Chương 3: ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU THỦY TINH QUANG HỌC
3.3. Một số ứng dụng của thủy tinh trong thiết kế kỹ thuật và công nghệ
Cáp quang là một loại cáp viễn thông làm bằng thủy tinh hoặc nhựa, sử dụng ánh sáng để truyền tín hiệu. Các sợi thủy tinh dài, mỏng thành phần của thủy tinh trong suốt bằng đường kính của một sợi tóc. Chúng được sắp xếp trong bó được gọi là cáp quang và được sử dụng để truyền tải tín hiệu trong khoảng rất xa. Không giống nhƣ cáp đồng truyền tín hiệu bằng điện, cáp quang ít bị nhiễu, tốc độ cao và truyền xa hơn.Hai loại cáp phổ biến là GOF (Glass Optical Fiber) - cáp làm bằng thủy tinh và POF (Plastic Optical Fiber) - cáp làm bằng nhựa plastic. POF có đường kính lõi khá lớn khoảng 1mm, sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu khoảng cách ngắn, mạng tốc độ thấp.[7]
3.3.1.1. Cấu tạo
Sợi cáp quang đƣợc cấu tạo từ ba thành phần chính: lõi (core), lớp phản xạ ánh sáng (cladding), lớp vỏ bảo vệ chính (primary coating hay còn gọi coating, primary buffer).
Lõi đƣợc làm bằng sợi thủy tinh hoặc plastic dùng truyền dẫn ánh sáng. Bao bọc lõi là lớp phản xạ ánh sáng - lớp thủy tinh plastic - nhằm bảo vệ và phản xạ ánh sáng trở lại lõi.
Lớp vỏ bảo vệ chính là lớp vỏ nhựa PVC giúp bảo vệ lõi và lớp phản xạ ánh sáng không bị bụi, ẩm, trầy xước.[7]
Hình 3.17: Cấu tạo của sợi quang[15]
Bảo vệ sợi cáp quang là lớp vỏ ngoài gốm nhiều lớp khác nhau tùy theo cấu tạo, tính chất của mỗi loại cáp. Nhƣng có ba lớp bảo vệ chính là lớp chịu lực kéo (strength member), lớp bảo vệ ngoài (buffer) và lớp áo giáp (jacket) - tùy theo tài liệu sẽ có tên gọi khác nhau. Lớp chịu lực kéo là lớp chiụ nhiệt, chiụ kéo căng, thường làm từ các sợi Kevlar. Lớp bảo vệ ngoài thường làm bằng nhựa PVC, bảo vệ tránh va đập, ẩm ướt. Lớp bảo vệ ngoài cùng là Jacket. Mỗi loại cáp, tùy theo yêu cầu sử dụng sẽ có thêm các lớp áo giáp khác nhau. Lớp áo giáp có khả năng chịu va đập, nhiệt và chiệu mài mòn, bảo vệ phần bên trong tránh ẩm ướt và các ảnh hưởng từ môi trường.
Có hai cách thiết kế khác nhau để bảo vệ sợi cáp quang là ống đệm không chặt (loose - tube) và ống đệm chặt (tight buffer).
GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 36 SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Hoa - Ống đệm không chặt thường dùng ngoài trời (outdoor), cho phép chứa nhiều sợi quang
bên trong. Ống đệm không chặt giúp sợi cáp quang “giãn nở” trước sự thay đổi nhiệt độ, co giãn tự nhiên, không bị căng, bẻ gập ở những chỗ cong.
Hình 3.18a:Ống đệm không chặt [15]
- Ống đệm chặt thường dùng trong nhà (indoor), bao bọc khít sợi cáp quang (như cáp điện), giúp dễ lắp đặt khi thi công.
Hình 3.18b:Ống đệm chặt [15]
Các tia sáng bên trong cáp quang có hai kiểu truyền dẫn là đơn mode (Singlemode) và đa mode (Multimode).
- Cáp quang đơn mode có đường kính lõi khá nhỏ (khoảng 9 m), sử dụng nguồn phát laser truyền tia sáng xuyên suốt vì vậy tín hiệu ít bị suy hao và tốc độ khá lớn. Sợi đơn mode thường hoạt động ở 2 bước sóng 1310nm, 1550nm.
