СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ Российский патент 1995 года по МПК C03B37/18 

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к способам получения заготовок для создания гибких силовых световодов и световодов с тонкой отражающей оболочкой.

В настоящее время в связи с созданием мощных лазеров с длинами волн испускания в пределах от 0,2 до 1,9 мкм и широким применением их в промышленности и медицине остро встал вопрос о способе передачи оптического излучения от источника к объекту, так как с помощью систем линз и зеркал не всегда удается создать гибкий технологический инструмент. Для этих целей применяются силовые волоконные световоды с диаметром сердцевины 600-1000 мкм.

Световоды типа "кварц-полимер" имеют высокие потери, быстро деградируют при пропускании ультрафиолетового излучения и начинают гореть на торцах при вводе инфракрасного излучения большой мощности. Световоды типа "кварц-кварц" с сердцевиной из чистого кварца и светоотражающей оболочкой, легированной фтором, лучше подходят для этой цели и успешно изготовляются методом РМС Д (осаждение из газовой фазы, активированное плазмой высокочастотного разряда атмосферного давления).

Силовые световоды, изготовленные таким способом, имеют диаметр сердцевины 600-1000 мкм и наружный диаметр (без покрытия) 750-1500 мкм соответственно, причем толщина фторированной отражающей оболочки составляет 25-30 мкм, а остальные 150-250 мкм наружной кварцевой оболочки световода образуются из-за присутствия стекла опорной кварцевой трубки (световоды получаются трехслойные: жила, отражающая оболочка и оболочка опорной кварцевой трубки). Для увеличения гибкости таких световодов необходимо удалить наружный кварцевый слой. Этого удается добиться путем испарения кварцевого стекла с заготовки волоконного световода. Но такая операция очень длительная (до 8 ч) и дорогостоящая (в отходы идет высококачественная опорная кварцевая труба).

К недостаткам данного способа следует также отнести наличие операции схлопывания; при необходимости получения малого соотношения между наружным диаметром световода и сердцевиной операции "обдирка" заготовки на водородно-кислородной горелке для уменьшения наружного диаметра; использование дорогостоящей опорной трубки из оптического кварца; использование только СВЧ-плазмы для нагрева опорной трубки ограничивает частоту посылок импульсов, и тем самым снижает скорость осаждения, кроме того, длительный импульс СВЧ-плазмы, необходимый для нагрева трубки, приводит к осаждению дополнительного количества кварцевого стекла в начале зоны осаждения.

Целью изобретения является повышение производительности процесса изготовления заготовок волоконных световодов за счет сокращения числа технологических операций по изготовлению заготовки.

Поставленная цель достигается тем, что в способе производства заготовок волоконных световодов путем пропускания через трубку из кварцевого стекла реагентов в газовой фазе и осаждения в неизотермической импульсной СВЧ-плазме слоев легированного фтором кварцевого стекла в кварцевую трубку вставляют кварцевый стержень, на поверхность которого осаждают слои кварцевого стекла, легированного фтором, затем стержень извлекают из трубки.

Поставленная цель достигается за счет того, что в способе производства заготовок волоконных световодов путем пропускания через трубку из кварцевого стекла реагентов в газовой фазе, осаждение в неизотермической импульсной СВЧ-плазме слоев легированного фтором кварцевого стекла идет на поверхность кварцевого стержня, расположенного соосно внутри кварцевой трубки, и тем самым исключается операция схлопывания и "обдирки" при необходимости. Использование печи сопротивления для поддержания необходимой температуры на поверхности кварцевой трубки дает возможность варьировать частотой посылок и длительностью СВЧ-импульсов, что, в свою очередь, позволяет оптимизировать процесс осаждения и тем самым увеличить скорость осаждения и улучшить качество осажденных слоев.

Схема процесса представлена на чертеже.

Способ осуществляют следующим образом.

Внутри опорной кварцевой трубки непрерывно прокачивают смесь реагентов О₂, SiCl₄ и фреон. Давление поддерживают 2-5 мм рт.ст. При подаче импульсов СВЧ-энергии зажигают плазму, и идет гетерогенный процесс осаждения слоев легированного кварцевого стекла на внутреннюю поверхность кварцевой трубки и на стержень, расположенный соосно внутри трубки. Во время процесса осаждения формируют светоотражающую оболочку из кварцевого стекла, легированного фтором. По достижении необходимой толщины оболочки (обеспечивающей заданное соотношение диаметра световода и сердцевины) стержень вынимают из трубки и вытягивают в волокно по обычной технологии, при этом исключают операцию схлопывания и "обдирки". Трубку используют из кварца низкого качества и, возможно, несколько раз, что приводит к удешевлению процесса.

СВЧ-устройство для осаждения заготовок волоконных световодов работает в режиме непрерывной прокачки реагентов. Поскольку время для прохождения химической реакции менее 1 м/с, то частота посылок импульсов составляет величину ≈100 Гц, а длительность 1-2 м/с. Это позволяет исключить процессы переосаждения и улучшить качество заготовок. При этом для поддержания температуры кварцевой трубки ≈1100^оС необходимо использовать печь сопротивления.

Ниже даны примеры технологических параметров процесса.

П р и м е р 1. Диаметр кварцевой трубки: наружный 20 мм; внутренний 16 мм; диаметр штабика 8 мм; длина зоны осаждения 600 мм; толщина осажденных слоев 400 мкм; время осаждения 2 ч; числовая апертура волокна с чисто кварцевой сердцевиной 0,28; наружный диаметр волокна (без покрытия) для λ= 1,06 мкм 660; диаметр сердцевины 600 мкм.

П р и м е р 2. Диаметр опорной кварцевой трубки: наружный 20 мм, внутренний 16 мм; диаметр штабика 8 мм; длина зоны осаждения 600 мм; толщина осажденных слоев 200 мкм; время осаждения 1 ч; числовая апертура волокон с чисто кварцевой сердцевиной 0,25; наружный диаметр волокна (без покрытия) для λ= 0,308 мкм 420; диаметр сердцевины 400 мкм.

Таким образом, осаждение кварцевого стекла, легированного фтором, на поверхность кварцевого стержня, расположенного соосно внутри кварцевой трубки в плазме импульсного СВЧ-разряда пониженного давления, позволяет исключить операцию схлопывания заготовки и при необходимости "обдирки" (для достижения необходимого соотношения между наружным диаметром световода и сердцевины), что приводит к повышению скорости и производительности процесса изготовления заготовок волоконных световодов.

Применение печи для поддержания необходимой температуры на поверхности кварцевой трубки позволяет оптимизировать частоту и скважность подачи импульсов и тем самым повысить качество, увеличить скорость осаждения стекла и свести к минимуму излишнее осаждение кварца в начале осаждения.

Сущность изобретения: в способе производства заготовок волоконных световодов пропускают через трубку из кварцевого стекла реагенты в газовой фазе и осаждают в неизотермической импульсной СВЧ-плазме слои легированного фтором кварцевого стекла. В кварцевую трубку вставляют кварцевый стержень, на поверхность которого осаждают слои кварцевого стекла, легированного фтором, затем стержень извлекают из трубки. 1 ил.

СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ путем пропускания через трубку из кварцевого стекла реагентов в газовой фазе и осаждения в неизотермической импульсной СВЧ-плазме слоев легированного фтором кварцевого стекла, отличающийся тем, что в кварцевую трубку вставляют кварцевый стержень, на поверхность которого осаждают слои кварцевого стекла, легированного фтором, затем стержень извлекают из трубки.