Оптимизация оптических и прочностных свойств световодов, изготавливаемых MCVD методом Кулеш Алексей Юрьевич

Содержание к диссертации

Введение

1 Аналитический обзор источников информации 16

1.1 Оптические свойства кварцевых волоконных световодов 16

1.2 Прочность кварцевого волокна 30

1.3 Влияние температуры вытягивания на оптические и прочностные свойства кварцевых волоконных световодов 35

Выводы к главе 1 38

2. Методы исследований 39

2.1 Изготовление волоконных световодов 39

2.2 Измерения оптических свойств ВС 41

2.3 Исследование прочности световодов 44

2.4 OVD метод осаждения кварцевого стекла на заготовку 49

2.5 Тепловая и химическая обработка световодов 53

2.6 Методы электронной и силовой микроскопии 55

3. Температура вытягивания и оптические свойства световодов 57

3.1 Оптические потери германосиликатных ВС 57

3.2 Оптические характеристики волоконных световодов W типа 68

3.3 Поляризационные свойства анизотропных одномодовых ВС 76

3.4 Выводы к главе 3 84

4. Факторы, влияющие на прочность вс 85

4.1 Влажность окружающей среды 85

4.2 Кристаллизация заготовок и волокна 92

4.3 Обработка ВС в парах тетрахлорида кремния 105

4.4 Обработка ВС в слабом растворе соляной кислоты 109

Выводы к главе 4 113

Заключение 114

Литература 116

• Влияние температуры вытягивания на оптические и прочностные свойства кварцевых волоконных световодов
• Измерения оптических свойств ВС
• Тепловая и химическая обработка световодов
• Поляризационные свойства анизотропных одномодовых ВС

Введение к работе

Актуальность Научно-технический прогресс конца 20 и начала 21 века в значительной степени обязан успехам оптической науки и оптического материаловедения в части высоких достижений, как в технологии световодов, так и в разработке сопряженных с ними различных оптико-электронных систем. Разветвленная международная телекоммуникационная сеть оптической связи на основе кварцевых волоконных световодов (ВС) радикально повысила уровень информационного обеспечения, раскрывая тем самым безграничные возможности ускоренных темпов развития высоких технологий.

Другая не менее важная для научно-технического прогресса область применения ВС - это создание на их основе оптико-электронных устройств самого разнообразного назначения, как для гражданских, так и для военных объектов.

Наиболее сложные конструкции оптических волокон реализуются модифицированным методом химического парофазного осаждения (MCVD -Modified Chemical Vapor Deposition)[l]. Его универсальность в отличие от других методов химического парофазного осаждения позволяет производить световоды всех типов.

Последнее время особо востребованы световоды с повышенным содержанием диоксида германия (более 20 мол. %) для таких устройств как: рамановские волоконные лазеры и усилители, анизотропные одномодовые световоды с эллиптичной сердцевиной, нелинейные переключатели и волоконные брегговские решетки. Однако для высоколегированных Ge0₂ световодов MCVD способ их изготовления обладает существенным недостатком. В процессе высокотемпературного сжатия трубки с осажденными слоями германосиликатное стекло сердцевины обедняется кислородом [2], образуются кислородно-дефицитные германиевые центры. Это приводит к возникновению избыточных оптических потерь, увеличивающихся с содержанием Ge02 и температурой вытягивания [3]. Природа этого явления окончательно не установлена. Устранение таких избыточных оптических потерь возможно, если вытягивание волокна производить при температуре ниже 1880С [4], что, однако, приводит к резкому падению прочности ВС.

Температура вытягивания анизотропных одномодовых ВС (АОВС) может влиять и на другие его оптические свойства такие как: двулучепреломление (ДЛП), коэффициент связи поляризационных мод (h-параметр) [5], длину волны отсечки высшей моды (Хь) и длину биений ортогональных мод (Lb) [6].

Особое внимание уделяется разработке MCVD методом световодов W типа с сердцевиной из кварцевого стекла и депрессированной фторсиликатной оболочкой (ДФО). Эта технология исключает необходимость использования дорогостоящих реагентов (GeCl4, * РОС1₃) и обеспечивает возможность достижения особо малого коэффициента оптических потерь (а), равного 0,3 дБ/км, и высокой радиационно-оптической устойчивости (РОУ).

