Получение оптических волокон с рефракционной отражающей оболочкой из однофильерного сосуда Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Коган В.Е.1, Шахпаронова Т.С.2 ©

Доктор химических наук, профессор, кандидат химических наук, доцент, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

ПОЛУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН С РЕФРАКЦИОННОЙ ОТРАЖАЮЩЕЙ ОБОЛОЧКОЙ ИЗ ОДНОФИЛЬЕРНОГО СОСУДА

Аннотация

В статье на конкретных примерах реализации показана возможность получения оптического волокна с рефракционной отражающей оболочкой, формирующейся в процессе вытяжки из однофильерного сосуда в результате взаимодействия расплава стекла с материалом фильеры. Способ характеризует упрощение технологии получения и возможность получения оптических волокон из стекол любого состава, что является его отличительными особенностям. Он прост для освоения и не требует строительства новых технологических линий.

Ключевые слова: метод двойного тигля, однофильерный сосуд, оптическое волокно, рефракционная отражающая оболочка.

Keywords: method of the double crucible, mono die vessel, optical fiber, refraction reflecting envelope.

Технологически относительно простым из всех известных способов получения оптического волокна является метод двойного тигля [1; 2]. Упрощению технологического процесса получения оптического волокна способствует разработанный нами способ, основанный на использовании однофильерного сосуда, что ранее никем не применялось. Способ позволяет из стекол любого состава получать оптические волокна с рефракционной отражающей оболочкой, формирующейся в процессе вытяжки в результате взаимодействия расплава стекла с фильерой, выполненной из материала с низкой химической устойчивостью к расплаву стекла, что подтверждается приводимыми ниже примерами.

Пример 1. Для получения оптических волокон из свинцовосиликатного оптического стекла марки ТФ 5, предназначенных для волоконно-оптических элементов видимого и ближнего ИК-диапазона спектра, использовали однофильерный сосуд с фильерой из монокристалла фторида лития. Длина фильеры составляла 0,7 см, а внутренний диаметр 0,2 см. Фильерный сосуд помещали в печь, у которой в зоне вытяжки температура составляла 760 -810 °C. Вытяжку осуществляли на приемный барабан с длиной поверхности 2,6 м, вращающийся со скоростью 70 - 75 об/мин. Так было вытянуто более 10 км стеклянного оптического волокна, диаметр которого составлял 20 ± 1 мкм. В результате низкой химической устойчивости монокристалла фторида лития по отношению к расплаву стекла ТФ 5 происходила его диффузия в поверхностный слой волокна, что обеспечивало получение рефракционной отражающей оболочки толщиной 3 ±1 мкм. Диаметр световедущей жилы составлял 17 ±1 мкм. Числовая апертура волокна при использовании лазерного излучения с длиной волны 0,63 мкм составляла 0,98 ± 0,05. Показатель преломления на наружной поверхности волокна был 1,45 и плавно возрастал до 1,75 к световедущей жиле.

Пример 2. Для получения оптических волокон из галогенидсодержащего свинцовосиликатного стекла (оксигалогенидное стекло), предназначенных для использования в высокоапертурных волоконно-оптических элементах, работающих в видимой и ближней ИК-области спектра, использовали однофильерный сосуд с фильерой из кварцевого стекла. Длина фильеры составляла 1,2 см, а внутренний диаметр 0,4 см. Фильерный сосуд помещали в печь, у которой в зоне вытяжки температура составляла 560 - 600 °C. Вытяжку осуществляли на приемный барабан с длиной поверхности 2,6 м, вращающийся со скоростью 30 - 35 об/мин. Так

© Коган В.Е., Шахпаронова Т.С., 2014 г.

было вытянуто более 10 км стеклянного оптического волокна, диаметр которого составлял 35 ± 1 мкм. В результате низкой химической устойчивости кварца по отношению к расплаву оксигалогенидного стекла происходила его диффузия в поверхностный слой волокна, что обеспечивало получение рефракционной отражающей оболочки толщиной 3 ± 1 мкм. Диаметр световедущей жилы - 38 ±1 мкм. Числовая апертура волокна при использовании лазерного излучения с длиной волны 0,63 мкм составляла 1,01 ± 0,05. Показатель преломления на наружной поверхности волокна был 1,58 и плавно возрастал до 1,88 к световедущей жиле.

