AsSe硫系玻璃微透镜阵列模拟仿真及其制备

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随着人们对高分辨、低成本热成像技术的不断追求,硫系玻璃微透镜阵列成为迫切需要研究的一种新型光学元件,其应用可大力推动热成像技术的跨越式发展。As40Se60玻璃微透镜具有原材料价格低廉、抗腐蚀、低熔点、较高的折射率等优势,可应用于多种领域。随着红外技术应用范围不断扩大,硫系玻璃微透镜将被用于更多的领域,为现代社会的发展提供更多的可能性。目前生产硫系玻璃微透镜阵列存在效率低、成本高及技术难等问题。本文以As40Se60微透镜阵列模压成形为研究目标,研究了As40Se60玻璃的特征温度、高温下结晶行为以及在软化点附近的粘弹性响应特性。拟合获得Prony级数的参数,模拟了微透镜阵列在不同的结构参数及热压工艺条件下的应力分布和变化。研究了硫系玻璃制备过程的温度场变化和表面温度曲线,模拟了冷却过程中As40Se60玻璃的径向单元体积变化情况,以此研究冷却过程的样品内部折射率分布和变化。主要结论如下:(1)研究发现,模压温度从190℃升到210℃,其内部应力分布方差也从0.117下降到0.061,说明升高温度可提高玻璃的流动性及均匀性;增大界面摩擦系数,等效米塞斯应力先减小后增大,当摩擦系数为0.4~0.6时,其等效应力较小且均匀性良好,说明摩擦系数调整在恰当的范围,可以最大程度降低应力不均匀性;经1~4次反复模压,其内部应力分布方差从0.117下降到0.080,说明多次模压可提高应力均匀性。对于阵列结构参数,随子透镜数量增加,其内部应力也随之升高;随相邻子透镜的间距增加,其边缘区域的内应力会下降,当子透镜间距超过一定范围时,下降趋势趋于平缓。仿真还发现,超声波振动可提高样品的流动性,有助于提高模压中样品的填充率。(2)经过仿真模拟,对比不同冷却方式的温度曲线和温度场分布,发现样品表面冷却速率的顺序,水冷>空冷>石棉包裹冷却,其中石棉包裹方式的温度场分布最均匀,同实验结果一致。对折射率均匀的样品仿真研究发现,如果样品被先加热,再冷却,其过程中样品体积和内部密度会发生改变,内部折射率分布变得不均、样品中心区域及边缘区域的折射率分别下降0.8%和1.5%,这说明玻璃坯料在经过模压成形后折射率分布会发生微小的变化,且中心区变化小于边缘区。(3)对As40Se60样品做高温退火40 h发现,随温度从210°C升到240°C,样品表面结晶相形貌从椭圆状变为毛刺状,再变为胡须状。红外透过率逐渐下降,但是对热处理样品抛光后,其透过率又恢复到原来水平。说明As40Se60玻璃结晶是从表面开始,且结晶主要发生在表面,而对加入形核剂的硫系玻璃以及成分复杂的硫系玻璃,其结晶是内外同时进行的。计算As40Se60玻璃直接带隙及间接带隙,发现随着热处理温度的升高,其光学带隙增大。
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