FR2481262A1 - GLASSES OF FLUORIDES AND OPTICAL FIBERS CONSISTING OF THESE GLASSES FOR TRANSMISSION IN THE INFRARED BAND - Google Patents
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Abstract
VERRES DE FLUORURES A TRANSMISSIVITE ELEVEE DANS L'INFRAROUGE POUR LA PRODUCTION DE FIBRES OPTIQUES UTILISABLES A DES LONGUEURS D'ONDES VOISINES DE 4MM. CES VERRES COMPORTENT DU FLUORURE D'HAFNIUM COMME PRINCIPAL FORMATEUR DE RESEAU, LE FLUORURE D'UN ELEMENT DE COORDINATION VARIABLE TEL QUE LE THORIUM, COMME STABILISATEUR, ET LE FLUORURE D'UN OU PLUSIEURS CATIONS A GRAND RAYON IONIQUE TELS QUE CEUX DU BARYUM OU DU PLOMB, COMME MODIFICATEUR DE RESEAU. UN POURCENTAGE MOLAIRE EGAL DE BAF ET PBF PEUT ETRE UTILISE, PAR EXEMPLE 16,87 AVEC 8,75 DE THF ET 57,5 DE HFF.GLASSES OF FLUORIDES WITH HIGH TRANSMISSIVITY IN THE INFRARED FOR THE PRODUCTION OF OPTICAL FIBERS USEABLE AT WAVELENGTHS NEAR 4MM. THESE GLASSES CONTAIN HAFNIUM FLUORIDE AS THE MAIN NETWORK FORMER, THE FLUORIDE OF A VARIABLE COORDINATION ELEMENT SUCH AS THORIUM, AS A STABILIZER, AND THE FLUORIDE OF ONE OR MORE LARGE ION RADIUS CATIONS SUCH AS THOSE OF BARIUM OR LEAD AS A NETWORK MODIFIER. AN EQUAL MOLAR PERCENTAGE OF BAF AND PBF MAY BE USED, FOR EXAMPLE 16.87 WITH 8.75 THF AND 57.5 HFF.
Description
La présente invention concerne des verres de fluorures pour laThe present invention relates to fluoride glasses for
transmission de rayonnement infrarouge, plus particulièrement des verres à base de fluorure d'hafnium, et trouve des applications spéciales mais pas nécessairement exclusives dans la fabrication de fibres optiques destinées à la transmission de rayonnement infrarouge. L'avantage potentiel de la mise en service de systèmes à fibres optiques à des longueurs d'ondes supérieures à celles couramment employées - c'est-à- dire de 0,85 à l, pm - est que les pertes intrinsèques peuvent en principe être considérablement réduites grâce à un composant à diffusion de Rayleigh plus faible. Les verres classiques à base de silice ne conviennent pas dans ce cas, car l'absorption des photons produit un accroissement rapide de l'atténuation à des longueurs transmission of infrared radiation, more particularly glasses based on hafnium fluoride, and finds special but not necessarily exclusive applications in the manufacture of optical fibers for transmitting infrared radiation. The potential benefit of commissioning fiber optic systems at wavelengths greater than those commonly used - that is, from 0.85 to 1 pm - is that intrinsic losses can in principle be significantly reduced with a weaker Rayleigh scattering component. Conventional silica-based glasses are unsuitable in this case because the absorption of photons produces a rapid increase in attenuation at lengths.
d'ondes inférieures à 1,8 ym.of waves less than 1.8 μm.
