Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Аналитический обзор литературы 14
1.1 Основные элементы технологических установок для вытяжки кварцевых оптических волокон 14
1.2 Полимерные покрытия оптических волокон 24
1.3 Кварц-полимерные оптические волокна 34
1.4 Оптические волокна с коническими участками (тейперы, фоконы) 37
1.5 Капилляры в приборах для научных исследований, технологии изготовления капилляров 46
1.6 Кварцевые микроструктурированные оптические волокна и методы их изготовления .51 CLASS ГЛАВА 2 Разработка методик исследования физико-механических параметров уф-отверждаемых композиций для защитных покрытий оптических волокон CLASS
2.1 Разработка варианта капиллярного метода измерения вязкости ньютоновских жидкостей и его апробация при исследовании вязкостей УФ-отверждаемых олигоуретанакрилатных композиций .59
2.2 Исследование влияния длины волны облучения на эффективность отверждения пленок из УФ-отверждаемых уретанакрилатных композиций . 69
2.3 Разработка методики оценки упругих свойств материалов защитных покрытий оптических волокон по измерениям изгиба кварцевого волокна с неконцентрично-нанесенным покрытием .81
2.4 Основные результаты Главы 2 91
ГЛАВА 3 Разработка технологии вытяжки кварцевых многомодовых конических оптических волокон (фоконов) с уф-отверждаемым защитным покрытием 94
3.1 Установка для вытяжки кварцевых многомодовых конических оптических волокон (фоконов) 94
3.2 Обоснование режимов вытяжки оптического волокна с расширяющимся концевым фоконом 100
3.3 Эксперименты по вытяжке кварцевых многомодовых оптических волокон с концевыми фоконами 105
3.4 Теоретический анализ и экспериментальное исследование апертурных свойств вытянутых фоконов 112
3.5 Основные результаты Главы 3 124
ГЛАВА 4 Разработка технологии вытяжки кварц – полимерных оптических волокон с термопластичным защитным покрытием, наносимым фильерным способом непосредственно вытяжной установке .126
4.1 Экспериментальная установка для вытяжки кварц-полимерных оптических волокон с термопластичным защитным покрытием и ее основные элементы .127
4.2 Выбор оптимальных режимов нанесения на оптические волокна покрытий из расплавов термопластичных полимеров 145
4.3 Исследование оптических и прочностных характеристик вытянутых кварц-кварцевых и кварц-полимерных оптических волокон
4.4 Кварцевые оптические волокна с одиночным защитным покрытием из термопластичного полимера 154
4.5 Основные результаты Главы 4 .155
ГЛАВА 5 Вытяжка кварцевых капилляров, капиллярных оптических волокон и оптических волокон с эллиптической световедущей сердцевиной 157
5.1 Вывод и апробация методики оценки вязкости расплава кварцевого стекла, основанного на измерении времени схлопывания капилляра 158
5.2 Вытяжка кварцевых капилляров с “подсхлопыванием” исходной трубки- заготовки для информационно-измерительных устройств 168
5.3 Вытяжка двухслойных кварцевых капилляров (капиллярных оптических волокон) и кварцевых капилляров для хроматографии 176
5.4 Вытяжка эллиптических капилляров и оптических волокон с эллиптической световедущей сердцевиной с использованием ВТ-печи с азимутально-неоднородным температурным полем и разрежения внутри трубы-заготовки .177
5.5 Основные результаты Главы 5 .192
ГЛАВА 6 Спекание капиллярных сборок для микроструктурированных (дырчатых) оптических волокон 194
6.1 Анализ кинетики раздутия запаянного кварцевого капилляра в высотемпературной печи со ступенчатым осевым температурным профилем 194
6.2 Дискретная модель раздутия запаянного кварцевого капилляра в высокотемпературной печи с неоднородным осевым температурным профилем
6.3 Экспериментальные результаты по раздутию одиночных кварцевых капилляров для капиллярных сборок 220
6.4 Спекание капиллярных сборок для микроструктурированных оптических волокон; вытяжка из них образцов дырчатых ОВ 225
6.5 Основные результаты Главы 6 232
Заключение 233
Список цитируемой литературы
- Кварц-полимерные оптические волокна
- Исследование влияния длины волны облучения на эффективность отверждения пленок из УФ-отверждаемых уретанакрилатных композиций
- Обоснование режимов вытяжки оптического волокна с расширяющимся концевым фоконом
- Выбор оптимальных режимов нанесения на оптические волокна покрытий из расплавов термопластичных полимеров
Введение к работе
Актуальность темы
Создание в начале 70-х годов кварцевых волоконных световодов (оптических
волокон) с малыми потерями (< 20 дБ/км) инициировало интенсивное развитие
волоконной оптики как нового научного направления. Первоначально усилия
исследователей были направлены на разработку элементов волоконно-оптических
систем передачи информации на основе многомодовых, а затем и одномодовых
оптических волокон (ОВ). По мере накопления теоретического и
экспериментального опыта в рамках волоконной оптики стали разрабатываться
элементы оптоэлектроники: датчики (сенсоры) различных физических величин,
волоконные лазеры и усилители, нелинейно-оптические устройства и др. В
последние годы созданы волоконные лазеры – малой мощности для медицины и
высокомощные технологические для обработки материалов. Интенсивно
разрабатывается новый тип ОВ – микроструктурированные световоды,
изготавливающиеся из чистого кварцевого стекла, не содержащего каких-либо легирующих добавок.
