Az erbiummal{0}}adalékolt optikai szálak VAD módszerrel történő gyártása öt különböző szakaszból áll:
(1) porózus magrúd gyártása VAD módszerrel
(2) dopping- és impregnálási folyamat
(3) előforma alakítási folyamat
(4) burkolási eljárás
(5) optikai optikai szál rajz
Minden szakasznak megvan a maga kihívása
Porózus tüskék gyártása VAD módszerrel
A folyamat a hagyományos VAD-beállítással kezdődik, bár a "hagyományos"-nak nevezve szinte alábecsüli, mennyire bonyolult lehet ez a lépés. Kezdje egy szilícium-dioxid célrúddal-, amelynek átmérője 20 mm, semmi sem függőlegesen elhelyezve. A pisztoly fúvókája lesz az elsődleges adagolórendszer, amely 450-550 liter/perc közötti sebességgel táplálja be a SiCl4-et. Ez egy meglehetősen széles működési ablak, és az, hogy hol ér el ebben a tartományban, jobban befolyásolja a lerakódási sebességet, mint a legtöbb adatlap.
Az oxigén 15 liter/perc sebességgel áramlik be, a hidrogén 10 liter/perc sebességgel. A láng hidrolízis reakciója gyorsan lezajlik-elég magas hőmérsékletről beszélünk ahhoz, hogy a SiCl₄ ne csak bomlik, hanem gyakorlatilag felrobban ezekre az apró szilícium-dioxid részecskékre, amelyek elkezdenek felhalmozódni a célrúdon. Az egész a hidrolízissel egyidejűleg végbemenő termikus oxidáción múlik, ezért a gázarányok annyira fontosak. Tévedje meg őket, és látni fogja ezt a porózus szerkezetének sűrűségváltozásaiban.
Elegendő leválasztási idő után egy porózus SiO₂-tüske nagyjából 60 mm átmérőjű. A célrúd a folyamat során 55-60 mm/óra sebességgel emelkedik felfelé – lassan és egyenletesen. Gyorsítsa fel, és a részecskék lerakódása egyenetlen lesz; túl lassan halad, és fennáll a kockázata a koncentrált területek túlmelegedésének. Van egy édes hely, és néha néhány sikertelen futásba is beletelik annak megtalálása. Az így létrejövő porózus szerkezet kritikus fontosságú, mert morfológiája határozza meg, hogy később milyen hatékonyan szívja fel a doppingoldatot. Túl sűrű, és az erbium oldat nem hatol be elég mélyen; túl laza, és koncentrációs gradienseket kap, amelyek kísérteni fognak a szinterezési fázisban.
Dopping impregnálási eljárás
Itt vegyülnek a dolgok. A porózus SiO₂ magrúd egyenesen a doppingoldattal megtöltött tartályba kerül, mindezt szobahőmérsékleten, mert a melegítés ebben a szakaszban kontraproduktív lenne. Maga az oldat megtévesztően egyszerű: oldószerként etanol, dópolóként ErCl3.
Most az ErCl₃ korlátozottan oldódik etanolban{0}}kb. 0,54 tömeg%-ra növelheti, és nagyjából ez a plafon. Próbálj meg többet belezsúfolni, és csak az adalékanyagot pazarolod, mert nem marad meg az oldatban. Egyes laboratóriumok különböző oldószerekkel kísérleteztek ennek a számnak a növelésére, de az etanol továbbra is a standard, mert tisztán elpárolog, és nem hagy maga után olyan szennyeződéseket, amelyek zavarják az üveg szerkezetét.
Maga az impregnálás mechanikusan egyszerű,-csak hagyod, hogy a kapilláris hatás és a diffúzió elvégezze a dolgát, miközben az oldat beszívja ezeket a pórusokat. De a felvétel egyenletessége teljes mértékben attól függ, hogy a porózus szerkezet mennyire konzisztens volt az első lépéstől kezdve. Ez a módszer AlCl₃-val is működik, amelyet néha erbiummal adalékolnak, hogy módosítsák a kibocsátási jellemzőket. Az alumínium enyhén eltolja az erbium emissziós csúcsot, és befolyásolja a gerjesztett állapotok élettartamát, ami fontos az erősítő alkalmazásoknál.
Egy dolgot a szakirodalom nem mindig említ: az áztatási idő többet számít, mint gondolná. Ha túl rövidre hagyja, akkor nem jut be teljesen a bot belsejébe. Hagyja túl sokáig, és... nos, valójában ez ritkán jelent problémát, hacsak nem kezd el leromlani a megoldás, ami megtörténhet, ha nedvesség kerül be.
Előforma alakítási folyamat
Ebben a szakaszban a türelem erénysé válik. Adalékoldattal átitatott porózus rúd van, amelyet szilárd üvegrúddá kell átalakítania anélkül, hogy elveszítené az erbiumot vagy hibákat okozna. A folyamat három hőkezelésre bomlik, mindegyiknek megvan a maga célja.
Először az oldószer eltávolítása következik. A rúd nitrogénatmoszféra alatti kemencébe kerül-az inert környezet itt döntő fontosságú-, és valahol 60-70 fok közé kell felmelegíteni. Ez szelídnek tűnik, és szándékosan az is. Ön elpárologtatja az etanolt, amelynek forráspontja 78 fok, de a hőmérsékletet ez alatt tartja, hogy elkerülje a forrást, ami nyomás okozta repedéseket vagy csatornákat hozna létre a porózus szerkezetben. Ez a lépés 24 órától 240 óráig tart a rúd méretétől és az impregnálás során való telítettségétől függően. Nem kell siettetni. Láttam, hogy a mérnökök a hőmérséklet emelésével próbálják ezt felgyorsítani, és mindig megbánják, ha űrt találnak a végső előformában.
