НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2007, том 43, № 4, с. 501-505
УДК 546.19+546.23-161.6
МИКРОЛИКВАЦИЯ СТЕКОЛ СИСТЕМЫ As-S-Se ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ МЕТОДОМ ДВОЙНОГО ТИГЛЯ
© 2007 г. М. Ф. Чурбанов*, В. С. Ширяев*, А. А. Пушкин*, В. В. Герасименко*, А. И. Сучков*, В. С. Поляков*, В. В. Колташев**, В. Г. Плотниченко**
*Институт химии высокочистых веществ Российской академии наук, Нижний Новгород **Научный центр волоконной оптики Российской академии наук, Москва Поступила в редакцию 10.10.2006 г.
Исследованы причины возрастания оптических потерь от начала к концу световода из сульфоселе-нидных стекол, полученного в одном процессе при вытяжке волокна из двойного тигля. Методами оптической микроскопии, ИК- и КР-спектроскопии, рентгеновского микроанализа с дисперсией по энергии и ДСК показано, что в процессе вытяжки в стекле сердцевины световода появляются микронеоднородности фазового и химического состава, рассеивающие излучение. Возникновение мик-ронеоднородностей происходит вследствие микроликвации расплава стекла.
ВВЕДЕНИЕ
Стекла системы As-S-Se как материалы для волоконной оптики привлекательны тем, что ряд их характеристик имеет промежуточные значения в сопоставлении со стеклообразными As2Sз и As2Seз. Это относится к спектральному интервалу прозрачности, механической прочности, устойчивости к кристаллизации. Поэтому волоконные световоды с малыми оптическими потерями из суль-фоселенидов мышьяка с соизмеримым содержанием серы и селена используются на практике.
К настоящему времени методом двойного тигля получены такие световоды с минимальными оптическими потерями 60 дБ/км на длине волны 4.7 мкм [1]. В спектре пропускания сульфоселе-нидных световодов отсутствует полоса поглощения с максимумом на 4.57 мкм ^еН-группа) и мала интенсивность полос с максимумами на 5.17 и 5.56 мкм, что выгодно отличает их от селенидных и сульфидных световодов, соответственно. Измерение оптических потерь в сульфоселенидных световодах, изготовленных методом двойного тигля, показало, что в начальных участках световода потери существенно ниже, чем в участках, полученных в конце вытяжки. Метод двойного тигля при вытяжке халькогенидных световодов обеспечивает их более высокую механическую прочность по сравнению с методом "штабик-трубка" [2]. Поэтому выявление особенности этого метода применительно к изготовлению световодов из халькогенидных стекол является актуальным.
Цель данной работы - выяснение причин возрастания оптических потерь в световодах в процессе их вытяжки из расплава методом двойного тигля.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Эксперимент включал изготовление световодов при разных температурно-временных режимах, измерение оптических потерь в них как функции длины изготовленного волокна, исследование участков световода с разными оптическими потерями методами оптической микроскопии и рентгеновского микроанализа.
Методика изготовления световодов была следующей. Образцы стекол сердцевинного и оболо-чечного составов в виде стержней помещали в соответствующие емкости двойного тигля (рис. 1). В эти емкости через уплотняющие устройства подавали инертный газ. Температуру термостата поднимали до температуры деформации стекла и затем до рабочего значения. Расплав затекал в круглый и кольцевой каналы фильеры, после чего над сердцевинным и оболочечным расплавами устанавливали давление инертного газа, обеспечивающее необходимую скорость течения каждого из них. Температура каналов фильеры была ниже температуры термостата. На выходе из фильеры образовывалась так называемая "луковица", из которой вытягивался световод, наматываемый на барабан приемного устройства. Изменяемыми параметрами процесса были температура расплава и время пребывания его при заданной температуре. Вытяжку световода проводили до полного расхода расплава в тигле. Более детальное описание эксперимента по изготовлению световодов из
Оптические потери, дБ/м 101
100
10
Рис. 1. Конструкция двойного тигля для вытяжки световодов: 1 - стекло сердцевины световода, 2 - стекло оболочки световода, 3 - емкости для загрузки цилиндрических слитков стекол сердцевины и оболочки световода, 4 - уплотнение со штуцером для подачи инертного газа, 5 - концентрические фильеры двойного тигля, 6 - термостат, 7 - печь нагрева фильеры.
халькогенидных стекол методом двойного тигля приведено в [3].
-1
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0
X, мкм
Рис. 2. Изменение спектра полных оптических потерь в световоде № 7 (таблица) по длине световода: участок световода от начала вытяжки <60 (1), 70 (2), 75 (3), 100 (4), 150 м (5).
Оптические потери измеряли стандартным методом [4]. Точность измерения составляла около ±4% при доверительной вероятности 0.95 для уровня потерь 1 дБ/м. Измерения выполняли на кусках световода длиной 5-10 м, взятых из начального и промежуточного участков волокна, и 1-3 м для конечных участков.
Была осуществлена микрофотосъемка поперечных сечений световода для участков с разными оптическими потерями. Торцы отрезков световода длиной в 30-50 см фотографировали на просвет камерой ХЫтк ^Х-ХУР510. Спектральный интервал чувствительности камеры 0.4-0.95 мкм.
