Кварцевое стекло оптических волокон

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск
Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Оптические материалы
Горный-хрусталь SiO2
Четырёхгранная структурная решётка кварца (SiO2)

Кварцевое волоконное стекло — это аморфный стекловидный расплав из диоксида кремния, который является твёрдым только благодаря своей высокой вязкости. Оно не имеет точки плавления.[1] Сам кварц (нем. Quarz — твёрдый) — самый рапространённый минерал в земной коре, породообразующий минерал большинства магматических и метаморфических пород.

Химическая формула: \(\,SiO_2\) (диоксид кремния).

Особенности кварцевых оптических волокон[править]

Аморфная структура гладкого кварца (SiO2).

Кварц показывает довольно хорошую оптическую передачу по широкому диапазону длин волны. В почти инфракрасном диапазоне часть спектра, особенно приблизительно 1,5 мкм, кварц может иметь чрезвычайно низкое поглощение и рассеявшиеся потери заказа 0.2?dB/km. Высокая прозрачность в 1,4мкм области достигнута, поддерживая низкую концентрацию гидроксильных групп (О). Альтернативно, высокая концентрация кислорода (O) лучше для передачи в ультрафиолетовой (Ультрафиолетовое излучение) области.

Кварц может быть использован в волокнах в разумно высоких температурах, и имеет довольно широкий диапазон стеклопреобразования. Одним из других преимуществ его состоит в том, что соединение сплава и расщепление волокон кварца являются относительно эффективными. Волокно кварца также имеет высокое механическое сопротивление на разрыв при расяжении и даже против изгиба, но при условии, что волокно не слишком толстое и что поверхности были хорошо готовы в течение обработки. Даже присутствует стойкость протв простго раскола (ломки) концов волокна с плоскими поверхностям. Кварц также относительно химически инертен. В частности, он не является гигроскопическим (не поглощает воду).

Стекло кварца может смешиваться с различными материалами. Цель добавок состоит в том, чтобы поднять коэффициент преломления (например, с диоксидом Германия (GeO2) или Алюминиевая окись (Al2O3), или понижать это (например со фтором или трёхокисью Бора (B2O3). Разбавление также возможно с лазерными-активными ионами (например, редкие земные-легированные волокна), чтобы получить активные волокна, которые используются, например, в усилителях волокна или лазерных заявлениях. И ядро волокна и оболочка аналогично смешиваются, так, чтобы все композиции (ядро и оболочка) имели эффективно тот же самый состав (например алюмосиликат, germanosilicate, phosphosilicate или боросиликатное стекло).

Особенно для активных волокон, чистый кварц — как правило не очень подходящее стекло основы, потому что это даёт низкую растворимость для редкоземельных ионов. Это может привести к подавлению эффектов из-за объединения в кластеры ионов допанта. Алюмосиликаты намного более эффективны в этом отношении.

Волокно кварца также показывает высокий уровень оптической стойкости. Эта особеность гарантирует низкую тенденцию для создания лазером повреждений. Это важно для волоконных усилителей, когда они используется для увеличения короткой пульсации.

Из-за этих свойств волокна кварца — материал предпочтителен для выбора во многих производствах оптических волокон, типа коммуникаций (за исключением очень коротких расстояний с пластмассовым оптическим волокном), волркна для лазеров , усилителей и волоконнооптических датчиков. Большие усилия, которые были предприняты в развитии различных типов волокон кварца, далее увеличили работу в деле применения таких волокон для применения в других материалах. [2],[3],[4],[5],[6], [7],[8],[9],[10]

Изготовление[править]

Сверхчистое кварцевое стекло обычно изготавливается путём осаждения SiO2 из паровой фазы посредством окисления тетрахлорида кремния SiCl4 с выделением газообразного хлора. Такой способ выбран потому, что SiCl4 может быть получен в очень чистом виде путём дистилляции. SiCl4 + O2 ---> SiO2 + 2Cl2. Показатель преломления может быть «отрегулирован» путём соответствующего легирования, добавлением определённого количества оксидов во время осаждения из газовой фазы. Так при введении фтора (F) или триоксида бора (B2O3) можно достигнуть меньшего показателя преломления (для изготовления тела волокна), а при добавлении диоксида германия (GeO2) или пентаксида фосфора (P2O5) получают более высокий коэффициент преломления (для изготовления сердцевины волокна).

См. также[править]

Примечание[править]

  1. http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber
  2. Glasesmenn, G. S., Advancements in Mechanical Strength and Reliability of Optical Fibers, Proc. SPIE, Vol. CR73, p. 1 (1999)
  3. Boulos, E.N., Ed., Glass and Optical Materials I: Fracture and Strength, Glass Structure and Processing, Modeling and Computer Simulation (American Ceramic Society, Columbus, 1994)
  4. Kurkjian, C.R., Strength of Inorganic Glass, (Plenum Press, New York, 1985); Mechanical Stability of Oxide Glasses, J. Non-Cryst. Solids, Vol. 102, p. 71 (1988); Strength and Elasticity of Glasses, Glass '89, Proc. XV Int'l. Congress on Glass, Leningrad 327 (1989); Kurkjian, C.R., et al., Strength and fatigue of silica optical fibers, J. Lightwave Tech., Vol. 7, p. 1360 (1989); Strength, Degradation and Coating of Silica Lightguides, J. Am. Ceram. Soc., Vol. 76, p. 1106 (1993); Critical Issues in the Mechanical Reliability of Lightguide Fibers, in Reliability of Photonics Materials and Structures, Suhir, E., Fukuda, M., Kurkijan, C.R., Eds., Proc. Mat. Res. Soc., Vol. 531, p. 39 (1998); Strength variations in silica fibers, Proc. SPIE, Vol. 3848, p. 77 (1999); Mechanical Strength and Reliability of Glass Fibers, Ch. 24 in Specialty Optical Fibers Handbook (Elsevier, Inc., 2007)
  5. Bradt, R.C. and Tressler, R.E., Eds., Fractography of Fiberglass (Plenum Press, New York, 1994)
  6. Gupta, P.K., Strength of Glass Fibers, in Fiber Fracture, Elices, M. and Llorca, J., Eds., p. 128 (Elsevier Science Ltd., 2002)
  7. Skontorp, A. Nonlinear mechanical properties of silica-based optical fibers, Proc. SPIE, Vol. 4073, p. 278 (2000)
  8. Thomas, W.F., An investigation of the factors likely to affect the strength and properties of glass fibers, Phys. Chem. Glasses, Vol. 1, p. 4 (1960)
  9. Proctor, B.A., et al., The strength of fused silica, Proc. Roy. Soc., Vol. A297, p. 534 (1967)
  10. Bartenev, G.M., The stucture and strength of glass fibers, J. Non-Cryst. Sol., Vol. 1, p. 69 (1968); The structure and strength of glass fibers of different chemical composition, Mat. Sci. Engr., Vol. 4, p. 22 (1969); Structure and Mechanical Properties of Inorganic Glasses, (Walters-Noordhoff, 1970)