Способ изготовления полимерных элементов - RU2097194C1

Описание

Изобретение относится к технологии изготовления полимерных элементов, элементов оптических систем и предназначено для производства асферически полимерных микролинз, которые могут найти применение в оптических системах, требующих фокусировки, сканирования, аберрационной, спектральной и поляризационной коррекции оптического волнового фронта, например, в растровой оптике при изготовлении микролинзовых растров, бисерных экранов и т.д. в системах интегральной и волоконной оптики для повышения эффективности сочленения отдельных волокон и жгутов между собой, волокна с пленкой, волновода с подложкой, волокон с источниками и приемниками излучения, систем мульти- и демультиплексирования каналов волоконно-оптический линий связи, в области оптической обработки информации, микроскопии, изготовлении градиентных фокусирующих и излучающих элементов; создании разного рода датчиков физических величин; медицинской технике; парфюмерной промышленности; промышленности фотоматериалов; полиграфической технике; получении новых композиционных материалов; моделирования технологических процессов, особенно в условиях космоса (металлургия, флотация и т.д.), моделировании зрительного органа насекомых, рыб, млекопитающих; измерительной технике, при получении сложных асферических поверхностей, изготовление которых невозможно традиционными методами, с привлечением методов математического моделирования процесса получения и контроля формы изделия на ЭВМ; моделирования получения совершенных кристаллических структур на основе пузырьковой модели Брегга, получении николевых матриц для литья под давлением и т.д.

Известен способ изготовления полимерных микролинз, согласно которому через трубку поочередно выдуваются мономеры или их смесь в виде капли, которая в результате действия сил поверхностного натяжения и тяжести приобретает линзовую асферическую форму, и отверждают каплю в подвешенном состоянии [1]
Недостатком данного способа является весьма малая производительность (технологический процесс позволяет осуществлять операции только над одной заготовкой), а необходимость дополнительной шлифовки и полировки шейки микролинзы приводит к искажению формы и профиля и, как следствие, к снижению ее оптических характеристик и увеличению трудоемкости технологического процесса.

Ближайшим к описываемому способу по технической сути и достигаемому результату является известный способ изготовления полимерных элементов, при котором в емкость помещают органическую светочувствительную композицию, буферный раствор с плотностью, меньшей чем у композиции, и подложку, осуществляют формирование полимерного элемента на подложке и полимеризацию под воздействием активизирующего излучения [2]
Недостатком известного способа является невозможность изготовления асферических элементов заданной формы и размеров.

Техническим результатом изобретения является обеспечением возможности изготовления асферических полимерных оптических элементов высокого качества и заданной формы и размеров.

Для достижения указанного технического результата в способе изготовления полимерных элементов, при котором в емкость помещают органическую светочувствительную композицию, буферный раствор с плотностью, меньшей чем у композиции, и подложку, осуществляют формирование полимерного элемента на подложке и полимеризацию под воздействием активизирующего излучения, согласно изобретению сначала емкость с находящейся в ней подложкой заполняют буферным раствором, а затем в него на подложку вводят органическую светочувствительную композицию заданного объема, после формирования которой в форме готового элемента, последний подвергают полимеризации.

Описываемый способ поясняется чертежом, где схематично изображено устройство для его осуществления.

Способ изготовления полимерных элементов согласно изобретению может быть осуществлен следующим образом.

В кювете 1 с буферным раствором 2 размещают подложку 3, верхней поверхностью контактирующую с раствором. Стенки кюветы и буферный раствор прозрачны для активирующего излучения. На поверхности подложки с помощью дозатора (на чертеже не показан) формируют каплю заданного объема органической светочувствительной композиции. При этом подложка 3 может быть с плоской криволинейной или периодической конфигурацией поверхности, гидрофобной или гидрофильной, зеркальной, металлической или выполненной из другого материала, с подогревом, охлаждением или без него.

При плотности фотополимеризующейся композиции большей, чем плотность буферного раствора, происходит образование осесимметричного элемента 4 на подложке 3, помещенной для этого случая на дно кюветы с раствором (см. фигуру). Капля, лежащая на гидрофобной или гидрофильной подложке, приобретает сложную асферическую форму, обусловленную равновесием сил поверхностного натяжения на границе капля-буферный раствор, сил адгезии на границе капля-подложка, силы тяжести и архимедовой силы.

Угол θ характеризует краевой угол смачивания неотвержденной светочувствительной композицией поверхности подложки 3.

Каплю в виде асферического элемента 4 подвергают внешнему воздействию активизирующего излучения 5 (схематически изображенного стрелками на чертеже) для полимеризации светочувствительной композиции. После полного отверждения элемент 4 приобретает законченный вид. Форма элементов может быть произвольной, например в виде висящей капли на торце оптического волокна, бочкообразной, сфероидной, эллипсоидной и т.д. Форма определяется методом формирования элемента, например, зажатием его между двумя плоскими или искривленными подложками, размещения капли в капилляре с последующим ее облучением и так далее.

Элементы могут быть подвергнуты дополнительной термополимеризации.

После полного отверждения элементы отделяют от подложки, и осуществляют промывку, сушку с медленным подъемом температуры до температуры близкой к температуре стеклования и выдержку при этой температуре с последующим медленным охлаждением до комнатной температуры с целью минимизации остаточных внутренних напряжений в объеме элемента.

