СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКИХ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Российский патент 1998 года по МПК G02B1/06 

Изобретение относится к оптике, в частности к жидким оптическим элементам.

Известен способ получения сложных жидких оптических поверхностей ( с локальными неровностями h меньше длины световой волны h < 0,2 мкм) на границе раздела жидкости и газа при вращении жидкой ртути. При этом получается параболическая оптически гладкая поверхность, которая используется в качестве зеркала телескопа [1]. Однако такой способ дает возможность получать только параболические отражающие поверхности.

Известен способ получения жидких оптических поверхностей, при котором заливают в кювету три несмешивающиеся или частично смешивающиеся жидкости, смачивающие стенки кюветы, поверхности которых используют в качестве зеркала [2].

Задачей данного изобретения было найти способ создания жидких оптических поверхностей с заметным отличием в рефракции света в разных точках поверхностей.

Предлагается способ получения оптических поверхностей на границе раздела газовых и жидких сред и ограниченных ими рельефных оптических элементов из жидкостей со сложными для математического описания граничными поверхностями при использовании жидких компонентов, существенно отличающихся по плотности и показателям преломления. Сложные оптические поверхности образуются в объеме при сливании нескольких несмешивающихся или частично смешивающихся жидкостей при выявленных условиях с использованием в качестве одного из компонентов фторуглеродных жидкостей с общей формулой C_nF_m [3], обладающих большим удельным весом (d = 0 1,1 - 1,9 г/см³), малым показателем преломления (n = 1,2 - 1,3) и малым поверхностным натяжением (k = 12 - 15 дин/см), что позволяет использовать получающиеся рельефные поверхности в качестве механически не повреждаемых пассивных и активных оптических элементов (линз, прозрачных и окрашенных диафрагм, лазерных элементов и декоративных форм). При создании в кюветах неравномерного давления паров C_nF_m в жидкостях возникают постоянные движения и колебания, что делает возможным получение нестабильных оптических элементов.

Способ основан на использовании малого поверхностного натяжения соединений C_nF_m на границах с несмешивающимися или не полностью смешивающимися жидкостями с разными показателями преломления, которые при размещении в одном объеме и выбранных начальных условиях организации поверхностей принимают гладкие формы со сложными для математического описания разделяющими их граничными поверхностями типа катеноид оптического качества. При механическом нарушении поверхностей их выбранные начальные формы восстанавливаются самостоятельно или с помощью внешнего механического воздействия.

Пример 1. Получение форм
Берутся две химически инертных прозрачных жидкости:
1) вода дистиллированная;
2) перфтороктан C₈F₁₈.

В круглую стеклянную кювету с плоскопараллельным дном и крышкой диаметром 3 - 6 см и высотой 4 - 6 см заливается C₈F₁₈ и вода, которые располагаются по высоте слоями в соответствии с их удельными весами. Слой C₈F₁₈ высотой 5 - 15 мм лежит на дне и образует ровную поверхность, над которой слой воды имеет толщину 3 - 5 мм. Наклоном или вращением кюветы слой воды раздвигается до слоя C₈F₁₈. Такое раздвигание можно также сделать покапельной заливкой воды по смачиваемым ею стенкам кюветы, или покачиванием, или воздействием кратковременной тонкой струей воздуха на поверхность воды. При этом из-за особенности взаимодействия воды и C₈F₁₈ в слое воды образуется - устойчивая несхлопывающаяся воронка шириной 10 - 15 мм, дно которой представляет открытую поверхность C₈F₁₈. В кювете создается равновесное давление паров, например, с помощью герметического закрытия кюветы.

Из-за разных удельных весов вода выступает над поверхностью C₈F₁₈ на несколько миллиметров и образует осесимметричный оптический кольцевой элемент типа прозрачной диафрагмы толщиной 3 - 5 мм со сложной для математического описания формой. Из-за отличий в показателях преломления воды и C₈F₁₈ кювета с этими жидкостями представляет готовый механически неповреждаемый оптический элемент с фокусирующими в центре и отклоняющими у стенок свойствами для проходящих оптических лучей. При наклоне кюветы кольцо превращается в эллипс и другие более сложные оптические элементы, изготовление которых другими способами при современных технологиях затруднено.

Форма получаемых поверхностей определяется капиллярными постоянными жидкостей, силами сцепления жидкостей со стенками, их удельными весами, силами поверхностного натяжения на разделяющих границах, температурой и начальными условиями заливки. При фиксированных указанных параметрах получаются оптические элементы фиксированной воспроизводимой формы. Меняя материал, из которого изготовлена кювета, ее размеры и форму, составы, количества жидкостей, условия заливки и температуру можно получать оптические элементы разных диаметров, толщин и окраски.

Для математического описания получаемой формы поверхности в конкретных условиях требуется решение вариационной задачи о минимуме полной свободной энергии выбранных жидкостей.

Получаемые сложные формы воды (но не их оптические поверхности) сохраняются при замерзании при 0^oC (C₈F₁₈ замерзает при более низкой температуре - 25^oC), поэтому застывшие ледяные образцы можно извлекать из кюветы и использовать для изготовления пластмассовых или металлических отливных форм сложных конфигураций, например, для декоративных целей.