On a examiné une famille de verres à base de tétrafluorure de zirconium et un premier compte rendu de ces recherches a été fait dans la revue "Material Research Bulletin" 10, 243 (1975). Ces verres ont de l'avenir en tant que matériau inerte dans les industries chimiques et nucléaires. Ils ont également un certain avenir dans la transmission de rayonnement infrarouge car ils comportent des espèces à poids atomique élevé qui sont reliées entre elles par des liaisons relativement longues. L'expérience a prouvé que des verres à base de tétrafluorure de zirconium deviennent opaques pour le rayonnement infrarouge aux environs de 3 pm. Ceci n'est cependant pas assez avancé dans l'infrarouge pour produire une très faible atténuation dans la région proche du milieu de la bande des infrarouges, et particulièrement dans une région d'intérêt spécial aux environs de 4 Pm. Les verres au A family of zirconium tetrafluoride glasses has been examined and a first account of this research has been made in the journal Material Research Bulletin 10, 243 (1975). These glasses have a future as an inert material in the chemical and nuclear industries. They also have a certain future in the transmission of infrared radiation because they include species with high atomic weight which are interconnected by relatively long bonds. Experience has shown that zirconium tetrafluoride glasses become opaque to infrared radiation at around 3 μm. However, this is not advanced enough in the infrared to produce a very low attenuation in the region close to the middle of the infrared band, and particularly in a region of special interest around 4 μm. The glasses
tétrafluorure de zirconium mentionnés présentent un autre inconvénient. mentioned zirconium tetrafluoride have another disadvantage.
Si on les chauffe au-dessus de leur température de transition, ils tendent à devenir thermiquement instables. Une telle instabilité présenterait de très sérieux problèmes lors de l'étirage d'une fibre If they are heated above their transition temperature, they tend to become thermally unstable. Such instability would present very serious problems when stretching a fiber
optique avec un verre de ce genre.optical with a glass of this kind.
Selon la présente invention, il est fourni un verre à base de fluorures pour la transmission de rayonnement infrarouge, comportant du fluorure d'hafnium comme principal formateur de réseau et, en pourcentage molaire, au moins 40%' en aggrégat de stabilisateur de réseau et de modificateur de réseau; verre dans lequel le stabilisateur de réseau est présent, en pourcentage molaire, au moins à 5% et se compose de fluorure d'un cru plusieurs éléments de coordination variable autres que l'hafnium, le modificateur de réseau se composant, lui, 4LJ du fluorure d'un ou plusieurs éléments dont les cations ont une According to the present invention, there is provided a fluoride-based glass for transmitting infrared radiation, comprising hafnium fluoride as the main network former and, in molar percentage, at least 40% in network stabilizer aggregate and network modifier; glass in which the network stabilizer is present, in molar percentage, at least 5% and consists of fluoride of a raw several variable coordination elements other than hafnium, the network modifier consisting, him, 4LJ of fluoride of one or more elements whose cations have a
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valence égale à un ou deux et un rayon ionique au moins égal à celui de Sr 2 ou de Pb, dans lequel on trouve, en pourcentage molaire, jusqu'à 15%D en aggrégat d'autres constituants compatibles, et enfin dans lequel on peut au choix remplacer une partie du contenu en fluorures par un pourcentage molaire équivalent en aggrégat d'autres halogénures. En considérant un éventail d'exemples, il a été reconnu que si une composition particulière basée sur le fluorure de zirconium forme un verre, une composition équivalente o le fluorure de zirconium est remplacé par une fraction molaire équivalente de fluorure d'hafnium forme aussi un verre. Des mesures comparatives effectuées sur ces deux verres ont démontré que dans chaque cas la transmission du verre à l'hafnium s'étend plus avant dans l'infrarouge que son homologue au zirconium. Ce fait a été attribué au poids atomique plus élevé de l'hafnium. On s'est occupé des problèmes naissants de l'instabilité thermique par un choix approprié de stabilisateurs et de modificateurs de réseau. Les verres les plus communément rencontrés se composent d'une charpente à trois dimensions d'unités tétraédriques reliées les unes aux autres par leurs sommets. Les liaisons aux sommets ont une gamme de liberté angulaire qui assure qu'il n'y ait pas d'ordre à grande distance dans la structure. Des exemples de verres de ce type valence equal to one or two and an ionic radius at least equal to that of Sr 2 or Pb, in which there is, in molar percentage, up to 15% D in aggregates of other compatible components, and finally in which may optionally replace part of the fluoride content by an equivalent molar percentage in aggregate of other halides. Considering a range of examples, it has been recognized that if a particular composition based on zirconium fluoride forms a glass, an equivalent composition where zirconium fluoride is replaced by an equivalent molar fraction of hafnium fluoride also forms a glass. Comparative measurements made on these two glasses have shown that in each case the transmission of glass to hafnium extends further in the infrared than its zirconium counterpart. This fact has been attributed to the higher atomic weight of hafnium. Emerging issues of thermal instability have been addressed through the appropriate choice of stabilizers and network modifiers. The most commonly encountered glasses consist of a three-dimensional framework of tetrahedral units connected to each other by their vertices. The vertex links have a range of angular freedom that ensures that there is no long-range order in the structure. Examples of glasses of this type
sont donnés par les verres à base de SiO2, GeO2, BeF2 et ZnCl2. are given by glasses based on SiO2, GeO2, BeF2 and ZnCl2.