Повышение оптических свойств ВС диктует необходимость новых подходов в обеспечении требуемого уровня их прочности, что можно достичь как в процессе изготовления заготовок и вытягивания волокна, так и при разработке методов упрочнения световодов, защищенных полимерным покрытием.

Поэтому оптимизация оптических и прочностных свойств ВС, изготавливаемых MCVD методом, является актуальной проблемой, необходимость решения которой продиктована разработкой световодов, востребованных развитием современных оптоэлектронных средств новой техники гражданского и оборонного назначения.

Цель работы заключается в исследовании влияния конструктивных и технологических параметров кварцевых световодов, изготавливаемых MCVD методом, на их оптические и прочностные свойства.

Поставленная цель определяет необходимость решения следующих задач:

1 .Модификацию конструкции германосиликатных световодов и режимов их вытягивания для направленного изменения величины дополнительных оптических потерь, без деградации прочностных параметров ВС;

1. Исследование влияния конструктивных и технологических параметров световодов W типа и АОВС, на оптические потери, радиационно-оптическую устойчивость и ^-параметр,

2. Изучение проблемы прочности ВС, связанной с влиянием на нее влаги окружающей среды и кристаллизации кварцевых волокон с рекомендацией улучшения их механических свойств.

Методы исследования, использованные в работе: MCVD метод изготовления ВС с измерением их параметров: а, Хь, Lb, /7-параметра и прочности. Радиальный профиль показателя преломления (ПП) заготовки измеряли рефрактометром Р-101. Световоды исследовали также атомно-силовой и электронной микроскопией, подвергали термохимической обработке.

Научная новизна работы:

1. Показана возможность устранения избыточных оптических потерь в
высоколегированных Ge02 световодах при одновременном повышение их
прочности, что достигается формированием боросиликатной оболочки на
поверхности заготовки и снижением температуры вытягивания волокна.

2. Предложена математическая модель, позволяющая рассчитать
температурные режимы вытяжки германосиликатных световодов с заданным
распределением оптических потерь на рассеяние для изготовления равномерно
излучающих по длине ВС.

3. С увеличением температуры вытяжки АОВС с эллиптичной оболочкой растет ДЛП и снижается /7-параметр, что обусловлено гидростатическим механизмом формирования азимутальных напряжений в ВС.

4. Влага окружающей среды не влияет на прочность кварцевого стекла при давлении паров воды менее 0.1 Па, при котором механически

стимулированный процесс роста трещины трансформируется в термофлуактационный.

5. В процессе вытягивания кварцквого вогокна на аго поверхности образуется слой кристобалита толщиной не менее 3 нм, что может являться фактором, ограничивающим прочность ВС.

Практическая значимость работы:

1. Предложены конструктивные и технологические решения для
устранения избыточных оптических потерь ВС, высоколегированных
германием.

2. Разработана технология излучающих протяженных германосиликатных
ВС с переменным по длине коэффициентом оптических потерь.

3. Рекомендованы многомодовые световоды W-типа для повышения
эффективности приборов и методов, использующих изгиб кварцевого
оптического волокна.

4. Показана возможность повышения оптических свойств одномодовых
радиационно-стойких ВС W типа с фторсиликатной оболочкой при
легировании сердцевины дейтерием в процессе высокотемпературного сжатия
заготовки.

5. Достигнут высокий уровень ДЛП АОВС с эллиптичной германо-силикатной сердцевиной, снижение оптических потерь которой можно осуществить модификацией заготовки боросиликатной оболочкой и вытягиванием волокна при низких температурах.

6. Предложен простой метод увеличения на 10 % долговечности ВС посредством их обработки в парах тетрахлорида кремния или слабом растворе соляной кислоты.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Избыточные оптические потери одномодовых ВС с повышенным содержанием Ge02 определяются концентрационной неоднородностью состава сердцевины, а не состоянием границы ее раздела с оболочкой.

