Изготовление световодов

Различают гибкие и жесткие световоды. Гибкий единичный свето­вод представляет собой жилу, заключенную в оболочку. Диаметр таких световодов от нескольких мкм до десятков мкм. Жесткий единичный све-

товод представляет группу (от несколь­ких сотен до тысяч) отдельных свето­водов, которые соединены между собой спеканием.

Тонкие световоды в виде нитей используемые в гибких ВОД, изготав­ливают, предусматривая по мере вытя­гивания и их одновременную упорядо­ченную укладку. Процесс реализуют различно, и, в частности, по схеме (рис. 64). В патрон, связанный с меха­низмом его перемещения, закрепляют стержень с оболочкой (или стержень, вставленный в трубку). Нижняя часть стержня находится в печи. Размягчен­ный конец стекла оттягивают в тонкую нить, подают на вращающийся барабан и укладывают по его образующей с по­мощью нитеукладчика в необходимое число слоев. Навитое волокно склеи­ вают вдоль образующей барабана, раз­резают и снимают. У полученного жгута концы световодов жестко соеди­нены между собой и имеют идентичную укладку.

Гибкие световоды из поли­меров получают двумя способами: одновременным формированием жилы и оболочки через фильеру и наматыванием волокна на прием­ную бобину, или раздельным фор­мованием жилы, которую затем пропускают через ванну, содержа­щую раствЪр полимера оболочки. Полученное волокно наматывают на бобину. Концы волокон собран­ных в жгут, склеивают эпоксидной смолой или полимером оболочки.

Жесткие световоды изготав­ливают разными способами. Одним из них является вытягивание рас­плавленной стекломассы из двойно­го платинового сосуда (рис. 65). Здесь 1 - шток, подъемом или опус­ канием которого регулируют толщину оболочки; 2 - платиновая игла (уровнемер), 3 - платиновые сосуды для стекла жилы и оболочки; 4 - угольные нагреватели сосудов; 5 - 6 -стекломасса оболочки и жилы, соответственно; 7 - нагреватель фильеры (печь сопротивления); 8 - фильера. Вытекающее стекло жилы заключен­ное в оболочку подбирают захваты бесконечной ленты 9 и опускают в бункер 11. Диаметр вытягиваемого световода регулируют скоростью вы­тяжки и изменением положения нагревателя фильеры. При определенной длине вытянутого световода он отрезается ножницами 10. Контролируют свильность и пузырность стекла.

Многожильные жесткие световоды получают перетяжкой нагрето­го до вязкого состояния пакета одножильных световодов.

ТЗ.4.4. Механическая обработка торцов волоконных деталей

Механическая обработка торцов ВОД принципиально не отлича­ется от обработки монолитного стекла. Имеет место некоторая специфи­ка, определяемая способом соединения световодов в сноп, неодинаковой твердостью по сошлифовыванию стекол жилы и оболочки, малым диа­метром световодов.

Предварительное шлифование спрессованных дисков или спечен­ных пластин в условиях серийного производства выполняют алмазным инструментом зернистостью 125/100 - 80/63, а в единичном производстве при помощи свободного абразива зернистостью № 5 - М28. Тонкое шли­фование производят свободным абразивом зернистостью М14, М10, М7. Материал шлифовальника - латунь. В качестве полирующего абразива используют полирит или порошок ПФ. Материал рабочей поверхности полировальника - пекоканифолевая смола. Так как твердость стекла жилы и оболочки неодинаковы, сполировываются они с разной скоростью. С большей скоростью сполировывается стекло жилы. Полированная по­верхность представляет систему чередующихся выступов (оболочка) и впадин (жила). В зависимости от разности и твердости стекла жилы и оболочки, величина уступа составляет 250 - 300 А. При сборке блока по­ложение заготовок дисков, пластин, фоконов и других деталей на приспо­соблениях фиксируют приклеиванием.

Световоды на концах гибких жгутов склеены между собой эпок­сидной смолой. Так как твердость клея меньше твердости стекол жилы и оболочки, а занимаемая им площадь составляет от 10 до 30% площади всей торцевой поверхности, использование крупнозернистых абразивов приводит к поломке и образованию заколов по периметру каждого свето­вода. Качественная шлифованная поверхность может быть получена при обработке торцов микропорошками электрокорунда зернистостью Ml4 и М10 на латунном шлифовальнике и микропорошком М7 на стеклянном-

Полирование выполняют полиритом или порошком ПФ на смоляном по­лировальнике. Та же операция может быть выполнена алмазной пастой АСМ 3/2 на шелке. Полированная поверхность имеет такую же структу­ру, как и у жестких деталей. Клеевая прослойка между световодами уто­пает на 300 - 400 А по отношению к уровню стекла оболочки. Для обра­ботки торцов гибких световодов положение их концов фиксируют, вклеи­вая воском в отверстия плоскопараллельной пластинки из стекла жилы или имеющего близкую твердость по сошлифовыванию.