L'utilisation de stabilisateurs et de modificateurs de réseau dans de tels verres est connue. Les verres à base de fluorure d'hafnium sont censés The use of stabilizers and network modifiers in such glasses is known. Glasses based on hafnium fluoride are supposed to
être à même de former des verres au moyen de différents mécanismes. be able to form glasses using different mechanisms.
Hf 4 comme Zr 4 est capable de former des polyèdres de coordination à 6,7 ou 8 plis, présentant des différences à la fois dans les longueurs des liaisons et les angles de liaison. Un réseau aléatoire de ces polyèdres n'aurait pas d'ordre à grande distance. Cependant, dans la pratique, il a été reconnu nécessaire d'ajouter un second constituant ayant lui aussi des propriétés de coordination variables. Celui-ci peut être par exemple du fluorure de zirconium, ou un fluorure de l'un des terres rares comme le lanthane,;le cérium, le praséodynium, le néodynium, le samarium, l'europium, le gadolinium, le terbiumf l'hafmium ou le thorium.Cés fluorures peuvent être employés en combinaison. La stabilité peut également être favorisée par l'inclusion de modificateurs de réseau comportant beaucoup de cations à faible valence tels que Hf 4 as Zr 4 is capable of forming 6- or 8-fold coordination polyhedra with differences in both bond lengths and bond angles. A random network of these polyhedra would have no order at a great distance. However, in practice it has been found necessary to add a second component which also has variable coordination properties. This may be, for example, zirconium fluoride, or a fluoride of one of the rare earths such as lanthanum, cerium, praseodynium, neodynium, samarium, europium, gadolinium, terbium, and the like. hafmium or thorium.These fluorides can be used in combination. Stability can also be promoted by the inclusion of network modifiers with many low valence cations such as
+1 +1 +2 +2+1 +1 +2 +2
Cs', il, Sr, et Pb. A ceux-ci on peut ajouter une petite quantité Cs', he, Sr, and Pb. To these we can add a small amount
+1 +2 +2 +1+1 +2 +2 +1
d'ions plus petits tels que AI, Na, Ca, Mg et Li L'étendue de la transmission dans l'infrarouge dépend de smaller ions such as AI, Na, Ca, Mg and Li The extent of infrared transmission depends on
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l'utilisation d'éléments lourds faiblement liés les uns aux autres. Les liaisons faibles ayant tendance à être associées à des propriétés the use of heavy elements weakly related to each other. Weak links tend to be associated with properties
mécaniques médiocres, un choix est nécessaire. Une solution de compromis - mediocre mechanics, a choice is necessary. A compromise solution -
consiste à équilibrer l'exigence optique de liaisons faibles par l'exigence mécanique de liaisons fortes en choisissant un système ayant un degré élevé de liaison ionique forte. Par rapport aux verres d'oxydes, l'utilisation de fluoruresprésente un avantage potentiel grâce au poids atomique plus grand du fluor. Il est également possible d'obtenir des avantages supplémentaires en remplaçant une partie du contenu en fluor par d'autres halogènes. Ainsi, par exemple, il a été reconnu possible d'effectuer une substitution partielle par de l'iode en ajoutant de l'iode au mélange en fusion. Néanmoins, dans ce contexte général, on devra noter que si l'on considère les anions les plus lourds il devient consists in balancing the optical requirement of weak bonds by the mechanical requirement of strong bonds by choosing a system having a high degree of strong ionic bonding. Compared to oxide glasses, the use of fluorides has a potential advantage due to the larger atomic weight of fluorine. It is also possible to obtain additional benefits by replacing some of the fluorine content with other halogens. Thus, for example, it has been found possible to perform a partial substitution with iodine by adding iodine to the melt. Nevertheless, in this general context, it should be noted that if we consider the heavier anions it becomes
de plus en plus difficile de former des verres stables. more and more difficult to form stable glasses.