2. Вытяжка ВС при низких температурах и нанесение боросиликатной оболочки на заготовку обеспечивает существенное снижение избыточных оптических потерь германосиликатных световодов при одновременном повышении их прочности.

3. Снижение вязкости при введении дейтерия в сердцевину из чистого кварцевого стекла одномодовых световодов W типа устраняет влияние температуры их вытягивания на длину волны отсечки высшей моды.

4. Коэффициент связи поляризационных мод в АОВС с эллиптичной напрягающей оболочкой (ЭНО) снижается при увеличении ее эллиптичности до 0,53, однако дальнейшее ее увеличение не приводит к улучшению h-параметра из-за искажения формы ЭНО.

5. Повышение прочности ВС, обработанных в парах тетрахлорида кремния или слабом растворе соляной кислоты обусловлено изменением морфологии состояния поверхности кварцевых волокон.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и научных школах: XV Всероссийской конференции и VIII школе молодых ученых “Высокочистые вещества и материалы. Получение, анализ, применение” (Н.Новгород, Россия, 2015); 12th International Conference on Fundamental and Applied Aspects of Physical Chemistry (Сербия, Белград, 2014); Международных конференциях "Прикладная оптика-2010, 2014" (СПб, Россия, 2010, 2014), II Всероссийском конгрессе молодых ученых (СПб, Россия, 2013); III, IV Международной конференции по химии и химической технологии (г. Ереван, Армения, 2013, 2015); 5-ой Всероссийская конференция по волоконной оптике (Россия, г. Пермь, 2015).

Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные ее положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора. Автор сформулировал цель и задачи исследований, разрабатывал методы исследований, анализировал их результаты и формировал выводы. Подготовка к публикации результатов проводилась совместно с научным руководителем и соавторами.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 17 печатных работах, из которых 5 входят в перечень ВАК и 1 в списки Scopus и Web of Science. Помимо научных статей и конференций, получено три патента.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Общий объем диссертации - 134 страницы, включая 46 рисунков, 5 таблиц и библиографию, содержащую 104 наименования.

Влияние температуры вытягивания на оптические и прочностные свойства кварцевых волоконных световодов

Оптические потери не зависящие от длины волны (осс) обусловлены, в основном, неоднородностью высоко легированного германосиликатного стекла, дефектами опорных кварцевых труб, качеством полимерного покрытия и условиями намотки ВС на катушку. Рэлеевское рассеяние света вызвано анизотропией плотности световедущей части на микродефектах стекла значительно меньших длины волны X. ауф определяется зонной структурой электронных переходов, (Хпр и аОН зависят от содержания красящих примесей и ОН групп соответственно.

Для германосиликатных ВС, предназначенных для работы в особо прозрачном участке спектра (на длине волны 1,5 мкм) оптические потери определяются, в основном, следующими компонентами: ас , (Хр , (ХОН .

Высоко легированные диоксидом германия (более 20 мол. %) ОВС обладают высоким уровнем избыточных оптических потерь, определяющих основной вклад в "серые" потери (осс). Исследованию механизмов их образования посвящено много публикаций, однако природа этого явления окончательно все еще не изучена. Их величина существенно растет с увеличением содержания диоксида германия и температуры вытягивания волокна. Авторы работы [10] считают, что это явление связано с аномально высоким уровнем малоуглового рассеяния на неоднородностях границы раздела сердцевина-оболочка из-за разной вязкости пограничных областей, так как вязкость сердцевины существенно ниже вязкости окружающей ее оболочки. Такой механизм назван гидродинамической неустойчивостью. Однако дополнительное легирование германосиликатной сердцевины фтором приводит к еще большему снижению вязкости сердцевины, но избыточные оптические потери при этом не растут из-за повышения гидродинамической неустойчивости, а, наоборот, падают [11]. По мнению авторов работы [12] благотворное влияние фтора обусловлено не внедрением его в стекло, а уменьшением размера осаждаемых частиц, повышением однородности стекла. Роусон [13] считает, что малоугловое рассеяние обусловлено иглообразными неоднородностями стекла, которые формируются в процессе вытягивания волокна. В публикациях [2, 14] авторы связывают избыточные оптические потери с восстановлением германосиликатного стекла в процессе высокотемпературного сжатия заготовки. Тогда благотворное влияние фтора на оптические потери германосиликатных ОВС можно объяснить его окислением, так как при этом снижается интенсивность полосы поглощения на длине волны 0,24 мкм [15]. Радиальное распределение люминесценции на длине волны 0,39 мкм, связанной с кислородно-дефицитными германиевыми центрами, свидетельствует об их повышенном содержании в центре и на периферии сердцевины [16].