Пример 3. Для получения оптических волокон из силикатного оптического стекла марки К 8, предназначенных для узкоапертурных волоконно-оптических элементов видимого и ближнего ИК-диапазона спектра, использовали однофильерный сосуд с фильерой из монокристалла фторида бария. Длина фильеры составляла 0,8 см, а внутренний диаметр 0,3 см. Фильерный сосуд помещали в печь, у которой в зоне вытяжки температура составляла 1000 -1100 °C. Вытяжку осуществляли на приемный барабан с длиной поверхности 2,6 м, вращающийся со скоростью 65 - 70 об/мин. Так было вытянуто более 10 км стеклянного оптического волокна, диаметр которого составлял 27 ± 1 мкм. В результате низкой химической устойчивости монокристалла фторида бария по отношению к расплаву стекла К 8 происходила его диффузия в поверхностный слой волокна, что обеспечивало получение рефракционной отражающей оболочки толщиной 3 ±1 мкм. Диаметр световедущей жилы - 24 ±1 мкм. Числовая апертура волокна при использовании лазерного излучения с длиной волны 0,63 мкм составляла 0,24 ± 0,05. Показатель преломления на наружной поверхности волокна был 1,49 и плавно возрастал до 1,51 к световедущей жиле.

Пример 4. Для получения оптических волокон из неодим-иттрий-ультрафосфатных стекол, предназначенных для волоконных лазеров, использовали однофильерный сосуд с фильерой из кварцевого стекла. Длина фильеры составляла 0,8 см, а внутренний диаметр - 0,4 см. Фильерный сосуд помещали в печь, у которой в зоне вытяжки температура составляла 1230 - 1260 °C. Вытяжку осуществляли на приемный барабан с длиной поверхности 2,6 м, вращающийся со скоростью 40 - 50 об/мин. Так было вытянуто более 10 км стеклянного оптического волокна, диаметр которого составлял 41 ± 1 мкм. В результате низкой химической устойчивости кварца по отношению к расплаву неодим-иттрий-ультрафосфатного стекла происходила его диффузия в поверхностный слой волокна, что обеспечивало наличие рефракционной отражающей оболочки толщиной 3 ± 1 мкм. Диаметр световедущей жилы - 38 ± 1 мкм. Числовая апертура волокна при использовании лазерного излучения с длиной волны 0,63 мкм составляла 0,25 ± 0,05. Показатель преломления отражающей оболочки 1,53, а световедущей жилы - 1,55.

Пример 5. Для получения оптических волокон из фторцирконатного стекла (галогенидное стекло), предназначенных для использования в волоконно-оптических элементах, работающих в широком диапазоне спектра (от ближнего УФ до среднего ИК), использовали однофильерный сосуд с фильерой из кварцевого стекла. Длина фильеры составляла 0,6 см, а внутренний диаметр 0,4 см. Фильерный сосуд помещали в печь, у которой в зоне вытяжки температура составляла 880 - 900 °C. Вытяжку осуществляли на приемный барабан с длиной поверхности 2,6 м, вращающийся со скоростью 55 - 60 об/мин. Так было вытянуто более 10 км стеклянного оптического волокна, диаметр которого составлял 38 ± 1 мкм. В результате низкой химической устойчивости кварца по отношению к расплаву галогенидного стекла происходила его диффузия в поверхностный слой волокна, что обеспечивало получение рефракционной отражающей оболочки толщиной 4 ± 1 мкм. Диаметр световедущей жилы - 34 ±1 мкм. Числовая апертура волокна при использовании лазерного излучения с длиной волны 0,63 мкм составляла 0,25 ± 0,05. Показатель преломления на наружной поверхности волокна был 1,51 и плавно возрастал до 1,53 к световедущей жиле.

Рассматриваемый способ позволяет легко регулировать соотношение размеров рефракционной отражающей оболочки и световедущей жилы. Так, для увеличения толщины рефракционной отражающей оболочки возможно как увеличение длины фильеры, так и понижение скорости вытяжки.

Способ прост для освоения и не требует строительства новых технологических линий.

Работы ведутся в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки России по проекту № 982 «Развитие термодинамической и кинетической теории межфазного ионного обмена применительно к природным и промышленным объектам» от 11.06.2014.

Литература

1. Волоконная оптика в авиационной и ракетной технике / Ю.В. Рождественский, В.Б. Вейнберг, Д.К. Сатаров; Под ред. В.Б. Вейнберга. - М.: Машиностроение, 1977. - 167 с.

2. Унгер Х.-Г. Планарные волоконные оптические волноводы. - М.: Мир, 1980. - 656 с.