Światłowody kapilarne



Pobieranie 21,19 Mb.
Strona20/53
Data24.02.2019
Rozmiar21,19 Mb.
1   ...   16   17   18   19   20   21   22   23   ...   53

3.5 Metoda wytwarzania światłowodu z zastosowaniem dyszy z naddźwiękowym przepływem gazu inercyjnego

Preforma światłowodu kapilarnego lub klasycznego jest wprowadzana do pieca, w którym utrzymywane jest ciśnienie Pp. W przypadku preformy kapilarnej ciśnienie w piecu musi być równoważone ciśnieniem w otworze kapilarnym Pc, równym lub przewyższającym Pp, w celu zapobieżenia kolapsowi kapilary. Koniec preformy jest ogrzewany. Preforma może być zastąpiona w tej metodzie dyszą tygla ekstrudera. Temperatura w piecu jest utrzymywana na takim poziomie, aby tworzony w wysokim ciśnieniu menisk preformy miał znaczną lepkość w zakresie wartości liczby Reynoldsa Re=0,1-1. Kształt menisku jest determinowany gradientem temperatury wzdłuż długiej osi wprowadzanej do pieca preformy. Wyciąganie włókna w takich warunkach jest analogiczne do procesu ekstruzji. Istotne znaczenie podczas tworzenia włókna w takich warunkach ma zjawisko rozpraszania lepkościowego. Gaz inercyjny tworzący w piecu ciśnienie Pp opuszcza szczelną komorę pieca, strumieniem laminarnym, przez zbieżno-rozbieżną dyszę wylotową o funkcji kształtu P(x)=Ppexp(-ax), gdzie a=const jest parametrem. Ten strumień gazu ‘pociąga za sobą i osiowo ogniskuje’, w optymalnych warunkach idealnie centrycznie i stabilnie, tworzone włókno optyczne. Energia kinetyczna ze strumienia gazu jest przekazywana do włókna szklanego. Dla wartości a>akryt, i Pp>Pp.kryt przepływ gazu przez dyszę jest naddźwiękowy. Warunek stabilności wypływu szkła o dużej lepkości jest spełniony dla Po>µVf/L. Po opuszczeniu dyszy gaz inercyjny ulega gwałtownej dekompresji absorbując ciepło z wyciąganego włókna szklanego, powodując jego zestalenie.



Rys.10. Schemat układu wyciągania światłowodu kapilarnego (i klasycznego) w gorącym, naddźwiękowym strumieniu gazu inercyjnego. Parametry: µ-lepkość menisku (znacznie większa niż w klasycznej metodzie preformowej i metodzie tyglowej, Re<(0,1÷1), Pc-ciśnienie w otworze kapilarnym Pc≥Pp, Pp-ciśnienie w piecu, T-temperatura w piecu, Vf-prędkość wyciągania światłowodu, Vo-prędkość wypływu szkła z menisku, V=Vf/Vo-relatywna prędkość wyciągania włókna, Do-średnica otworu wylotowego dyszy, L-długość dyszy, F-siła wyciągająca włókno optyczne, Pa-ciśnienie wylotowe, P(x)=Ppexp(-ax) –funkcja kształtu dyszy wylotowej gazu, a-parametr funkcji kształtu dyszy, x-geometryczna zmienna niezależna, d-średnica zewnętrzna włókna optycznego.



Rys.11. Parametry funkcji kształtu dyszy wylotowej; a) Po(V) dla zakresu a=2-10, większa wartość parametru a oznacza większe rozwarcie na zewnątrz dyszy wylotowej ; b) P­o(a), Po ma wartość minimalną Po,min dla pewnej wartości parametru ao,min. Obszar zacieniony oznacza stabilne wyciąganie włókna światłowodu. V=Vf/Vo, P(x)=Ppexp(-a).

Strumień szkła o znacznej lepkości, wyciągany poprzez dyszę o długości L jest otoczony koncentrycznie bardzo szybkim strumieniem laminarnym gazu inercyjnego. Znaczna lepkość szkła oznacza płaski profil prędkości poprzecznej, gdyż czas dyfuzji lepkiej (Pd2µ) jest znacznie mniejszy od czasu hydrodynamicznego (VfL), oraz możliwość pominięcia innych oddziaływań w układzie wyciągania, np.: siły ciężkości, przyspieszenia cieczy, ciśnienia. W układzie wyciągania spełniony jest warunek: µL(PVfd2)-1<<1. Siłę napędową stanowi naprężenie lepkie na powierzchni szkła spowodowane strumieniem gazu. Proces wyciągania włókna szklanego opisany jest dla szkła, tak jak poprzednio, równaniem zachowania masy i momentu z warunkami brzegowymi, a dla gazu jednowymiarowym układem równań N-S. Rozkład temperatury i ciśnienia gazu są określone poprzez wartości Pp i Tp, oraz geometrię dyszy wylotowej wyrażoną funkcją A(x) zmiany lokalnej powierzchni dyszy.

