2.2.2. Показатель преломления материала: экспериментальные значения

Первоначально для изготовления высококачественных оптических волокон использовали чистый кварц в виде кварцевого стекла. Малитсон (Malitson) из Национального Бюро стандартов (National Burean Standards) в 1965 г. определил с высокой точностью показатель преломления объемных образцов из чистого кварца в диапазоне длин волн от 0,2 до 4 мкм. Полученные результаты он представил в виде дисперсионного уравнения Селмейера, имеющего три члена: два — в ультрафиолетовой области и один — в инфракрасной. Они могут быть представлены в следующем виде, если длину волны X выразить в микрометрах:

На рис. 2.10 приведено это выражение в виде графика зависимости Чтобы изготовить оболочку или градиентные волокна, необходимо найти способы изменения показателя преломления. Обычно требуемое изменение достигается добавлением к кварцу примесей значительной концентрации. Очевидно, что примеси приведут к появлению дополнительных резонансов, в результате чего изменятся либо напряженности полей осцилляторов, либо их резонансные частоты, либо и то и другое одновременно. Таким образом, хотя введение примесей и позволяет изменять необходимо иметь в виду, чтобы они не вносили дополнительной дисперсии и в то же время не увеличивали затухание за счет появления резонанса вблизи рабочей длины волны.

В интересующем нас диапазоне длин волн показатель преломления чистого кварца лежит в окрестности значения 1,45. Как показано на рис. 2.11, он может быть уменьшен путем введения таких примесей, как бор и фтор либо увеличен за счет введения таких окислов, как окислы титана цезия алюминия циркония германия и фосфорного ангидрида

На первый взгляд кажется привлекательным использовать для изготовления сердцевины волокна беспримесный кварц по той причине, что этот материал доступен в очень чистом виде. В этом случае для изготовления оболочки потребуется кварц, Легированный или если только не может быть использован некоторый совершенно другой материал, такой, например, как полимер с низким показателем преломления. На практике развитие методов осаждения вещества из газовой фазы, описываемых в гл. 4, как и методов изменения показателя преломления, позволяет, кроме того, получать легированные слои даже с более низким уровнем нежелательных примесей, чем в получаемых обычными методами лучших образцах искусственного кварца. Таким образом, примеси, повышающие показатель преломления, можно использовать для изготовления сердцевины волокна или в качестве примесей, понижающих показатель преломления, которые применяют для получения оболочки.

Установлено, что лучшие результаты получаются при изготовлении сердцевины волокна из кварца, легированного как так и а оболочки — из чистого кварца или легированного или Причины этого достаточно сложны и каждая из других легирующих примесей имеет свои недостатки. Например, найдено, что

Рис. 2.10. Зависимость показателя преломления плавленого кварца от длины волны, построенная по данным статьи Малитсона

Рис. 2.11. Зависимость показателя преломления кварца от концентрации различных легирующих примесей (построены по результатам измерений, сделанных на длинах воли в области

претерпевает химическое восстановление во время вытягивания волокна, в результате чего ионы покидают матрицу кварца, увеличивая тем самым оптические потери. Большая подвижность при высоких температурах затрудняет контроль показателя преломления при изготовлении градиентных волокон. Однако при использовании совместно с наблюдается понижение температуры осаждения, что способствует получению более качественного профиля показателя преломления.

Наибольшая разница показателей преломления, легко достижимая при использовании системы германий — фосфоросиликат, составляет приблизительно однако более типично значение, равное При таких значениях разницы показателей преломления изменения оказываются приблизительно пропорциональными концентрации примесей, и приведенные на рис. 2.4 зависимости учитывают это предположение. В частности, было обнаружено, что показатель преломления боросиликатных стекол зависит от тепловых и механических условий, в которых находился образец. По этой причине измерения показателя преломления и дисперсии, сделанные на отрезках изготовленного волокна, могут отличаться от аналогичных измерений, проведенных на объемном образце того же материала. На рис. 2.12, а

Рис. 2.12. Зависимости показателей преломления кварцевых стекол от длины волны: и — состав стекла (мол. %): А — чистый кварц; В — Данные взяты из статьи .1. — кварцевые стекла с присадкой германия (моль %), А — чистый кварц; [Данные взяты из статьи J. W. Fleming, Jnl. Am. Ceramic Soc. 59, 503-507 Ц976)].

приведена экспериментальная зависимость изменения показателя преломления от длины волны для объемного образца кварца, легированного несколькими типами различных примесей. Влияние увеличения концентрации германия на показатель преломления показано на рис. 2.12, б.