- Cáp quang đa mode có đường kính lõi lớn hơn sợi đơn mode (khoảng 50 m, 62.5 m), sử dụng nguồn sáng LED hoặc laser để truyền tia sáng và thường hoạt động ở 2 bước sóng 850nm, 1300nm; sợi đa mode có khoảng cách kết nối và tốc độ truyền dẫn nhỏ hơn sợi đơn mode.
Sợi đa mode có hai kiểu truyền: chiết suất bước (Step index) và chiết suất liên tục (Graded index). Các tia sáng kiểu chiết suất bước truyền theo chiều hướng khác nhau vì vậy có mức hao cao và tốc độ khá chậm. Chiết suất bước truyền dẫn theo đường cong và hội tụ tại một điểm. Do đó chiết suất liên tục truyền dẫn cao hơn chiết suất bước và được sử dụng khá phổ biến.[7]
Truyền dẫn tín hiệu trên cáp quang có hai dạng đơn công (simplex) và song công (duplex). Dạng đơn công truyền tín hiệu chỉ một chiều. Dạng song công có thể truyền nhận tín hiệu 1 chiều bán song công (half - Duplex) hoặc cả 2 chiều song công toàn phần (full - Duplex) song công ở cùng thời điểm tùy theo cách cấu hình.
Hình 3.19:Các dạng truyền dẫn tín hiệu
GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 37 SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Hoa 3.3.1.2. Một số loại cáp quang
Ribbon: cáp quang dạng ruy – băng, chứa nhiều sợi quang bên trong.
Zipcord: hai sợi quang có vỏ ngoài liền nhau (nhƣ dây điện).
Hình 3.20a: Cáp quang Ribbon Hình 3.20b: Cáp quang Zipcord [15]
Bất kì giao tiếp quang nào cũng bao gồm 3 thành phần: nguồn phát, vật truyền dẫn trung gian (cáp quang) và nguồn thu. Nguồn phát sẽ chuyển đổitín hiệu điện tử thành ánh sáng và truyền dẫn qua cáp quang. Nguồn thu chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện tử.
Có hai loại nguồn phát là laser và LED. Laser ít tán sắc, cho phép truyền dẫn dữ liệu tốc độ nhanh, khoảng cách xa (trên 20km), dùng đƣợc cho cả Singlemode và Multimode nhƣng chi phí cao, khó sử dụng. LED tán sắc nhiều, truyền dẫn tốc độ chậm hơn, bù lại chi phí thấp, dễ sử dụng, thường dùng cho cáp quang Multimode. LED dùng cho hệ thống có khoảng cách ngắn hơn, có thể sử dụng cho cả sợi quang thủy tinh, sợi quang plastic.[7]
3.3.2. Một số loại màn hình 3.3.2.1. Màn hình CRT
Màn hình CRT viết tắt của Cathode - Ray Tube, có nghĩa là loại màn hình sử dụng ống phóng điện tử chân không.
Nguyên lý hoạt động:
Màn hình CRT sử dụng phần màn hình huỳnh quang dùng để hiển thị các điểm ảnh, để các điểm ảnh phát sáng theo đúng màu sắc cần hiển thị cần các tia điện tử tác động vào chúng để tạo ra sự phát xạ ánh sáng. Ống phóng CRT sẽ tạo ra các tia điện tử đập vào màn hình huỳnh quang để hiển thị các điểm ảnh theo mong muốn. Hinh 3.17 thể hiện nguyên lý hoạt động của ống phóng điện tử sử dụng trong màn hình máy vi tính.
Màn hình CRT đƣợc cấu tạo từ một ống phóng điện tử và cụm màn hình (6) bằng thủy tinh. Toàn bộ phần bên trong đƣợc hút chân không để đảo bảo rằng không có không khí thông thường.