Величина (Ор) обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени [9]: ар = AХ-4 , (1.6) где: А - параметр, определяющийся составом стекла и температурой вытяжки ВС. Имеет размерность мкм4дБ/км. Для чистого кварцевого стекла А 0,8 [мкм4 дБ/км]

В стеклах на основе одного компонента коэффициент оптического затухания, определяющийся рэлеевским рассеянием за счет колебаний плотности световедущей части, может быть представлен следующим выражением [17]: р = (8t/3V-T/ (і.?) где: X - длина волны света, п - ПП материала, к- постоянная Больцмана, /? -изотермическая сжимаемость при фиктивной температуре 7} (в процессе остывания это температура, при которой стабилизируется внутренняя структура стекла). Tf зависит от химического состава материала и его температурной предистории, а так же отличается от температуры стеклования. В легированном кварцевом стекле коэффициент рэлеевского рассеяния А определяется флуктуацией как плотности, так и состава [9]. Для кварцевого стела, легированного германием и фтором А линейно зависит от относительной разности показателей преломления сердцевины и оболочки () в % [18]: А =Ао(1+ 0,41) для германосиликатного стекла (1.8) А =Ао(1+ 0,44) для фторсиликатного стекла, (1.9) где, Ао - коэффициент для кварцевого стекла, равный, 0,8 мкм4дБ/км [9]. При введении малых количеств добавок (Na, К, Р2О5), снижающих вязкость кварцевого стекла, А уменьшается на 10-20 % [19]. Наличие ОН групп в стекле повышает уровень оптических потерь в определенных участках оптического спектра. На длину волны 1,55 мкм существенное влияние оказывает поглощение первого обертона О-Н колебаний с максимумом поглощения в 50 дБ/км /ррт на длине воны 1,38 мкм.

Замена легкого изотопа водорода (протия) на дейтерий приводит к смещению этой полосы поглощения в длинноволновую область оптического спектра с 1,38 до 1,83 мкм. (таблица 1.1). Поэтому О-D колебания не влияют на оптические потери волоконных световодов, предназначенных для работы на длине волны 1,55 мкм.

Второй Комбинац Первый Второй Комбинац Тип колебаний обертон ионные колебания обертон обертон ионные колебания Длина волны, мкм 0,95 1,25 1,38 1,26 1,65 Интенсивность поглощения, 1 2 50 1 2 дБ/км /ррm Следует также учитывать «серые» оптические потери, обусловленные изгибом ВС. Они достаточно быстро увеличиваются при достижении определённого критического радиуса изгиба. Этот радиус изгиба зависит от числовой апертуры ВС и колеблется от нескольких миллиметров для высокоапертурных волокон до десятков сантиметров у одномодовых световодов с большой площадью поперечной моды. Зависимость оптического затухания в сердцевине ОВС от радиуса изгиба является осциллирующей за счёт резонансного взаимодействия моды сердцевины с оболочечными модами и может быть выражена через преобразование Фурье [19]:

Измерения оптических свойств ВС

Измерения прочности ВС проводили по двум методикам, в зависимости от длины образца. Для коротких отрезков волокна использовали метод двухточечного изгиба, а для длинных - метод разрыва.