Получение сложных форм из спирта и других растворителей, с красителями, применяемыми в квантовой электронике, позволяет создавать активные лазерные среды на красителях, т.е. создавать механически неповреждаемые (или восстанавливающиеся после разрушениями мощными лазерными импульсами) лазерные элементы с изменяемыми граничными размерами и конфигурациями и использовать их в качестве чувствительных датчиков.

Из-за того, что показатель преломления C₈F₁₈ меньше, чем у несмешивающихся или неполностью смешивающихся с ним жидкостей, получаемые оптические элементы обладают свойством полного внутреннего отражения на всех своих границах и образуют тонкопленочные жидкие волноводы с малыми толщинами (вплоть до мономолекулярных), в которых лазерная генерация возбуждается на шепчущих модах без внешних дорогостоящих зеркал.

Пример 2. Оптический элемент с полным внутренним отражением на границах
Берутся три химически инертных жидкости с разными показателями преломления:
1) вода дистиллированная (n = 1,3);
2) перфтороктан C₈F₁₈ (n = 1,2);
3) дибутилфталат (ДБФ) C₁₆H₂₂O₄ с лазерным красителем (n = 1,5).

В стеклянную кювету диаметром 3 - 6 мм и высотой 4 - 6 см заливается C₈F₁₈ и вода, которые располагаются по высоте слоями в соответствии с их удельными весами. Слой C₈F₁₈ высотой 5 - 15 мм лежит на дне и образует ровную поверхность, над которой слой воды имеет толщину 3 - 5 мм. Заливкой воды по смачиваемым ею стенкам кюветы или наклоном кюветы слой воды раздвигается до слоя C₈F₁₈. Такое раздвигание можно также сделать покачиванием или вращением кюветы или воздействием кратковременной тонкой струей воздуха на поверхность воды. При этом из-за особенности взаимодействия воды и C₈F₁₈ в слое воды образуется устойчивая несхлопывающаяся воронка шириной 10 - 15 мм, дно которой представляет открытую поверхность C₈F₁₈. На край воронки каплями наносится жидкость ДБФ 10 - 20 мм³ с красителем, которая ложится сплошным кольцом толщиной 0,1 - 1 мм по стенке водяной воронки, оставляя центральную часть поверхности C₈F₁₈ диаметром 8 - 10 мм свободной. Кювета герметически закрывается для устранения испарения жидкостей.

Образовавшееся кольцо ДБФ представляет лазерный тонкопленочный волноводный замкнутый элемент с полным внутренним отражением для шепчущих мод на всех его границах. Волноводные свойства элемента ДБФ с красителем меняются в нестационарных условиях, когда кольцо находится в регулярном или хаотическом движении или облучается ультразвуковым генератором. Зависимость углов предельного отражения от состава отражающих стенок позволяют использовать такие покоящиеся или находящиеся в движении жидкостные волноводные лазерные элементы толщиной вплоть до мономолекулярных пленок в качестве датчиков для контроля окружающих механических возмущений или состава воздуха над ними.

При увеличении объема ДБФ во втором примере до 2 - 3 см³ образуется окрашенный оптический элемент с более сложной для математического описания геометрической формой, изготовление которой другими способами затруднено, а его окраска, размеры и формы определяется размерами и формой используемой для залива жидкостей кюветы, видом и количествами жидкостей и их цветом, температурой, начальными условиями механического воздействия, силами капиллярного сцепления со стенками кюветы, силой тяжести и поверхностного натяжения на границах раздела жидкостей.

При создании в кювете неравновесного давления паров жидкостей (при открытой кювете, обдуве поверхностей или откачке паров) из-за присутствия в кювете неравновесного давления паров молекул C_nF_m на сложных оптических поверхностях жидкостей в результате разной абсорбции появляется разница в коэффициентах их поверхностного натяжения и возникает постоянное движение (вращение слоев или поверхностные волны), которые продолжаются до испарения из кюветы C_nF_m или контактирующих с ней жидкостей.

Пример 3. Станционарные движения и колебания на сложной оптической поверхности трех несмешивающихся химически инертных жидкостей, использованных в примере 2.

Берутся три химически инертных жидкости:
1) вода дистиллированная;
2) перфтороктан C₈F₁₈;
3) дибутилфталат (ДБФ) C₁₆H₂₂O₄ с лазерным красителем.

В открытую стеклянную кювету диаметром 3 - 6 см и высотой 4 - 6 см заливается C₈F₁₈ и вода, которые располагаются по высоте слоями в соответствии с их удельными весами. Слой высотой 5 - 15 мм лежит на дне и образует ровную поверхность, над которой слой воды имеет толщину 3 - 5 мм. Заливкой воды по смачиваемым ею стенкам кюветы или наклоном кюветы слой воды раздвигается до слоя C₈F₁₈. Такое раздвигание можно также сделать покачиванием кюветы или воздействием кратковременной тонкой струей воздуха на поверхность воды. При этом из-за особенности взаимодействия воды и C₈F₁₈ в слое воды толщиной 3 - 5 мм образуется устойчивая несхлопывающаяся воронка шириной 10 - 15 мм, дно которой представляет открытую поверхность C₈F₁₈. На край воронки каплями наносится жидкость ДБФ 10 - 20 мм³ (окрашенная для наблюдений каким-нибудь стойким красителем), которая ложится сплошным кольцом толщиной 0,5 - 1 мм по стенке водяной воронки, оставляя центральную часть поверхность C₈F₁₈ диаметром 8 - 10 мм свободной.

