Стекла для защитной оболочки жесткого оптического волокна

СТЕКЛА ДЛЯ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ ЖЕСТКОГО ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА
Дяденко М.В.
Учреждение образования «Белорусский государственный технологический университет»,
г. Минск, Республика Беларусь
[email protected], [email protected]
Защитная оболочка оптического волокна служит для предупреждения нежелательного
попадания светового луча из светоотражающей оболочки в соседний световод или в
окружающую среду. К стеклу для защитной оболочки предъявляются следующие требования:
высокая оптическая плотность в видимом диапазоне излучения; согласование по величине
ТКЛР со стеклом световедущей жилы, ТКЛР которого составляет 77,8·10–7 К–1; устойчивость к
кристаллизации при длительных изотермических выдержках; согласование со стеклами
световедущей жилы и светоотражающей оболочки по показателям вязкости в температурном
интервале формования. Стекло для защитной оболочки должно исключать пропускание света
в видимой области спектра. С этой целью в его состав вводились красители CoO, NiO, Mn2O3,
Cr2O3 и Fe2O3, которые поглощают свет в видимой части спектра.
Для разработки стекол защитной оболочки в качестве базовой выбрана система Na2O–
K2O–B2O3–SiO2 при следующем содержании оксидов, мол. %: SiO2 60–80, B2O3 5–25 и Na2O
5–25. Оксиды Al2O3, K2O, CaO, MgO и BaO введены в качестве постоянных добавок, их
суммарное содержание составляло 10 мол. %. В состав опытных стекол для защитной
оболочки вводились красители, мас.% (сверх 100 %): CoO 0,4; Cr2O3 0,45; Mn2O3 0,4.
По результатам исследования кристаллизационной способности опытных стекол,
которая оценивалась при градиентной термообработке в течение 6 ч, признаки кристаллизации
проявляются у образцов с повышенным количеством Na2O, составляющим 15–25 мол. %, при
содержании B2O3 5–10 мол. %. Следовательно, область составов стекол, устойчивых к
фазовому разделению, включает, мол. %: Na2O 5,0–10,0; В2О3 5,0–20,0; SiO2 65,0–80,0.
Величина ТКЛР опытных стекол для защитной оболочки изменяется в пределах (46–
114)·10–7 К–1. При этом ТКЛР стекол с содержанием B2O3 10–15 мол. % и Na2O 10–15 мол. %
находится в интервале (74–80)·10–7 К-1, что наиболее близко к величине ТКЛР стекла
световедущей жилы, составляющей (77,8±0,5)·10–7 К–1.
Вязкость стекла защитной оболочки играет важную роль при изготовлении жесткого
оптического волокна и волоконно-оптических элементов, поскольку определяет их
геометрические параметры и качество.
Установлено, что с ростом содержания Na2O, вводимого взамен SiO2 в состав стекол
при постоянном содержании B2O3, равном 10 мол. %, наблюдается закономерное снижение
вязкости опытных стекол и сокращение температурного интервала, соответствующего
вязкости 109–104 Па·с, от 280±2,5 оС до 210±2,5 оС.
Анализ данных по показателям вязкости стекол с эквимолярной заменой Na2O на B2O3
позволяет заключить о сложном и неоднозначном влиянии оксида бора на температурную
зависимость вязкости. Так, увеличение его содержания в составе стекол от 5 до 15 мол. %
вызывает монотонный рост показателей вязкости в области температур выше температуры
Литтлтона (=106,6 Па·с) на 1,5 порядка. Более высокие показатели высокотемпературной
вязкости стекла с содержанием B2O3 5 мол. % и Na2O мол. 25 % обусловлены, очевидно,
более активным развитием процессов кристаллизации при термической обработке в случае
содержания модификатора – оксида натрия.
Повышение количества B2O3 от 15 до 25 мол. % приводит к снижению вязкости в
низкотемпературной области, т.е. оксид бора проявляет более выраженное флюсующее
действие, чем оксид натрия. На показатели реологических свойств стекол оказывает влияние
координационное состояние ионов бора, соотношение группировок [BO3] и [BO4] и их
положение в структуре стекла. В случае преобладания в структуре стекла группировок [BO4]
его показатели вязкости возрастают; при увеличении доли группировок [BO3] с
уменьшением соотношения Na2O/B2O3 вязкость опытных стекол снижается.
