Плазмохимический метод получения оптических волокн

Для получения стекла, практически свободного от примесей металлов, используют методы синтеза кварцевого стекла из дешевого химического соединения − летучего тетрахлорида кремния (SiCl4). Существует два варианта такого синтеза. Первый вариант сводится к высокотемпературному гидролизу SiCl4 в факеле водородно-кислородного пламени:

SiCl4 + 2H2O = SiO2 + 4HCl. (1)

Основу второго метода составляет высокотемпературное окисление SiCl4 кислородом в факеле высокочастотной плазмы:

SiCl4 + O2 = SiO2 + 2Cl2. (2)

Образующийся в этих реакциях газообразный SiO2 быстро конденсируется в виде мельчайших частиц аморфного оксида кремния размером около 0.1 мкм. Частицы SiO2 увлекаются горячим потоком газа, омывают поверхность наплавляемого блока и захватываются им. Из-за малых размеров аэрозольных частиц SiO2 становится возможным получать стекло без мелкозернистых неоднородностей и оптически однородное во всех направлениях. Синтез стекла по реакции 1 происходит в атмосфере, содержащей большое количество воды. Аэрозольные частицы SiO2 легко взаимодействуют с ней, в результате чего наплавляемое паросинтетическое стекло содержит большое количество гидроксильных групп (ОН-), обуславливающих интенсивное поглощение света в ИК области спектра (2600 – 2800 нм). Для получения безгидроксильного кварцевого стекла его синтез ведут по реакции 2. Из уравнений реакций 1 и 2 следует, однако, что, кроме SiO2, их продуктами являются газообразные хлороводород или хлор, соответственно, которые частично остаются в стекле, оказывая влияние как на тип дефектов структуры кварцевого стекла, так и на его радиационно-оптическую устойчивость.  В мировой научно-технической литературе все многообразие кварцевых стекол принято делить на 4 типа:

I тип – безгидроксильные кварцевые стекла, наплавленные в вакууме;

II тип – газонаплавленные кварцевые стекла;

III тип – особо чистые  гидроксилсодержащие кварцевые стекла, полученные высокотемпературным гидролизом SiCl4;

IV тип – особо чистые  безгидроксильные кварцевые стекла.

2.3 Факторы влияющие на процесс

Плавленый кремнезем, предназначенный для изготовления волокон, обладает тем недостатком, что его показатель преломления один из самых низких среди показателей преломления всех стекол. При λ=0,589 мкм он достигает только ∆n= 1,4585. Чтобы использовать чистый плавленый кремнезем для изготовления сердцевины волокна с низкими потерями, необходимо иметь материал с еще более низким показателем преломления для оболочки.

Возможность понижения показателя преломления заключается в добавлении фтора в плавленый кремнезем. Разность показателей преломления чистого Si02 и материала с добавкой фтора увеличивается линейно с увеличением концентрации фтора вплоть до нескольких мольных процентов. Показатель преломления кремнезема уменьшается на 0,2% на каждый мольный процент фтора. Таким образом, при добавлении 5 мольных процентов фтора показатель преломления уменьшается на 1%.

Все другие добавки к плавленому кремнезему, изменяющие его показатель преломления без снижения его оптических свойств, приводят к увеличению показателя преломления по сравнению с чистым кремнеземом. Наиболее подходящими для этой цели оказались окиси Ge02, Р2О5, ТiО2 и А1203 Мольные доли этих окислов в кремнеземе могут меняться в пределах 1— 25%. На рисунке 2.5 изображена зависимость показателя преломления плавленого кремнезема от мольной доли добавки Ge02.

Рисунок 2.5-Зависимость показателя преломления плавленого кремнезема от мольной доли добавки GeO2.

Показатель преломления увеличивается на ∆п = 0,001 при увеличении мольной доли окисла Ge02 на 1%. При концентрации окислаGe02,составляющей 20 мольных процентов, показатель преломления увеличивается на 1,4% .

Основу плазмохимического метода составляет высокотемпературное окисление SiCl4 кислородом в факеле высокочастотной плазмы:

SiCl4 + O2 = SiO2 + 2Cl2

Образующийся в этих реакциях газообразный SiO2 быстро конденсируется в виде мельчайших частиц аморфного оксида кремния размером около 0.1 мкм. Для активации процесса используется неизотермическая плазма низкого давления ~ 10…20 мбар (1 бар = 1,01 атм.), образующаяся с помощью СВЧ-резонатора, который соединен с магнетроном мощностью 0,2…6 кВт, излучающего СВЧ на частоте ~ 2,5 ГГц. Смесь О2 и паров SiCl4 вместе c парами галогенидов легирующих компонентов (GeCl4, C2F6) прокачивается через опорную трубку с наружным диаметром 18…26 мм, вдоль которой перемещается резонатор. Сама трубка вместе с резонатором помещена в печь, нагреваемую до 1150…1200 °С.