Для обработки торцевых поверхностей гибких жгутов из полимер­ных материалов их концы вклеивают в отверстия пластинки из органиче­ского стекла. Клеящее вещество - воск. Шлифование торцов (совместно с приспособлением) производят микропорошками электрокорунда зерни­стостью М10 и М7 на латунном шлифовальнике. Материал рабочей по­верхности полировальника - пекоканифолевая смола. Полирующий абра-; зив - окись хрома.

13.4.5. Изготовление волоконно-оптических деталей

Жесткие волоконные детали представляют группу собранных в сноп соединенных спеканием одно- и многожильных световодов. Типы таких деталей весьма разнообразны: пластины, диски для электронно­лучевых трубок, фоконы для трансформации изображения, фоконные линзы и др.

Пластины. Пластины некруглой формы изготавливают из жгутов гибких волокон снятых с барабана. Несколько комплектов таких жгутов определенной длины набирают в прессформу, нагревают до размягчения стекла оболочки и спекают при большом давлении (рис. 66). Затем пакег отжигают для устранения напряжений в стекле. Алмазным отрезным кру­гом пакет распиливают на пла­стинки требуемой толщины, которые шлифуют и полируют. Так как обеспечить регуляр­ность укладки и удалить из прессформы обломанные и де­фектные волокна практически невозможно, разрешающая способность таких пластин не превышает 50 лин/мм. Для из­готовления пластин с разреше­ нием до 100 лин/мм использу

ют жесткие многожильные световоды, которые также как и гибкое во­локно собирают в форму и спекают в ней. Регулярность укладки контро­лируют оптическим методом - с помощью коллиматора со щелью.

Диски. Для изготовления плоских дисков световоды круглой или шестигранной формы собирают в стеклянном кольце (рис. 67). После контроля плотности и регулярности укладки световодов блок нагревают в

вакуумной электропечи и спрессовывают.

Размягченное стекло кольца об­жимает и уплотняет световоды. Для по­лучения вакуумплотной детали с высо­кой разрешающей способностью, кон­трастностью изображения и минимумов шумов, необходима плотная упаковка световодов. Характеристикой является коэффициент упаковки, который опре­деляется как отношение суммарной площади световодов к площади всего снопа. Коэффициент упаковки зависит, в основном, от формы световодов, сте­пени постоянства и равновеликое™ их поперечных сечений. Круглые световоды имеют коэффициент упаковки 0,9. При спрессовывании стек­ломасса таких световодов претерпевает значительные перемещения. При этом возможна деформация световедущих жил, и. как следствие, нерав­номерность оптических параметров по полю детали. Форма жил и тол­щина прослоек, получаемые после спрессовывания круглых световодов, зависят от соотношения вязкостей (при температуре прессования) стекла жилы и оболочки. Оптимальным является ц₀б > Лж- При этом жилы при­нимают форму шестигранника с толщиной прослоек одинаковой по всему сечению и меньшей чем разность Дс_В - Д* исходных световодов. Объясня­ется это тем, что при деформации и изменении формы сечения (с кругло­го на шестигранное) периметр возрастает на 5 - 7%. При использовании световодов, имеющих в сечении шестигранную форму коэффициент упа­ковки близок к 1,0. Это упрощает получение вакуумплотных деталей при минимальной неравномерности оптических параметров по полю детали. Здесь задача сводится к уплотнению световодов и их спеканию. Но изго­товление шестигранных световодов сложно: необходим контроль посто­янства размеров сечения в нескольких направлениях, под действием сил поверхностного натяжения световоды при вытягивании стремятся при­нять округлую форму. Кроме того, упаковка световодов в сноп требует их ориентации как по отношению друг к другу, так и к окружающему коль­цу. Такие световоды применяют лишь при изготовлении высококачест­венных вакуумплотных деталей. В тех случаях, когда от изделия требует­ся только вакуумшютность, но нет необходимости в высокой степени по-

стоянства оптических периметров по полю, используют многожильные световоды круглой формы.

Микроканальные пластины (МКП). Эти пластины представляют собой активную волоконно-оптическую деталь. Внутренняя поверхность ее каналов имеет высокое сопротивление и коэффициент вторичной эмиссии порядка 3-5. МКП используют, в частности, в ЭОП-ах. Здесь (рис. 68) на пути электронного потока, несущего и формирующего элек­тронное изображение, устанавливается МКП, к ее торцам прикладывается напряжение 2-3 кВ. Электроны с фотокатода 1, попадая внутрь каналов 4 МКП, ударяются об их стенки, вызывая эмиссию вторичных электро­нов. Последние увлекаются полем внутри каждого канала и совершают по мере прохождения многократные акты вторичной эмиссии, в результате чего электронный поток на выводе канала во много раз превышает поток на его входе. Для эффективного усиления за счет вторичной эмиссии от­ношение длины канала к его диаметру составляет 50 - 100. Выходящий из каждого канала электронный поток возбуждает люминесцентный экран 3, на котором формируется преобразованное по спектру и усиленное по яр­кости изображение объекта.