Формирование ОВ на основе кварцевого стекла состоит из двух основных
технологических этапов – этапа формирования заготовки ОВ и этапа
формирования собственно ОВ методом перетяжки заготовки на вытяжной установке.
Для изготовления заготовок ОВ разработано несколько газофазных методов.
Все они основаны на высокотемпературном окислении или гидролизе паров
галогенидов кремния и легирующих элементов (германия, фосфора и др.) и
последующем соосаждении и остекловыванием образовавшихся
порошкообразных оксидов. Исторически первым был разработан метод модифицированного химического парофазного осаждения внутри кварцевой трубки (MCVD-метод). Этот метод является наиболее универсальным по технологическим возможностям. Поэтому он и его разновидности наиболее широко используется для изготовления различных типов ОВ сложной конструкции.
Заготовки трубчатой формы при высокой температуре (2000-2200 оС)
трансформируются в штабик силами поверхностного натяжения, которое
являются наиболее важным фактором в технологии изделий из кварцевого стекла.
Именно эти силы определяют динамику формообразования и симметрию
круглого сечения заготовки и ОВ.
Формирование собственно ОВ в традиционных способах его производства
осуществляется на вытяжной установке методом подобия, когда его внутренняя
структура повторяет структуру заготовки. Этот процесс происходит в
стационарном режиме при постоянной температуре нагрева заготовки (1900
2200 оС) и неизменном соотношении скоростей подачи заготовки и вытягивания
волокна. Одновременно с вытяжкой волокна на его поверхности формируют слой
защитного полимерного покрытия, которое сохраняет исходную прочность
“нетронутого” стекловолокна. Поэтому традиционный процесс вытяжки
определяет только диаметр вытягиваемого ОВ, а также геометрические размеры и качество защитного покрытия.
Вместе с тем для практических приложений востребован ряд оптических изделий из кварцевого стекла, которые не могут быть изготовлены традиционными методами формования. К их числу относятся:
– кварц-полимерные ОВ [1–3], в которых защитный слой можно наносить фильерным способом непосредственно на вытяжной установке;
– анизотропные одномодовые ОВ, когда при перетяжке заготовок сердцевине или оболочке намеренно придают эллиптичную форму;
– многомодовые конические ОВ (фоконы), которые получают в условиях нестационарного режима вытягивания [4];
– кварцевые капилляры [5, 6] и микроструктурированные ОВ на их основе [7].
Степень разработанности проблемы
Несмотря на имеющиеся публикации по изготовлению таких изделий, вопросам формования ОВ в нестационарных режимах вытягивания или при намеренном нарушении подобия структур заготовки и волокна не уделено должного внимания (т. е. проблема недостаточно проработана), что и определяет актуальность проведения исследований в этом направлении.
Цель и задачи работы
Целью работы являлось исследование, моделирование и разработка процессов в технологии формирования некоторых типов ОВ и капилляров из кварцевого стекла в нестационарных режимах вытягивания, а также при использовании нетрадиционных методов формования.
Основные задачи работы.
– Изучение и разработка нестационарных процессов в технологии вытяжки
кварцевых многомодовых конических ОВ (фоконов) с УФ-отверждаемым
защитным покрытием для согласующих элементов ввода лазерного излучения в
ОВ лазерных установок, для преобразователей апертуры излучения и для
волоконно-оптических датчиков физических величин.
– Исследование и разработка стационарных процессов в технологии вытяжки кварц-полимерных ОВ с одновременным нанесением фильерным методом вторичного защитного покрытия из расплава термопластичного, биологически совместимого полимера для применения в лазерной медицине.
– Исследование и разработка процессов в технологии вытяжки кварцевых
капилляров (в том числе с эллиптичным поперечным сечением) с неполным
схлопыванием (“подсхлопыванием”) исходной трубы-заготовки для
использования в различных волоконно-оптических устройствах.
– Разработка технологии спекания капиллярных сборок для вытяжки из них микроструктурированных ОВ.
– Моделирование процессов вытягивания оптических изделий из кварцевого стекла.
Типы рассмотренных в диссертации оптических волокон и капилляров приведены на Рис.1.
Рис.1. Оптические волокна и капилляры, рассмотренные в диссертации: (а) кварцевые многомодовые конические оптические волокна (фоконы): d < D; (б) - кварц-полимерные оптические волокна; (в) - кварцевые капилляры, вытянутые с “подсхлопыванием ” исходной трубки-заготовки: dК/DК < dТ/DТ; (г) - поперечные сечения капиллярной сборки и вытянутого из нее микроструктурированного оптического волокна.
В процессе работы над основными задачами возникли и были решены ряд вспомогательных задач, связанных с измерениями некоторых физико-механических параметров материалов, используемых при формировании кварцевых волокон и капилляров.
Научная новизна работы
1. Разработаны методы измерений физико-механических параметров в
материалов, используемых при формовании волокон и капилляров:
вариант капиллярного метода оценки вязкостей жидких композиций для покрытий оптических волокон, основанный на измерении времени подъема столба жидкости в капилляре до заданного уровня под действием созданного разряжения;
метод измерения вязкости расплава кварцевого стекла, основанный на измерении времени схлопывания капилляра; температурный диапазон измерений вязкости - 1600 2050 С (диапазон измеряемых вязкостей - 2.4105 5.2103 Пас);
- метод оценки модуля Юнга и усадки при отверждении материалов
покрытий, основанный на измерениях радиусов изгибов волокон с нанесенным
неконцентричным покрытием.
