Размещено на http://www.allbest.ru/

Екатеринбург 2016 г.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Уральский энергетический институт

Кафедра «Техника высоких напряжений»

Реферат

по Конструкционному материаловедению

Тема: «Оптоволокно»

Яковенко С.Р.

Щеглов Д.К.

Оглавление

Введение

1. Изготовление оптоволокна

2. Защита оптоволокна

3. Контроль параметров волокна

Введение

Волоконная оптика - раздел оптики, рассматривающий распространение электромагнитных волн оптического диапазона по световодам - оптическим волокнам. Конструкция отдельно взятого оптического волокна достаточно проста. Сердечник из оптически более плотного материала окружен оболочкой с меньшим коэффициентом преломления и все это покрыто защитной оболочкой. Оптическое волокно - типичный диэлектрический волновод электромагнитных волн. Традиционные проводные линии, коаксиальные кабели, СВЧ волноводы - все они требуют дорогих и дефицитных материалов, по меньшей мере, меди. Для изготовления стекловолокна нужны окислы кремния - самые распространенные на Земле вещества. Волокна из прозрачных пластиков также почти не нуждаются в редких материалах. Таким образом, источники сырья для производства световолокон практически не ограничены. К этому следует добавить, что по диаметру оптические кабели существенно меньше металлических. Материалы оптических кабелей не подвержены коррозии и экологически безопасны.

Волоконно-оптические кабели не восприимчивы к помехам со стороны электромагнитных полей радиодиапазонов, и сами не создают таких помех. Поэтому в плане электромагнитной совместимости - это идеальные средства передачи информации. Столь же совершенны они и по электробезопасности, поскольку переносимые в них мощности очень малы. Для того чтобы передать свет на некоторое расстояние необходимо сохранить его мощность. Снизить потери при его передаче можно, во-первых, обеспечив достаточно оптически прозрачную среду распространения, тем самым, сведя к минимуму поглощение волны, и, во-вторых, обеспечить правильную траекторию движения луча. Первая задача в настоящее время решается с помощью применения высокотехнологичных материалов, таких как чистое кварцевое стекло. Вторая задача решается с помощью закона оптики, описанного выше.

И сердцевина, и оболочка изготавливаются из стекла или пластика. Наиболее часто (вследствие лучших характеристик) используется оптоволокно типа "стекло-стекло", когда сердцевина и оболочка изготавливаются из особого кварцевого стекла. Понятно, что стекло, используемое для оболочки, должно иметь меньший показатель преломления, чем для сердцевины. Показатель преломления стекла регулируется с помощью легирующих добавок. В оптических волокнах показатели преломления сердцевины и оболочки различаются на величину порядка 1%.

Затухание в световоде, то есть потеря мощности светового сигнала происходит, в основном, по двум причинам: поглощение и рассеивание.

Поглощение связано с возбуждением в материале световода электронных переходов и резонансов. В результате этого увеличивается тепловая энергия, накапливаемая в оптическом волокне. Поглощение зависит как от свойств материала, из которого изготавливается оптоволокно, так и от длины волны источника света.

Рассеивание меньше зависит от свойств материала и, в основном, определяется нарушением геометрической формы оптического волокна. Следствием этих нарушений является то, что часть лучей покидает оптоволокно.

Интенсивность рассеивания зависит не только от качества материала, из которого изготавливается сердцевина волокна, но и от качества оболочки, так как часть сигнала, вопреки геометрической оптики, распространяется в ней (это явление связано с квантовой природой света). Бороться с этим можно за счет нанесения на оболочку поглощающего покрытия.

1. Изготовление оптоволокна

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. Материал оболочки должен хорошо прилипать к сердцевине волокна. Эти два требования предотвратят чрезмерные потери света при рассеивании и при выходе света за пределы волокна. Прозрачные пластики вследствие наличия структуры рассеивают свет, что делает их не вполне пригодными для световодов большой длины, которая, правда, не характерна для волокон, передающих изображение. Хорошим материалом для оболочки и сердцевины является стекло, имеющее одно очень важное преимущество перед другими материалами - возможность широко выбора показателя преломления при помощи легирования стекла на стадии выплавки. 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).

Основными материалами 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). Вторым этапом производства оптоволокна является определение метода изготовления световода из выбранных материалов. 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. Для этого существует несколько способов, каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Способы позволяют получить различный профиль показателя преломления. Волокна для передачи изображения передают не дискретные импульсы, по этой причине следует выбрать метод, позволяющий получить ступенчатый показатель преломления. В настоящее время наиболее распространен метод создания ОВ с малыми потерями, путем химического осаждения из газовой фазы. Получение ОВ путем химического осаждения из газовой фазы выполняется в два этапа: изготовляется двухслойная кварцевая заготовка и из нее вытягивается волокно. Во внутрь полой кварцевой трубки подается струя хлорированного кварца и кислорода. При высокой температуре на внутренней поверхности трубки слоями осаждается чистый кварц. Таким образом, заполняется вся внутренняя полость трубки, кроме самого центра. Чтобы ликвидировать этот воздушный канал, подается еще более высокая температура (1900°С), за счет которой происходит схлопывание. Чистый осажденный кварц затем становится сердечником ОВ с показателем преломления n1, а сама трубка выполняет роль оболочки с показателем преломления n2. Вытяжка волокна из заготовки и намотка его на приемный барабан производятся при температуре размягчения стекла (1800...2200° С). Из заготовки длиной в 1 м получается свыше 1 км оптического волокна.