Cụm đầu phóng điện tử bao gồm ống phóng các chùm tia điện tử (1). Ở đây có ba ống để phục vụ cho ba màu khác nhau. Trong mỗi ống có một sợi đốt (kiểu giống dây tóc bóng đèn sợi đốt mà chúng ta thường thấy, nhưng tóc sợi đốt ở đây thì có hình dạng đực biệt hơn nhiều). Khi làm việc sợi đốt đƣợc nung nóng đến nhiệt độ nhất định để các điện tử tự do trong kim loại của sợi dây tóc nhảy khỏi bề mặt. Khi các điện tử nhảy ra thí chúng đã được nằm trong một điện trường có hiệu điện thế rất lớn giữa (1) và (5) thì bị hút vào điện trường đó thành các chùm tia điện tử (2).
Để tạo ra một tia điện tử có thể hội tụ tại mặt nạ của màn hình (7), ống CRT có cụm thấu kính từ (3). Để lái các tia điện tử đến các điểm mong muốn thì ống CRT có các cuộn lái tia theo hai phương (ngang và đứng) điều khiển tia này đến các vị trí trên màn hình quang (4).
GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 38 SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Hoa Các chùm tia điện tử đã đƣợc điều khiển theo các tọa độ khác nhau bởi các cuộn lái tia thì sẽ hội tụ tại các điểm lỗ của mặt nạ (7), xuyên qua các lỗ này thì chúng đập vào lớp phốt pho (8) mà ở đó sẽ hiển thị đối với các màu sắc khác nhau. Mỗi lỗ trên mặt nạ là một điểm ảnh, tương ứng với ba màu đỏ - xanh lục - xanh lam.[7]
Hình 3.21: Cấu trúc ống phóng điện tử trong màn hình CRT [16]
Mặt nạ của màn hình thì không đơn thuần chỉ có một kiểu là các lỗ đục sẵn theo nhƣ hình minh họa ở phía trên. Các hãng sản xuất khác nhau đã cho ra đời các công nghệ hiển thị trên màn hình theo cách khác nhau để có thể tạo ra chất lượng hình ảnh tốt nhất. Dưới đây là hình ảnh minh họa cho ba loại công nghệ đã đƣợc sử dụng trong các loại màn hình CRT trong tivi và màn hình máy tính.
Hình 3.22: Một số công nghệ mặt nạ sử dụng trong màn hình CRT [16]
GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 39 SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Hoa 3.3.2.2. Màn hình tinh thể (LCD)
Màn hình tinh thể lỏng là loại thiết bị hiển thị cấu tạo bởi các tế bào (các điểm ảnh) chứa tinh thể lỏng có khả năng thay đổi tính phân cực của ánh sáng và do đó thay đổi cường độ ánh sáng truyền qua khi kết hợp với các kính lọc phân cực. Chúng có ưu điểm là phẳng, cho hình ảnh sáng, chân thật và tiết kiệm năng lƣợng.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
Màn hình tinh thể lỏng dùng nguồn sáng tự cấp (thường dành cho màn hình màu của máy tính hay tivi).
Cấu trúc các lớp của một màn hình tinh thể lỏng đen trắng không tự phát sáng:
- Lớp lọc phân cực thẳng đứng để lọc ánh sáng tự nhiên đi vào.
- Lớp kính có các điện cực ITO. Hình dáng của điện cực là hình cần hiển thị.
- Lớp tinh thể lỏng.
- Lớp kính có điện cực ITO chung.
- Kính lọc phân cực nằm ngang.
- Gương phản xạ lại ánh sáng cho người quan sát.
Có hai kiểu cấu tạo màn hình tinh thể lỏng chính, khác nhau ở thiết kế nguồn sáng.
- Trong kiểu thứ nhất, ánh sáng được phát ra từ một đèn nền, có vô số phương phân cực nhƣ các ánh sáng tự nhiên. Ánh sáng này đƣợc cho lọt qua lớp kính lọc phân cực thứ nhất, trở thành ánh sáng phân cực thẳng chỉ có phương thẳng đứng. Ánh sáng phân cực phẳng này đƣợc tiếp tục cho truyền qua tấm thủy tinh và lớp điện cực trong suốt để đến lớp tinh thể lỏng. Sau đó, chúng tiếp tục đi tới kính lọc phân cực thứ hai có phương phân cực vuông góc với kính lọc thứ nhất, rồi đi tới mắt người quan sát. Kiểu màn hình này thường áp dụng cho màn hình màu ở máy tính hay tivi. Để tạo ra màu sắc, lớp ngoài cùng, trước khi ánh sáng đi ra mắt người có kính lọc màu.