La table suivante énumère les exemples de compositions de verre qui ont été fabriquées et ont été reconnues capables de produire des verres permettant un bon étirage de fibres de verre à partir de la surface du verre en fusion sans dévitrification perceptible. De là on a conclu que les échantillons seraient probablement suffisamment stables pour autoriser leur emploi dans la préparation de fibres optiques The following table lists the examples of glass compositions which have been manufactured and have been recognized as capable of producing glasses allowing good drawing of glass fibers from the surface of the molten glass without perceptible devitrification. From this it was concluded that the samples would probably be sufficiently stable to allow their use in the preparation of optical fibers.
par la technique classique d'étirage à partir d'un creuset. by the conventional technique of stretching from a crucible.
TABLE Constituants exprimés en pourcentage molaire Exemple NO ZrF4 HfF4 ThF4 BaF2 CeF3 PbF2 MgF2 SrF2 CsF NaF LaF3 TABLE Constituents expressed in molar percentage Example NO ZrF4 HfF4 ThF4 BaF2 CeF3 PbF2 MgF2 SrF2 CsF NaF LaF3
1 28,75 28,75 8,75 33,751 28.75 28.75 8.75 33.75
2 57,5 8,75 33,752 57.5 8.75 33.75
3 55 453 55 45
4 57,5 33,75 8,754 57.5 33.75 8.75
57,5 8,75 30,37 3,3857.5 8.75 30.37 3.38
6 57,5 8,75 25,3 8,456 57.5 8.75 25.3 8.45
7 57,5 8,75 16,87 16,877 57.5 8.75 16.87 16.87
8 57,5 8,75 8,45 25,38 57.5 8.75 8.45 25.3
9 57,5 8,75 15,18 10,12 8,459 57.5 8.75 15.18 10.12 8.45
57,5 8,75 30,38 3,3757.5 8.75 30.38 3.37
11 57,5 8,75 25,3 8,4511 57.5 8.75 25.3 8.45
12 57,5 8,75 16,88 16,8812 57.5 8.75 16.88 16.88
13 57,5 8,75 28,6 3,4 0,9 0,913 57.5 8.75 28.6 3.4 0.9 0.9
14 57,5 8,75 28,6 3,4 1,814 57.5 8.75 28.6 3.4 1.8
57,5 32,5 1057.5 32.5 10
1'6 57,5 30 3,5 91'6 57.5 30 3.5 9
17 57,5 30 3,15 0,4 917 57.5 30 3.15 0.4 9
18 57,5 30 3,15 0,2 0,2 918 57.5 30 3.15 0.2 0.2 9
N N 0% roN N 0% ro
- 2 48 1262- 2 48 1262
On peut fabriquer des verres de ce type directement à partir Glasses of this type can be made directly from
de fluorures mais étant donné le cot relatif de tels fluorures par. of fluorides but given the relative cost of such fluorides.
rapport à leurs oxydes on a préféré partir des oxydes et les traiter par adjonction de bifluorure d'ammonium. On a mélangé des quantités appropriées d'oxydes extrêmement purs et on a mis le mélange obtenu dans un creuset en platine ou en carbone vitreux et on l'a chauffé dans de l'air à 400OC pendant une heure pour transformer les oxydes en With respect to their oxides, it has been preferred to start from the oxides and to treat them by addition of ammonium bifluoride. Appropriate quantities of extremely pure oxides were mixed and the resulting mixture was put in a platinum or glassy carbon crucible and heated in air at 400 ° C. for one hour to convert the oxides to
fluorures que l'on chauffe ensuite à 8500 pour former un mélange enfusion. fluorides which are then heated to 8500 to form an infusion mixture.
Ce dernier est alors coulé dans un moule. The latter is then poured into a mold.
Il est bien évident que la description qui précède n'a été It is obvious that the foregoing description has been
faite qu'à titre d'exemple non limitatif et que d'autres variantes made by way of non-limiting example and other variants
peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. can be envisaged without departing from the scope of the invention.
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