Особым образом обстоит дело с проверкой прочности световодов. Рассчитаны определенные стандартные усилия, при которых волокно не должно рваться. Казалось бы, достаточно просто перемотать волокно под нагрузкой, взятой с запасом. Порвалось - плохое, не порвалось - хорошее, можно использовать при меньших нагрузках. Однако не все так просто. Дело в том, что те дефекты, например трещины, которые до испытания не привели бы к порче волокна, могли развиться при тестировании, и при следующем приложении даже меньшей нагрузки волокно может порваться. Прогнозировать рост трещин весьма непросто, так как он зависит от среды, в которой находится волокно, и от механических нагрузок (в частности изгибов). Так что стопроцентную гарантию на волокно дать невозможно. Вообще, прямые испытания устойчивости свойств и надежности волокна провести трудно. Невозможно, например, оценить самопроизвольные изменения прозрачности, если характерный период таких изменений составляет порядка десяти лет. Чтобы решить эту проблему, световоды выдерживают при повышенной температуре, ускоряя старение.

2. Защита оптоволокна

Пристального внимания требует чувствительность незащищенного волокна к водяному пару. Это критическое свойство было обнаружено очень скоро после налаживания выпуска оптического волокна, но было также обнаружено и противодействие ему: непосредственное покрытие световода защитной пленкой толщиной несколько микрометров непосредственно в процессе вытягивания волокна. Эта защитная оболочка, в основном состоящая из полимера, полностью защищает световод.

Она повышает также механическую прочность световода и его упругость. Кроме того, обеспечивается постоянство параметров при неблагоприятных окружающих условиях; без защитной оболочки они снижаются через несколько часов или дней.

Не зависимо от области применения оптоволоконные изделия нуждаются в механической защите. Превышение нормальных нагрузок для кабеля при монтаже может поставить волокно в состояние растяжения. Уровни механического напряжения могут вызывать потери на микроизгибах, что приводит к увеличению затухания и всевозможным эффектам усталости материала. Для обеспечения выдерживания подобных нагрузок, что обеспечивает простоту и скорость монтажа, а также длительную эксплуатацию, к конструкции волоконно-оптического жгута добавляются различные внутренние элементы жесткости. Такие элементы жесткости предохраняют волокна от напряжения, минимизируя растяжение и взаимное влияние, возможно уменьшая при этом гибгость жгута. В некоторых случаях они служат и как термостабилизирующие элементы. Запас растяжения у оптического жгута очень небольшой - до момента облома волокна, поэтому элементы жесткости должны обладать низкой степенью растяжимости при ожидаемых силах растяжения. Сопротивляемость ударам и давлению, гибкость и скручиваемость являются другими механическими факторами, влияющими на выбор элементов жесткости. Элементы жесткости, которые наиболее часто используются в волоконно-оптических кабелях - это арамидное волокно, стекловолоконные эпоксидные пруты и стальные проволоки. Относительно единицы веса арамидное волокно в пять раз прочнее стали. Оно и стекловолоконные эпоксидные пруты часто являются выбором, когда требуется полностью диэлектрическая конструкция. Следует выбирать сталь или эпоксидные пруты, когда требуется работа при низких температурах, так как они обладают лучшей температурной стабильностью.

Определение количества волокон в кабеле зависит от сферы применения будущего изделия. Внутри жгута волокна могут располагаться свободно относительно друг друга (за исключением концов жгута) - в таком случае жгут называется весьма гибким.

Для изготовления жгутов удобны волокна диаметром 50 микрон. Такие волокна достаточно прочны; укладка таких волокон относительно несложна. Более тонкие волокна ломаются при регулярной укладке.

Входные и выходные торцы уложенного жгута спекаются и полируются таким образом, что бы они были строго параллельны между собой и параллельны любому сечению распрямленного жгута. Жгут свободных гибких волокон может иметь торцы различной конфигурации. Конфигурация одного торца жгута может быть преобразована в любую другую на другом конце (можно преобразовать круг в линию и наоборот).

3. Контроль параметров волокна

Волокна характеризуются достаточно большим количеством параметров. Наиболее важные из них - диаметр волокна, состояние поверхности, толщина оболочки, механическая прочность, тепловые характеристики, спектральное пропускание, рассеяние света, неоднородность, двойное лучепреломление. Данные параметры влияют в первую очередь на разрешающую способность волоконного жгута, его светопропускание и, в конечном счете, на качество передаваемого жгутом изображения. световод кварц оптоволоконный кабель

Для измерения диаметра отдельных волокон нельзя применять механические методы из-за малости диаметра волокон (25-50-100 мкм, возможно меньше). Наилучший результат, т.е. максимальную точность измерений, дают только оптические методы. Измерение диаметра проводится путём оптического контроля расстояния между двумя точными роликами, сжимаемыми пружиной, при прохождении между ними волокна. В данном случае используются оптические методы увеличения механических перемещений.