Также исследовали распределение макрокомпонентов по поперечному сечению световодов. Для этого использовали метод рентгеновского микроанализа с дисперсией по энергии на растро-
Оптические потери в световодах из стекол системы As-S-Se
< образца Стекло сердцевины Температура расплава, °С Продолжительность вытяжки, ч Оптические потери, дБ/км
начальный участок конечный участок
1 ^36.2^9.1^34.7 332 1.5 60 350
2 ^39^2^29 340 0.4 700 850
3 ^39^2^29 335 1 400 600
4 ^38^6^26 335 1.5 400 800
5 ^37.6^8.3^34.1 330 0.5 500 500
6 ^37.4^7.9^34.7 300 3 600 1500
7 ^35.2^5.2^29.6 297 4 200 10000
8 ^35.9^0.2^33.9 297 1.5 500 1200
вом микроскопе SEM-515, оснащенном энергодисперсионным детектором EDAX 9900 (США). По диаметру световода с шагом 10-20 мкм были исследованы участки диаметром 1 мкм.
Термический анализ образцов стекла выполняли на синхронном термическом анализаторе STA 409 PC Luxx с калориметрической чувствительностью 1 мкВ/мВт и точностью по температуре ±1 K.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
В таблице приведены данные об оптических потерях в сульфоселенидных световодах, изготовленных в различных температурно-времен-ных режимах.
На рис. 2 представлен спектр полных оптических потерь световода № 7 (таблица). Температура расплава при вытяжке составляла 300°С, тем-
Рис. 4. Микрофотографии поперечного сечения различных участков световода № 7 (таблица): участок световода от начала вытяжки <60 (а - сердцевина, Ь - отражающая оболочка световода) (1), 70 (2), 75 (3), 100 (4), 150 (5), 180 м (6).
Оптические потери, дБ/м
10 Г
9 " I
8 - (\
X, мкм
Рис. 3. Изменение спектра полных оптических потерь в световоде № 8 (таблица) по длине световода: участок световода от начала вытяжки <45 (1), 70 (2), 100 м (3).
Рис. 5. Распределение макроэлементов по торцу световода № 7 (таблица): а - начальный участок, б - середина, в - конечный участок.
пература фильеры - 245°С. Диаметр сердцевины световода - 490 мкм, толщина отражающей стеклянной оболочки - 50 мкм. Время разогрева стекла в тигле при рабочей температуре составляло 30 мин. Продолжительность вытяжки была 4 ч, скорость вытяжки световода - 1 м/мин. Это эквива-
Температура, °С
Рис. 6. ДСК-кривые стекла световода № 7 (таблица): 1 - исходный образец, 2 и 3 - начальный и конечный участки световода соответственно.
лентно объемной скорости течения 0.31 и 0.14 см3/с через круглый и кольцевой каналы фильеры соответственно. Кривые 1-5 соответствуют времени пребывания расплава при температуре вытяжки 30-90, 100, 105, 130 и 180 мин соответственно.
На рис. 3 приведен спектр оптических потерь световода № 8 (таблица). Температура расплава и фильеры составляла 297 и 245°С соответственно.
На рис. 4 приведены снимки поперечного сечения участков световода № 7, соответствующих кривым оптических потерь на рис. 2. Номера снимков совпадают с номерами кривых оптических потерь.
Рис. 5 показывает распределение макроэлементов по торцу начального, срединного и конечного участков световода № 7 (таблица). На рис. 6 приведены ДСК-кривые стекла световода № 7 в различных участках.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Из таблицы видно, что оптические потери существенно выше в конечной части световода. Увеличение продолжительности вытяжки вызывает прирост оптических потерь, практически одинаковый в исследованном спектральном диапазоне (см. рис. 2 и 3). Интенсивность примесных полос поглощения при этом остается неизменной.
Это говорит в пользу того, что прирост потерь обусловлен рассеянием на оптических неоднород-ностях с размерами, превышающими длину волны проходящего света. Видно, что большая длительность вытяжки ведет к более значительному возрастанию потерь.
Рис. 4 показывает возникновение и развитие по ходу вытяжки оптических неоднородностей в сердцевине световода № 7. Аналогичные неоднородности наблюдали в световодах № 6 и 8.
Спектры комбинационного рассеяния непрозрачной сердцевины световода из конечной части световода показывают стеклообразный характер материала сердцевины. Из рис. 5 видно, что на начальных участках световодов мышьяк, сера и селен распределены в сердцевине световода достаточно равномерно. В участках световодов, вытянутых при продолжительной выдержке сульфоселенидного стекла в термостате, наблюдаются значительные локальные отклонения содержания макрокомпонентов от среднестатистического значения.
Совокупность наблюдаемых результатов непротиворечиво объясняется протеканием фазового расслоения (ликвации) в расплаве сульфоселенидного стекла в процессе вытяжки. Вероятно, рабочая температура вытяжки находится в интервале температур субликвидусного расслоения, при которых исходный расплав может распадаться на две фазы разного химического состава. В расплаве образуются микрочастицы новой фазы и по ходу вытяжки возрастают их содержание и размеры. Следствием этого будет более интенсивное рассеяние света, идущего по сердцевине световода, и уменьшение ее прозрачности.
Для проверки этого предположени
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.