CC BY
24вкво-2019 -- вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
ТЕРМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ
ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ В МЕДНОМ ПОКРЫТИИ
*
Косолапов А.Ф. , Семенов С.Л.
Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва * E-mail: kaf@fo.gpi.ru
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16095
Стойкость оптических волокон к высоким температурам определяется в первую очередь свойствами защитного покрытия, которое предохраняет поверхность стеклянного волокна от механических повреждений и прямых контактов с окружающей средой. Также, в настоящее время, весьма востребованными являются волоконные световоды, стойкие к воздействию водорода. Так, например, в нефтегазовой промышленности широко используются волоконно-оптические устройства, эксплуатируемые в водородосодержащей среде при высоких температурах. На сегодняшний день разработаны и успешно применяются различные виды полимерных покрытий, позволяющие использовать волоконные световоды до температуры 300°С [1]. Для световодов эксплуатируемых при более высоких температурах используются металлические покрытия. Наибольшее распространение получили алюминиевое и медное покрытия, причем оба этих металла можно наносить как непосредственно на стеклянную поверхность световода, так и поверх подслоя пироуглерода. Производители металлопокрытых световодов позиционируют световоды в алюминиевом покрытии как работоспособные до температур 450оС, в то время как, максимальная эксплуатационная температура для меднопокрытых световодов указывается 700оС. При этом нет достоверной открытой информации о скорости механической и оптической деградации волокна для температур свыше 450оС, лишь указывается, что оно может выдерживать до 700оС, но без указания времени и условий выдержки. В данной работе проведено исследование оптических и механических свойств волоконных световодов в медном покрытии при воздействии температуры 700оС в атмосфере водорода. Исследовались одномодовые и многомодовые световоды с сердцевиной из чистого кварцевого стекла и отражающей оболочкой из кварцевого стекла легированного фтором. Нанесение медного покрытия на образцы волоконных световодов производилось в процессе вытяжки световодов методом намораживания, который заключается в протягивании относительно холодного волокна через небольшой объем (каплю) расплавленного металла [2].
Для проведения термических испытаний образцы волоконных светводов помещались в герметичную камеру из нержавеющей стали, концы волокон выводились наружу через специальные герметичные выводы. Далее камера помещалась в печь и нагревалась до температуры 700оС, после этого камера заполнялась водородом под давлением 1.5 атм. В процессе термических испытаний записывались спектры пропускания исследуемых световодов, а также спектры собственного термического излучения см. рис. 1.
Рис. 1. а) Наведенные оптические потери при различных временах выдержки световода в водородной атмосфере при температуре 700С. б) Спектры термического излучения световода при различных температурах, шаг изменения температуры - 20С
190
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rnfotonexpress@mail.ru
вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
Как видно из рисунка 1 а) в процессе выдержки волоконного световода при температуре 700оС в атмосфере водорода наблюдается рост оптических потерь в полосах поглощения ОН групп. Причем появление полосы поглощения на длине волны 1380нм происходит практически мгновенно после напуска водорода в камеру, т.е. металлическое покрытие практически не препятствует проникновению водорода в световод при температуре 700оС. Оптические потери в телекоммуникационном диапазоне длин волн (1530 - 1565 нм) выросли не более чем на 50 дБ/км, что является приемлемым уровнем при использовании отрезков волокна длиной несколько метров. Также следует отметить, что при использовании волоконных световодах при температурах свыше 500оС следует учитывать собственное свечение стекла см. рис. 2 б).
После окончания термических испытаний проводилось измерение прочности исследуемых образцов методом двухточечного изгиба см. рис. 2.
Рис. 2. а) Графики Вейбулла прочности на изгиб волоконных световодов до и после тестирования в атмосфере водорода при температуре 700С в течение 5 часов. б) Внешний вид волоконных световодов в медном покрытии: слева - световод не подвергавшийся термическим испытаниям, справа - световод после тестирования в атмосфере водорода при температуре 700С в течении 70 часов
После выдержки меднопокрытых волоконных световодов при температуре 700оС наблюдается снижение прочности на 1-2 ГПа в течение 5 часов и на 3-4 ГПа в течение трех суток. Также наблюдается восстановление оксидов на поверхности меди под действием водорода см. рис. 2 б). Еще одним практически важным эффектом является слипание витков световод друг с другом вследствие диффузии меди, что необходимо учитывать при эксплуатации металлопокрытых световодов при высоких температурах.
Таким образом, проведенные исследования подтвердили приемлемые эксплуатационные характеристики световодов в медном покрытии.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках проекта RFMEFI60417X0183.
Литература
1. Biswas D.R., Optical Engineering 1991 30(6), 772
2. Pinnow D.A, et al, Appl. Phys. Lett, 1979, v. 34, № 1, pp. 17-19
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
www.fotonexpres.rufotonexpres@mail.ru 191