В первом случае отрезок ВС с наружным диаметром равным приблизительно 0,2 мм и длиной 50-60 мм вдавливается пластиковым толкателем до упора в каналы металлических пластин, предварительно разведенных до 3-4 мм. Пластины сводятся вращением микрометрического винта до разрушения волокна. С микрометрической головки считывается значение диаметра нейтральной оси волокна (А). Показания головки микрометра учитывают (рисунок 2.3) перемещение пластины (а), диаметр канала при сведенных пластинах (Ао =1,5 мм) и диаметр световода в полимерном покрытии (d 0,2 мм.): А= а + Ао- d .

Прочность рассчитывается по формуле [58]: а = Ео [l+6,9/2(l,219d/A-l,137(d/A)2)](l,219d/A-l,137(d/A)2) ГПа, (2.5) где d - диаметр стекловолокна (0,125 мм); А - расстояние между нейтральными осями петли волокна, мм.; Ео = 73,5 ГПа. При использовании метода двухточечного изгиба под нагрузкой оказывается только часть поверхности световода на длине порядка 1 мм, поэтому данный метод особенно удобен при исследовании образцов с высокой однородностью прочности по длине.

Для измерения прочности длинных отрезков волокна использовалась следующая методика (рисунок 2.4). Один конец волокна крепился в электроприводе (1), а другой зажимался на подвижном ролике (2), жёстко соединённым с грузом (4). При натяжение положение груза изменялось до момента разрыва, который фиксировался на шкале динамометра (5). Усилие в момент разрыва преобразуется в прочность по формуле: a = F/S, (2.6) где F – усилие в момент разрыва, S – площадь поперечного сечения кварцевой части световода.

Схема измерения прочности ВС методом двухточечного изгиба: А - расстояние между нейтральными осями петли волокна, d и d -диаметр световода и стекловолокна соответственно, а - перемещение пластины [59]. Рисунок2.4. Измерение прочности ВС методом разрыва. 1 – электропривод, 2 – ролик, 3 – волокно, 4 – груз, 5 – измерительная шкала, 6 – зажим

Для статистической обработки совершались выборки из, по крайней мере, 20-ти измерений, проведённых одним из вышеописанных способов. С целью снижения погрешности измеряемой величины определяли среднее арифметическое значение прочности волокна для конкретной серии образцов. На графиках указан интервал погрешности, соответствующий правилу «2 сигм». С вероятностью близкой к единице (0,95) можно утверждать, что значения нормально распределенной случайной величины лежат в интервале (а-2у; а+2у), где а - среднее арифметическое значение, у - среднее квадратичное отклонение. Если проведено 100 испытаний, то результаты 95 испытаний принадлежат указанному промежутку.

В связи с тем, что появление трещин или неоднородностей на поверхности вытянутого стекловолокна является случайным процессом, прочностные характеристики так же не могут быть описаны однозначно. Через модель слабого звена можно выразить усталость ВС без каких-либо утверждений о природе разрыва и статистической обработки частоты появления неоднородностей. Если N(CT) - число неоднородностей на поверхности ВС длиной L0, приводящих к его обрыву при приложении растягивающего усилия меньше, чем а, то вероятность обрыва F(a) для ВС продолжительностью / при воздействие на него с усилием a [34]: F(a) = 1 - exp [- il/lo) N(a)]. (2.7) Для раличных ВС, Вейбуллом на основе многочисленных опытов подтверждена законность выражения: N(a) = (a/aof, (2.8) где m - коэффициент вариации. В итоге, распределение Вейбулла может быть представлено как [60]: F(a) = 1 - exp [- (l/l0) (a/a0)m]. (2.9) Путем логарифмирования, его можно привести к виду In (In (1/(1- F(a)))) = m ln(a) + ln(/) + const. (2.10) В результате в системе координат In (In (1/(1- F))) от ln(a) зависимость F(a) показывает прямую тангенсом наклона т. Чем меньше диапазон динамической усталости (однороднее вариация прочности и больше коэффициент вариации т), тем больше улог наклона прямой.

