 응력(tensile stress), 및 특히 습기와 같은 대기 영향(atmospheric effect)으로 인해 더 커질 수 있다.

그 때문에, 유리를 강화시키는 많은 물리적 및 화학적 방법들이 제시되어 왔다. 여기에는 공기 템퍼링 방법(air tempering), 표면이온-교환 방법(surface ion-exchange) 및 유리 표면상에 결정층(crystalline layer)을 형성하는 방법이 포함된다. 또한, 더 낮은 팽창 유리로 고 팽창 유리를 싸서 높은 표면 압축 응력 (surface compressive stress)을 유발하여 결과적으로 높은 강도를 갖도록 하는 방법도 제시되었다. 그러나, 용융 실리카(fused silica) 또는 96%의 실리카 유리와 같은 고함량 실리카 유리들을 강화시키려는 시도들은 기본적으로 수반되는 온도 때문에 문제에 봉착되어 왔다.

유리 강도에 관한 문제는 유리 제품의 한쪽 면에 감소된 강도를 수반하는 응용 분야에서 더욱 심화되었다. 상기 상황은 예를 들면 원자연구 프로그램에 이용되는 것 같은, 고-플루언스 레이저(high-fluence laser)의 공간 필터 렌즈(spatial filter lens)에서 볼 수 있다.

“공간 필터 렌즈”라는 용어는 빈 공간으로 레이저 빔(laser beam)이 통과하는 렌즈를 말한다. “플루언스(fluence)”라는 용어는 줄(joules)/cm²로 표현되는 에너지를 의미한다. 진공으로 인하여 필터 렌즈를 가로질러 압력차가 존재한다. 이것은 상기 렌즈의 진공쪽에 인장 응력을 유발시킨다. 이러한 응력은 특별한 예방책을 이용해 한계치(threshold level) 이하로 유지될 수 있다. 그러나, 레이저 이용 그 자체가 유리 렌즈에 손상을 유발시킨다.

인장 응력, 레이저에 의한 손상 및 불완전한 진공상태는 미세한 표면 결함 조차도 서서히 성장시킬 수 있다. 이후 이것은 만약 응력 세기가 유리의 임계값에 접근한다면 상기 필터의 내부 파손(implosive failure)을 일으킬 것이다.

이러한 문제는 렌즈의 두께를 증가시키거나, 이중 렌즈로 디자인함으로써 대응하여 왔다. 렌즈의 두꺼워짐은 광학성능을 저하하였다. 상기 이중 렌즈의 디자인은 디자인 유연성(flexibility)을 제한한다. 그리하여, 강화된 광학 필터 렌즈를 제조하기 위한 좀 더 만족할만한 방법이 요구된다.

상기 렌즈의 제조에 적합한 광학 유리의 수는 한정된다. 이들 중 용융 실리카(fused silica)는 0.35-1.05μm의 광범위한 파장에 걸처 매우 우수한 투과 특성을 갖기 때문에 바람직한 물질이다. 이 우수한 투과 특성은 용융 실리카 내에 손상된 함유물들의 기본적인 부재에서 많은 측정에 기인한다. 이것은 불꽃 가수분해(flame hydrolysis)에 의해 제조되는 상기 물질의 결과이다.

용융 실리카는 그 특성에 의해, 공기 템퍼링 방법(air tempering), 이온교환에 의한 표면 개질 방법(surface modification), 또는 표면 결정화 등의 방법으로 강화되는 상기 잘 알려진 유리들에 적합하지 않다. 따라서, 용융 실리카에 적합한 특별한 유리 강화 공정이 필요하게 되었다.

본 발명의 기본 목적은 이러한 요구를 충족하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 증가된 기계강도 및/또는 얇아진 두께를 갖는 광학 필터 렌즈를 제공하는데 있다. 또 다른 목적은 용융 실리카의 투과 특성을 갖는 상기 렌즈를 제공하는데 있다. 본 발명의 특별한 목적은 작업 중 존재하는 압력차에 잘 견딜 수 있고 상대적으로 얇은, 고-플루언스 레이저용 공간 필터 렌즈를 제공하는데 있다. 또한, 본 발명의 목적은 상기 향상된 필터 렌즈의 제조방법을 제공하는데 있다.

발명의 요약

본 발명의 제품은 코어(core) 및 클래딩(cladding)을 포함하는 적층된 광학 유리 필터 렌즈로서, 상기 코어는 필수적으로 순수한 용융된 산화 조성물을 가지며, 상기 클래딩은 다른 용융된 산화 조성물을 갖고, 상기 코어 유리의 열팽창계수보다 낮은 열팽창계수(CTE)를 갖는다.

