Применение световода

Световоды широко используются при изготовлении различных  элементов индикации, светового оформления рекламы и подсветки. Например, пучки световодов (световоды) используются в медицинских и других аналогичных целях там, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых случаях световоды используются в элементах индикации например для обозначения маршрута от исходной точки в какую-нибудь часть здания. Освещение при помощи оптических световодов часто используется и в декоративных целях, включая коммерческую рекламу и всевозможные праздничные гирлянды. [3]

 

 

                                                                                                          

 

 

 

 

 

 

  Диск фрисби, освещенный оптоволокном                                                        Бронхоскоп

 

 

Световоды широко используются и для оптической  передачи изображения.

Оптические  световоды совместно с объективом используется в устройствах для формирования изображения. Плотный пучок тонких оптических волокон, тщательным образом объединённый с обеих сторон, (световод) используется в эндоскопах, предназначенных для осмотра или фотографирования объектов через маленькое отверстие. При этом, проектируемое на торец сваренных воедино световодов изображение, разбивается на большое число фрагментов (размером равным диаметру используемых в световоде оптических волокон) и передаётся на другой конец световода. Там, эти волокна снова плотно соединяются между собой в строгом соответствии с «принимающей» изображение стороной (иначе каждый фрагмент исходного изображения будет попадать на «не своё» место). В итоге на втором торце мы получим проектируемое на первый торец изображение. [3]

 

Маркировка  оптических волокон (световодов) [1]

В 1982 г. стандартом IEC 304 Международного электротехнического  комитета (МЭК) были определены двенадцать стандартных цветов изоляции низкочастотных кабелей и проводов (табл.1), которые используются и для цветового кодирования оптических волокон (ОВ) в группах, содержащих до 12 ОВ. Нумерация же ОВ, сопоставляемая с цветом, предусмотренным названным стандартом МЭК, определяется национальными стандартами (табл. 2).                                                                         

    

 

                 Таб.№ 1                                                         Таб.№2

 

В случае, если в одном оптическом модуле одновременно находятся более 12-ти оптических волокон, то оболочки следующих по счёту оптических волокон, повторяют последовательность цветов предыдущих волокон с той разницей, что на них по всей длине ещё наносятся поперечные метки в виде, например, чёрной полосы, через каждые 25 мм.

В некоторых  случаях метки на оболочках последующих  волокон, наносят через большие промежутки, например, 40 мм, 60 мм, 80 мм. Некоторые производители оптических кабелей поступают иначе. Все волокна в каждом оптическом модуле разделяют на группы по 12 цветов в соответствии с принятым обозначением, оборачивая каждую группу оптических волокон нитью окрашенной в различные цвета (обычно красный, зелёный, синий и т. д.).

 

Материалы, из которых изготовляют световоды [3]

 

Основными материалами, из которых изготовляются световоды являются  кристаллический кварц и кварцевое стекло - различные формы оксида кремния (SiO2). В кварцевом стекле оксид кремния находится в аморфной форме и поэтому он не растрескивается при резком перепаде температур, как кристаллический кварц, имеет чрезвычайно низкий коэффициент температурного расширения и теплопроводности. В отличие от обычного стекла, которое состоит из смеси различных компонент, кварцевое стекло состоит только из оксида кремния, а количество примесей других химических элементов чрезвычайно мало. Это приводит к тому, что кварцевое стекло обладает широким спектром пропускания (через стёкла из кварца можно даже загорать), малым поглощением света (обычное оконное стекло поглощает столько же света, сколько и кварцевое стекло толщиной в 100 метров), высокой оптической гомогенностью (однородностью), стойкостью к ионизирующим излучениям и лазерному излучению высокой интенсивности, низким коэффициентом температурного расширения (примерно в 20 раз меньше по сравнению с обычным стеклом), высокой рабочей температурой (более 1200 ^оС, что в 4 раза больше, чем для обычного стекла).

 

Кварц  (нем. Quarz — твёрдый) — самый распространённый минерал в земной коре, породообразующий минерал большинства магматических и метаморфических пород.                                                                                                        

 

 

 

 

 

 

 

Четырех гранная 

структурная решетка

кварца (SiO₂)                                                                                             Горный хрусталь  (SiO₂)                                                                                                                      

 

 

Фториды — класс неокисных оптических качественных стекол, полученых из фторидов различных металлов стеклянной группы.