Для представления распределение Вейбулла в графическом виде (разброс прочности в вышеупомянутой системе координат), необходимо измерить на прочность п отрезков ВС равной длины и распределить полученные результаты в ряд по увеличению. Затем каждому измерению (по очерёдности номера к) нужно сопоставить вероятность F(ak) = к/(п+1). Как показывают результаты реальных измерения, не всегда удаётся чётко сопоставить график с наклонной прямой коэффициента вариации. В основном, наблюдаются два разнохарактерных участка распределения прочности: с большим наклоном (m 50-80), показывающий однородное состояние поверхности, и участок с малым наклоном (m 1-5), который характеризуется более крупными непроплавленными дефектами. 2.4 OVD метод осаждения кварцевого стекла на заготовку С целью повышения прочности волокна разработан способ формирования на наружной поверхности заготовок пористой оболочки из диоксида кремния методом OVD с последующим его спеканием (рисунок 2.5, 2.6).

Тепловая и химическая обработка световодов

Среди известных конструкций одномодовых ВС оптимальным сочетанием низкого оптического затухания и высокой радиационной устойчивостью обладают ВС W-типа со световедущей частью из чистого кварцевого стекла и фторсиликатной оболочкой с ПП, пониженным относительно сердцевины (депрессированная оболочка). Минимальный уровень оптических потерь (0,13 дБ/км) достигается на длине волны 1,55 мкм и соответствует коэффициенту рэлеевского рассеяния, равным для чистого кварцевого стекла 0,75 мкм4 дБ/км [65]. Характерный для таких волокон профиль ПП заготовки представлен на рисунок 3.3.

Потери на рассеяние происходят на микронеоднородностях плотности материала сердцевины. Поэтому с увеличением температуры вытягивания волокна рассеяние растет. Легируя кварцевое стекло малыми добавками F [66] или Н20 [67] происходит уменьшение вязкости и Тf, что благоприятно влияет на оптическое затухание.

Особенности производства таких световодов MCVD методом приводят к уменьшению ПП световедущей части из-за внедрения в нее F из оболочки и присутствия остаточных напряжений [6]. Это вызывает снижение оптической стойкости световода при изгибе, повышает уровень оптических потерь и понижает значение длины волны отсечки ХС [65].

Поэтому целесообразно исследовать влияние легирования сердцевины одномодовых волоконных световодов W типа водой на его оптические характеристики и радиационно-оптическую устойчивость.

Преформы для таких световодов производили MCVD методом [39], включающим процесс осаждения слоев фторсодержащей депрессированной оболочки и световедущей части из чистого кварцевого стекла.

Из полученных MCVD методом заготовок изготавливали на башне вытяжки ВС диаметром 125+1 мкм при температурах печи вытягивания 2000 и 2150 + 10 оС [65] с F соответствующим 40 и 7 граммам соответственно. При этом ВС покрывали защитной УФ-отверждаемой полимерной оболочкой размером 35+1 мкм.

В процессе высокотемпературного сжатия были получены две различные оптические заготовки и вытянуты соответствующие им ВС. В преформах для световодов типа I коллапсирование проводили в среде чистого Ог. Для световодов типа II 02 разбавляли парами тяжелой воды с дополнительным содержанием в них изотопов водорода: протия и дейтерия.

Радиальный профиль показателя преломления в преформах снимали на рефрактометре модели Р-101. Для снижения оптического затухания диаметр фторсодержащей оболочки в преформах в 8 раз превышал диаметр световедущей части [65]. Разность показателя преломления световедущей части и фторсодержащей оболочки составляла 0,009.

Спектральную зависимость оптического затухания () ВС измеряли методом обрыва, а затухание в процессе и после -облучения определяли методом обратного рассеяния, используя рефлектометр марки МРТ 9000 В [65].

Концентрацию ОН и ОD - групп (СОН, СOD) в световедущей части находили по значению коэффициента оптического затухания световодов типа II на длинах волны 1,38 и 1,65 мкм с соответствующими коэффициентами ослабления 30 и 2 дБ/км/ppm.

Радиационное воздействие на ВС производили в установке К-120000 с использованием источника Со60 при суммарной дозе 1кГр в течение 1 часа. Мощность облучения 0,28 Гр/с.

Результаты исследования характеристик волоконных световодов, полученных при двух различных температурах (таблица 3.2), доказывают сильное влиянии концентрации OH-групп в световодах на ХС [65].