2. Предложены модели процесса нестационарной вытяжки конических
волокон, основе которых разработана технология вытяжки из цилиндрических
преформ кварцевых многомодовых конических оптических волокон (фоконов) с
большим диаметром D = 0.2 4.2 мм, отношением большего диаметра меньшему D/d = 1.5 5.0, длиной конического участка H = 25 150 cм, с защитным покрытием из УФ-отверждаемого уретанакрилата, предназначенных для медицинских и технологических целей.
3. Впервые разработана энергосберегающая технологии нанесения
фильерным способом защитных покрытий из расплавов термопластичных
полимеров на вытягиваемые многомодовые кварцевые оптические волокна
непосредственно на вытяжной установке во время вытяжки. Изготовленные по
данной технологии многомодовые оптические волокна с диаметром световедущей
сердцевины 0.25 1.2 мм и с биосовместимыми с живой тканью материалами
покрытий используются для медицинских целей.
4. Впервые реализован вариант вытяжки кварцевых капилляров,
заключающийся в использовании высокотемпературной печи с азимутально-
неоднородным температурным полем и разрежения внутри трубы-заготовки,
позволяющий формировать эллиптичные капилляры и оптические волокна с
эллиптичной световедущей сердцевиной.
5. Впервые предложена дискретная модель раздутия запаянного капилляра,
на основе которой разработана технология спекания запаянных капилляров в
капиллярных сборках – заготовках для вытяжки из них
микроструктурированных (дырчатых) оптических волокон.
Теоретическая значимость работы
Значимость проведенных в работе теоретических исследований заключается
в том, что предложенные модели процессов и методы оценки их параметров
позволили обосновать выбор нестационарных режимов вытяжки конических
оптических волокон и режимов спекания капилляров в капиллярных сборках –
заготовках для микроструктурированных оптических волокон. Анализ
распространения лучей в коническом диэлектрическом световоде позволил
изучить апертурные свойства вытянутых фоконов.
Практическая значимость работы
-
Технология вытяжки кварцевых и кварц-полимерных оптических волокон с защитным покрытием из термопластичных полимеров, наносимым на вытягиваемое волокно фильерным способом непосредственно на вытяжной установке, обеспечивает создание оптических волокон с диаметром световедущей сердцевины 0.25 1.2 мм. Такой способ нанесения защитного покрытия обеспечивает сохранение исходной высокой механической прочности вытягиваемых волокон и мобильную перестройку установки с нанесения одного покрытия на другое. Вытянутые по данной технологи оптические волокна были использованы в лазерной медицине, а также в лазерной технологии.
-
Кварцевые многомодовые конические оптические волокна (фоконы) с большим диаметром 0.6 4.2 мм, с соотношеним большего диаметра к меньшему до 5 : 1, покрытые УФ-отверждаемым уретанакрилатным покрытием, были использованы для ввода и передачи мощного оптического излучения в волоконно-оптических устройствах медицинского и технологического применений.
-
Вытянутые в работе кварцевые капилляры с “подсхлопыванием” исходной трубки-заготовки были использованы при создании волоконно-оптических ответвителей и нестандартных оптических разъемов для различных волоконно-оптических устройств.
-
Разработанная в диссертации дискретная модель раздутия запаянных капилляров послужила теоретическим основанием для отработки режимов спекания капилляров в капиллярных сборках – заготовках микроструктурированных оптических волокон. Из спеченных капиллярных сборок различной структуры были вытянуты образцы микроструктурированных ОВ для использования в волоконно-оптических сенсорах.
Реализация результатов работы
Изготовленные в диссертации образцы кварцевых ОВ и капилляров использованы в ФИРЭ им. В.А.Котельникова РАН, ЗАО “ ЦНИТИ “Техномаш-ВОС”, ЗАО “Центр-ВОСПИ” и ООО “Научно-Технический Центр Волоконно-оптических Устройств” в разработанных ими изделиях оптоэлектроники, лазерной технологии и лазерной медицины.
Полученные в работе результаты представляют собой достижение в
технологии волоконной оптики – научного направления, которое вносит вклад в развитие экономики нашей страны и повышение ее обороноспособности.
Положения, выносимые на защиту
1. Предложены нестационарные модели процесса, на основе которых разработана технология вытяжки из цилиндрических преформ многомодовых оптических волокон с концевыми расширяющимися фоконами и с защитным покрытием из УФ-отверждаемого уретанакрилата. Геометрические параметры следующие: большой диаметр D = 0.6 4.2 мм, отношение большого диаметра к малому D/d = 1.0 5.0, длина конического участка H = 15 120 см. Данные фоконы предназначены для передачи лазерного излучения с преобразованием его апертуры в различных волоконно-оптических устройствах.
2. Технология вытяжки кварцевых оптических волокон с защитным покрытием из термопластичных, биосовместимых с живой тканью полимеров, наносимым на вытягиваемое волокно фильерным способом из расплава полимера непосредственно на вытяжной установке. Указанным способом изготовлены оптические волокна для использования в медицинских и технологических целях с параметрами: диаметр сердцевины - 0.25 1.2 мм, длины образцов - 500 100 м, оптические потери - 10 20 db/km (на = 1.0 1.2 мкм).
