Cada paso requiere precisión, comenzando con la barra del núcleo
Esta es la tercera de la nueva serie de FOC sobre tecnología de fibra dopada. El primer artículo, " Fibras de dopación de tierras raras ", revisó los principales métodos para hacer preformas de fibra dopada. El segundo artículo, " Fibras dopadas con Thulium ", discutió las características de Thulium como un dopante y comentó sobre el deseo de lograr concentraciones dopantes más altas. El siguiente artículo se ve con más detalle en los pasos para hacer preformas de fibra dopada que comienzan con varillas de núcleo MCVD de procesos de haluro.
Muchos productos de alta tecnología se realizan con una secuencia de procedimientos de tal manera que cada paso se basa en la precisión y precisión del paso anterior. Esto es especialmente cierto para la fibra dopada con tierras raras, que requiere conocimiento de la fabricación de preformas, el dibujo de fibra, las mediciones y la comprensión básica de la propagación de la guía de onda y los fundamentos láser. Hacer la preforma, por ejemplo, implica pasos que requieren conocimiento y experiencia en varios ámbitos: manejo de productos químicos, gestionar el proceso de deposición, comprender los materiales de vidrio y sus propiedades, y las habilidades de trabajo de vidrio, como la molienda, la configuración, el estiramiento, el alisado y el alisado y el enderezo. unión.
Algunos de los pasos para hacer preformas de fibra dopada tienen lugar en máquinas bajo control de software. Otras partes del proceso dependen de las decisiones de los operadores y, en algunos casos, de su habilidad para trabajar con vidrio caliente; Los pasos involucran tanto la tecnología como la técnica. Este artículo lo guiará a través de los pasos críticos, comenzando con la barra central. Como se señaló en los artículos anteriores, creemos que el proceso de Halide MCVD es particularmente adecuado para lograr características óptimas de fibra dopada para muchas aplicaciones.
El núcleo y el revestimiento dependen de diferentes procesos
Una preforma de fibra dopada con MCVD tiene varias capas de materiales de vidrio. El núcleo de fibra dopada se deposita dentro de un tubo de cuarzo de alta pureza. El cuarzo de este tubo de arranque se convierte en la primera capa de vidrio de revestimiento. Los pasos posteriores usan tubos de manga para aumentar la cantidad de vidrio de revestimiento. Para muchas aplicaciones, esta preforma se "moldea" moliendo pisos en la superficie externa. Esta conformación hexagonal u octogonal se realiza para maximizar la mezcla de modos en el primer revestimiento y, por lo tanto, maximizar la absorción en el núcleo.
Luego se dibuja la preforma con forma, recubre el polímero y se prueba a prueba. Para algunas fibras dopadas, llamadas "doble vestir", el recubrimiento de polímero es un material de bajo índice que sirve como un revestimiento secundario. El material de cuarzo del tubo de arranque y los tubos de manga es el revestimiento principal.
El tamaño y la forma de preforma varían entre las aplicaciones
Muchos elementos del proceso de creación de preformas se adaptan a la geometría de fibra requerida. La cantidad de material central que se depositará, la cantidad de vidrio de revestimiento a agregar y la configuración final puede variar con el diseño de la fibra, que a su vez es conducido por la aplicación de fibra dopada. Las fibras dopadas con erbium para los amplificadores de telecomunicaciones, por ejemplo, tienen el mismo diámetro exterior y relaciones similares de revestimiento de núcleo que las fibras de transmisión de telecomunicaciones.
Las fibras dopadas para láseres y sensores, por otro lado, pueden tener diámetros de núcleo y revestimiento significativamente diferentes, aberturas numéricas y formas de revestimiento. Estas variables son impulsadas por factores como el tipo de bombeo, cantidad de absorción y ganancia, temperatura, cualidades modales, longitud de onda de operación y muchas otras características operativas. Algunos láseres de fibra, por ejemplo, usan fibras dopadas con un núcleo de 20 µm y un revestimiento de 400 µm. Para las fibras con un revestimiento primario octogonal, la medición de 400 µm de diámetro es la diagonal de un vértice a otro.