본 발명의 제조방법은 광학 렌즈 코어를 형성하기 위해 용융된 금속 산화물(fused metal oxide)의 입자를 적층시킨 후, 상기 코어 상에 클래딩을 생성하기 위해 다른 용융 금속 산화 조성물 입자를 적층시키며, 상기 클래딩은 상기 코어보다 더 낮은 CTE를 가지며, 여기서 상기 클래드 렌즈(clad lens)는 압축적으로 변형된 표면을 갖는다.

종래기술

관련 문헌은 별도로 제공되었다.

본 발명은 레이저와 같은 제품에 사용하는 적층된(laminated), 광학 유리 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 한 제품의 투시도 및 측면도를 각각 나타내는 개략도이다.

상술한 바와 같이, 용융 실리카는 광학 필터 렌즈, 특히 고-플루언스 레이저용 렌즈들의 제조에 적합한 물질이다. 따라서, 본 발명은 이러한 물질의 제품을 위해 개발되었고 이에 관해 설명하였다. 그러나, 수반되는 기본 원리들은 2성분 금속 산화 조성물(binary metal oxide composition)을 포함하는 필요한 조건들을 달성하는 모든 용융 금속 산화 조성물에 동일하게 적용될 것이다.

용융 실리카는 통상적으로 실리콘 테트라 클로라이드(silicon tetra-chloride)를 불꽃 가수분해에 의해 제조되어 왔고, 상기 공정은 당업자에게 공지이다. 최근에, 실리카의 대용 전구체(substitute precuesor)로서, 실란 유도체(silane derivatives), 특히 옥타메틸싸이클로테트라실록산(octamethyl-cyclotetrasiloxane)을 이용하는 것이 제시되었다. 어느 한 전구체를 가지면, 증기가 생성되고, 가수분해되고 통상적으로“수트(soot)”로 불리는 SiO₂로 전환된다. 상기 수트 입자들을 수집하여 원하는 형태로 압축하여 연소하여 고형체(solid body)를 제조한다. 또 다른 방법으로는 상기 수트 입자들을 맨드릴(mandrel)상에 적층시켜 바디(body)를 형성한 후에, 고화시킨다. 이 후 광섬유 제조단계가 이어진다. 본 발명의 목적을 위해, 융해된 상태로 상기 입자들을 적층시키는 것이 바람직하다.

본 발명은 첨부된 도면을 참고로 하여 더욱 설명되었으며, 도 1은 본 발명을 도시하는 대칭적으로 적층된 광학 유리 제품(10)의 투시도이다. 적층된 제품(10)은 평평한 코어 부분(12)을 가지며, 이것은 한쪽 표면상에 제 1 클래딩층(14)과 반대쪽 표면상에 제 2 클래딩층(16)을 갖는다.

예를 들어, 제품(10)은 공간 필터 렌즈일 수 있다. 이것은 원통형(cylindrical shape)을 갖는 것이 도시되었다. 하지만, 필요에 따라 정사각형, 직사각형, 원형, 또는 디스크형일 수도 있다.

코어(12)는 순수한 용융 산화 유리이며, 이 경우에는 약 5×10^-7/℃의 CTE를 갖는 용융 실리카이다. 클래딩층(14 및 16)은 상기 2성분 유리(binary glass)이며, 여기서는 SiO₂-TiO₂유리이다. 이러한 이성분 유리의 특성들은 약 10중량%까지차지할 수 있는 TiO₂함량에 좌우된다.

도 2는 도 1의 적층 제품의 개략적인 측면도이다. 상기 제품은 모놀리식 SiO₂제품을 제조하는데 통상적으로 사용되는 상기 불꽃 가수분해 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 상기 적층 바디(body)를 제조하는데 있어서의 제 1의 고려사항은 상기 층들의 두께의 양호한 조절 및 SiO₂:TiO₂의 무게 분율 또는 비율의 조절이다.

실리카의 융해된 입자들을 생성하기 위한 공지의 장치 및 공정은 본 발명의 적층 제품을 제조하는데 이용될 수 있다. 단지 불꽃에 이중 증기 스트림(dual vapor stream)을 제공하는 것만이 필요하다. 한쪽 스트림은 TiCl₄와 같은 TiO₂전구체를 함유하고, 다른 한쪽 스트림은 SiCl₄와 같은 SiO₂전구체를 함유할 것이다. 각 스트림들의 함량은 초기의 클래딩층을 형성하기 위해 적층되는 2성분 유리 입자들에서 가장 바람직한 TiO₂/SiO₂무게비를 제공하도록 조절될 것이다.