3. Метод измерения вязкости расплава кварцевого стекла, основанный на измерении времени схлопывания капилляра, опробованный при измерениях вязкости расплава кварцевого стекла в диапазоне температур 1700 2050 С (в диапазоне вязкостей = 2.4105 5.2103 Пас). Данный
метод является надежным инструментом при отработке технологии
вытяжки кварцевых оптических волокон и капилляров различных типов.
4. Новый способ вытяжки кварцевых эллиптических капилляров и оптических волокон с эллиптичной световедущей сердцевиной. Указанным способом эллиптичности волокон и капилляров формируются во время их вытяжки за счет использования высокотемпературной печи с азимутально-неоднородным температурным полем и разрежения внутри трубы-заготовки, без использования механических операций.
5. Дискретная модель процесса раздутия одиночного запаянного капилляра в высокотемпературной печи вытяжной установки и выбор режимов спекания кварцевых капиллярных сборок и вытяжки из них образцов одно - двухслойных микроструктурированных оптических волокон.
Публикации и апробация работы.
По результатам исследований, изложенных в диссертации, опубликовано 58 печатных работ, в том числе 24 статьи в рецензируемых научных изданиях, определенных перечнем ВАК; получено 4 авторских свидетельства СССР, 2 патента РФ на изобретения и 1 патент РФ на полезную модель.
Основные результаты диссертации докладывались на следующих научных
конференциях: на IV-ой Всесоюзной конференции “Световодные системы связи и
передачи информации”, Москва, 1984 г.; на Всесоюзной конференции
“Волоконная оптика”, Москва, 1990 г.; на Международной научно-практической
конференции “Производство. Технология. Экология” (ПРОТЭК-2001), Москва,
2001 г.; на LVII, LIX, LXIII и научных сессиях РНТОЭС им. А.С. Попова,
Москва, 2002 г., 2004 г, 2008 г.; на конференции “Лазеры для медицины, биологии и экологии”, Санкт-Петербург, 2006 г.; на международной конференции “ Квантовая электроника ”, Минск, 2008 г.; на конференциях “Лазеры. Измерения. Информация”, Санкт-Петербург – 2006 г., 2007 г., 2009 2011 г. г. и 2013 г. и др.
Объем и структура диссертации.
Кварц-полимерные оптические волокна
В волоконной технологии были опробованы следующие источники высокотемпературного нагрева: кислородно-водородная горелка [4, 11,12], ВТ-печь с нагревательным элементом (НЭ) на основе двуокиси циркония [13], лазерный нагрев излучением СО2-лазера (=10.6 мкм) [14-18], ВТ-печи с графитовыми нагревательными элементами [19-22]. Источники нагрева для вытяжки кварцевых ОВ должны обеспечивать аксиально-симметричный нагрев конца перетягиваемой заготовки до температур 1900-2200 оС, плавную регулировку температуры и ее стабильность, иметь открытые в атмосферу воздуха порты для подачи заготовки и вытяжки волокна. При этом зона нагрева должна быть относительно короткой (полтора-два диаметра заготовки), чтобы уменьшить потери заготовки, связанные с формированием зоны перетяжки (“луковицы”), и снизить вероятность кристаллизации поверхности заготовки при ее подходе к зоне перетяжки.
Наиболее простым источником нагрева заготовок при вытяжке кварцевых ОВ является кислородно-водородная горелка. Простота и дешевизна конструкции, работа в атмосфере воздуха (что избавляет от необходимости создания инертной атмосферы), узкая зона нагрева, возможность непосредственного наблюдения за процессом перетяжки заготовки – все это достоинства кислородно-водородной горелки. Кроме того, кислородно-водородной горелкой непосредственно на вытяжной установке можно проводить “огневую полировку “ поверхности заготовки для устранения микротрещин и микровключений, что повышает прочность вытягиваемого ОВ.
В целях повышения стабильности пламени были разработаны конструкции горелок с внешним смешением [4,11], но при их использовании точность поддержания диаметра вытягиваемого ОВ была не более ± 5 %. В работе [12] была разработана модифицированная горелка внутреннего смешивания, допускающая перетяжку заготовок диаметром 15-18 мм при скоростях вытяжки до 100 м/мин с точностью поддержания диаметра ОВ ± 2.5 %. Однако, для вытяжки ОВ со стабильной геометрией поперечного сечения кислородно-водородные горелки в настоящее время не используются.
Для вытяжки оптических волокон были также разработаны и опробованы индукционные ВТ-печи с нагревательным элементом на основе оксида циркония [13] и графита [23, 24, 25].
Оксид циркония, стабилизированный иттрием, имеет высокую температуру плавления (2626 оС), стоек к термоударам, может работать в условиях окислительной атмосферы. Однако, вследствие высокого удельного сопротивления оксида циркония при комнатной температуре (более 104 Омсм) непосредственно разогреть его индукционными токами от комнатной до рабочей температуры нельзя. Поэтому для начального разогрева ВТ-печи до температуры 1000 оС используется вспомогательный графитовый НЭ, который затем удаляется из печи, и дальнейший нагрев до рабочей температуры осуществляет уже циркониевый НЭ. Из-за данного свойства циркониевых ВТ-вечей они не нашли применения при производстве кварцевых ОВ.
