Лекции по Физико-технологическим основам волоконно-оптической техники   

2. Стеклообразное состояние и основные свойства стекол

2.3. Кварцевое стекло, основные методы его получения и свойства.

         ОВ на основе кварцевого стекла получили в настоящее время наибольшее распространение. Это связано с тем, что:

-         кварцевое стекло является моносоединением и обладает большой химической устойчивостью и высокой механической прочность,

-         соединения, из которых может быть получено кварцевое стекло широко распространены (это песок, горный хрусталь и т.д.),

-         разработана технология получения высокочистых соединений кремния (прежде всего тетрахлорида кремния и тетраэтоксисилана), на основе которых может быть получено кварцевое стекло очень высокой степени чистоты.

Структуру кварцевого стекла подробно рассматривали в разделе 2.1.1, поэтому здесь остановимся на исходных материалах и методах получения кварцевого стекла, которые определяют содержание в нем примесей. Исходными материалами для получения кварцевого стекла являются: природные виды кварца (горный хрусталь и его разновидности, жильный кварц и т.д.); искусственные кристаллы кварца, выращенные гидротермальным способом в автоклавах; тетрахлорид кремния. При использовании природного кварца и искусственных кристаллов они дробятся, промываются в смеси кислот HCl+HNO3 и в воде, где с поверхности удаляются неорганические загрязнения, а сама двуокись кремния не растворима в этих кислотах. Полученную крупку перебирают, удаляя частицы, содержащие различные включения, после чего наплавляют в блоки. Используют следующие методы наплава:

1. электротермический наплав крупки в атмосфере Н2,

2. газопламенный наплав в пламени О22 горелки,

3. электротермический наплав крупки в вакууме,

4. парофазный гидролиз SiCl4 в пламени О22 горелки,

5. окисление SiCl4 в кислородной ВЧ-плазме.

В таблице 2.3 приведено содержание примесей переходных металлов и гидроксильных групп в кварцевом стекле опорных труб, полученном вышеуказанными методами.

Таблица 2.3 Содержание примесей переходных металлов и гидроксильных групп в трубах из кварцевого стекла, полученного вышеуказанными методами

Метод

получения

Содержание примесей масс. %

Fe

Cr

Ni

Mn

Cu

Co

OH

1.

2.

3.

4.

5.

6.

2×10-4

4×10-5

8×10-5

1×10-5

2×10-5

3×10-5

4×10-6

3×10-6

5×10-6

<3×10-6

3×10-6

3×10-6

5×10-5

4×10-6

5×10-6

3×10-6

<1×10-6

<1×10-7

6×10-6

2×10-6

1×10-6

1×10-6

1×10-6

9×10-7

5×10-5

4×10-6

3×10-6

5×10-6

3×10-7

<1×10-7

3×10-6

<2×10-7

<2×10-7

<2×10-6

<2×10-7

<2×10-7

2×10-2

3,5×10-2

2×10-4

1,2×10-1

2×10-4

1,5×10-8

Примечание: в строке 6 приведены данные для труб "Suprasil F-300" фирмы "Heraeus", полученных из заготовок, произведенных методом OVD.

Видно, что содержание примесей переходных металлов значительно выше в первых трех типах труб по сравнению со стеклом, полученным из SiCl4, а концентрация ОН-групп ниже в стеклах, полученных наплавом в вакууме или в ВЧ-плазме.


Рис. 2.8. Спектральные зависимости оптических потерь в ОВ с германосиликатной сердцевиной и светоотражающей оболочкой из кварцевого стекла, полученного различными технологиями: 1- электротермический наплав в Н2, 2 – газопламенный наплав, 3 – электротермический наплав в вакууме, 4- парофазный гидролиз.

