Введение к работе
В технология волоконных световодов одним иг легирующих компонентов, применяемых для изменения показателя преломления кварцевого стекла, является фтор. Фтор эффективно понижает показатель прелоилакия. кварцевого стекяа, практячески не изменяя при этой коэффициент термического расширения стекла н не внося дополнительных полос в его спектр пропускания в области прозрачности.
Получение кварцевых стекол с повышенной концентрацея фтора (выше 3-4 масс.55) значительно расширило круг задач волоконной опткки, решаемых при помощи фтор-сияикатны. световодов различных конструкций, в которых фтор - единственный легируючкй компонент. Такие световоды имеют высокую оптичосхую и радиационную стойкость, низкие потери в широком спектральном диапазоне.
В лазерной технико используются так называемые силовые фтор-силикатные световоды, решающе проблему доставки излучения высокой мощности к объекту для широкого круга прикладных задач (лазерные сварка, резка, поверхностное упрочнение, научные исследования, лазерная хирургия, эндоскопические коагуляторы, ангиопластика, литотрипсия, стоматология). Такие световоды имеют ступенчатый профиль показателя преломления, сердцевину диаметром от 400 мкм до 2 мм из кзарцевого стекла и относительно тонкую (30 - 50 мкм) оболочку из кварцевого стекла, легированного Фтором.
Повышение содержания фтора в оболочке для световодов этого класса особенно актуально, так как оно обеспечивает увеличение предельного угла ввода излучения в световод. Синус этого угла называется числовой апертурой световода и в первом приближения пропорционален корн» квадратному из концентрации фтора в оболочке.
В неплазменных методах производства волоконных световодов содержание фтора в слоях синтезируемого стекла определяется условиями термодинамического равновесия между газовой и конденсированной фазой, что практически ограничивает возможный уровень фторирования величиной 1.5-2 масс.%, числовую апертуру световода - величиной =»0.17.
.-4-
Появление плазменных методов в волоконно-оптической технологии позволило существенно превысить предел фторирования, характерные для традиционных, неплазмеиная методов я получать световоды с концентрацией фтора в оболочечном слое 4-6 . масс.%, что соответствоут числовым апертурам 0.20-0,24 и является приемлемым для большинства применений.
однако до скх пор, несмотря на широкое использование плазменных методов для производства фтор-силикатных световодов, механизм фторирования кварцевого стекла при осаждении из плазмы практически не был изучен. Это объясняется многообразием факторов различной природы (электродинамической, химическое, газодинамической и т. д.), непосредственно воздействующих на процесс синтеза кварцевого стекла.
Сказанное выше справедливо и для метода, наиболее эффективного для производства заготовок силовых фтор-силикатных световодов - метода внешнего плазменного осаждения (POD - plasma outside deposition). В этом методе на боковую поверхность кварцевого стержня, являющегося сердцевиной будущего световода, осаждают оболочечный слой фтор-силикатного стекла из плазменного факела, в который подаются пары фреона и тетрахлорида кремния. Метод удобен и для экспериментальных исследований, так как обеспечивает доступ к зонам синтеза и осаждения стекла.
В то же время, кислородный высокочастотный индуктивно связанный разряд (ВЧИ-разряд) атмосферного давления, используемый в методе POD, требует для своего поддержания высоких мощностей (50-100 кВт) и расходов газов (150-200 л/мин) и не допускает существенного их понижения. Столь высокое энергопотребление плазмохимических установок, используемых в методе POD, делает эксперименты по плазмохимическому осаждению весьма дорогостоящими. Это препятствует как исследованию процесса плазменного фторирования кварцевого стекла, так и детальной целевой оптимизации метода для решения нестандартных задач волоконно-оптической техники.
Б газовой хроматографии применяются СВЧ-плазмотроны атмосферного давления, требующие существенно меньших затрат энергии и плазмообразующего газа для поддержания разряда. Однако, такие плазмотроны до настоящего времени не применялись для синтеза
- 5 -
кварцевого стекла. s
йспользовгние СВЧ-разрядз атмосферного давления г методе' внешнего плазменного осаждения представлялось нам эффективный для экспериментальных исследований механизма фторирования кварцевого стекла при осаждения из плазмы атмосферного давления. Практический результатом этих нсслэдованкк могло бы бкть создание гибкоП экономичной лабораторной технологии, ориентированной на решение исследовательских и поисковых задач. Такими задачами могут Сыть, например, изготовление экспериментальных образцов для спектроскопии кварцевых стекол -е области прозрачности!, получение нестандартных световодных структуо нз основе кварцевого стекла. Одним из наиболее актуалььгк применения такой технологии нам представлялось получение заготовок фтор-сияикатных силовых световодов.
Целью диссертационной работы являлось экспериментально исследование процесса осаждения фторированного кварцевого стекла кз СВЧ-плазмы атмосферного давления к создание ка " основе полученных научных данных лабораторной технологии производства заготовок фтор-силикатных силовых световодов,
В работе впервые показана возможность осаждения фтор-силикатного стекла из СВЧ-разряда атмосферного давления при малых энэргозатратах (1-3 кВт). Разработанная нами конструкция плазменной горелки, обеспечивающая поддержание разряда при безвихревом течении газов и низком их расходе (3-6 л/мгаї), а также организация компьютерного управления аппаратурой дали возможность воспроизвести процесс внешнего плазменного осаждения в миниатюре в лабораторных условиях и экспериментально исследовать его закономерности.
Исследовано влияние основных параметров, характеризующих процесс осаждения (режим движения заготовки темп подачи реагентов в плазменную горелку, температура поверхности стекла в зоне осаждения) на темп осаждения и содержание фтора в осажденном слое.
Полученные данные позволили создать лабораторную технологию производства заготовок силовых световодов с сердцевиной из кварцевого стекла и фтор-силикатной оболочкой, содержащей до 6 масс,% фтора. Технология создана на базе малогабаритного ,обору-
- б -
дованкя, отличается низким энергопотреблением и расходои материальных ресурсов, обеспечивает гибкость в выборе технологических режимов, полученные по этси технологии заготовки позволили изготовить образцы световодов, по основных параметрам не уступающих продукции ведущих мировых производителей.
На базе экспериментальных данных построена модель массооб-мена при контакте СВЧ-плазмы атмосферного давления - с поверхностью кварцевого стекла в процессе внешнего плазменного осаждения. Эта модель виявляет существенную особенность данного процесса, позволяющую превысить равновесный уровень фторирования кварцевого стекла, являющийся предельным для неплазменных технология.
Методом численного эксперимента проведено исследование вихреобразования при течении газов в СВЧ-плазмотронах с плазменным каналом осескмметричной формы. Найден профиль плазменного канала и сопел плазменной горелки, исключающий возникновение обратных токов продуктов реакций плазменного синтеза. Создана миниатюрная экономичная плазменная горелка для парсфазного синтеза, фтор-силикатного стекла в СВ'1-разряде атмосферного давления, обеспечивающая длительную работу без засорения продуктами синтеза.
Результаты работы докладывались на IX конференции по химии высокочистых веществ (Н. Новгород 1992 г. ), 16 международном конгрессе по стеклу (Мадрид 1992 г.), международном симпозиуме "Biomedical Optics'93" (Лос Анжелес, США) неоднократно на семинарах ИОФ РАН. Основное содержание диссертации изложено в 7 публикациях, указанных в списке литературы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем работы 118 машинописных страниц, включая 32 рисунка и з таблицы. Список цитированной литературы содержит 98 наименований.