МКП представляет собой плоскопараллельную пластинку диамет­ром 40-60 мм и толщиной 0,5 - 1,5 мм. Составляющие ее световоды име­ют диаметр жилы 6-40 мкм. По отношению к плоскостям пластинки оси световодов наклонены на угол 6 ± 1°. Основные требования к детали: клиновидность Г, отклонение поверхностей от плоскостности не норми­руется. В соответствии с условиями работы детали необходим высокий (0-10...0-40) класс чистоты полированных поверхностей и отсутствие за­колов на границе жила-оболочка. В последующем стекло жилы удаляется

растворением.

Технология получения заготовок МКП сводится к следующему: из стекол жилы и оболочки формируют соответственно стержень и трубку. Основное требование к ним - точность диаметра стержня и внутреннего диаметра трубки, обеспечивающие малый (< 0,05 мм) зазор между стен­ками. Из пары стержень-трубка вытягивают световоды. Спрессовыванием пучка в стеклянном кольце изготавливают диск, который и представляет собой заготовку МКП.

Механическая обработка - шлифование и полирование поверхно­стей диска по существу не отличается от обработки волоконных дисков. Особое внимание обращается на отсутствие заколов на границе оболочка-жила, которые образуются из-за различия механических свойств стекол. Выполнение этого требования обеспечивается применением мелкозерни­стых абразивов (М14 - М10) и однородностью их зернового состава. По­лированные с двух сторон пластинки помещают в воду или слабо кислый раствор для растворения стекла жилы. Образуется система капилляров -пучок параллельно уложенных и соединенных между собой стеклянных каналов.

Следующей операцией является активация поверхностного слоя стенок капилляров. Оболочка оставшаяся после растворения стекла жи­лы, содержит в своем составе свинец в виде окиси РЬО. Обработкой пла­стины в течение 3-4 часов в атмосфере водорода при температуре 400-J-410⁰ С, его восстанавливают до металла РЬ. Завершающей операцией является нанесение на поверхности пластинки металлических слоев -электродов, которые образуют испарением хрома в вакуумной установке при разряжении 10"⁴ - 10"⁵ мм рт. ст. Именно этой операцией определяется требование отсутствия заколов на границе стекол жила-оболочка. Закол может прервать электрод и соответствующий капилляр или их группа бу­дет исключена из работы. Соответственно снижается разрешающая спо­собность МКП.

Фоконы. Это ВОД состоящие из спеченных световодов, у которых диаметр световедущих жил постепенно уменьшается по мере перехода от торца большого размера к малому. Применяют их для изменения масшта­ба изображения и выравнивания кривизны поля зрения оптических сис­тем, коконы диаметром до 20-25 мм изготавливают из спеченного пучка многожильных световодов. Принципиальная схема установки для полу­чения таких фоконов приведена на рис. 69. Здесь пучок световодов по­мещают внутрь кольцевой электрической печи и зажимают в цанговых

патронах двух соосно ус­тановленных подвижных шпинделей. При включе­нии печи находящаяся в ней зона жгута разогрева­ ется до пластической де­формации стекла. Под действием пружин шпиндели по мере уменьшения вязкости стекла растягивают жгут в двойной конус. После вытяжки фо-кон отжигают для снятия напряжений, обрабатывают торцы, а если это необходимо по конструктивным соображениям, то и по периметру.

Волоконные жгуты. Технология изготовления гибких жгутов зави­сит от их назначения. У жгутов для переноса изображения должна быть обеспечена идентичность положения волокон на входном и выходном торцах. У жгутов для передачи световой энергии оно может быть произ­вольным или соответствующим образом распределенным.

Для изготовления деталей требуемого размера, жгут снятый с ба­рабана разделяют на части определенного сечения и длины. Торцы про­клеивают клеем на основе эпоксидной смолы ЭД-5, который в жидком состоянии поднимают его вверх капиллярными силами на 20 - 30 мм по промежуткам между волокнами. Для полного отвердевания клея концы жгута прогревают в термостате. У некоторых жгутов концы зажимают в цанги или спекают под давлением, что позволяет повысить коэффициент заполнения торца световедущими жилами. Средняя часть жгута остается свободной. Для предохранения световодов от загрязнения и поломки на жгут надевают полихлорвиниловую трубку или другие защитные элементы.

Дата добавления: 2015-07-11