Доклад на международной конференции Физика электронных материалов г.Калуга, КГПУ октябрь 2002г

Многопрофильная лазерная технология обработки

кварцевого стекла

Сысоев В.К (asd@mouse.berc.rssi.ru ) ФГУП Научно-исследовательский центр им. Г.Н. Бабакина

Введение

Применение высокоинтенсивного лазерного излучения для обработки изделий из тугоплавких оксидных соединений сопровождается теплофизическими эффектами, трудноосуществимыми другими методами нагрева.

Кварцевое стекло [1], обладает уникальной совокупностью характеристик, как высокая температура плавления, высокая теплостойкость, химическая стойкость, оптическая прозрачность, что и приводит к широкому разнообразию применений этого материала: от волоконной оптики до химической технологии. Поэтому поиск новых методов обработки кварцевого стекла является актуальным. Одним из таких методов является применение излучения СО2 лазера, используемого в различных технологиях: от резки и сварки кварцевого стекла [2] до вытяжки волоконных световодов [3]. Эти процессы основаны на эффекте сильного поглощения 10,6 мкм излучения в кварцевом стекле (толщина слоя поглощения составляет ~ 10 мкм). Варьируя плотность мощности излучения СО2 лазера и время воздействия этого излучения на кварцевое стекло, можно получать различные стадии обработки: от простого нагрева до испарения стекла. Важным достоинством лазерной технологии является отсутствие загрязнений нагреваемого объекта источниками нагрева, что позволяет работать как с высокочистыми [3-4] изделиями, так и получать их.

SiO2

СO2 10,6 мкм

Математическое моделирование лазерной вытяжки световодов

Получение нанопорошка

кварцевого 8

Сварка световодов и разветвителей излучением СО/СО2 лазеров 9

Удаление слоя примесей с заготовок и подложки

Удаление слоя трещин с заготовки и получение прочных световодов

Получение эллиптических световодов 4

Управление вариациями диаметра световодов с помощью лазерного излучения 5

Рис.1. Схема применения СО2 лазера для обработки кварцевого стекла.

1. Эффективный лазерный нагрев кварцевых заготовок при вытяжке

световодов

Лазерное травление и

полировка кварцевых труб

Эффективность нагрева, включая и применение СО2 лазеров [5-6], кварцевых заготовок для вытяжки волоконных световодов заключается во

Применение высокоинтенсивного СО2 лазера с различной плотностью мощности в различных комбинациях, как во временном, так и в пространственном масштабе, при взаимодействии с кварцевым стеклом позволяет получить ряд технологий с заданным качеством, нереализуемых другими методиками. Схема этих технологий показана на рис.1.

влиянии источника нагрева на вид зависимости силы, с которой вытягивается световод, от скорости его вытяжки. Световоды, вытягиваемые с оптимальным усилием, будут иметь минимальные избыточные оптические потери, высокую прочность.

Наличие разнотемпературных относительно оси заготовки зон на поверхности зоны перетяжки заготовка-световод - луковицы приведет к возникновению областей разной вязкости кварцевого стекла. В результате этого увеличиться сила вытяжки.

Для создания равномерного кольцевого температурного поля

луковицы [6] используется ряд систем: применяется пространственное

суммирование пучков, или луч сканируется по поверхности луковицы.

Баланс мощностей в процессе нагрева лазерным излучением.

Р =р +р +р +р (1)

лаз изл 1 исп 1 отр 1 вязк \LJ

где Рлаз - мощность лазерного излучения, падающего на заготовку;

Рисп - мощность лазерного излучения, расходуемого на испарение кварца;

Ротр - мощность лазерного излучения, теряемая на отражение; Рвязк - мощность, расходуемая на поддержание необходимой вязкости в луковице.

Величина Ризл мощность, излучаемая заготовкой, непосредственно связана с величиной температуры луковицы:

Ризл=с>£0Т4 (2)

где а - постоянная Стефана-Больцмана; s0 - степень черноты; Т -температура луковицы.