Для исследования поверхности волокна можно применить оптическую микроскопию. Вследствие того, что глубина резкости микроскопа с большим увеличением ограничена, и поверхность волокна имеет обычно цилиндрическую форму, в плоскости изображения оказывается только небольшой участок поверхности световода. Однако правильный выбор увеличения и фокусировки при продольном сканировании позволяет исследовать поверхность волокон полностью. Такой метод позволяет выявить и отбраковать волокна, имеющие механические дефекты (царапины). Для волокна с оболочкой интерес представляет исследование поверхности раздела сердцевина - оболочка, именно на ней происходят многократные полные внутренние отражения. Для анализа поверхности раздела материал - сердцевина волокно помещают между двумя покровными стеклами и заполняют пространство между ними жидкостью, показатель преломления которой равен показателю преломления материала оболочки. Оболочка в такой среде перестаёт играть роль. Торец волокна освещается, а боковая поверхность осматривается через микроскоп. Естественно, что любой дефект границы раздела может легко быть обнаружен визуально.

Волокна, вытянутые из расплавленного стекла, могут быть неоднородны. К тому же их показатель преломления точно (хотя бы вследствие легирования) будет отличаться от показателя преломления исходного стекла. Изменения показателя преломления вполне характерны для стеклянных световодов и зависят от технологической совместимости материалов сердцевины и оболочки, процесса вытяжки, режима отжига. Очевидно, что большие неоднородности стекла ухудшают механические (максимальное усилие на разрыв) и оптические (рассеяние света) свойства волокон. Если поместить волокно между скрещенными поляризаторами и пропустить через него коллимированный свет, то будет наблюдаться картина в форме лепестков.

Подобные фигуры свидетельствуют об образовании в стеклянном волокне слоев с различными оптическими свойствами, имеющих круговую симметрию относительно оси волокна и показывающих наличие напряжения. Эти напряжения обуславливают большую, чем у исходного стекла, прочность волокна. Распределение напряжений и неоднородностей волокна и оболочки наилучшим образом определяются интерференционными методами. Один из приборов, позволяющих проводить подобный анализ, - микроинтерферометр Линника. Напряжения в оболочке и сердцевине проявляются в виде искажений на интерференционной картине.

Плотность укладки волокна важна как для разрешающей способности прибора в целом, так и для светопропускания волоконной детали (жгута). Плотность укладки измеряется с помощью микроскопа с большим увеличением. Другой способ - пропустить коллиматорный свет через волоконный элемент. Способ особенно эффективен, если учтены френелевские потери на отражение, и жгут имеет непрозрачную оболочку, препятствующую проникновению падающего извне света.

Механические свойства волокна, такие, как максимальные допустимые нагрузки на изгиб и растяжение, устанавливаются чисто механическими методами: известное внешнее воздействие сообщается волокну и медленно увеличивается до тех пор, пока световод не будет разрушен. Величина воздействия отслеживается. Распределение напряжения в волокне легко выявить при помощи интерферометра, наблюдая изменение интерференционной картины при нагрузке изделия.

Для тестирования волокон и кабелей применяется специальная аппаратура для измерения потерь в кабеле. Такая аппаратура необходима для тестирования изготовленных соединений, да и просто для аттестации приобретенных кабелей. Одним из наиболее простых устройств для измерения потерь являются оптические тестеры. Эти тестеры состоят из двух частей - источника света и прибора для измерения силы света. Источник света может излучать свет одной или нескольких (в зависимости от конструкции тестера) длин волн. Подсоединив один конец тестируемого промежутка к источнику света, а другой - к измерительному прибору, легко можно определить уровень потерь. Если измерить сначала потери просто в куске кабеля, а потом - в куске кабеля с разъемом (если волоконный кабель имеет разъём), то сразу можно вычислить потери в разъеме. Стоит этот прибор недорого, он малогабаритен, удобен для переноски, так что его легко использовать для ремонта оптических кабелей на месте.

Заключение

Существующие технологии изготовления оптоволокна обеспечивают высокое пропускание света. Потери света необходимо учитывать в длинных (десятки, сотни метров и более) волокнах. Такие потери обусловлены неоднородностями, пузырьками и микровключениями в сердцевине и оболочке волокна. В длинных световодах количество дефектов велико даже при малой линейной плотности дефектов. Однако при передаче изображения волокна обычно не имеют большой длины и количество дефектов в них (а так же потери на дефектах) мало.

Список Литературы

1. Дж. Э. Мидвинтер “Волоконные световоды для передачи информации”,

2. П. К. Чео “Волоконная оптика. Приборы и системы”,

3. Р. Тидекен “ Волоконная оптика и её применение”.

Размещено на Allbest.ru