3. Вытяжка оптических волокон

Процесс перетяжки заготовки в волокно, осуществляется на установках, которые в основном отличаются способами нагрева заготовки в зоне формования. При этом используют электропечи, кислородно-водородные горелки, индукционный и лазерный методы нагрева [5]. Необходимо отметить, что различные способы нагрева заготовки определяют различную конфигурацию зоны формования.

Технологическая схема установки вытяжки показана на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема установки для вытяжки ОВ.

Заготовка 1, закрепленная в патрон 2, с помощью механизма подачи, приводимого в движение электродвигателем 3, перемещается со скоростью V_п к нагревательному устройству (в данном случае к плазменной горелке). В пламени горелки 4 конец заготовки разогревается до пластического состояния, и под действием тянущего барабана 8, приводимого в движение электродвигателем 9, вытягивается в волокно 5 до заданных геометрических параметров, определяемых соотношением скоростей подачи V_п и вытяжки V_в. После формирования волокно проходит сквозь фильеру 6, где на него наносится упрочняющее покрытие, которое отверждается при прохождении через сушильную печь 7. Высушенное волокно после прохождения через тянущий барабан наматывается на приемную бобину 10 (катушку) с определенным шагом раскладки. Для ориентации заготовки относительно нагревательного устройства патрон 2 закреплен таким образом, что имеет возможность перемещаться в 2-х координатах X и Y с помощью шаговых двигателей.

Соотношение между диаметром волокна и скоростью его вытяжки из заготовки определяется из следующего уравнения, которое представляет собой уравнение баланса масс кварцевого стекла в заготовке и в виде волокна:

, (1)

где , – диаметры заготовки и волокна соответственно;

, – скорости подачи заготовки в печь и вытяжки волокна соответственно.

Часто перед тянущими роликами располагается измеритель натяжения волокна, поскольку требуемая температура нагрева заготовки (т.е. её вязкость) определяется по натяжению волокна [6].

По мере прохождения через зону разогрева, температура и вязкость заготовки будут меняться в продольном направлении в зависимости от распределения поглощенного тепла. Эти условия, наряду с формующим усилием, поверхностным натяжением стекла, его весом, химическим составом и т.п. определяют форму переходной области (луковицы) [7].

Получаемое таким образом оптическое волокно должно обладать весьма низким коэффициентом оптических потерь (коэффициентом затухания) и высоким пределом прочности Р. Эти параметры в большой мере определяются правильным ходом технологического процесса вытяжки. Отметим, что правильно проведенный процесс вытяжки позволяет воспроизвести все те свойства, которые были заложены при изготовлении заготовки, и избежать появления новых свойств, которые существенно ухудшают параметры конечного продукта.

Технологическое оборудование башни вытяжки оптического волокна характеризуется наличием шести исполнительных элементов (двигателей): подачи заготовки, вытяжного барабана, х координатного стола, у координатного стола, перемещения намоточной платформы и привод приемной бобины волокна. Необходимо отметить, что процесс регулирования контролируемых параметров в основном определяется парной работой исполнительных механизмов на узлах оборудования. Можно выделить три группы связанной работы исполнительных двигателей: обслуживающие позиционирование координатного стола, двигатели, определяющие подачу заготовки и вытяжки из нее волокна, и электроприводы установленные на модуле приема и раскладки оптического волокна. Наиболее четко характер связанной работы пары двигателей наблюдается именно на узле приема и раскладки волокна.

Технологический процесс перетяжки заготовки в волоконный световод является сложным, нестационарным и подверженным влиянию большого числа воздействий.

К контролируемым воздействиям относятся расходы газов и , подаваемых в зону горения, скорость подачи заготовки V_п и скорость вытягивания волокна V_в, соосность заготовки, относительно нагревательного устройства по двум координатам x и y.

К неконтролируемым возмущениям, в первую очередь, относятся колебания геометрических параметров и химического состава заготовок, температурные флюктуации в зоне формования, изменения параметров нагревательного устройства, связанные, например, с “зарастанием” выходных отверстий кислородно-водородной горелки и т.д.

Согласно [8] для стационарного технологического процесса вытяжки справедливо соотношение:

, (2)

где  скорость вытягивания волокна;

 площадь поперечного сечения волокна;

 скорость подачи заготовки;

 площадь поперечного сечения заготовки.

Только при выполнении указанного соотношения технологический процесс вытяжки будет протекать в стационарных условиях. Однако, неизбежные колебания диаметра заготовки, при неизменной скорости подачи, приводят к изменению объема стекломассы, подаваемой в зону нагрева и, как следствие, появлению нестационарных эффектов, отражающихся на физико-механических свойствах конечного продукта.

Далее подробнее рассмотрим важные параметры оптических волокон.