МАТЕРИАЛОВ. Лазерныестекла – оптическая среда оптических квантовых генераторов

ТЕХНОЛОГИЯТ ВАЖНЕЙШИХ НЕКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ

Лазерныестекла – оптическая среда оптических квантовых генераторов. Выходная мощность 10⁴ – 10⁷ Вт, что на 7 – 10 порядков больше мощности газовых лазеров непрерывного и импульсного действия. Другие преимущества: сравнительно простая технология; любая геометрическая форма (волокна диаметром 10 – 20 мкм, стержни длиной от 30 мм до 2 м); введение высокой концентрации активного элемента при коэффициенте распределения ≈ 1; возможность варьирования свойств за счет изменения состава.

Стекла бывают силикатные, боросиликатные, фосфатные, добавки в стекла – оксиды РЗМ (Nd – λ = 1 060 нм, Tb, Go и др.).

Варка стекол в платиновых и кварцевых горшках, примеси – 10^-4 %, применяется очень тонкий отжиг (для получения высокой структурной однородности).

Имеется большое разнообразие стекол различного назначения: светочувствительные стекла изменяют спектральные свойства при воздействии ультрафиолетового (УФ) излучения; фотохромные стекла для оптических затворов; полихромные стекла; магнитоактивные стекла (обычные стекла диамагнитны) – парамагнитные стекла с высоким содержанием ионов Pb²⁺, Sn²⁺, Bi²⁺, обладающие способностью вращать плоскость поляризации в магнитном поле; стекла для ультразвуковых линий задержки.

Стеклянные волоконные и пленочные оптические элементы

Волоконно-оптический элемент (ВОЭ) – световедущая жила с высоким коэффициентом преломления (n₁), окруженная светоизолирующей оболочкой с низким показателем преломления (n₂) (диаметр сердечника от 2 до 100 мкм), на границе n₁ > n₂ происходит полное внутреннее отражение света, запущенного в торец ВОЭ. Бывают одномодовые ВОЭ, когда коэффициент преломления сердечника постоянный по сечению (такой световод называется ступенчатым), и многомодовые ВОЭ, когда коэффициент преломления сердечника по сечению изменяется от n₁ на оси до n₂ на стенке (по параболе). Такой световод называется градиентным. Потери в линиях дальней связи составляют: кварцевое стекло (при λ = 1,55 мкм) – 0,2 дБ/км; халькогенидные, галоидные и оксидные стекла (при λ = 2 – 10 мкм) – 0,02 – 0,001 дБ/км; полимеры – 200 дБ/км. Они применяются на коротких линиях связи (100 – 200 м).

Штабиковый метод получения волоконного световода – вытягивание волокна из стеклянного штабика с высоким n, вставленного внутрь трубки с низким n.

Метод осаждения на внутреннюю сердцевину окислов различных веществ из их хлористых соединений (схема приведена на рисунке Б3.1).

При нагреве внешней оболочки водородно-кислородным пламенем до температуры 1 500 – 1 700 ^оС происходят следующие термохимические реакции: SiCl₄ + О₂ → SiO₂ + 2Cl₂; GeCl₄ +O₂ → GeO₂ + 2Cl₂ (вводится для увеличения n сердцевины); 4BCl₃ + 3O₂ → 2B₂O₃ + 6Cl₂ (вводится для уменьшения n оболочки); 2POCl₃ +3/2 O₂ → P₂O₅ + 3Cl₂ (вводится для увеличения n сердцевины), при этом твердые растворы окислов осаждаютя на внутренние поверхности в виде слабого налета частиц (кварцевая сажа),

затем оплавляются до слоя стекла, свободного от пузырьков. Осаждение слоев оксидов происходит дискретными ступенями может быть получено равномерное распределение состава по сечению, ступенчатое или градиентное.

Рисунок Б3.1. Схема процесса химического осаждения из газовой фазы компонентов стеклянной заготовки

Для ликвидации остающегося на оси отверстия температуру оболочки увеличивают до 1 800 – 2 000 ^оС – под действием сил поверхностного натяжения трубка стягивается (схлопывается), образуя сплошную цилиндрическую заготовку диаметром около 20 мм чистого кварцевого стекла (или легированного B₂O₃, P₂O₅, GeO₂ в заданных концентрациях), при этом получается (после перетягивания до нужного диаметра) двухслойное или градиентное оптическое волокно.

Длинные волокна (до 100 км) получают осаждением оксидов из газовой фазы на внешней поверхности цилиндрического стержня с постепенным наращиванием слоев по мере передвижения стержня при вытягивании волокна.

Фильерный метод (метод двойного тигля) применяется для получения волокна со ступенчатым изменением n. Стекло для сердцевины и оболочки волокна плавится в различных камерах стеклоплавильного сосуда (рис. Б3.2), а волокно формуется (вытягивается) после истечения расплава этих стекол через коаксиально расположенные фильеры. Если во внутренний сосуд (цилиндр) ввести окислы Na₂O, B₂O₃, SiO₂, Tl₃O₂, а во внешн – толькоNa₂O, B₂O₃, SiO₂, то Tl₃O₂ будет диффундировать во внешний слой, образуя градиетную структуру внутри сердечника.

Рисунок Б3.2. Двойной тикель для вытягивания волокна из двухкомпонентных стекол:

1 – расплав стекла для сердцевины; 2 – расплав стекла для оболочки; 3 – двойной тигель (платина); 4 – двухслойное волокно

Активные оптические волокна используются также в волоконных лазерах, в которых волокно навивается на лампу накачки (кварцевое стекло с применением Nd).

Метод ионной диффузии применяется для изготовления стержневых градиентных линз. Для этого: делается стержень (диаметром 2-2,5 мм) из стекла (60 % SiO₂ + 15 – 20 % B₂O₃ + 15 – 20 % Na₂O + 10 % Tl₃O₂); стержень помещается в ванну с расплавленным KNO₃ (температура 540 – 560 ^оС, время 70 – 80 ч, при этом ионы К⁺ заменяют ионы Na⁺ и Tl⁺, образуя градиентную структуру толщиной 1,0 – 1,2 мм. Цилиндры толщиной 3 – 4 мм, вырезанные из полученного стержня, используются как линзы с фокусным расстоянием 1 – 2 мм.

Метод ионного внедрения. Заготовку из стекла специального состава нагревают до высоких температур (≈ 0,8 – 0,9 t_пл), при этом происходит сепарация фаз (см. п. «Кварцоидное стекло»). Один из составов удаляют путем растворения в кислоте, стекло становится пористым. Затем его помещают в ванну с веществом, ионы которого могут диффундировать в пористое стекло, формируется градиентная структура. Затем нагревом «закрепляют» структуру, таким образом можно внедрять в стекло ионы больших размеров. Недостатки – ограниченность получаемых профилей и профилей изменения коэффициента преломления по сечению изделия.

Метод облучения нейтронами применяется для стекол, содержащих В-элемент, обладающий особенно высоким значением сечения захвата тепловых нейтронов: В + нейтрон → Li, при этом изменяются оптические свойства стекла. Поскольку особо активно поглощение нейтронов происходит в приповерхностных объемах стекла, оно по толщине приобретает градиентную структуру.

Вопросы для самостоятельной работы

1. Свойства и варка лазерных стекол.

2. Свойства и методы получения оптического волокна.

3. Методы получения градиентных структур.

Дата добавления: 2014-11-25