Питание ВТ-печей с индукционным нагревом графитовых нагревательных элементов осуществляется от ВЧ-генераторов с частотой 1 10 МГц и мощностью 5 10 кВт [24,25]. В работе [23] НЭ имел форму трубки длиной 70 мм, с внешним диаметром 40 мм и внутренним-20 мм. Длина зоны нагрева НЭ ограничивалась продольными канавками, выполненными с обеих сторон на внешней поверхности НЭ; в данной работе она составляла 30 мм. Вариации температуры в процессе вытяжки не превышали ± 1 оС (при величине рабочей температуры 2000 оС). Достоинством таких ВТ-печей является простота конструкции НЭ и возможности варьирования длиной зоны нагрева. Однако, из-за относительно высокой стоимости используемых ВЧ-генераторов, а также присутствия на вытяжной установке высокого напряжения и ВЧ-излучения они также не нашли широкого применения при вытяжке ОВ.
Использование излучения СО2-лазеров (=10.6 мкм) для нагрева заготовок выглядело привлекательным, так как оно не загрязняет атмосферу вокруг “луковицы”, имеет стабильную мощность и быструю ее регулировку, возможность с помощью оптики менять зону нагрева и возможность непосредственного наблюдения за перетяжкой заготовки. Однако, при непосредственном применении СО2-лазеров проявились две сложности. Первая связана с сильным поглощением ИК-излучения =10.6 мкм кварцевым стеклом: глубина проникновения излучения в стекло 5 мкм [17]. Прогрев внутренних слоев заготовки происходит за счет теплопроводности от поверхностного слоя, что замедляет скорость прогрева. Вторая сложность - как добиться аксиально-симметричного прогрева заготовки, особенно при использовании одного лазера.
В публикациях [14-16] описывается процесс лазерной вытяжки с использованием одного мощного (до 300 Вт) СО2-лазера и различных схем нагрева заготовки. При использовании этих схем вариации диаметра вытягиваемого ОВ были не превышали ± 1 %. Однако, эти схемы имели ограничение на диаметр перетягиваемой заготовки: D3 5 мм при V в = 1 м/сек.
В работе [18] для обеспечения симметричного нагрева использовались восемь отечественных непрерывных лазеров ЛГ-25 мощностью около 30 Вт каждый. Схема нагрева обеспечивала перетяжку заготовок диаметром до 10 мм при скоростях вытяжки 10 100 м/мин. Указанные выше цифры являются практически предельными при вытяжке кварцевых волокон с использованием СО2-лазеров.
Исследование влияния длины волны облучения на эффективность отверждения пленок из УФ-отверждаемых уретанакрилатных композиций
Схема питания лампы обеспечивала плавную регулировку мощности излучения в пределах (0.6 1.1) Рном. Излучение лампы 1 с помощью кварцевого конденсатора 2 фокусировалось на входную щель 3 монохроматора 4, ширина щели - 4 мм. Вместо выходной щели монохроматора было установлено поворотное зеркало 5, преобразующее горизонтальное направление выходных лучей в вертикальное. В результате лучи через входное окно 6 кюветы 7 фокусировались в горизонтальной плоскости на исследуемую пленку размером (518) мм2. Горизонтальное размещение жидкой пленки устраняло неконтролируемое изменение ее толщины во время экспонирования. Линейной дисперсии монохроматора (1.3 мм/нм) было достаточно, чтобы в спектральном диапазоне (300 400) нм выходные лучи от соседних спектральных линий не накладывались друг на друга в плоскости экспонирования. Пленку 8 толщиной 220 мкм из исследуемой композиции наносили на стеклянную подложку 9, которую затем герметично прижимали снизу к корпусу кюветы. Перед экспонированием кювету с пленкой прокачивали аргоном в течение 0.5 1.0 мин, прокачку не выключали и на время экспонирования.
После экспонирования пленку взвешивали на весах (вес образцов – 14 18 мг) и затем в течение 3 часов экстрагировали ацетоном в аппарате Сокслета [100]. После экстрагирования пленку сушили при комнатной температуре 12 18 часов, после чего проводили второе взвешивание образца. Отношение результатов второго взвешивания к первому служило количественной оценкой эффективности отверждения всего объема пленки -степенью отверждения покрытия .
Для дальнейшего анализа экспериментальных кривых выведем теоретическую кривую (t) – зависимость степени отверждения объема пленки от времени экспонирования. Пусть J0 – интенсивность падающего монохроматического излучения, l – толщина пленки, x – расстояние от поверхности пленки, Kо и Kи – показатели поглощения олигомерной составляющей и фотоинициатора соответственно. Интенсивность излучения J(x) на глубине x связана с величиной J0 законом Бугера: J(x) = J0e-x, где = (Ко+Ки). Скорость образования первичных радикалов на расстоянии x от поверхности пленки определяется интенсивностью объемного поглощения излучения P(x), которая является производной интенсивности излучения J(x) по глубине x: P(x) - dJ / dx = Kи J0 e - x (2.2.1)
Величина P(x) свое наибольшее значение достигает у верхней поверхности пленки (Р(0) = Ки J0), наименьшее – у нижней: Рmin P(l) = KиJ0e –l. Следовательно, P(l) скорость отверждения всего объема пленки определяется величиной P(l). При использовании для облучения интегрального спектра лампы по значениям Р{1) для отдельных спектральных линий можно количественно оценить их вклады в процесс отверждения композиций.