Kompresja i ekspansja gazu w dyszy powoduje jego zmiany temperatury, które przy założeniu przemiany izentropowej, wynoszą: T/To=1-ΔT/To=(1-ΔP/Po)(γ-1)γ, gdzie γ-jest stałą adiabatyczną gazu, ΔP-jest spadkiem ciśnienia w pewnym punkcie dyszy w odniesieniu do wejścia dyszy. Z tego warunku, przy założeniu pomijalnej pojemności cieplnej włókna optycznego, można relatywnie łatwo określić jego wzdłużny profil termiczny. Oznacza to założenie stałości temperatury w przekroju poprzecznym włókna. Ogólna analiza musi jednak uwzględniać gradient termiczny w przekroju poprzecznym włókna.

W praktycznych rozwiązaniach metody wyciągania światłowodu z zastosowaniem strumienia gazu, parametry układu są następujące: Pp=20Mpa, To=1500oC dla szkła borokrzemionkowego, L=10mm, przekroje dyszy-1,3-1,1mm, Vf=2m/s, d=125µm [42-60].
3.6 Eksperymenty technologiczne ze światłowodami kapilarnymi

Do wytwarzania SK w laboratorium technologicznym wytypowano, jako najbardziej przydatne, przykładowe szkła w układzie SiO2 – Na2O – B2O3, analogiczne do szkieł borokrzemionkowych klasy BK7, o współczynniku załamania światła 1,510 - 1,525. Do badania stabilności wyciągania kapilary szklanej stosowano także szkła sodowo-ołowiowe i sodowo-wapniowe. Wytwarzane z nich światłowody kapilarne, dla większych średnic włókien, mogą być wyciągane z prędkością zdecydowanie mniejszą (ok. 5 m/min), niż typowe światłowody ze szkieł wieloskładnikowych (ok. 400 m/min). Z tego względu konieczne jest przystosowanie istniejących urządzeń technologicznych dla światłowodów klasycznych do wyciągania kapilar z małą prędkością. Dla kapilar o małych średnicach konieczne jest wyciąganie z większymi prędkościami.

Wytwarzanie SK wymaga wyboru optymalnej metody wyciągania włókna oraz wyboru krytycznych parametrów technologicznych jak temperatur strefowych, prędkości wyciągania, kształtowanie oraz sposoby formowania preformy, pokrycia zabezpieczające światłowodu, określenia zakresu zmienności tych parametrów. Ograniczenia techniczne modyfikowanego ciągu technologicznego wyciągania światłowodów wynikają z: ograniczonych możliwości modyfikacji wieży wyciągowej, konieczności dokładniejszej stabilizacji temperatury w obszarze menisku wypływowego, rozszerzonego zakresu temperatur pracy pieca wyciągowego, obecności wysoce laminarnego przepływu gazu inercyjnego wokół menisku.

Jako kryteria doboru szkieł na SK przyjmuje się: współczynnik załamania światła, lepkość szkła, która decyduje o możliwości wyciągania kapilary, skłonność szkła do krystalizacji. Wytypowano kilka rodzajów szkieł, które sprawdzano wyciągając z nich testowe bezpłaszczowe światłowody o średnicach od 50 do 1000 μm. Parametry szkła testowego oraz wybranych dwóch rodzajów szkieł na włókna kapilarne nisko refrakcyjne przedstawiono w tabeli 3. Analogiczną procedurę wyboru materiałów przeprowadzono dla grupy szkieł wysoko refrakcyjnych. Niektóre charakteystyki spektralne przezroczystości tych szkieł przedstawiono na rys.12.




Tabela 3. Parametry przykładowych szkieł rdzeniowo–płaszczowych na kapilary optyczne

Szkło

SiO2-Na2O-PbO

SiO2-CaO-Na2O

Współczynnik załamania światła nD

1,58

1,52

Temperatura wyciągania [oC]

680

850

Prędkość wyciągania [m/s]

1,5 – 2,1

1,2 – 1,8

Średnica zewnętrzna kapilary [μm]

200-700

200-500

Skład chemiczny i parametry fizykochemiczne przykładowego szkła testowego do wytwarzania podstawowego rozwiązania kapilary optycznej niskorefrakcyjnej [% wag]:

SiO2 – 68, K2O -6, Na2O– 15, BaO -2, CaO -5, Al2O3 -4, Współczynnik załamania światła – nD: 1,52, Współczynnik rozszerzalności termicznej:= 90∙10-6 1/K,, Temperatura transformacji Tg –520 oC,, Gęstość –2,52g/cm3,, Moduł Younga – 75 x 103 N/mm2, Stała Poissona –0,22.


a) b)


Rys.12. Charakterystyka spektralna transmisji T(λ) [%] syntetyzowanego technologicznego szkła wyjściowego do testów wyciągania kapilar optycznych (płytka o grubości 10 mm); a), szkło odniesienia BK7, (borokrzemionka); b) szkło testowe sodowe z ołowiem i wapniem SLS:Pb i SLS:Ca.

Światłowód kapilarny można wytwarzać metodą tyglową lub metodą preformową. Metoda tyglowa polega na zastosowaniu w piecu współosiowego układu tygli platynowych lub z czystego szkła krzemionkowego, rys.13. Metoda preformowa polega na wyciąganiu światłowodów kapilarnych z układu rurek szklanych, rys.14. Przy czym, np. pręt lub jedna z rurek może być przygotowana metodą tyglową. Wówczas SK jest wytwarzany metodą hybrydową.




1   ...   16   17   18   19   20   21   22   23   ...   53


©operacji.org 2017
wyślij wiadomość

    Strona główna