Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивное развитие лазерной техники а последние десятилетия потребовало решения проблем транспортировка модного лазерного излучения от источника (лазера) к объекту, который подвергается воздействию. Подобные вопросы встречаются в промышленности (лазерные сварка, резка, поверхностное упрочнчниз и т. д. ), в медицине (лазерная хирургия, эндоскопические коагуляторы, ангиопластика, литотрипсия. оперативные вмешательства в хирургии и стоматологии), в научных исследованиях. Во многих случаяк они могут быть рзаокы с помощью гибких волоконно-оптических систем доставки излучения к объекту воздействия.
Применяемые для передачи интенсивного лазерного излучения силовые световоды, как правило, имеют ступенчатый профиль показателя преломления, сердцевину диаметром от 400 нкм до 2 мм и тонкую отражающую оболочку (30 - 50 мкн). Среди различных типов таких световодов рядом преимуществ обладают световоды с чисто кварцевой сердцевиной и оболочкой кз кЕарца, легированного фтором. Они имеют высокую оптическую, радиационную, термическую стойкость, низкие потери в широком спектральном диапазоне.
Роль тора в таких световодных структурах сводится к понижению показателя преломления стекла оболочки, а его концентрация определяет числовую апертуру световода. В наплазменных методах производства волоконных световодов, содержание фтора в слоях синтезируемого стекла определяется условиями тормодинамичвсксго равновесия между газовой и конденсированной фазой, что приводит к практическому ограничению возможной апертуры световода величиной * 0,17. Плазмохимическке1 методы производства кварцевого стекла позволяют в несколько раз повысить концентрацию фтора в слоях кварца и получать световоды с числовой апертурой вплоть до 0,25. Однако физические механизмы, приводящие к сверхравновосному содерганию фтора в кварцевом стекле, синтезируемом с помощью этих методов, к началу работы над диссертацией были практически не изучены. Такое положение, главным образом, связано с большим разнообразием технологических подходов к процессу изготовления заготовок волоконных световодов, многообразием факторов различной природы (электродинамической, химической, газодинамической и т. д. ) непосредственно воз-
1 *
действующих на процесс синтеза кварцевого стекла. Все это затрудняет систематизацию экспериментальных данных и построение адекватного теоретического опислния технологического процесса. В связи с этим возникла задача выделения среди различных плазмохимических методов синтеза кварцевого стекла удобного для проведения лабораторных исследований с тем чтобы в рамках избранного подхода прояснеть основные механизмы к закономерности "суперфторирования" кварца. В качестве такого метода по ряду причин была выбрана технология внешнего плазменного осаждения (POD - plasma outside deposition), реализованная на базе экономичной СВЧ-горелки. Решение указанных вопросов невозможно без знания физико-химических свойств технологического разряда (в данном случае СВЧ-разряда атмосферного давления) в котором происходит синтез легированного фтором кварцевого стекла.
Цель работы состоит в изучении основных свойств СВЧ-разряда атмосферного давления, применяемого в технологии синтеза заготовок силовых волоконных световодов, выяснении физических механизмов, приводящих" к повышенной концентрации фтора в кварце, изготовленном плаэмохимическийи методами.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие основные задачи;
-
Измерить температурный профиль в факеле СВЧ-разряда;
-
Проверить предположение о локальном термодинамическом равновесии в разряда;
-
Получить локальные характеристики разряда, характеризующие химический состав газовой фазы;
-
Произвести анализ процессов тепло и массопереноса из газовой фазы к зоне осаждения кварцевого стекла.
-
Выявить физические механизмы, обеспечивающие повышенное содержание фтора в слоях кварцевого стекла, определить группу факторов, «грающих наиболее важную роль в этих механизмах.
Научная новизна работы заключается в следующем; 1. Разработана оригинальная методика, позволяющая исследовать распределение температуры в факеле СВЧ-разряда атмосферного давления а тохнологачиских газовых смесях, применяемых для синтеза фторированного кварцевого стекла в методе внешнего плазменного ocas-дения. Основной особенностью этой иэтодики является сочетание ме-
тодов эмиссионной спектроскопии газовых потоков с измерениями рефракции излучения гелва-неонового лазера разрядом, что дало возможность получить профиль температуры в факеле исследуемого разряда в широком температурном диапазоне 400 - 6000 К с точностью 10 и пространственным разрешением 0.1 мм;
-
Впервые измерен профиль температуры в технологическом СВЧ разряде, экспериментально подтверждено предположение о локальном термодинамическом равновесии (ЛТР) в разряде;
-
Показано, что осаждение компонентов стекла ,в описанной технологии происходит, главным образом гетерогенно, а контролирующими факторами этого процесса являются диффузия через пограничный слой и хемосорбция на поверхности заготовки;
-
Показано, что повышенное содержание фтора в слоях кварца, синтезируемого методом внешнего плазменного осаждения объясняется "закалкой" высокотемпературного химического состава нэ относительно холодной поверхности заготовки, а наиболее важной величиной, определяющей концентрацию фтора в слоях стекла, является " темпер -тура на поверхности заготовки.
Практическая ценность представленных в диссертационной работе результатов заключается в том, что они позволили понять механизмы синтеза легированного фтором кварцевого стекла в нетодах внешнего плазменного осаждения.
Полученные в работе результаты могут быть использованы для оптимизации процесса синтеза заготовок кварцевых волоконных световодов методом внешнего плазменного осаждения с целью получения максимальной скорости осаждения кварцевого стекла и концентрации фтора в нем, а также при рассмотрении подобных вопросов в аналогичных технологических процессах.
На защиту выносится:
-
Методика определения температурного поля в факеле СВЧ-разряда в широком диапазоне температур 400 - 6000 К с точностью 10 и пространственным разрешением 0,1 мм;
-
Экспериментальное доказательство применимости модели ЛТР в технологическом СВЧ-раэряде.
3. Определение наиболее существенных характеристик разряда
(локальный химический состав газовой фазы, профиль скорости газо
вого потока) путем численного моделирования на основании проведен-
iva (си. п. 1) температурках измерений.
4. Результаты исследования процессов на поверхности ч з осъеыо (гага и стекла), происходящих при взаимодействии газового потока плазменной горелки с поверхностью синтезируемой кварцевой преформы (осазденио компонентов кварцевого стокла, профиль температуры на поверхности кварцевой заготовки).
Апроо'аций работы. Результаты работы докладывались из IX кон-срзнции по хкмки высокочкетых воцеств (II. Новгород 1992 г. ), 16 Международном Конгроссо по стеклу (ііадрид 1992 г. ), неоднократно на семинарах отдела Волоконной оптики ИОФ РАН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 печатных работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из взедения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа пзлогека на J45" страницах навинопкеного текста, включая 2$ рисунков и 2 таблицы. Список цитированной литературы содержит і 26 наименование.