Пусть f (х, t) - степень отверждения композиции на глубине х в момент времени t от начала экспонирования. Предположим, что вплоть до достижения своего максимального значения тах величина (x,t) пропорциональна интенсивности объемного поглощения Р (х) и времени экспонирования t, т.е.:
Отметим качественные особенности поведения функции (t). На начальном интервале (0, t1) (t) – линейная функции, при этом точка t = t1 соответствует достижению максимальной степени полимеризации у верхней поверхности пленки. На интервале (t1,t2) (t) – монотонно возрастающая, выпуклая вверх функция. Этот интервал соответствует последовательному послойному отверждению композиции от верхней поверхности вглубь пленки. В момент времени t = t2 отверждение заканчивается у нижней поверхности пленки, т.е. (t2) = max. При дальнейшем экспонировании, т.е. при t t2, степень отверждения пленки не меняется – (t) max = const.
Для исследований нами были выбраны композиции на основе олигоуретанакрилатов - ,-акрил (бис-пропиленгликоль)-2,4 толуилендиуретана (АПГТ) и олигомера ОУА-2000Т, рассмотренные выше. Указанные олигомеры отличаются длиной цепи, разделяющей функциональные группы. АПГТ является относительно низкомолекулярным олигомером, ОУА-2000Т – высокомолекулярным с молекулярной массой 2718. Варьируя соотношения низкомолекулярной и высокомолекулярной составляющих, получают материалы для первичных (мягких), однослойных (среднемодульных) и вторичных (жестких) покрытий ВС. Мономер моноакриловый эфир -пропиленгликоля (АПГ) используется в качестве активного разбавителя для уменьшения вязкости композиции. Для собственно кинетических экспериментов были приготовлены две композиции (№№ 1, 2), составы которых приведены в Табл. 4. В качестве фотоинициаторов использовались фотоинициаторы фирмы Ciba – Darocur 1173 (комп. №1) и Darocur 4265 (комп. №2). Отметим, что композиции №№ 1, 2 предназначены для однослойных покрытий ВС.
Таблица 4. Составы композиций №1 и № Композиция №1 Композиция №2 Ком-по-нента Олигомер Мономер Инициатор Олигомер Мономер Инициатор ОУА-2000Т АПГТ АПГ Darocur 1173 ОУА-2000Т АПГТ АПГ Darocur 4265 Доля, % вес. 60.7 20.2 16.2 2.9 60.7 20.2 16.2 2.9 Из всего УФ-спектра излучения лампы ДРТ-400 для спектрально-кинетических измерений были выбраны линии с = 365.0/6.3 нм; 334.1 нм и 312.6/3.2 нм (комп. №1) и с = 404.7/7.8 нм; 365.0/6.3 нм; 334.1 нм и 312.6/3.2 нм (комп. №2). Отверждение поверхностей пленок композиций №1 и №2 происходило и под воздействием излучения с = 302.2/2.6 нм и = 296.7 нм, однако из-за сильного поглощения этих спектральных линий их вклад в процесс интегрального отверждения пленок композиций толщиной (150 220) мкм пренебрежимо мал.
Для всех спектральных линий, попадающих в области спектральной чувствительности композиций №1 и №2, были измерены показатели поглощения и оценены интенсивности падающего излучения. Путем сравнения поглощения в пленке из «чистого» олигомера (без фотоинициатора) с поглощением в пленках из композиций удалось разделить суммарное поглощение на собственно олигомерную составляющую (Ко) и составляющую за счет фотоинициатора (Kи); результаты приведены в Табл. 5. Таблица 5. Спектральные показатели поглощения композиций № 1 и № 2.
Спектрально-кинетические кривые (t), построенные на основе экспериментальных данных, приведены на Рис.7 (комп. №1) и Рис.8 (комп. №2). Измерения были произведены для номинального режима лампы (Iл = 4.5 А, Uл =145 В). Все семь построенных кривых представляют собой монотонно возрастающие выпуклые вверх функции, выходящие на участки насыщения. Для обеих композиций наибольшая степень отверждения пленки max = 94 %. Возрастающий участок кривой (t) соответствует средней части теоретической кривой (4). Время достижения кривой (t) значения max есть время отверждения tп исследуемой композиции. Отметим, что начальные (линейные) участки кривых (t) на Рис.7 и Рис.8 отсутствуют. Дело в том, что при малых ( 40 60 %) значениях проэкспонированные пленки достаточно липкие (даже жидкие у нижней поверхности), что затрудняет точное взвешивание образца и, как следствие, построение достоверного участка кривой.
Обоснование режимов вытяжки оптического волокна с расширяющимся концевым фоконом
Разработанный алгоритм был апробирован при вычислениях зависимостей апертурных углов от длины фокона для сужающихся диэлектрических фоконов с экспоненциальным профилем образующей р(х, I) = Rexp(-xrlln(Rf1)), где R, г и / - входной и выходной радиусы и длина фокона соответственно.
Для вычисления искомых зависимостей весь диапазон изменения длины фокона (Imin, lmax) был разбит реперными точками 1\, /2, ...,/„ и 11\, 11ъ...Дп на подынтервалы, соответствующие первому и второму вариантам достижения входного апертурного угла. На подынтервалах (1\, //і), (/2, Ні),..., (/„, //„) имеет место первый, а на подынтервалах (//ь /2), (lh, /з),...,( « ln+\) -второй вариант достижения апертурного угла.
