El vidrio fluorado es una clase de vidrios ópticos sin óxido compuestos de fluoruros de varios metales. Pueden contener metales pesados como el circonio o estar combinados con elementos más ligeros como el aluminio y el berilio . Estos elementos más pesados hacen que el vidrio tenga un rango de transparencia que se extiende hasta la longitud de onda infrarroja. [1]
Por lo tanto, el objetivo de los vidrios de fluoruro de metales pesados (HMFG) es crear sistemas de comunicación de fibra óptica con pérdidas ultra bajas para aplicaciones comerciales y de defensa, así como componentes a granel que se puedan utilizar en tratamientos médicos invasivos. Sin embargo, los elementos más pesados también hacen que el vidrio tenga una baja viscosidad y lo hacen vulnerable a la cristalización durante la transición vítrea o el procesamiento. Esto hace que el vidrio sea más frágil y tenga poca resistencia a la humedad y a los ataques ambientales. [2]
La mejor característica de los vidrios de fluoruro es que carecen de la banda de absorción asociada con el grupo hidroxilo (-OH) (3,2-3,6 micrómetros) que está presente en casi todos los vidrios a base de óxido. [3]
Las propiedades ópticas de la fibra de fluoruro se pueden determinar mediante las fuentes de pérdida intrínsecas y extrínsecas. Existen tres fuentes de pérdida intrínseca para el vidrio de fluoruro: borde de absorción de UV , dispersión de Rayleigh y absorción multifonónica. [1]
En longitudes de onda cortas dentro del espectro UV y visible, el borde de absorción UV es el efecto dominante. El borde de absorción UV se produce cuando una longitud de onda de energía coincide con el potencial de transición o ionización del electrón y es absorbida por el material a medida que un electrón es expulsado a otro estado cuántico. Sin embargo, esta absorción solo ocurre en longitudes de onda cortas y disminuye rápidamente a medida que aumenta la longitud de onda. [2]
En el rango de luz visible al infrarrojo cercano, la dispersión de Rayleigh es el efecto dominante. La dispersión de Rayleigh es la dispersión o dispersión elástica de partículas mucho más pequeñas que la longitud de onda de la energía. Es la razón por la que el cielo es azul, ya que la luz del sol se dispersa por las moléculas en el aire. [4] Dado que el vidrio es un sólido amorfo y tiene pequeñas variaciones de densidad a lo largo de una fibra, se produce la dispersión de Rayleigh y la energía se disipa. Sin embargo, la dispersión de Rayleigh aumenta inversamente con la longitud de onda, por lo que a medida que aumenta la longitud de onda, la dispersión de Rayleigh disminuye. [5]
En comparación con el vidrio de sílice , los vidrios de fluoruro sufren una dispersión multifonónica en longitudes de onda más largas, por lo que permanecen transparentes en el espectro infrarrojo. Aquí es donde se crean múltiples fonones con la absorción y conjunción de un solo fonón. Esto es importante específicamente en el vidrio porque los iones vecinos que vibran entre sí en fase pueden causar que se produzca una dispersión multifonónica. Dado que los vidrios de fluoruro tienen iones más pesados que sus homólogos de sílice, hay frecuencias de vibración más bajas que corresponden a un borde de absorción infrarrojo más largo. [6] [7]
Las fuentes extrínsecas de pérdida provienen principalmente de la dispersión de los cristalitos y la absorción de impurezas. La principal fuente extrínseca de pérdida proviene de la dispersión de los cristalitos. La dispersión de los cristalitos resulta del ordenamiento direccional de un conjunto de átomos que reflejan y absorben longitudes de onda de energía de manera diferente. Dado que los vidrios de fluorita tienden a desvitrificarse muy fácilmente, puede ser difícil evitar la cristalización durante el procesamiento. La absorción de impurezas surge de las muchas transiciones y algunos elementos de tierras raras que pueden estar contenidos en el vidrio. Dado que estos elementos son absorbentes en el rango del infrarrojo medio, debe haber niveles de contaminación inferiores a 1 ppb para que la pérdida extrínseca sea menor que la pérdida intrínseca.
Un ejemplo de vidrio de fluoruro de metal pesado es el grupo de vidrios ZBLAN , compuesto por fluoruros de circonio, bario, lantano, aluminio y sodio. La principal aplicación tecnológica de estos materiales es como guías de ondas ópticas en forma plana y de fibra. Son ventajosos especialmente en el rango de infrarrojo medio (2000-5000 nm). [8]
El primer paso en la síntesis de vidrio de fluoruro es la preparación del lote. Los criterios más importantes de este paso son los requisitos de pureza que son específicos para el catión deseado. En general, se pueden tolerar muchos cationes diamagnéticos diferentes , por lo que lo que se debe controlar son las impurezas ópticamente absorbentes y las impurezas aniónicas, como nitratos , carbonatos y sulfatos . Una impureza importante que se debe evitar es el agua. Las impurezas aniónicas y el agua pueden hacer que surja oxígeno aniónico en el producto final. Para evitar esto, cada material individual debe deshidratarse o calentarse para evitar la contaminación por agua durante la síntesis. [1] [9]
Después de mezclar los materiales iniciales, el lote se calienta hasta su temperatura de fusión dentro de un crisol . Este vidrio crudo a menudo presenta áreas desvitrificadas altas cuando se seca en el crisol. Esto se ajusta mediante el proceso de clarificación que calienta la masa fundida por encima de la temperatura de liquidus . A medida que aumenta el calor, la viscosidad disminuye y la masa fundida se homogeneiza sin agitación y se eliminan los defectos. [9]
El resultado es un vidrio homogéneo y transparente después del enfriamiento. Hay muchos métodos para enfriar, pero el método clásico implicaba enfriar justo por encima de la temperatura de liquidus y luego fundir en un molde y enfriar. Cuando se utiliza un molde, puede haber un enfriamiento no uniforme dependiendo de la forma y el peso del molde. Este método de fundición es rápido, flexible y puede crear muchas formas y tamaños diferentes. Sin embargo, es limitado porque expone el vidrio a la contaminación atmosférica. Puede haber fases microcristalinas todavía presentes en el vidrio en la parte superior del molde debido a los condensados. Además, es posible que las burbujas no alcancen la superficie porque el vidrio está congelado en el molde. Otro método de enfriamiento es a través del método de molde-crisol donde la muestra se enfría dentro del crisol en el que se fundió. Esto significa que no hay exposición a la atmósfera o contaminación externa, pero el vidrio resultante está limitado a la forma del crisol. El último método de enfriamiento es el enfriamiento rápido y está reservado para vidrios menos estables. [1]
El objetivo principal de la investigación y el desarrollo de vidrio fluorado es un sistema de comunicación por fibra óptica con pérdidas ultrabajas. Dado que las fibras de vidrio fluorado son transparentes en el rango infrarrojo, pueden transmitir longitudes de onda de energía a través de una gran área.
Un objetivo secundario de los vidrios fluorados son las fibras ópticas transmisoras de infrarrojos y los componentes a granel en el campo médico. Las fibras ópticas de fluoruro pueden transmitir un haz de láser al cuerpo durante la cirugía para procedimientos menos invasivos. También se pueden utilizar como sensores de gas o líquido dentro del cuerpo al colocar una luz producida a través de la fibra mediante láser o LED en un lado de la fibra y detectar el cambio en el otro. Además, permite detectar moléculas con bandas de absorción en el rango infrarrojo a través de espectroscopia infrarroja. [2] [10]