일단 지정된 두께의 TiO₂-도핑된 SiO₂층(16)이 적층되면, 상기 TiCl₄의 공급이 중단된다. 이것은 적층 바디를 제조하기 위해 순수 SiO₂층(12)을 적층시키기 위함이다. 그 후, TiCl₄의 공급은 위쪽 클래딩층(14)을 적층시키기 위해 다시 공급된다.

상기 클래딩은 상기 코어보다 더 낮은 CTE를 갖어야 하고, 바람직하게는 10×10^-7/℃까지 갖는다. 예를 들어, 실리카 코어가 약 5×10^-7/℃의 CTE를 갖는 반면에 SiO₂-TiO₂클래딩은 0에 가까운 CTE를 가질 것이다. 필요하다면, 클래딩에서의 TiO₂의 함량은 기울기 프로파일(gradient profile)을 갖는다.

실내온도로 냉각된 최종 적층 바디는 팽창의 차이로 클래딩층에서 발생하는 상당한 압축 응력(compressive stress)을 갖는다. 이러한 압축 응력은 인장 응력(tensile stress)이 벤딩(bending)에 의해 유입되기 전에 극복될 것이다. 게다가, 클래딩 유리의 열팽창은 원하는 정도의 표면 압축을 유도하기 위해 그것의 조성을 조절하여 맞추어질 수 있다. 상기 렌즈의 용융 실리카 바디(fused-silica body)내의 내부장력(internal tension)은 표면 압축을 조절하는데 필요하다. 이것은 또한 팽창 부정합(expansion mismatch)을 제한하여 조절될 수 있다. 이것은 축적된 탄성 에너지(elastic energy)를 최소화하고, 분쇄 패턴(fragmentation pattern)은 상기 렌즈의 파손에 관계한다. 최종적으로, 상기 클래딩 유리는 모놀리식 용융 실리카 렌즈를 제조하기 위해 사용된 것과 같은 동일한 불꽃 가수분해 공정을 이용하여 일체화될 수 있다.

장기간의 경험과 실험으로, 무시될 수 있을 정도의 6.9MPa(1,000 psi)이하의 응력 수준에서 균열의 성장이 충분히 작음을 알 수 있었다. 따라서, 그 값은 어닐링된 벌크 유리(annealed bulk glass)에 있어서 수용가능한 디자인 응력으로 정해졌다. 이것은 오차값으로서 통상적으로 공지이다.

고-플루언스 레이저의 경우에서, 만약 상기 인장 응력이 상기 오차값을 초과한다면 상기 용융 실리카 렌즈는 진공 쪽에서 표면 손상이 일어날 수 있다. 렌즈 파손은 결과적으로 특히 부수적인 장비에 많은 비용이 발생할 것이다. 따라서, 상기 파손 가능성을 대부분의 유리 제품보다 낮게 유지할 필요를 발견하였다. 이것은 수용가능한 디자인 응력을 약 5.5MPa(800 psi)로 줄여서 얻어졌다. 게다가, 5.5MPa(800 psi)의 피크 휨 응력(peak flexure stress)에서 축적된 탄성 에너지는 충분히 낮아 렌즈 파손에는 못 미치는 정도의 손상을 갖는다.

내부장력 σc는 용융-실리카 코어(12)내에서 나타나며, 압축 응력 σs은 SiO₂-TiO₂클래딩층(14 및 16)내에서 나타난다. 그 값들은 코어 유리에 대한 첨자 c와 클래딩 유리에 대한 첨자 s로 표시된 특성들을 이용하여 계산될 수 있다. 수반된 상기 특성들은 열팽창계수(α), 영의 모듈러스(Young’modulus)(E), 포이슨의 비(Poisson＇s ratio)(v), 유리 설정 온도(T) 및 박막두께(t)이다. 낮은 TiO₂함량을 갖는 용융 실리카 및 SiO₂-TiO₂유리의 영의 모듈러스와 포이슨의 비는 서로 비슷하다. 따라서, 상기 코어 및 클래딩내에서, 인장 및 압축 응력, σc및 σs는

와 같이 표현된다.

클래딩층의 두께(t_s)는 실리카 코어의 두께(t_c)보다 훨씬 낮다. 통상적인 t_c:t_s비는 약 20:1이다. 이러한 클래딩층의 두께는 압축층 내에서 표면손상을 함유하기에 충분함을 발견하였다.

