Światłowody kapilarne



Pobieranie 21,19 Mb.
Strona27/53
Data24.02.2019
Rozmiar21,19 Mb.
1   ...   23   24   25   26   27   28   29   30   ...   53
3.8 Kształtowanie profilu refrakcyjnego światłowodu kapilarnego

W czasie wysokotemperaturowego etapu procesu wyciągania światłowodu zachodzą procesy dyfuzji kształtujące profil refrakcyjny światłowodu. W szkłach wieloskładnikowych miękkich, dyfuzji podlegają jony: Pb2+, Ba2+, K+, Na+. Podczas wytwarzania światłowodów o założonych profilach, konieczne jest ustalenie doświadczalnej zależności pomiędzy takimi parametrami procesu technologicznego jak: temperatury strefowe pieca, długościami drogi dyfuzji, stałymi materiałowymi, itp. Krzywe koncentracji jonów w przekroju poprzecznym preformy i włókna światłowodu są otrzymywane za pomocą mikroskopu elektronowego. Poczas pomiaru istotna jest jego czułość. Jest ona zwykle rzędu ppm.

Z krzywych koncentracji otrzymuje się wartości stałych dyfuzji D oraz wartości współczynników wymiany jonowej K. Stałe dyfuzji w badanych szkłach światłowodowych są silnymi funkcjami koncentracji jonów z powodu silnych gradientów występujących w preformach światłowodowych. Do obliczenia odpowiednich wartości stałych dyfuzji D, zastosowano modyfikowaną metodę Boltzmana-Matano. Metodę adaptowano z geometrii planarnej do cylindrycznej.

Dyfuzja występuje w ograniczonym obszarze, gdzie wszystkie szkła są płynne. Jest to region menisku wypływowego w metodzie rurowej i preformowej oraz region pomiędzy dyszami tyglowymi w metodzie tyglowej. Proces opisuje równanie dyfuzji, które dla symetrii osiowej posiada postać:



, (43)

gdzie c= c(r,t)–rozkład jonów modyfikatorów, D-współczynnik dyfuzji, t–czas dyfuzji, r-promień. Dla warunków brzegowych: t=0, c=(r,t)=Co jeśli 0światłowodu, Co-koncentracja jonów modyfikatorów w szkle wyjściowym. Równanie dyfuzji ma rozwiązanie w postaci rozkładu koncentracji jonu dyfundującego, który wynosi:



, (44)

gdzie Co-koncentracja początkowa, D-współczynnik dyfuzji, t-czas przejścia przez region dyszy, Ji-funkcja Bessela i-tego rzędu, R-promień dyszy płaszczowej. Rozwiązanie to dla jednego jonu migrującego przedstawiono na rys.26 w układzie dwóch warstw szkła i dla włókna kapilarnego SKD. Profil refrakcyjny SK i SKD może być tworzony w czasie wyciągania z tygla lub kształtowany wcześniej w preformie.

Znormalizowany współczynnik dyfuzji definiujemy jako:

K=Dt/R2 . (45)

Możliwe jest powiązanie współczynnika K z parametrami procesu technologicznego. Z mechanizmu wypływu szkieł z tygli wynika, że

R2V=a2v , (46)

gdzie: R–promień dyszy, V–prędkość przepływu szkła przez dyszę, a–promień światłowodu, v–prędkość wyciągania włókna. Wartość K jest związana z przepływem objętościowym W poprzez zależność:

K=πDl/W. (47)

Droga dyfuzji Ld i czas dyfuzji td są związane wzorem:

td=Ld/V=LdR2/a2v, (48)

a więc znormalizowany współczynnik dyfuzji wynosi

K=DLd/a2vtr, (49)



gdzie vtr - prędkość wypływu szkła z tygla rdzeniowego. Przyjęto założenie, że profil refrakcyjny włókna optycznego tyglowego jest w przybliżeniu profilem typu α.

a) b)

Rys.26. Dyfuzja we włóknie światłowodowym w najprostszym układzie z jednym jonem podlegającym wymianie; a) Podstawowe rozwiązanie równania dyfuzji dla różnych wartości współczynnika dyfuzji D; b) rozwiązanie dla światłowodu kapilarnego. Przesunięto nieco poziomy refrakcji aby pokazać charakter krzywych.

Badano dyfuzję jonów Pb2+, Ba2+, K+, Na+, w preformach i światłowodach MMC. Celem było znalezienie zależności pomiędzy parametrami procesu technologicznego a składem jonowym szkieł tworzących kolejne warstwy preformy lub światłowodu i właściwościami refrakcyjnymi włókna optycznego. Proces wyciągania światłowodu określały następujące parametry: temperatury strefowe w podzielonym piecu, konstrukcja stosu tygli, długości stref termicznych, droga dyfuzji oraz stałe materiałowe. Krzywe stężeń jonowych zmierzono za pomocą mikroskopu elektronowego. Czułość mikrosondy elektronowej była 100 ppm. Wartości współczynników dyfuzji D[cm2/s] i K[bez wymiaru] otrzymano ze zmierzonych profili stężeń. Współczynniki dyfuzji są funkcjami stężeń jonów, z powodu znacznego gradientu obecnego w pręcie preformy lub złożonym strumieniu szkła. W celu obliczenia wartości D i K dla wszystkich obecnych jonów, zastosowano zmodyfikowaną metodę Boltzmana-Matano, przeliczoną dla geometrii cylindrycznej.

Jako przykład rozważono obliczenia dla preformy ze szkieł F2-S6 oraz ruch jonów Pb2+. Zastosowano następujące dane: średnia koncentracja jonów Pb2+ w rdzeniu światłowodu Cr=17,5 %mol, brak obecności jonów Pb2+ początkowo w płaszczu światłowodu Cp=0, średnica obszaru rdzenia 2a=100 µm, droga dyfuzji Ld=35 µm, prędkość wyciągania włókna optycznego v=50 m/min, średnica dyszy rdzeniowej 2R=4 mm, czas dyfuzji t=LdR2/a2v=62 s, lokalizacja płaszczyzny Matano:

X­M=x(1-Cx/Cr), (50)

gdzie Cx-lokalna koncentracja jonów C(x). Ze zmierzonych charakterystyk rozkładu koncentracji jonów w preformie światłowodowej otrzymuje się następujące dane procesów dyfuzji: x/a=0,7, Cx/Cr=0,8 oraz x=35 µm. Dalsze obliczenia dają następujące rezultaty: XM=7 µm, Cx=14 %mol. Stała dyfuzji jest wyznaczana z danych Matano:



1   ...   23   24   25   26   27   28   29   30   ...   53


©operacji.org 2017
wyślij wiadomość

    Strona główna