Режим колебательного движения на поверхности этих несмешивающихся жидкостей возникает пороговым образом спонтанно, когда в открытой кювете из-за выхода из нее молекул понижается давление паров C₈F₁₈ и начинается испарение новых молекул C₈F₁₈ или его появление можно ускорить быстрым однократным удалением паров из кюветы (откачка, дуновение). При успокоении, когда маленькие капли ДБФ, оставшиеся на поверхности воды, сольются с центральным кольцом из-за разных скоростей теплоподвода и испарения между слоем воды и C₈F₁₈ устанавливается небольшой перепад температур в 0,3 - 1,0^oC. Кольцо из окрашенного ДБФ приходит в движение и начинает периодически 1 - 5 раз в секунду (в зависимости от вязкости жидкости) выбрасывать волны ДБФ в отдельных секторах кольца с амплитудой 0,1 - 15 мм на поверхность воды, которые затем скатываются назад в кольцо. Начавшись, колебательный процесс пленочного движения непрерывно продолжается сутками до испарения одной из жидкостей. Образующийся на поверхности лазерный волновод может использоваться как активный лазерный элемент или датчик с постоянно изменяющимися без внешних механических воздействий случайными границами. При плотном закрытии кюветы процесс прекращается через 5 - 10 мин после установления равновесного давления паров по всей в кювете.

Пороговое условие появления колебаний определяется тем, что из кюветы уходит больше молекул C₈F₁₈, чем при имеющемся теплоподводе может испариться со свободной поверхности и появляется возможность испарения этих молекул с поверхности других жидкостей. Соединение C₈F₁₈ по своей структуре является жидким аналогом тефлона, обладает малым собственным коэффициентом поверхностного натяжения (около 13 дин/см при 20^oC) [3] и при контакте уменьшает коэффициенты поверхностного натяжения других жидкостей.

Известно, что неравномерность поверхностного натяжения в вязких жидкостях приводит к их горизонтальным перемещениям. Цикл перемещения локально замыкается и повторяется многократно с разной периодичностью в разных секторах. Движение и генерации двухмерных волн на неоднородностях поверхностного натяжения устойчиво наблюдается в широком диапазоне температур 4 - 50^oC, масштабов кювет и их форм. При открытой кювете общий расход массы на испарение при комнатной температуре составляет менее 0,1 грамма в час. В герметизированной кювете с охладителем при замкнутом цикле конденсации и возвращения жидкостей процесс колебательного движения идет постоянно при разности температур жидкостей и охладителя более 2^oC.

Соединение C₈F₁₈ в приведенных примерах может быть замещено на равный объем, например, перфтордекалина C₁₀F₁₈. Вода в первом примере может быть заменена любой другой жидкостью, не смешивающейся или не полностью смешивающейся с C₈F₁₈ (или C₁₀F₁₈): спирт, скипидар, дибутилфталат, мало, эфир, циклогексан и т.д. или их смесью с разными показателями преломления. ДБФ во втором и третьем примере может быть заменен жидкостями, не смешивающейся с водой и C₈F₁₈ скипидар, диметилфталат, масло, эфир, циклогексан и т.д. или их смесью.

Источники информации
1. Photonics Spectra, November, 1995, p. 37.

2. Заявка GB 1315920, кл. G 02 B 1/06, 1973.

3. Справочник. Промышленные фторорганические продукты. - Л.: Химия, 1990.

Оптические поверхности образуются в объеме при сливании нескольких несмешивающихся или частично смешивающихся жидкостей с использованием в качестве одного из компонентов фторуглеродных жидкостей с обшей формулой C_nF_m, что позволяет использовать получающиеся рельефные поверхности в качестве механически не повреждаемых пассивных и активных оптических элементов (линз, прозрачных и окрашенных диафрагм, лазерных элементов и декоративных форм). При создании в кюветах неравновесного давления паров C_nF_m в жидкостях возникают постоянные движения и колебания, что делает возможным получение нестабильных оптических элементов. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ получения жидких оптических поверхностей, в котором заливают в кювету несмешивающиеся или частично смешивающиеся жидкости, смачивающие стенки кюветы, отличающийся тем, что одной из используемых жидкостей является фторуглеродная жидкость с общей формулой C_nF_m, а после заливки начальным механическим воздействием на эти жидкости раздвигают слои верхних жидкостей до слоя C_nF_m до формирования на границах раздела жидкостей и жидкостей и газа воспроизводимых оптических поверхностей. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что создают неравновесное давление паров C_nF_m до появления постоянных потоков в жидкостях или постоянного колебания поверхностей жидкостей на границе их раздела.