La deposición de MCVD y los tubos de manga son los bloques de construcción
- Depositando los materiales núcleo dopados . La mayoría de los fabricantes de fibra obtienen tubos de arranque de fuentes externas. Hay varias compañías que se especializan en sustratos de cuarzo de alta pureza, varillas, tubos y otras formas para fabricantes de fibras. Un tamaño típico para el tubo de deposición es de 25 mm de diámetro exterior y de 1 metro de longitud. Otros tamaños están disponibles. Para los tamaños personalizados, el proceso del fabricante del tubo puede significar que el cliente tiene que comprar una cantidad mayor. Una especificación típica para el grosor de la pared es de 3 mm o un diámetro interior de 19 mm. El fabricante de fibra puede especificar tamaños alternativos dependiendo de la cantidad de material central a depositar y las características geométricas planificadas. El material del núcleo dopado se deposita en la pared interna del tubo en espesores que tienen un orden de 100 µm (o varios cientos de micras).
- Colapsando la varilla de núcleo . La deposición da como resultado un cilindro hueco con el material dopado en la pared interna. Esto debe colapsarse para formar una varilla sólida, con un núcleo dopado sólido. El objetivo es obtener una barra recta con buena concentricidad de revestimiento de núcleo, consistencia geométrica y sin contaminantes, sin humedad (baja oh-). Este paso se realiza en el torno de preforma, mientras que la barra está caliente y girando. La temperatura de deposición generalmente es de 1800 a 1900 ° C. Durante el colapso, la temperatura es de varios cientos de grados más altos y el quemador pasa a lo largo de la barra a una velocidad más lenta. La presión de gas dentro del tubo se controla cuidadosamente junto con los pases del quemador. Esto se hace para mantener un buen equilibrio con las fuerzas de tensión superficial, asegurando así que el tubo colapsa con una forma cilíndrica uniforme. En este punto, la varilla colapsada está casi lista para la manga, lo que acumulará el material de revestimiento. Después de colapsar, la varilla de núcleo puede no ser recta. En tal caso, la varilla del núcleo debe enderezarse para que se pueda insertar en un tubo de manga recto. Aquí es donde entra una artesanía que trabaja en el vidrio. Este proceso se realiza en el torno, nuevamente con calor, y el operador usa herramientas manuales para enderezar manualmente la barra. Luego, los últimos pasos antes de la operación de manga son para limpiar y pulir la barra de fuego.
- Agregar vidrio de revestimiento mediante la manga . Una parte integral de todos estos pasos de preforma es una inspección cuidadosa, medición y prueba de características mecánicas, geométricas y ópticas. Por ejemplo, las dimensiones precisas de la barra de núcleo colapsada son necesarias para planificar los pasos de manga para lograr el diámetro de núcleo de fibra deseado y la relación cubierta del núcleo. Un tamaño de tubo de manga de uso común tiene un diámetro exterior de 32 mm, 20.5 mm de diámetro interior y longitud de 1 metro. Hay diferentes diámetros y espesores de la pared disponibles, pero las opciones del fabricante de preformas pueden estar limitadas por el tamaño de los quemadores y otros parámetros de torno. Dependiendo de las dimensiones del tubo de varilla de núcleo y de manga, puede ser necesario estirar la preforma antes de que se ajuste dentro del tubo. La rething se puede hacer en un torno equipado con un rodante móvil, pero este proceso está limitado por la longitud del torno y flacidez debido a la gravedad. Una alternativa es el estiramiento vertical en una torre como una torre de dibujo. Esto permite mayores longitudes y un mejor control geométrico. En cualquier caso, el movimiento del calor y el estiramiento se controlan cuidadosamente. El proceso de colapso del tubo de manga sobre la varilla del núcleo también se puede hacer en un torno horizontal con un quemador en movimiento o en equipos verticales con un quemador o horno, nuevamente con una temperatura cuidadosa y control de movimiento. Después de colapsar el tubo de manga, el resultado es una varilla de vidrio sólido. Dependiendo del plan y las dimensiones deseadas, puede ser una preforma lista para el dibujo o una unidad interina que obtendrá más tubos de manga.