코어 물질인 용융 실리카는 하기와 같은 특성을 갖는 것으로 알려졌다.

설정온도(T_c) = 990℃

영의 모듈러스(E) = 10.6×10⁶

포이슨의 비(v) = 0.16

T_c에서의 CTE = 3.5×10^-7/℃

그것의 설정 포인트에서의 SiO₂-TiO₂클래딩 유리에 대한 대응특성들은 일차 근사값으로서, 티타니아(titania)의 질량 분율(weight fraction)(τ)로 선형적으로 변한다. 이러한 특성들은 하기와 같이 나타낼 수 있다.

CTE_s= CTE_c-62.5(τ)

T_s= T_c-1500τ

E_s= E_c(1-τ)

v_s= v_c

τ(중량분율)	σs(psi)	MPa	σc(psi)	MPa	Σc(lb/in2)		Σs(lb/in2)
0.010	-700	-4.8	70	0.48	0.0004tc	0.00035tc	0.039ts	0.034ts
0.015	-1140	-7.8	114	0.78	0.0010tc	0.00086tc	0.10ts	0.086ts
0.030	-2140	-14.8	214	1.48	0.0035tc	0.00302tc	0.37ts	0.319ts
0.045	-2970	-20.5	297	2.05	0.007tc	0.00604tc	0.72ts	0.621ts
0.060	-3840	-26.6	384	2.66	0.0117tc	0.0101tc	1.23ts	1.06ts
0.075	-4520	-31.1	452	3.11	0.0162tc	0.0140tc	1.73ts	1.49ts
0.090	-5320	-36.7	532	3.67	0.0224tc	0.0193tc	2.44ts	2.11ts

상기 표 Ⅰ은 티타니아 함량에 대한 함수로서, 코어와 클래딩층에서 잔류 응력 (residual stresses) σ_c및 σ_s및 축적 탄성 에너지 Σ_c와 Σ_s를 요약한 것이다. 클래딩층에서 1중량%의 TiO₂와 같이 적은 양으로 도핑하여 얻을 수 있는 4.8MPa(700 psi)의 압축 응력은 5.5MPa(800 psi)에서 10.3MPa(1500 psi)까지 수용가능한 디자인 응력(σ_d)을 증가시킬 것이다. 이것은 어닐링된 용융-실리카 렌즈의 디자인 응력에 거의 두배이다.

게다가, 적층된 렌즈의 분쇄에 영향을 주는 용융-실리카 코어에서의 축적 탄성 에너지 Σ_c는 진공이 걸린 상태에서 렌즈의 휨에 기인하는 그것과 비교하여 무시할 만큼 작다. 이것은 낮은 내부장력에 기인한다. 또한 이러한 낮은 내부 장력은 적층 렌즈가 요구된 힘으로 연삭하고 연마할 때 파쇄의 위험을 피하기에 바람직하다.

또한, 상기 표 Ⅰ은 3.5MPa(500 psi)이하로 내부 장력을 유지하면서 수용가능한 디자인 응력이 6배 또는 7배로 증가될 수 있음을 보여준다. 만일 축적된 탄성 에너지 관점에서 허용될 수 있다면, 디자인 응력이 7배 증가한다는 것은 렌즈의 두께 t를 60% 이상까지 줄일 수 있게 도와줄 것이며, 이 때문에 렌즈의 광학 성능은 향상될 것이다.

디자인 응력의 증가는 적층의 구조 및 특성에 의존하는 크기는 간단히 표면 압축 σ_s이다. 그러나, 후자는 TiO₂함량에 좌우된다. 따라서,

t_c/t_s를 20으로 가정하고 E₀와 V₀를 치환하여, 적층 제품에서 0-3중량%의 TiO₂함량에 대한 σ_s, σ_d, t/R, 및 ∑/R 값들을 하기 표 2에 요약하였다. σ_d는 안전 디자인 응력(safe design stress)이고, ∑/R은 벤딩과 적층에 기인하는 순축적 에너지(net stored energy)를 표시한다. R은 원형 렌즈의 반경을 표시한다. 그것은 또한 정사각형 렌즈에서 한 변의 1/2값이며, 직사각형 렌즈에서는 짧은 변의 1/2값을 의미한다.

