НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2007, том 43, № 3, с. 362-367
УДК 666.11.01
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СВЕТОВОДОВ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОЧИСТОГО КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА
© 2007 г. А. Ф. Косолапое, С. Л. Семенов, А. Н. Денисов
Научный центр волоконной оптики Российской академии наук, Москва Поступила в редакцию 03.10.2006 г.
Исследовано влияние технологических режимов вытяжки и окружающей среды на механическую прочность микроструктурированных световодов. Показано, что даже в случае уменьшения температуры вытяжки при соблюдении чистоты поверхности отверстий в заготовке удается получать высокопрочные световоды с незначительным количеством "слабых" точек. Влияние относительной влажности воздуха в отверстиях и воздействие различных жидкостей на прочность микроструктурированных световодов сходны с аналогичными воздействиями на стандартный световод.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее десятилетие активно разрабатываются и успешно применяются так называемые микроструктурированные (МС) или фотонно-кристал-лические световоды. Однако, несмотря на большое число публикаций на тему МС-световодов, их механические свойства исследованы мало [1, 2].
Можно предположить, что наличие продольных отверстий должно существенно ухудшать механические свойства МС-световодов. Дополнительная поверхность внутри отверстий световода может являться источником дефектов, способствующих разрушению световода. Кроме того, МС-световоды вытягиваются при пониженных температурах, а следовательно, с существенно большим натяжением. В некоторых случаях это приводит к возникновению дополнительных дефектов и больших механических напряжений в структуре световода. Поверхность отверстий в отличие от внешней поверхности световода не защищена полимерным покрытием, т.е. в большей степени подвержена влиянию водяных паров.
В то же время расчеты показывают, что наличие дополнительных полостей внутри световода может препятствовать росту трещин [1]. В [2] исследованы МС-световоды, прочность которых на 20% выше, чем у стандартных световодов, благодаря отверстиям, препятствующим распространению трещин. Однако приведенный в [2] уровень прочности стандартных световодов 55 Н (4.5 ГПа) явно занижен; типичный уровень прочности стандартных световодов составляет 68 Н (5.5 ГПа). Таким образом, реального увеличения прочности МС-световодов по сравнению со стандартными световодами не наблюдалось.
Также существует мнение, что незащищенные торцы МС-световодов подвержены деградации из-за растрескивания напряженной структуры вокруг световедущей сердцевины под действием проникающей в световод с торца влаги. При этом уровень проходящего сигнала может упасть на 10-15 дБ. Все это вызывает недоверие к данному типу световодов. В [3-5] описываются новые свойства и, соответственно, возможности МС-световодов в случае заполнения продольных отверстий различными жидкостями и газами. В связи с этим возникает вопрос о механической надежности МС-световодов, заполненных соответствующими веществами.
Отсутствие достоверных данных о механической прочности МС-световодов может существенно затруднить их практическое использование. Одна из причин отсутствия исследований прочности и надежности МС-световодов - их высокая стоимость (сотни долларов за метр), обусловленная сложной технологией. При исследованиях прочности и надежности необходимы сотни метров световода, так как в каждом эксперименте разрушается 20-30 одинаковых образцов длиной 1-2 м каждый, т.е. должна быть возможность изготовить их самостоятельно. Также при изготовлении образцов необходимо четко контролировать технологические режимы, чтобы разница в свойствах образцов не привела к искажению полученных данных1.
1 Проведение данной работы стало возможным благодаря тому, что Научном центре волоконной оптики РАН создан полный технологический цикл по получению МС-светово-дов и существует полный набор оборудования для изучения как оптических, так и механических свойств любых световодов.
1 15 кВ х 700
I 3
3 1 20 кВ х 600
20 мкм
I_I 2
20 мкм
20 кВ х 430
20 кВ х700
20 мкм
I_I
Рис. 1. Фотографии сколов образцов < 1, 2, 3, 4 (температура вытяжки ~1810, ~1835, ~1915, ~1940°С соответственно), полученные с помощью электронного микроскопа.
4
Цель данной работы - исследование влияния технологических режимов изготовления и окружающей среды на механическую прочность МС-световодов; изучение возможности оптической деградации МС-световодов под действием окружающей среды в местах ввода-вывода излучения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Было изготовлено несколько образцов МС-световодов (рис. 1). Заготовки всех исследуемых МС-световодов изготовляли из кварцевых стержней методом сверления (диаметр стержня 20-25 мм, диаметр высверливаемых отверстий 1.5-2.5 мм). После сверления заготовки подвергали травлению в плавиковой кислоте и промывали деиони-зованной водой. В зависимости от требуемой окончательной структуры заготовку либо вытягивали сразу в световод (образцы № 3 и 4, рис. 1), либо перетягивали в более тонкую заготовку, а затем подвергали процедуре "нахлопывания" дополнительной трубы из кварцевого стекла (образцы № 1 и 2, рис. 1).