Влияние температуры вытяжки световодов на длину волны отсечки ХС, мкм Температура, оС 2000 2150 ВС типа I 1,22 1,29 ВС типа II 1,31 1,31 СОН и СOD в световедущей части волокон типа II соответствовало величинам 15 и 7 ppm. Даже такая малая концентрация OH-групп в чистом кварцевом стекле привела к невиляции остаточных напряжений в световедущей части, приводящих к смещению длины волны отсечки высших мод. В ВС типа I при величине СОН равной 0,1 ррт, длина волны отсечки высших мод смещается с температурой вытяжки, что говорит о нехватке концентрации воды для ослабления внутренних напряжений [65].

Смещение длины волны отсечки с уменьшением температуры производства световодов типа I приводит к существенному ослаблению их изгибной устойчивости (рисунок 3.4). Оптическое затухание при Х= 1,55 мкм в световодах типа I значительно ниже, чем в световодах типа II, в которых работает поглощение ОН группами (таблица 3.3). Оптические потери на А, = 1 мкм имеют иной эффект, так как поглощения на OD и ОН группах в этой части спектра нет, и присутствие ОН групп в световедущей части световодов типа II снижает потери на рассеивание из-за понижения фиктивной температуры.

Рисунок 3.4. Ослабление сигнала при изгибе световода типа I, полученного при 2000 (1) и 2150 оС (2). Природа повышения радиационно-наведенного затухания (РНЗ) во время облучения для световодов типа II (рисунок 3.5) согласуется с ранее представленными графиками для световодов с аналогичной структурой и отсутствием дополнительных ОН групп [39], но во время ослабления затухания сильно отличается. В вышеотмеченной статье наведенный коэффициент оптических потерь ВС после остановки рад-облучения резко снизился, доходя до начального значения через 10 минут. В нашей работе наблюдается слабое ослабление в пределах одного часа (рисунок3.5), а за 4 месяца радиационно-наведенного затухание ослабляется лишь на 60 %.Q

Поляризационные свойства анизотропных одномодовых ВС

Для практических применений предпочтительнее использовать способы упрочнения без высокотемпературной обработки, приводящей к удалению защитно-упрочняющего полимерного покрытия ВС. Глубокая осушка ВС с полимерной оболочкой в атмосфере сушащих реагентов (например паров SiCl4) может дать более существенный упрочняющий эффект по сравнению с их вакуумированием или осушкой сухими газовыми средами.

На практике разрыв ВС в подавляющем большинстве случаев инициируется поверхностными микродефектами. При наличии влаги вблизи напряженной вершины поверхностной трещины, протекает механо стимулированный гидролиз, приводящий к разрушению световода. Защитное эпоксиакрилатное или другие полимерные оболочки ВС не предотвращают диффузию H2O(г) к поверхностной микротрещине [68].

В качестве образцов были использованы КС двух типов: стандартные световоды фирмы Corning c диаметрами 125/205 мкм стекла и полимера (эпоксиакрилат) соответственно, и «толстое» волокно собственного производства с соотношением диаметров 200/510 мкм. Обработку в парах тетрахлорида кремния SiCl4 проводили при комнатной температуре в закрытой ёмкости с выдержкой 1 день и в печи с продувкой смесью сухого кислорода + SiCl4 при Т=100C. Время выдержки во втором случае составляло 10 минут.

Результаты обработки представлены на Рисунок 4.8. Обработка в парах SiCl4 при комнатной температуре без дополнительной осушки показала лучшие результаты как по кратковременной прочности [94], так и по сохранению остаточной дополнительной прочности. Так, прочность КС диаметром 125(синий цвет) и 200 мкм (красный цвет) увеличилась, соответственно, на 7 и 47 %. Стоит отметить, что предварительная осушка 125 мкм волокон в токе сухого кислорода при Т=100C снижает эффективность коротковременного упрочнения и не даёт остаточного упрочнения. Это, вероятно, связано с потребностью во влаге на поверхности кварцевого световода для успешного протекания реакции (4.17).