При необходимости на поверхность асферического элемента тем или иным способом легко могут быть нанесены просветляющие и защитные или, например, фотоанизотропные, фотохромные и другие покрытия, что существенно расширяет область применения подобных элементов.

Предложенный способ позволяет устранить отрицательное влияние на процесс формообразования полимерных элементов температурных и гравитационных градиентов, конвекционных, ламинарных и турбулентных потоков, неоднородности светопоглощения активизирующего излучения по поверхности и объему элемента и, как следствие этого, неоднородности усадки и светорассеяния в процессе фотополимеризации; устранить отрицательное влияние кислорода воздуха, пространственной и временной когерентности источника активизирующего излучения при отверждении композиции, экранировки элементов друг другом; достигать максимальной степени конверсии олигомерномерной композиции в полимер, варьировать спектральный состав активизирующего излучения в УФ- и видимой областях спектра соответствующим выбором фотоинициирующей системы исходной композиции; варьировать в широких пределах показатель преломления исходной и отвержденной композиции и величину его фотоиндуцированного изменения в видимой области спектра, варьировать величину показателя преломления и плотности буферного раствора, величину объемной усадки, изменение плотности композиции, величину светового диаметра получаемых элементов от единиц микрометров до 10-12 мм и более; изготовлять асферические, в том числе градиентные, элементы с осевым и радиальным градиентом показателя преломления, а также полые сферические и асферические элементы, что поясняется описанием примеров 1 и 2.

Пример 1. В каплю композиции, сформированную на подложке в буферном стационарном растворе, тем или иным способом вводили определенное количество инертного газа. Это приводит к образованию газового пузыря асферической формы на подложке. Подвергая его облучению активизирующим излучением видимого или УФ-диапазона, получали полый элемент, размеры и толщина стенок которого зависили от объема вводимого в каплю газа и ее массы.

Пример 2. При увеличении процентного содержания фотоинициатора в составе композиции или введении в ее состав определенного количества поглощающего активизирующее излучение пигмента в силу резкого увеличения коэффициента экстинкции раствора композиции поглощение активирующего излучения (особенно ультрафиолетового) происходило лишь вблизи поверхности элемента, сформированного на поверхности подложки, размещенной в буферном растворе.

При этом происходило образование асферической твердой оболочки, заполненной внутри незаполимеризованной композицией. Полученный элемент имел оболочку с показателем преломления большим, чем показатель преломления жидкости, заключенной в ней. Распределение показателя преломления по сечению оболочки в силу экспоненциального характера поглощения активирующего излучения может быть квазилинейным, экспоненциальным или параболическим и зависит от процентного содержания фотоинициатора или пигмента в составе композиции. Уровень светорассеяния в таком элементе с жидкой сердцевиной существенно ниже, чем в полностью заполимеризованном элементе.

В исходный состав композиции могут быть введены два и более фотоинициатора с максимумами спектральной чувствительности, значительно разнесенными по спектру и спектральными областями чувствительности, не перекрывающимися между собой, может быть введен и термоинициатор полимеризации. После того, как сформирована жесткая оболочка элемента со светочувствительной жидкой сердцевиной (или одновременно с ее образованием) ее также можно заполимеризовать, подвергнув воздействию коллимированного активизирующего излучения видимого диапазона или подвергнуть элемент нагреванию, инициируя тем самым реакцию термополимеризации, не опасаясь искажения формы элемента в силу чрезвычайной устойчивости оболочковых форм. Коллимированный активизирующий пучок видимого диапазона, распространяясь в элементе, экспоненциально поглощается композицией, формируя в нем градиент показателя преломления вдоль его направления распространения. Радиальный градиент показателя преломления обусловлен, во-первых, наличием оболочки, во-вторых, различным характером полимеризации оболочки и сердцевины элемента и в-третьих, может быть обеспечен соответствующим выбором профиля распределения энергии по сечению активирующего пучка или нескольких таких пучков (гауссов, экспоненциальной, однородный и т. д. ). Таким образом, возможно получение градиентного элемента с осевым и радиальным градиентом показателя преломления.

Реферат

Использование: изготовление полимерных микролинз с плоской, сферической или асферической формой преломляющих поверхностей, сплошных и полых, с однородным или градиентным радиальным и/или осевым распределением показателя преломления. Сущность изобретения: емкость 1 с находящейся в ней подложкой 3 заполняют стационарным буферным раствором 2. Затем на поверхность подложки с помощью дозатора подают каплю заданного объема органической светочувствительной композиции, не смешивающейся с буферным раствором и с плотностью, большей плотности буферного раствора. После формирования ее в устойчивую форму готового элемента 4 осуществляют полимеризацию элемента 4 под воздействием активизирующего излучения 5 до полного его отверждения на подложке в виде законченного элемента. Стенки кюветы и буферный раствор прозрачны для активирующего излучения. После завершения облучения полимерные элементы 4 могут быть подвергнуты дополнительной термополимеризации, отделены от подложки, подвергнуты промывке, сушке и термообработке для минимизации остаточных внутренних напряжений. На поверхность элемента могут быть нанесены просветляющие и защитные или фотоанизотропные, фотохромные и другие покрытия. 1 ил.

Формула