По данным В.Н. Полухина [1] для обеспечения качества волоконно-оптических
изделий вязкость стекла световедущей жилы при температуре спекания волокон должна
быть больше вязкости стекол оболочек, так как в этом случае их химическое взаимодействие
в контактном слое значительно снизится.
С учетом показателей ТКЛР, вязкости и кристаллизационной способности выделена
область составов стекол, включающая Na2O 10–15 мол. %, которые в большей мере полно
отвечают требованиям, предъявляемым к стеклам защитной оболочки. Однако ТКЛР
исследуемых стекол не соответствует заданному значению, что требует их модифицирования.
Для оптимизации технологических и термических свойств в составах окрашенных
стекол варьировалось содержание оксидов бора, натрия и калия. В составах при общем
содержании оксидов щелочных металлов, равном 17 мол. %, изменялось соотношение Na2O
и K2O от 10:7 до 2:15; а также оценивалось влияние соотношения (Na2O+K2O)/B2O3 на
свойства опытных стекол.
Установлено, что с увеличением соотношения Na2O:K2O в составе стекол происходит
монотонный рост показателей вязкости во всем исследуемом диапазоне температур. Так,
увеличение содержания K2O, вводимого взамен Na2O, на 4 мол. % обусловливает изменение
вязкости lgη на 0,3.
Более сложное влияние на температурную зависимость вязкости оказывает изменение
соотношения модификаторов и оксида бора в составе стекол. Так, с увеличением содержания
B2O3 за счет (Na2O+K2O) наблюдается рост градиента вязкости. Поэтому в интервале
температур, соответствующем пластическому состоянию (lgη8), вязкость опытных стекол с
соотношением (Na2O+K2O)/B2O32 выше, чем при указанном соотношении, близком к
единице. Выявлено, что в области температур свыше 750 оС модификаторы закономерно
проявляют более выраженное флюсующее действие.
Величина ТКЛР исследуемых стекол с различным соотношением Na2O/K2O и
(Na2O+K2O)/B2O3 изменяется в интервале значений (56–86,9)·10–7 К–1.
Выявлено, что наиболее оптимальным является использование оксидов натри, калия и
бора в соотношении (Na2O+K2O)/B2O3, равном 15:11. Стекло указанного состава взято за
основу для последующего исследования влияния качественного и количественного состава
красителей (CoO, NiO, Cr2O3 и Mn2O3) на светозащитные характеристики опытных стекол.
Выбор красителей обусловлен необходимостью обеспечить высокую оптическую
плотность стекол для защитной оболочки в видимой области спектра. Максимальной
оптической плотностью в диапазоне длин волн 350–700 нм характеризуются стекла с
соотношениями Cr2O3:СоО:Mn2O3, равными 1,125:1:1 и 3:1:2. В первом случае рост
оптической плотности стекла обусловлен введением катиона Co2+, имеющего высокий
линейный коэффициент поглощения в области длин волн 540–630 нм. Оптическую
плотность порядка 2 единиц имеет стекло с соотношением Cr2O3:СоО:Mn2O3, равным 3:1:2.
Указанная комбинация красителей является предпочтительной, поскольку в стекле данного
состава увеличено содержание многозарядных ионов, что позволяет снизить скорость
диффузии ионов-красителей из защитной оболочки в световедущую жилу.
Таким образом, на основе системы Na2O–K2O–В2О3–SiO2 при соотношении оксидов
(Na2O+K2O)/B2O3, равном 15:11, и соотношении красителей Cr2O3:СоО:Mn2O3,
составляющем 3:1:2, разработан состав стекла для защитной оболочки жесткого оптического
волокна, устойчивый к фазовому разделению при его 24-часовой термообработке в
интервале температур 600–1100 оС и характеризующийся следующими показателями:
величина ТКЛР составляет 77,7·10–7 К–1; оптическая плотность в интервале длин волн 350–
700 нм – D=2; вязкостные характеристики стекла для защитной оболочки согласованы с
характеристиками стекол для световедущей жилы и светоотражающей оболочки.
1) Полухин В.Н. Стекла для волоконной оптики // Оптико-механическая промышленность. 1968.
№9. С.34-38.