Так, луковица диаметром 10 мм будет излучать (в приближении АЧТ с s=0,98) при температурах 1800, 2000, 22000С соответственно 120, 170 и 240

Можно уменьшить вклад в потери величины Ризл, если создать специальные условия теплообмена для нагретой луковицы. Для этого горячую часть заготовки окружить отражающей полостью в виде сферы с

центром, совпадающим с положением луковицы и с радиусом больше размеров этой луковицы, то ее излучение будет возвращаться обратно сферой. В этом случае создаются новые условия теплообмена луковицы со средой, в результате чего должна повыситься температура нагретой части заготовки и также равномерность ее нагрева. Это связано не только с повышением уровня мощности падающего на заготовку в системе луковица-зеркало , но и с изменением спектрального состава части этого излучения. Лазерное излучение нагревает лишь поверхность заготовки, а далее тепло распространяется за счет теплопроводности. Подобный механизм нагрева будет иметь ограничение по толщине прогреваемого слоя, т. к. повышение плотности падающей мощности приведет к интенсивному испарению поверхностного слоя. Излучение же заготовки находится в близком инфракрасном диапазоне, в котором кварц имеет некоторую прозрачность, и часть излучения, падающего на заготовку, приходящаяся на собственное излучение заготовки, отраженное сферой, будет проникать существенно глубже вовнутрь заготовки по сравнению с лазерным излучением.

Эксперименты проводились на установке для вытяжки световодов с применением лазерного нагрева [3-6]. Общая мощность лазерного излучения, падающего на заготовку, составляла 350 Вт. Поскольку луковица излучает только в одну полусферу пространства, то в эксперименте использовалась в качестве отражателя полусфера диаметром 300 мм (рис.2а).

На рис.2 б представлены зависимости силы вытяжки от скорости, при которой вытягивался световод. Видно, что применение полусферы позволяет при фиксированной скорости вытяжки вытягивать световоды с существенно малыми усилиями. На оси ординат отмечен диапазон оптимальных усилий вытяжки, где достигается компромисс между высокой прочностью и малыми потерями световода. Как видно из этой зависимости, применение полусферы позволяет существенно увеличить температуру луковицы и ее

а) 6}

Рис.2. Увеличение эффективности лазерного нагрева кварцевых заготовок (a - схема зеркального отражения, б - зависимость силы от скорости вытяжки световодов).

2. Удаление примесного слоя и полировка поверхности кварцевого стекла.

При воздействии высокой плотности мощности излучения СО2 лазера на кварцевую подложку происходит высокоинтенсивное низкотемпературное удаление (испарение) поверхностного слоя, содержащего поверхностное загрязнение и механические повреждения. Удаление этого слоя происходит при низкой температуре подложки, что препятствует диффузии загрязнений в основную часть изделия. Детальное исследование ИК- спектроскопией показали, что слой с высокой концентрацией групп ОН и других примесей,

равномерность, вследствие чего увеличивается производительность процесса и качество световодов.

ДО ПОЛИРОВКИ 11ИЙ1Ж

Пжгь? тол правим нв Vм-

Рис.3. Бесконтактное удаление примесей и полировка поверхности кварцевого стекла (а - удаление примесного слоя, б - полировка подложки).

находящихся в поверхностном слое, удаляется полностью [3]. Результаты этих измерений показаны на рис.3 (а).

Удаление поверхностного слоя можно производить послойно с регулировкой толщины удаляемого слоя и с контролем температуры подложки. При больших величинах удаляемого слоя поверхность стекла становиться шлифованной из-за неравномерной эрозии поверхности стекла. При малых величинах испаряемого слоя поверхность стекла ближе к полированной.

Высокоинтенсивные СО2 лазерные лучи можно применять для полировки оптических стекол. Этот процесс успешен для материалов с малым коэффициентом термического показателя К.Т.Р. (10-6/ °С) таких как плавленый кварц.

Максимально сильное поглощение 10,6 мкм кварцевых стекол способствует размягчению очень тонкого слоя материала, который протекает под действием поверхностного , натяжения. Как результат, шероховатость поверхности уменьшается без каких-либо изменений в поверхности образа. Этот метод может быть применен для поверхностей любой топографии и размера.

Рис. 3(б) показывает измерение сечения обоих поверхностей: обычной и затем отполированной лазерным излучением. Шероховатость простого образца, как это представлено рис.3(б), имеет среднюю шероховатость 600 nm. Измерение шероховатости поверхности образца отполированного лазером показано на рис.3(б) со средней шероховатостью 2 nm.