Из-за их низкой вязкости очень трудно полностью избежать кристаллизации при варке стекла. Изготовление его производится с учётом получения аморфного состояния при остывании (или сохранения формы волокна при плавлении).

 

Фосфаты

Стекло фосфата составляет класс оптических материалов, составленных из metaphosphates различных металлов. Вместо SiO₄ tetrahedra, наблюдаемый в руде силиката, стандартный блок для этого прежнего стекла Фосфор pentoxide P₂O₅(P₂O₅), который кристаллизован по крайней мере в четырех различных формах.

Знакомая кристаллическая  решётка включает молекулы P₄O₁₀.             

Включения фосфата  могут быть выгодными в смеси  с кварцем для оптических волокон с высокой концентрацией добавка редкоземельных ионов. Соединение стекла фторида и стекла фосфата даёт флюоресфосфорное стекло.

                                                         

Производство  оптического волокна (световодов) [3]

Первым этапом в процессе изготовления световодов является определение подходящих по ряду параметров материалов, из которых  в дальнейшем будет изготовлен световод.

Для любых типов  световодов необходимы материалы высокой степени однородности с максимально гладкой поверхностью раздела сердцевины и оболочки. И в тоже время Материал оболочки должен хорошо прилипать к сердцевине волокна.

Эти два требования предотвратят чрезмерные потери света при рассеивании и при выходе света за пределы волокна.

Длина пути света  в световоде больше, чем в оптических приборах, следовательно, необходимо стекло высокой прозрачности без вкраплений инородных материалов и пузырей  воздуха. Высокая прозрачность стекла не всегда совместима с высоким показателем преломления: в последнем случае стекло носит желтоватый оттенок. В видимой области спектра, а именно этот диапазон оптического излучения рассматривается при переносе изображения по световоду, стеклянное волокно длиной 2 метра пропускает около 50 % света, падающего на торец жгута или  около 80 % света, прошедшего в световод. Разность этих величин обусловлена экранированием части сечения жгута изолирующими оболочками волокон и отражением света от торца жгута. Последняя проблема может быть решена нанесением на входной торец жгута просветляющей пленки, аналогичной той, что используют при просветлении оптики. Первая же проблема решается путем уменьшения толщины внешней оболочки отдельного волокна (на толщину распространяется полуволновое ограничение).

Волоконные  световоды с самыми низкими потерями изготовляют следующим образом. Материал оболочки и сердцевины (чистое кварцевое стекло и легированное кварцевое стекло) получают окислением газообразных соединений кремния и  легирующего элемента (например, SiC_l4 и SiC_l4+BC_l3) и осаждением их из газовой фазы в определённой последовательности (с одновременным плавлением) на внутреннюю поверхность кварцевой трубки. Затем кварцевую трубку сжимают и из полученной заготовки вытягивают волокно.

На сегодняшний  день разработаны весьма перспективные  волоконные световоды  более сложной  конфигурации, например многослойные световоды  и световоды  с непрерывным  изменением ПП по сечению волокна. Световоды  с распределением ПП по квадратичному  закону получили название селфоков.

 

Теперь  остановимся  на производстве  оптического волокна (световодов) на основе кварцевого стекла. [3]

Технологический процесс изготовления световодов на основе кварцевого стекла делится на два этапа.

Первый  этап - получение заготовки, которая представляет собой стеклянный стержень длиной порядка метра и диаметром около 10-20 мм.

Второй – вытягивание световода из заготовки.

 Как было  сказано выше, сначала изготавливают заготовки для производства оптического волокна. Они представляют собой стеклянные стержни, состоящие из стекла сердцевины и стекла оболочки. Далее из этих заготовок, при сильном нагревании одного конца, производится вытяжка в волоконный световод, при этом одновременно наносится первичное буферное покрытие, являющееся его защитной оболочкой.