Для предотвращения изменения размеров и формы отверстий во время вытяжки МС-свето-водов необходимо максимально возможно уменьшать температуру вытяжки. При этом возможны понижение прочности световода и его обрывы в процессе вытяжки. Поэтому температуру вытяж-
ки световодов уменьшали не более чем на 130°С (с 1940 до 1810°С). С целью же предотвращения схлопывания отверстий в них поддерживали контролируемое избыточное давление. Образцы № 1, 2, 3 и 4 вытягивали при температурах 1810, 1835, 1915 и 1940°С соответственно.
Образец № 4 (диаметр 125 мкм, длина 1 км) был специально изготовлен для механических испытаний. Для облегчения заполнения отверстий световода жидкостями и газами был сделан относительно большой (~18 мкм) диаметр отверстий. Для уменьшения возможного разброса значений механической прочности в различных сериях экспериментов вся длина световода была поделена на 500 отрезков по 2 м, которые были собраны в 25 групп по 20 образцов в каждой.
Испытания на прочность проводили с использованием разрывной машины ¡шйоп 6022. Во всех испытаниях на прочность вместе с МС-световодами тестировали стандартный световод (диаметром 125 мкм и в таком же полимерном покрытии, что и МС-световоды), который выдерживали в тех же условиях, что и МС-световоды.
Для изучения деградации торцов МС-светово-дов был выбран образец № 2. Свет от стабилизированного суперлюминесцентного диода вводили в изучаемый световод с помощью стандартного световода SMF28, который был приварен к МС-
ln(ln(1/(1 - F)) 1
0
-2
-3
1 2 3 4 5 6 7
Прочность, ГПа
Рис. 2. Графики Вейбулла прочности на растяжение образцов № 1-4; скорость растяжения 100 мм/мин, испытываемая длина 230 мм, относительная влажность воздуха 30%.
световоду. Выходной изучаемый торец МС-све-товода стыковывали также с одномодовым световодом SMF28 с помощью трехкоординатной подвижки. Сигнал регистрировали с помощью оптического мультиметра AQ 2150.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Все МС-световоды, представленные на рис. 1, были изучены на прочность в лабораторных условиях (рис. 2). Заметное количество "слабых" точек, по-видимому, связано с неоптимальной процедурой отчистки поверхности отверстий после сверления. Оставшиеся инородные включения или дефекты на поверхности заготовки приводят к снижению качества световода. Подобная проблема существует и для стандартных световодов.
Также было исследовано влияние огневой полировки на количество дефектов в МС-светово-дах. Известно, что полировка заготовки в пламени кислородно-водородной горелки существенно уменьшает количество дефектов на поверхности. Благодаря этой процедуре, стандартные световоды демонстрируют стабильную высокую прочность и очень малое число "слабых" точек (один дефект на десятки км). Поэтому заготовки световодов № 1 и 4 после сверления и травления полировали в пламени кислородно-водородной горелки. Следует заметить, что внутренняя поверхность отверстий полируется не так эффективно, как внешняя. При огневой полировке с внешней поверхности заготовки испаряется и уносится пламенем некоторое количество кварцевого стекла, тогда как с внутренней поверхности отверстий уноса вещества не происходит, а имеет место лишь
некоторое оплавление поверхности. Тем не менее, для световодов № 1 и 4 отмечались существенно большая прочность и меньшее количество дефектов по сравнению со световодами № 2 и 3. Следует также отметить, что температура вытяжки световода № 1 была ниже на 130°С, чем температура вытяжки световода № 4, но, несмотря на это, оба световода демонстрируют достаточно высокий уровень прочности. Таким образом, понижение температуры вытяжки на величину порядка 100°С существенно не влияет на уровень прочности МС-световодов. Этот факт указывает на возможность изготовления высокопрочных МС-световодов большой длины с малым количеством дефектов при условии дальнейшего улучшения процедуры полировки поверхности отверстий заготовки.
Из рис. 2 видно, что основное количество разрывов образца № 4, изготовленного для механических испытаний, происходит в высокопрочной моде. Очень малый разброс прочности в этой моде позволяет изучить влияние различных условий окружающей среды на механические свойства данного МС-световода, а также провести измерения параметра статической усталости (n).
Сравнение прочности МС-световода со стандартным световодом в лабораторных условиях (относительная влажность воздуха 39%, температура 23°С) показало, что усилие, необходимое для разрыва МС-световода, существенно меньше, чем для стандартного световода. Но если при расчете натяжения принять во внимание различие в площадях поперечного сечения (площадь поперечного сечения МС-световода на 25% меньше из-за отверстий), то разница в прочности составит всего 0.5 ГПа (рис. 3а). Это различие можно объяснить тем, что защитное полимерное покрытие в некоторой степени препятствует проникновению влаги к поверхности стандартного световода, тогда как поверхность внутри отверстий МС-све-товода остается неза
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.