Путем постепенного увеличения плотности мощности лазерного излучения увеличиваем температуру образца из кварцевого стекла, при этом заметно увеличивается его вязкости и происходит размягчение поверхности стекла. При этом под воздействием сил поверхностного натяжения форме стекла минимизируется к плоской поверхности. При оптимальных скоростях сканирования лазерного луча и его плотности мощности достигается высокое качество полировки кварцевых стекол, и может также обеспечить возможность реальной автоматизации процессов полировки.

Данная технология может быть развита и для обычных стекол но с применением дополнительных тепловых режимов.

3. Получение высокопрочных волоконных кварцевых световодов с

помощью СО2 лазеров.

Применение мощного лазерного инфракрасного излучения СО2 лазеров в технологи изготовления кварцевых световодов возможно от простого использования излучения СО2 лазеров, как термического нагревателя в вытяжке световодов до многофункционального формирования сложных зон нагрева для осуществления различных технологических операций -травление, полировки и нагрева, происходящего одновременно в одной указанной зоне и с высокой степенью стерильности, что позволяет получать высокопрочные световоды из простых заготовок.

Как известно, обычная технология получения высокопрочных световодов состоит из следующих этапов:

А - получение заготовки. Б - химическое травление поверхности заготовки фтористыми соединениями. В - огненная полировка поверхности заготовки пламенем водородно-кислородной горелки. Г - Вытяжки в печах из этой заготовки световодов.

Предлагаемая технология лазерного травления и полировки позволяет заменить операции Б и В одной операцией, производимой простой установкой, состоящей из СО2 лазеров и оптической посадки.

При этом такая технологическая операция позволяет: отказаться от применения экологически вредных фтористых соединений, упростить технологию изготовления высококачественных заготовок (вместо двух операций Б и В иметь одну).

Данную технологию обработки поверхности заготовки можно объединить с устройством вытяжки световодов (печью, горелкой или

лазером) в одну линию, что позволяет минимизировать загрязнение поверхности заготовки при ее транспортировке [3].

Режим многофункционального нагрева лазерным излучением был осуществлен на установке [3 - 6], где применялись четыре отпаянных СО2 лазера с мощностью излучения 100 Вт каждый. Световоды вытягивались из кварцевых заготовок диаметром 10 мм. Зона нагрева формировалась четырьмя аксиально симметрично направленными на вращающуюся заготовку лучами.

Результаты испытаний световодов на прочность после такого режима вытяжки показаны на рис.4. Зависимость 1 получена для световода вытянутого из заготовки со специально поврежденной абразивом поверхностью с нагревом по описанной выше схеме; зависимость 2 получена для световода вытянутого из той же заготовки, но с неповрежденной поверхностью и без обработки испаряющими пучками. При этом общий нагрев был одинаковым в обоих случаях, что контролировалось по равенству сил натяжения обоих световодов. Вытянуть световод из заготовки с поврежденной поверхностью без применения испаряющих пучков не удалось из-за частых обрывов в процессе вытяжки. Причиной обрыва являлись поверхностные повреждения, а обработка же испаряющими пучками позволила удалить дефектный слой, уменьшающий прочность световодов.

Заготовки предварительной обработке не подвергались. В процессе лазерной обработки снимался слой 100 мкм. На кварцевый световод наносились в процессе вытяжки два покрытия. Вытянутый световод был подвергнут испытаниям на прочность. Часть его была проверена на разрыв. Результаты этого исследования приведены на рис.4 (кривая 3 образец с оптимальной величиной испаряемого слоя стекла). Из графиков Вейбулла видно, что этот световод имеет высокую прочность. Кроме того, световод, имеющий длину 3 км, был перемотан с усилием 1000 кг. Это говорит о хорошем качестве поверхности световода, которая получилась практически бездефектной во всей длине.

Рис.4. График Вейбулла прочности кварцевых волоконных световодов.

4. Многопрофильный лазерный нагрев и вытяжка кварцевых волоконных световодовов, включая эллиптические.

Применение нескольких зон на заготовке с различной плотностью мощности излучения СО2 лазеров можно одноактно получить сочетание нескольких функций:

Получение пластической деформации для формирования световодов;

Удаление испарением поверхностного слоя и полировка поверхности;

Деформация заготовки в зоне формирования: трансформации формы сечения заготовки для создания световодов с анизотропными свойствами;