Проведённые испытания по упрочнению кварцевых ВС в атмосфере SiCl4 позволяют предположить существование двух химических поверхностных эффектов. В первом случае влага окружающей среды проходит через защитную эпоксиакрилатную оболочку и вступает в реакцию SiCl4(г) + H2O(г) = HCl(г) + SiO2(тв). В результате чего на поверхности образуется тонкий слой свежего диоксида кремния. Другой эффект связан с «залечиванием» поверхностных микротрещин новообразовавшимися частицами SiO2 при реакции тетрахлорида кремния с влагой трещины. Вероятно, этот процесс не происходит при дополнительной осушке волокна сухим кислородом и температурной обработкой, т.к. при этом влага из поверхностных трещин удаляется до реакции с SiCl4.

Введение паров SiCl4 в газовую атмосферу должно обеспечить существенно более низкое давление паров воды, чем вакуумированием до остаточного давления 10-6 мм. рт. ст. ( 10-4 Па) [95], что приводило к повышению прочности КС с 6 до 11 ГПа [77]. Устранение влаги тетрахлоридом кремния обусловлено следующей газофазной реакцией: SiCl4(g) + 2 H2O(g) = 4HCl(g) + SiO2(s), (4.17) где (g) и (s) обозначает газообразное и твердое состояние веществ. Термодинамическими расчетами на основании справочных данных по изменению свободной энергии при образовании веществ [96], участвующих в реакции (4.17), получено значение константы равновесия, равное 1032 Па. Поэтому введение 30 об. % SiCl4 в воздушную атмосферу с содержанием 1 % паров воды приводит к снижению ее давления до 10-12 Па.

Специальными экспериментами было установлено, что увеличение толщины покрытия в два раза приводит к четырехкратному увеличению периода высокопрочного состояния КС обработанных в парах SiCl4. Такое упрочнение световодов может иметь существенное значение в решении ряда практических применений для обеспечения кратковременной экстремальной прочности КС.

Снимки с АСМ (рисунок 4.10) свидетельствуют об изменениях в топографии поверхности обработанных в SiCl4 кварцевых световодов. Вероятно, продукты реакции (4.17) - SiO2(тв), заполняют микротрещины на поверхности кварцевой части и образуют характерные бугорки, наблюдаемые на снимках. АСМ снимки необработанного ВС представлены в следующем разделе. Существенное упрочнение световодов в парах SiCl4 может иметь практическое значение для обеспечения кратковременной экстремальной прочности КС, предназначенных для управления нестационарными короткоживущими объектами разового использования. Увеличение остаточной прочности приведет к существенному повышению срока службы нагруженных световодов.

В качестве образцов были использованы стандартные световоды фирмы Corning c диаметрами 125/205 мкм стекла и полимера (эпоксиакрилат) соответственно. В числе используемых реагентов были: 5% и 35% растворы кислоты HCl. Испытания на прочность проводили при различных уровнях влажности. Для этого обработанные в реагенте волокна нагревали в воздушной атмосфере до температуры 100C с целью удаления влаги с поверхности волокна и полимерной оболочки. Другие уровни влажности обеспечивали испытаниями в воде и комнатной атмосфере с 50% содержанием влаги [97].

Обработку КС в 5 % растворе HCl проводили от 0.5 до 120 часов при комнатной температуре с последующей промывкой в дистиллированной воде и сушкой в атмосфере естественной влажности в течение не менее 2 часов. В процессе обработки КС в растворе HCl их прочность растет, достигая постоянного значения через 20 часов (рисунок 4.11). После 70 часовой обработки наблюдается снижение прочности[98]. Так же стоит отметить, что при повышение концентрации HCl интенсивность травления увеличивается, и в концентрированной кислоте происходит разупрочнение исходных ВС (рисунок 4.12) Достигнутое в слабом растворе HCl упрочнение КС на 7 % (рисунок 4.11, 4.12), обеспечивает повышение долговечности почти в 10 раз [99]. Представленное на (рисунок 4.12) влияние влаги на прочность обработанных в 35% HCl ВС сохраняется и для необработанных световодов, и для световодов, обработанных в 5% HCl.