Amint az etanol elfogy, a porózus szilícium-dioxid mátrixban lerakódott erbium-klorid marad. Most ezt a kloridot oxiddá kell alakítania, és ki kell űznie a klórt, mert a maradék kloridok csillapítást okoznak a kész szálban -pontosan olyan hullámhosszúságú fényt nyelnek el, amelyet nem kíván. Ez a kiszáradás fázisa.
A hőmérséklet jelentősen megugrik: 950{2}}1050 fokot ammónia atmoszférában. Az ammónia azonban nem tiszta – 0,25-0,35% oxigént tartalmaz, ami kicsinek tűnik, de gondosan ellenőrzik. Túl sok oxigén és idő előtti szinterezés; túl kevés, és a kiszáradás nem teljes. Az ammónia segít eltávolítani a hidroxilcsoportokat, amelyek egyébként az üvegszerkezetben maradnának. Az OH⁻ csoportok arról híresek, hogy 1,39 μm körüli abszorpciós csúcsokat okoznak, ami problémás a távközlésben. Ezeket a feltételeket 2,5-3,5 óráig tartod fenn. Az erbium-klorid ebben a fázisban erbium-oxiddá alakul.
Aztán jön a szinterezés, a végső konszolidáció. Most újra nitrogénben van-nincs ammónia, nincs oxigén-1400-1600 fokon 3-5 órán keresztül. Itt a porózus szerkezet összeomlik, és a szilícium-dioxid teljesen átlátszó üveggé üvegesedik. Az erbium-oxid beépül a szilícium-dioxid hálózatba, ideális esetben molekuláris szinten viszonylag egyenletesen oszlik el. A hőmérsékletnek elég magasnak kell lennie a teljes sűrűsödéshez, de nem olyan magasnak, hogy az erbium elkezdjen vándorolni vagy klaszterizálódni, ami koncentráció-inhomogenitást okozna.
Egy átlátszó üvegmagú rúd jelenik meg, amelyen erbium van elosztva. Ha mindent jól csinált, minimális buborékokkal, jó optikai tisztasággal és az erbiumkoncentrációval kell rendelkeznie, amely megegyezik az impregnálási lépésből származó számításaival,{1}}bár soha nem egyezik pontosan. A termikus feldolgozás során mindig van némi veszteség.
Burkolási folyamat
A magon végzett sok gondos munka után a burkolási lépés szinte antiklimatikusnak tűnik, bár ez aligha triviális. A mag rúdját be kell vonni-egy alacsonyabb törésmutatójú üvegréteggel, amely a teljes belső visszaverődés révén a maghoz korlátozza a fényt.
Fogja a kész magrudat, és behelyezi egy előre-előkészített burkolócsőbe. Ez a cső jellemzően tiszta szilícium-dioxid vagy enyhén adalékolt a törésmutató kontrasztjának beállításához. Az illeszkedés számít: túl laza, és beszorul a levegő; túl szoros, és fennáll annak a veszélye, hogy a behelyezés során valami megreped. Összeszerelés után az egész szerkezet visszakerül egy kemencébe, ahol együtt égetik el. A melegítés hatására mindkét darab meglágyul és összeolvad, így monolitikus előforma jön létre,{5}}egy szilárd darab, anélkül, hogy az interfész rések szétszórnák a fényt.
A mag és a burkolat hőtágulási együtthatóinak ésszerűen meg kell egyeznie, különben a hűtés során feszültség keletkezik, ami kettős töréshez, vagy ami még rosszabb, mikrotörésekhez vezethet. A legtöbb gyártó rendelkezik szabványosított kombinációkkal, amelyekről tudják, hogy megbízhatóan működnek.
Optikai szál rajz
Az utolsó lépés egy optikai szálhúzó tornyon történik, ahol az előformát elég forró kemencébe táplálják, hogy meglágyítsa az üveget-nagyjából 2000 fokban beszélünk, adj vagy veszel. Ahogy az előforma csúcsa meglágyul, a gravitáció és a mechanikai húzás vékony szálká vonja le. A húzási sebesség, a kemence hőmérséklete és a feszültség mind gondos koordinációt igényel, hogy elérje a célátmérőt, általában 125 μm-t a burkolat esetében.
Itt a hagyományos rajzolási folyamatok érvényesek, ami azt jelenti, hogy van -valós idejű átmérőfigyelés, bevonatfelhordók, amelyek védőpolimer rétegeket helyeznek el, amíg az üveg még forró, és felveszi az-tekercseket. Az erbium koncentrációja a magban lényegében változatlan marad a rajzolás során-csak mindent arányosan zsugorít. De a húzási feszültség nem lehet túl nagy, különben feszültséget indukál a szálban, ami rontja a teljesítményét.
Egy dolgot érdemes megjegyezni: az erbium egységes elosztása érdekében végzett munka itt valóban kifizetődik. Az előforma koncentrációbeli eltérései megmaradnak a rostban, így ha problémái voltak a 2. vagy 3. lépésben, akkor ezek most állandóak. Nem tudod megjavítani őket, ezért ezek a korábbi szakaszok annyi figyelmet igényelnek.
Az eredményül kapott szál, ha minden jól ment, egy erbium{0}}adalékolt optikai szál, amely alkalmas erősítőkhöz vagy szálas lézerekhez, és az 1530-1560 nm-es ablak erősítési jellemzői, amelytől a távközlési rendszerek függnek. Nem rossz, ha valami kloridsónak és porózus rúdnak indult.