Последовательность l\, h,-Jn соответствует длинам фоконов, при которых последнее («-ое) отражение происходит в плоскости выходного торца фокона и при этом достигается критический угол падения. Пусть х1} 117 X2,...,xn-i, l„ - координаты точек отражения луча, соответствующие этим условиям. Для их отыскания необходимо решить следующее семейство систем уравнений:
Последовательность ll\, П2, ...,//и соответствует длинам фокона, при которых предпоследнее (n-oe) отражение происходит внутри фокона при критическом угле падения вк = Arcsin(n2/n\), а последнее («+1)-ое отражение - в плоскости выходного торца фокона. Обозначим через х1} х2,...,х„, П„ координаты точек отражения луча, соответствующие этим условиям. Искомые координаты удовлетворяют системе уравнений: tg(q l( xl, lln)) = (p(Xj ,//„) + Arctg(p x(xn(l),l)\) и числа отражений луча п(1) приведены на Рис.23 и Рис.24. В качестве величин R, г, I ,щ и щ выбраны значения, типичные для фоконов, вытянутых из заготовок оптических волокон с кварцевой сердцевиной и фторсиликатной оболочкой. Все расчеты проведены в системе Mathcad.
Из приведенных кривых видно, что они представляют собой кусочно-гладкие или кусочно-непрерывные длины фокона, что связано с дискретностью числа отражений луча и чередованием вариантов достижения апертурного угла при изменении длины фокона. Число отражений луча на интервале (/n, /n+1) равно п. На левых подынтервалах (/n, //n) входной апертурный угол і//вх реально достигается, при этом последнее отражение происходит при критическом угле падения вк = Arcsin(n2/n1). На правых подынтервалах (//n, 1п+1) входной апертурный угол реально не достигается, в этом случае он имеет смысл верхней грани входных углов щ лучей, которые проходят через фокон: т. е. любой луч, введенный в фокон с начальным углом щ = і//вх - 8, где 8 « 1//вх, пройдет через фокон. При этом последнее отражение происходит при углах падения, больших критического: в „ Arcsin(n2/n1).
Отметим, что независимо от формы образующей при увеличении длины фокона / входной и выходной апертурные углы стремятся к своим предельным значениям: при l/R— оо lim(sin(i//вых([)) = (п12–п22)12щ1-1 и lim(sm(y/вх(l)) = rR-1(m2-n22)1/2n1-1. Рассчитанные зависимости входного апертурного угла у/вх - (а), осевого отклонения луча при выходе из фокона - (б) и числа отражений n - (в) от длины фокона l для фоконов с экспоненциальным профилем образующей с параметрами: R = 1.5 мм, r = 0.5 мм, n1 = 1.453, n2 = 1.43 и l = 30 120 мм.
Рассчитанные зависимости выходного апертурного угла у/вых - (а), угла падения луча при последнем отражении - (б) и числа отражений n - (в) от длины фокона l. Профиль образующей фокона -экспоненциальный с параметрами: R = 1.5 мм, r = 0.5 мм, n1 = 1.453, n2 = 1.43 и l = 30 120 мм.
В данной работе апертурные свойства вытянутых фоконов были изучены и экспериментально. Схема экспериментальной установки для измерения выходных апертурных углов фоконов приведена на Рис.25. Засветку осуществляли как в торец большего диаметра фокона, так и в торец его меньшего диаметра. Апертуру на выходе фокона оценивали по формуле: NA «sin( Arctg(R/ Я)), где R – радиус пянта луча в дальней зоне, H – расстояние от торца фокона до экрана. В качестве примера приведем результаты измерений выходных апертурных углов фокона D/d = 2.0/0.4 мм/мм с длиной конического участка 30 см; числовая апертура исходного оптического волокна NA = 0.22.
При засветке в торец большого диаметра (сужающийся фокон) угол наклона луча к оси фокона возрастает при его распространению по фокону, при этом он не может превышать величины критического угла полного внутреннего отражения, т. к. в противном случае имеет место “вытекание” луча в оболочку. Это приводит к тому, что допустимый входной апертурный угол (входная апертура) уменьшается по сравнению с допустимым входным апертурным углом оптического волокна с той же разницей показателей преломления сердцевины и оболочки: А4вх,б = (d/D)NA, или вхб arcsin(7V вх,б) 2.54 град. При этом выходная апертура сужающегося диэлектрического фокона равна числовой апертуре исходного оптического волокна: А4вых,б = NA, или вых,б arcsin(7V/4вых,б) 14.1 град. Сужающиеся диэлектрические фоконы используются в качестве входных устройств для ввода излучения мощных импульсных твердотельных лазеров (иттрий-алюминиевый гранат Y3Al5012: Nd 3+, александрит BeAhO4: Cr 3+) в оптическое волокно, т. к. увеличенный (по сравнению с ОВ) диаметр торца фокона позволяет уменьшить плотность входного излучения и избежать разрушения торца. Требуемое уменьшение входной апертуры возбуждаемого лазерного луча достигается выбором соответствующей входной оптики.
