Лекции по Физико-технологическим основам волоконно-оптической техники   

7. ОВ для видимого и среднего ИК - диапазонов

7.1.4. Вытяжка оптических волокон

Рис. 7.9. Схема процесса вытягивания волокна методом «штабик-трубка» (а) и поперечное сечение волокна (б): 1 – трубка из стекла материала оболочки, 2 - штабик из стекла сердцевины, 3 – печь, 4 - волокно

Для вытяжки ОВ из многокомпонентных силикатных стекол обычно используются метод "штабик в трубке" или метод "двойного тигля". Идея первого метода заключается в том, что стержень, изготовленный из стекла сердцевины, вставляется в трубку, изготовленную из стекла оболочки. В процессе вытяжки волокна стекло стержня сплавляется со стеклом трубки (как это видно из рис. 7.9), образуя волокно, содержащее сердцевину и оболочку. При этом, если вязкости стекол близки, то отношение диаметра сердцевины (dсер.) к диаметру волокна (dвол.), включающего оболочку и сердцевину, определяется уравнением:

dсер. / dвол. = Dc / (Dнар.2 – Dвн.2 + Dс.2)1/2                         (7.4),

где Dc – диаметр стержня, Dнар. и Dвн. – наружный и внутренний диаметры трубки.

Стержни из расплава стекла вытягиваются двумя способами, показанными на рис. 7.10. В первом случае в расплав стекла погружается затравочный стержень из того же материала и затем он медленно с постоянной скоростью поднимается вверх через охлаждаемое кольцо. Вязкое стекло тянется вверх за затравкой и застывает в виде стержня диаметром 5-10 мм, который затем режется на куски требуемой длины. Второй способ заключается в вытягивании стекломассы через отверстие в дне тигля (рис. 7.10 б).

Рис. 7. 10 Схема вытягивания стержней из расплава стекла: а) – вытягивание стержня из расплава, б) – вытягивание стержня через фильеру, в) формирование трубки. 1 – электропечь, 2 - расплав стекла, 3 –контейнер

Трубка вытягивается аналогично второму способу, только отверстие в дне тигля делается в виде кольца, определяющего наружный и внутренний диаметры трубки. Кроме того, формирование трубки осуществляют и способом, схематически изображенным на рис. 7.10 в. В этом случае в цилиндрический контейнер, находящий при температуре выше температуры размягчения стекла, загружают заданный объем стекла светоотражающей оболочки. Затем контейнер помещается в станок и вращается в горизонтальном положении со скоростью ~ 1500¸3000 об/мин. За счет центробежных сил расплав равномерно распределяется по стенке контейнера. Затем контейнер охлаждается и внутри образуется трубка, наружный диаметр которой равен внутреннему диаметру контейнера. Внутренний диаметр трубки определяется объёмом загруженного стекла и длиной контейнера.

Внешне простой метод "штабик в трубке" на деле сопряжен с большими трудностями, связанными с получением чистых и гладких поверхностей, которые затем становятся границей раздела сердцевины и светоотражающей оболочки.

Широкое распространение при переработке многокомпонентных стекол, которые имеют сравнительно невысокую температуру размягчения (не выше 12000С), получил метод "двойного тигля". Схема установки для вытяжки ОВ методом "двойного тигля" приведена на рис. 7.11.

Рис. 7.11 Вытяжка волокна из многокомпонентного силикатного стекла методом «двойного тигля»: 1 – экран из кварцевого стекла, 2 – печь, 3 – термопары, 4 – измеритель диаметра волокна, 5 – фильера с материалом покрытия, 6 – печь для полимеризации покрытия, 7 – приемный барабан, 8 – тянущие ролики, 9 – стекло оболочки, 10 – стекло сердцевины

Установка состоит из двух концентрично вставленных друг в друга тиглей, в которые загружены стекла, формирующие сердцевину (внутренний тигель) и оболочку (наружный тигель). Тигли помещены в печь, температура в которой контролируется термопарой. Ниже установлен измеритель диаметра волокна, фильера с материалом защитно-упрочняющего покрытия, термопечь или УФ-облучатель для полимеризации термо- или УФ-отверждаемого покрытия, тянущие ролики и приемный барабан для волокна. Отношение радиусов сердцевины (rсер.) и волокна (rвол.) , включающего в себя сердцевину и оболочку, находится из соотношения:

rсер. / rвол. = [ Qc /(Qc + Qоб.)]1/2                                                (7.5),

где Qс и Qоб. – объёмные скорости потоков стекол сердцевины и оболочки соответственно, которые в свою очередь зависят от плотности и вязкости стекол при температуре вытяжки, от радиусов фильер в тиглях и уровня стекол в них и т.д. Диаметр волокна определяется из баланса масс вытекающего стекла и количества вытянутого волокна, т.е.

rвол. = [(Qc + Qоб.)/ (p×Vвыт.)]1/2                                      (7.6),

где Vвыт. – скорость вытяжки волокна.

         Метод "двойного тигля" позволяет получать ОВ не только со ступенчатым, но и с градиентным профилем ПП за счет взаимной диффузии ионов стекол оболочки и сердцевины. Мерой ионного обмена в сердцевине является параметр К, равный

К = D×Y/ (a2×Vвыт.)                                   (7.7),

где D – коэффициент диффузии иона, Y - длина контакта стекол сердцевины и оболочки, т.е. длина диффузионного пути, а – радиус сердцевины, Vвыт. – скорость вытяжки. В качестве подходящей легирующей добавки для стекол сердцевины является таллий, ион которого заметно увеличивает ПП стекла, а оболочка содержит ионы натрия. При диффузии таллия из сердцевины в оболочку (и соответственно натрия из оболочки в сердцевину) ПП стекла уменьшается, при этом профиль ПП можно получить близкий к параболическому.

         На практике получение ОВ с малыми потерями методом "двойного тигля" (как в прочем и любым другим методом) требует очень внимательного отношения к деталям на каждой его стадии.

         В настоящее время ОВ на основе многокомпонентных силикатных стекол, имеющие потери ~ 3,4 дБ/км на λ = 0,84 мкм и ~ 50 дБ/км в видимом диапазоне света, широко применяются в составе оптических жгутов для передачи изображения в ряде медицинских приборов (эндоскопы, гастроскопы и т.д.), а также в составе оптических кабелей для коротких локальных линий связи, обладающих не высокой скорость передачи информации (например, в вычислительных системах).



*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.