τ	σsMPa	σdMPa	t/R	Σ/R
0	0	5.5	0.1475	596×10-6
0.005	-2.4	7.8	0.1236	973×10-6
0.010	-4.7	10.2	0.1085	1355×10-6
0.015	-7.0	12.5	0.0981	1740×10-6
0.020	-9.4	14.7	0.0902	2140×10-6
0.025	-11.4	16.9	0.08415	2546×10-6
0.030	-13.7	19.1	0.07916	2967×10-6

상기 표 2는 진공이 걸리는 측의 순 인장 응력(net tensile stress)을 6.9MPa(800 psi)로 제한하는 동안, 적층 렌즈의 두께 t는 모놀리식 실리카 렌즈의 두께와 비교하여 현저히 감소될 수 있음을 알려준다. 예를 들면, 1.5%정도로 낮은 TiO₂는 12.5MPa(1810 psi)로 응력을 준 모놀리식 렌즈에서의 축적 에너지 보다 더 낮은 43% 축적 에너지로 33.5%까지 렌즈 두께를 감소시킬 수 있다. 그러나, 얇고, 적층된 렌즈에서의 순 축적 에너지는 더 많은 벤딩의 영향으로 인해 더 높아질 것이다.

Claims (16)

1. 필수적으로 순수한 단일 용융 산화 조성물을 갖는 코어, 및 상기 코어와는 다른 용융 산화 조성물을 갖으며 상기 코어보다 낮은 열팽창계수를 갖는 클래딩을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층된 광학 유리 필터 렌즈.
2. 제 1항에 있어서, 상기 코어가 용융 실리카임을 특징으로 하는 적층된 렌즈.
3. 제 1항에 있어서, 상기 클래딩이 실리카 및 10%까지의 제 2 산화물로 필수적으로 이루어진 2성분 산화물 유리임을 특징으로 하는 적층된 렌즈.
4. 제 3항에 있어서, 상기 제 2 산화물이 티타니아임을 특징으로 하는 적층된 렌즈.
5. 제 1항에 있어서, 상기 코어의 두께가 상기 클래딩의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 적층된 렌즈.
6. 제 5항에 있어서, 상기 코어의 두께 및 클래딩의 두께의 비가 20:1임을 특징으로 하는 적층된 렌즈.
7. 제 1항에 있어서, 상기 코어와 클래딩 사이의 디자인 응력이 5.5MPa(800 psi)를 초과하지 않음을 특징으로 하는 적층된 렌즈.
8. 제 1항에 있어서, 상기 렌즈가 고-플루언스 레이저용 공간 필터 렌즈임을 특징으로 하는 적층된 렌즈.
9. 필수적으로 순수한 단일 용융 산화 조성물을 갖는 코어, 및 상기 코어와는 다른 용융 산화 조성물을 갖으며 상기 코어보다 낮은 10×10^-7/℃까지의 열팽창계수를 갖는 클래딩을 포함하는 적층된 공간 필터 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 고-플루언스 레이저.
10. 제 9항에 있어서, 상기 적층된 렌즈가 용융 실리카의 코어, 및 TiO₂성분이 10%를 초과하지 않는 SiO₂-TiO₂유리의 클래딩을 갖는 것을 특징으로 하는 고-플루언스 레이저.
11. 제 9항에 있어서, 상기 적층된 렌즈가 렌즈의 적층구조로 인해 5.5MPa(800 psi)를 초과하지 않도록 벤딩 응력을 유발하는 압력차에 놓이는 것을 특징으로 하는 고-플루언스 레이저.
12. 제 9항에 있어서, 상기 코어의 두께가 상기 클래딩의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 고-플루언스 레이저.
13. 제 12항에 있어서, 상기 코어의 두께와 클래딩 두께의 비율이 20:1인 것을 특징으로 하는 고-플루언스 레이저.
14. 2성분 산화물 유리의 얇은 층을 갖는 필수적으로 순수한 용융 금속 산화물의 코어 유리를 클래딩시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 필터 렌즈의 두께를 최소화하는 방법.
15. 제 14항에 있어서, 상기 코어 유리가 용융 실리카이고, 2성분 클래딩 유리는 10%까지 TiO₂를 함유하는 SiO₂-TiO₂유리임을 특징으로 하는 방법.
16. 제 13항에 있어서, 상기 방법이 SiO₂-TiO₂조성물의 융해된 입자를 생성하는 단계; 상기 입자들을 적층시켜 클래딩층을 형성하는 단계; 용융 실리카의 융해된 입자를 생성하는 단계; 상기 클래딩층상에 용융 실리카의 융해된 입자들을 적층시켜 코어층을 형성하는 단계; 융해된 SiO₂-TiO₂유리 입자를 형성하고 적층시키는 단계를 반복하여 상기 코어층의 표면상에 제 2 클래딩층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.