На рис. 2.8 приведены типичные спектральные зависимости потерь в ОВ, при изготовлении которых (в ИХВВ РАН) германосиликатная сердцевина формировалась методом MCVD, а отражающей оболочкой служил материал кварцевых труб, соответствующих нумерации таблицы 7. Видно, что в образцах 1 и 3, характеризующихся большой концентрацией Fe, Cr, Mn, потери больше в ближнем ИК- диапазоне, а большие потери на l=1,38 мкм характерны для стекол, при изготовлении которых применялся Н2 (образцы 1, 2, 4). Особняком стоит стекло "Suprasil F-300", имеющее наименьшую концентрацию примесей переходных металлов и гидроксильных групп. Поэтому эти трубы широко используются во всем мире для получения ОВ с минимальными потерями.

По светопропусканию кварцевые стекла делят на КУ, КВ, КИ, КУВИ, отличающиеся составом и концентрацией примесей. Стекла КУ предназначены для работы в УФ-диапазоне спектра и содержат большое количества ОН-групп (до ~ 0,1 масс. %). Стекла КВ предназначены для работы в видимой области спектра, КИ – для инфракрасной области, и поэтому последние содержат малое количество гидроксильных ионов. Для примера на рис. 2.9 приведены спектральные зависимости коэффициента пропускания для стекол КУ и КИ.

     Существуют 2 основных способа производства кварцевых труб:

- одностадийный, когда крупка или блок стекла поступает в молибденовую печь, снизу которой установлены пуассон и дуза, которые определяют наружный и внутренний диаметры трубки;

двухстадийный, при котором сначала наплавляют блок стекла, затем его обрабатывают механически, протыкая блок и затем шлифуя его внутреннюю и наружную поверхности таким образом, чтобы получить необходимое соотношение внутреннего и наружного диаметров в трубке. После механической обработки блок перетягивают в трубы в графитовой печи методом подобия.

Первый метод более прост, обеспечивает непрерывный процесс вытяжки труб и их относительно хорошую геометрию. Недостатком метода является загрязнение его молибденом, в результате чего прочность ОВ резко снижает ся. Сейчас трубки, полученные этим способом, для производства заготовок ОВ не используются. Преимущество второго способа состоит в том, что блок стекла не контактирует с элементами печи и не подвергается загрязнению. Кроме того этот способ позволяет получать трубы очень хорошей геометрии, Например, трубы фирмы "Heraeus" 20´2 мм имеют среднестатистическое отклонение наружного диаметра не более 0,08 мм, толщины стенки – не более 0,02 мм, разнотолщинность и овальность - не более 0,01 мм и т.д.

Рис. 2.9. Спектральные зависимости коэффициента пропускания кварцевых стекол марки КУ-1 и КИ.


Таблица 2.4 Основные свойства кварцевого стекла

Свойство

Значение

Плотность, (г/см3)

Показатель преломления

Коэффициент линейного термического расширения,

(град-1)

Теплоемкость, (кал/г*град)

Теплопроводность, (кал/см*град)

Микротвердость, (кг/мм2)

Прочность, (кг/мм2):

              стержней

               волокон

2,20

1,458

5,7´10-7

0,177

0,0033

703

7

1200

Рис. 2.10. Зависимости показателя преломления кварцевого стекла от концентрации легирующих примесей.

Рис. 2.11. Зависимости КЛТР кварцевого стекла от концентрации легирующих примесей:

1 – GeO2 , 2 – B2O3

         Свойства кварцевого стекла можно менять путем его легирования. Так, на рис. 2.10 приведены зависимости ПП кварцевого стекла от концентрации различных легирующих компонентов, применяемых при получении заготовок ОВ. Видно, что имеются только два компонента, которые уменьшают ПП кварцевого стекла (В2О3 и F), и потому их часто используются для формирования светоотражающей оболочки. Остальные примеси увеличивают ПП кварцевого стекла и потому их обычно используются для формирования световедущей сердцевины (особенно GeO2 и P2O5).

Легирование кварцевого стекла изменяет также и вязкость стекла (см. рис. 2.7) и КЛТР, как это видно из рис. 2.11  . Введение В2О3 вызывает значительно большее изменение КЛТР, чем GeO2, что используется при получении заготовок ОВ, сохраняющих поляризацию излучения. Таким образом, варьируя состав кварцевого стекла и концентрацию легирующих компонентов можно изменять свойства кварцевого стекла и получать ОВ различного типа и назначения.



*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.