- Caning para obtener múltiples preformas de una barra de núcleo . En muchos casos, los objetivos geométricos se logran estirando o "lanar" esa unidad interina, cortándola en longitudes más cortas y colapsando tubos de manga en cada uno de ellos. En algún caso, una varilla con un tubo de manga se puede estirar hasta longitudes del orden de 10 metros y cortar en múltiples segmentos. Para tales longitudes, el proceso de estiramiento se realiza en una torre vertical, utilizando una velocidad de proceso que es mucho más lenta que la que se usa para dibujar fibra. Existen diferentes procedimientos para "cortar" la barra más larga en segmentos. La elección depende de los dopantes centrales, la geometría y otras características del vidrio. Las opciones implican diferentes temperaturas y procesos mecánicos. Por lo tanto, la manga puede involucrar muchos pasos complejos, produciendo cuatro o más preformas de una barra de núcleo depositada de MCVD. Nuevamente, todo esto requiere mediciones precisas, manejo cuidadoso y limpieza.
- Forma final antes de dibujar . Algunas preformas pueden dibujarse después del paso anterior, con una sección transversal redonda. Sin embargo, para algunas aplicaciones con láser de fibra, se prefiere un preformado con forma, digamos hexagonal u octogonal, para lograr una mejor mezcla de modos de salida del láser de bomba en el núcleo. ¿Por qué es ventajosa esta configuración? En una fibra cilíndrica con un núcleo concéntrico, la energía de la bomba puede propagarse en el revestimiento, perdiendo totalmente el núcleo dopado.
Con los años, se han desarrollado diferentes geometrías para mejorar la absorción de potencia de la bomba. Una estrategia es moler uno o más pisos en el borde exterior de la preforma. Esto debe hacerse con cuidado para minimizar los defectos de la superficie, lo que podría causar problemas durante el dibujo y el recubrimiento. Luego, la temperatura de dibujo debe optimizarse para evitar redondear la forma deseada. Junto con la temperatura, la velocidad y la tensión de dibujo deben controlarse para lograr el diámetro y la resistencia de la fibra derecha. (Al igual que con la realización de preformas, el proceso de dibujo para la fibra dopada con tierras raras tiene muchas variables y complejidades. Los temas relacionados con el dibujo se cubrirán en futuros artículos de esta serie).
Conclusiones:
Hemos demostrado que hay una secuencia de pasos: deposición, colapso, manguito, lanza, corte, re-maneño y conformación final) para llegar desde el tubo de inicio a un preforma que está listo para dibujar. Cada paso incluye una medición y pruebas cuidadosas. Y hay factores de rendimiento en cada paso. Por ejemplo, algunos de los vidrio en los extremos de la varilla de núcleo y los tubos se pierden en cada etapa. Y los procesos de prueba pueden reducir aún más la cantidad total de vidrio depositado o manga que se dibujará. Con estos diversos factores de rendimiento, el éxito de cada paso depende del éxito de los pasos anteriores. Por lo tanto, es fundamental que el proceso comience con buenas barras de núcleo. Para muchos de los dopantes de la tierra rara y las características de fibra deseadas, como el perfil de índice, NA, etc., el proceso de haluro puede ser fundamental para obtener buenas barras de núcleo.
La cantidad de fibra extraída de una preforma depende del diámetro de la fibra, los factores de rendimiento y otras variables. En términos generales, una preforma de fibra dopada con tierras raras de un metro puede producir en el rango de uno a cinco kilómetros de fibra. Por lo tanto, si una barra de núcleo puede producir cuatro o más preformas, puede ceder el orden de 10 km de fibra. O, dependiendo de la cantidad de fibra especificada en un medio de ganancia láser o amplificador, una barra de núcleo puede proporcionar suficiente fibra para cientos de láseres o amplificadores.
Llegar a este nivel de producción implica mediciones cuidadosas, configuración de la máquina, control de procesos y, a veces, incluso la artesanía en cada paso. FOC tiene la experiencia para ayudar con todos los pasos del proceso. Póngase en contacto con nosotros para obtener ayuda con preguntas sobre cualquier paso, desde la planificación de su proceso hasta la inspección saliente.