Одним из первых методов изготовления волоконных световодов был метод «стержень в трубке», при котором стержень из высокочистого  кварцевого стекла в качестве сердцевины вдвигался в трубку из кварцевого стекла с меньшим показателем преломления, служащего оболочкой. Недостаток метода в том, что любые мельчайшие повреждения и примеси на их граничной поверхности после вытяжки световода приводят к большим величинам затухания (до 500 — 1000 дБ/км) и, кроме того, этим методом можно изготовить только многомодовые световоды со ступенчатым профилем показателя преломления.

Второй метод  — «двойного тигля» или метод  «совмещённого расплава». При этом световод вытягивается из расплава, где  компоненты сердцевины и оболочки плавятся в двух разных тиглях. За счёт диффузии или ионного обмена между стеклом сердцевины и стеклом оболочки можно изготавливать волоконные световоды с градиентным профилем показателя преломления. При этом методе удаётся получить волокна с затуханием от 5 до 20 дБ/км. при длине волны 850 нм.

Следующий метод  «разделения фаз», при котором стержень из натрийборселикатного стекла выдерживается длительное время при температуре 600° С. За это время переходные металлы, такие как Fe и Cu, собираются в натрийборатстеклофазе и далее выщелачиваются с помощью кислоты. Получившаяся пористая заготовка пропитывается раствором нитрата цезия и промывается. Из такой заготовки получают волоконные световоды со ступенчатым и градиентным профилем, с затуханием от 10 до 50 дБ/км при длине волны 850 нм.

Прорыв в  производстве оптических волокон был  достигнут при производстве заготовок  методом парофазного осаждения  — способа, который впервые был  использован в 1970 году американской фирмой Соrning Inc. При этом методе осаждение  стекла может происходить на внешней поверхности вращающегося затравочного стержня (OVD method, Outside Vapor Deposition), на торцевой поверхности стержня из кварцевого стекла (VAD method, Vapor Axial Deposition) или на внутренней поверхности вращающейся опорной трубки из кварцевого стекла (IVD method, Inside Vapor Deposition). При этих методах осаждение стекла происходит за счёт реакции разложения сильнолетучих высокочистых соединений в кислородно-водородном или плазменном пламени.

Газы, типа четырёххлористого кремния SiCl₄ и четырёххлористого германия GeCl₄ вводятся вместе с кислородом с одной стороны к заготовке. При этом вращающаяся заготовка нагревается с помощю внешней горелки, с температурой нагрева до 1600°C (1900°K, 3000°F). При этом, в результате реакции получаются частицы кварца и диоксида германия. При этом условия реакции выбраны так, чтобы обеспечить реакцию в газовой фазе по всему объему реактора (трубы), в отличие от более ранних методов, где реакция происходила только на части поверхности заготовки.

 

Технология  вытяжки оптического волокна из заготовок[3]

 

Для вытягивания  волокна заготовка закрепляется вертикально в патроне вытяжной установки. Положение патрона в  вертикальном направлении регулируется с использованием подающего механизма. Нижний конец заготовки нагревают до температуры 2000°С с помощью нагревательного элемента, так что можно вытягивать волокно вниз из плавящейся заготовки. Для того чтобы диаметр волоконного световода оставался постоянным и требуемой величины, необходимо обеспечить возможность точной регулировки скорости вытяжки (обычно 300 м/мин) и подающего механизма с помощью системы автоматического управления.

Во время  вытягивания геометрические соотношения  стекла сердцевины и оболочки остаются неизменными, хотя уменьшение диаметра заготовки по отношению к диаметру волоконного световода возможно в соотношении до 300 : 1. Таким образом, при вытяжке, профиль показателя преломления остаётся неизменным.

Непосредственно за измерительным прибором для контроля диаметра, вокруг волокна наносится  первичное защитное покрытие. Такое полимерное покрытие, обычно имеющее двухслойную структуру, предназначено для увеличения прочности волоконного световода, для защиты его от внешних воздействий, механических микроизгибов и упрощения операций по дальнейшей работе с волоконным световодом. Это полимерное покрытие полимеризуется под воздействием тепла или ультрафиолетового излучения. После упрочнения покрытия световод проходит по системе роликов, в которой он подвергается воздействию растягивающего усилия, которое может регулироваться с большой точностью. Световод должен выдерживать эту нагрузку до того, как он будет намотан на цилиндрический барабан.