- Ở loại màn hình tinh thể lỏng thứ hai, chúng sử dụng ánh sáng tự nhiên đi vào từ mặt trên và có gương phản xạ nằm sau, dội ánh sáng này lại cho người xem. Đây là cấu tạo thường gặp ở các loại màn hình tinh thể lỏng đen trắng trong các thiết bị bỏ túi. Do không cần nguồn sáng chúng tiết kiệm năng lƣợng.[4]
Hình 3.23: Cấu trúc của một màn hình tinh thể lỏng [17]
3.3.3. Thủy tinh kim loại
Đây là một loại thủy tinh mới, đƣợc làm từ titan mờ đục và zirconi thay cho silicon trong suốt, có đặc điểm cứng, bền và nhẹ hơn thép không gỉ.[5]
3.3.3.1. Cấu tạo của thủy tinh kim loại
Tất cả các loại thủy tinh, gồm kính cửa sổ, thủy tinh kim loại mờ đục đều không có cấu trúc tinh thể thống nhất. Thay vào đó, các nguyên tử sắp xếp ngẫu nhiên, một khu
GVHD: Ths Hoàng Xuân Dinh Trang 40 SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Hoa vực có thể có nhiều nguyên tử nhƣng nơi khác lại có ít nguyên tử. Các nhóm nguyên tử này khớp với nhau, tạo ra một bề mặt cứng, rắn, nhƣng cũng mỏng manh, một vết nứt nhỏ cũng có thể mở rộng và phá vỡ toàn bộ cấu trúc. Tuy nhiên ở loại vật liệu thủy tinh kim loại này, hệ số kháng vỡ đã được nâng cao tương đương với thép mà lại nhẹ hơn rất nhiều nên hoàn toàn có thể thay thế thép trong công nghiệp và kĩ thuật.
3.3.3.2. Quá trình chế tạo
Để tạo ra thủy tinh kim loại bền này, trước tiên, các nhà khoa học nung hợp kim gồm một nửa là titan và một nửa là zirconi ở nhiệt độ 80000C cho đến khi tan chảy. Kim loại lỏng này đƣợc làm nguội dần trong khoảng 1- 2 phút, sau đó làm nguội nhanh. Bằng cách làm nguội chậm và nhanh, các nhà khoa học đã làm cho cấu trúc tinh thể giống nhƣ cây thông Noel phát triển trên nền kim loại. Quá trính làm nguội nhanh phần kim loại còn lại duy trì cấu trúc nguyên tử của thủy tinh. Các cấu trúc tinh thể ngăn ngừa bất kỳ vết nứt nào phát triển rộng hơn 2 - 5 m. Thủy tinh tạo độ cứng cho vật liệu, trong khi các cấu trúc giống nhƣ cây thông Noel lại tạo nên độ bền và dai. Thử nghiệm tiếp theo về ứng suất đối với các mảnh kính 1 - 10cm, kết quả cho thấy chúng bền hơn bất kỳ thủy tinh kim loại nào trước đây. Hệ số chịu mỏi càng lớn, vật liệu càng ít bị nứt và cứng hơn thép.[4]
3.3.3.3. Tính chất chính
Ƣu điểm chính của loại thủy tinh mới là có khả năng tạo hình. Chỉ cần đổ vào khuôn và làm lạnh chúng, là có được những đặc tính có thể so sánh với thép cường độc cao. Do hợp kim làm từ titan và zirconi thay vì thép nên trọng lƣợng giảm đáng kể. Ngoài ra, nhờ có thể nung chảy chúng ở nhiệt độ thấp hơn so với thép nên quá trính sản xuất cũng dễ dàng và nhanh hơn. Do đó thủy tinh kim loại có tính ứng dụng cao trong công nghệ sản xuất máy bay, vệ tinh vũ trụ, tàu thiết bị vận tải.