При засветке в торец малого диаметра (расширяющийся фокон) между входной и выходной апертурами имеет место обратное соотношение: NAвх,м = NA, А4вых,м = (d/D)NA. При входной апертуре NAвх = 0.25 выходное излучение фокона стало существенно менее расходящимся: вых,м = 2.54 град. Следовательно, раширяющиеся диэлектрические фоконы можно использовать для коллимирования излучения. Путем скалывания участков исходного фокона D/d = 2.0/0.4 мм/мм со стороны большого диаметра были получены образцы фоконов с фиксированным значением меньшего диаметра d = 2.0 мм и величиной большего диаметра D, изменяющимся в пределах: 0.4 мм D 2.0 мм. У каждого из полученных образцов при засветке в торец малого диаметра были измерены значения выходного апертурного угла вых,м. По результатам зимерений была построена экспериментальная зависимость выходной апертуры NAвых sin(вых, м) от отношения диаметров фокона —, приведенная на Рис. 26. Эта экспериментальная кривая также хорошо апроксимируется соотношением 7УЛвых = (—)NA . Отметим, что образцы вытянутых фоконов обладали хорошей механической прочностью: их “хвосты” (цилиндрические ОВ диаметром d) выдерживали кратковременный изгиб радиусом (50 60)rв и длительный – радиусом (300 400)rв, где rв = d /2 – радиуc поперечного сечения ОВ. В качестве преобразователей апертуры они были использованы в работах [264, 265].
Выбор оптимальных режимов нанесения на оптические волокна покрытий из расплавов термопластичных полимеров
В работе была также опробована технология вытяжки двухслойных капилляров на основе кварцевого и легированного кварцевого стекла состава SiO2/ SiO2 GeO2. Капилляры с кольцевым световедущим слоем предназначены для использования в качестве световодных смесительных элементов в многополюсных многомодовых оптических разветвителях. В таких устройствах торцевые участки световодного смесителя соединены с двумя группами оптических волокон, образующих входные и выходные полюса разветвителя. Каждая группа волокон уложена по окружности таким образом, чтобы обеспечивалось совмещение их световедущих сердцевин с кольцевой световедущей областью смесительного элемента. На основе кварцевых капилляров с кольцевым световедущим слоем были изготовлены модельные образцы многополюсных оптических разветвителей с матрицей 8х8 и волоконными выводами с диаметром сердцевины 200 мкм. Фотография поперечного сечения двухслойного капилляра приведена на Pис. 53.
Используя разработанную нами технологию нанесения фильерным способом защитных покрытий из расплавов термопластов на вытягиваемые кварц-полимерные ОВ, были изготовлены образцы тонкостенных кварцевых капилляров с двухслойным защитным покрытием. В качестве буферного покрытия использовался кремнийорганический эластомер марки «СИЭЛ – МФ-1,51», вторичного – сополимер тетрафторэтилена с этиленом марки «Tefzel». Для повышения механической прочности капилляры были вытянуты с небольшим (2 3 %) «подсхлопыванием». Внешний диаметр капилляров – 300 600 мкм, длины капилляров – 100 200 м. Данные капилляры предназначены для использования в капиллярной хроматографии.
Вытяжка эллиптических капилляров и оптических волокон с эллиптической световедущей сердцевиной с использование ВТ-печи с азимутально-неоднородным температурным полем и разрежения внутри трубы-заготовки [18а, 21а, 28а] Эллиптические капилляры позволяют формировать на их основе волоконно-оптические элементы с жидкокристаллической сердцевиной, перспективные для создания модуляторов света [279]. Оптические волокна с эллиптической световедущей сердцевиной являются разновидностью ОВ, сохраняющих плоккость поляризации и они используются для создания датчиков различных физических величин интерференционного типа. Обычно для формирования эллиптичности структур используют механическую шлифовку преформ с последующим их скруглением на электромеханическом станке MCVD-установки [280]. В данной работе предложен и реализован новый способ формирования таких структур пертяжкой цилиндрических преформ на вытяжной установке с использованием ВТ-печи с азимутально-неоднородным температурным полем и разрежения внутри трубы-заготовки.
Предварительные эксперименты по перетяжке кварцевых труб-заготовок с использованием азимутально-неоднородного температурного поля показали, что без разрежения в трубе-заготовке эллиптичность вытянутых капилляров невысока (отношение полуосей эллипсов к 1.12 [21]). Использование же разрежения позволяет получать капилляры с существенно большей величиной к (до 3.0 4.0).
Эксперименты были проведены на лабораторной вытяжной установке. Схема подачи разрежения в трубу-заготовку приведена на Рис. 54. В качестве нагревательного элемента ВТ- печи использовался специальный графитовый нагревательный элемент (НЭ) корончатого типа НЭ-30/30 мм/мм (внутренний диаметр – 30 мм, толщина – 3.0 мм, высота – 30 мм). Из возможных 16 продольных пазов в заготовке НЭ через каждые 22.5 град. были нарезаны 14. Два паза оставили непропиленными – один напротив другого (через 180 град.), что сформировало азимутальную неднородность температурного поля с двумя ортогональными осями симметрии Обмеренные с помощью вольфрам-рениевой термопары осевой, радиальный и азимутальный температурные профили азимутально-неоднородного НЭ-37/30 мм/мм приведены на Рис. 55. Отметим, что при температуре на оси НЭ в его срединном сечении Tm=1865 0С разница между максимальной Тmax и минимальной Тmin температурами у стенок НЭ составляла 70 0С, что соответствует азимутальной неоднородности 2 (Тmax - Тmin)/(Тmax + Тmin) 0.08. Заметим, что по мере удаления от стенок к оси нагревательного элемента азимутальная неоднородность температурного поля уменьшалась, практически вырождаясь в его центре. Для создания разрежения внутри трубы-заготовки использовался форвакуумный насос. Величина разрежения (разница между атмосферным и внутренним давлениями) в экспериментах составляла Pат – Pвн Р = 0…300 Ра.