Волоконные компоненты для спектрометрических измерений Avantes

Использование волоконных световодов имеет множество преимуществ в спектральных измерениях: например, оптоволоконная технология позволяет проводить анализы на расстоянии при помощи оптоволоконных датчиков, обеспечивая доступ к труднодоступным участкам, позволяет контролировать кинетику реакции, сокращает время пробоподготовки или практически исключает ее. Получение волоконных световодов на основе высокочистых твердых растворов модифицированных галогенидсеребряных кристаллов для среднего ИК диапазона (от 2,0 до 50,0 мкм) является важным фактором разработки и внедрения уникальной оптоволоконной продукции. Создание волоконных лазеров – одно из перспективных применений этих материалов. В случае легирования редкими элементами материалы световодов возможно применять в качестве активных лазерных сред. Кроме того, разработанные световоды являются и каналом доставки ИК излучения.

В статье рассматриваются принципы работы волоконных световодов и особенности современных конфигураций на примере ассортимента волоконно-оптических световодов Avantes.

Передача излучения в оптоволокне

В основе работы оптического волокна лежит явление полного внутреннего отражения. Числовая апертура (NA) - синус максимального угла падения луча света на торец волокна, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения, определяет количество мод, распространяющихся в оптическом волокне. Также величина числовой апертуры влияет на точность, с которой должна производиться стыковка оптических волокон друг с другом и с другими компонентами линии. Величина числовой апертуры зависит от материалов, используемых для изготовления сердечника и оболочки.

Световые волны, которые продолжают распространяться в оптоволокне на значительные расстояния, называются пространственными модами оптического излучения. Понятие моды описывается математически при помощи уравнений Максвелла для электромагнитных волн, однако в случае оптического излучения под модами удобно понимать траектории распространения разрешенных световых волн. Понятие моды является одним из основных в теории волоконно-оптической связи.

В зависимости от геометрических размеров сердцевины и оболочки и величины показателя преломления в оптическом волокне может распространяться только одна (основная) или же большое количество пространственных мод. Поэтому все оптические волокна делят на два больших класса: одномодовые и многомодовые. Для большинства спектроскопических применений используются многомодовые волокна, которые, в свою очередь, можно разделить на 2 подкатегории: со ступенчатым и градуированным индексом. Первые широко применяются в спектроскопии, вторые – в телекоммуникационных сетях.

Волоконный сердечник

Сердечник многомодового оптического волновода может иметь диаметр от 50 до 1000 микрон. Сердечники различаются по концентрации гидроксильных ионов (ОН), определяющих коэффициенты пропускания/затухания сигнала в волноводе, например, волокна с высоким содержанием OH используются в УФ и видимом диапазонах длин волн из-за низкого поглощения в указанных областях. Для дальнего УФ диапазона (менее 230 нм) могут использоваться специальные устойчивые к соляризации волокна.

Покрытие

Для соблюдения принципа полного внутреннего отражения оболочка сердечника должна иметь более низкий (по сравнению с ядром) показатель преломления. Например, волокна высокого качества, характеризующиеся самым низким поглощением, покрываются кремнием, легированным фтором.

Буферы

Слой-буфер предохраняет оптическое волокно от разрывов из-за неровностей поверхности. Буфер определяет внешние условия эксплуатации волокна: диапазон температур, уровень радиации, вакуум, химическое воздействие и минимальный радиус изгиба. Полиимидные буферы выдерживают широкий диапазон температур (от -100 до 400°C) и стойки к растворителям. Кроме того, этот материал негорюч. Недостатками полиимидного буфера являются чувствительность к микроизгибам.

Для экстремальных температур (от -270 до 700°С) используются металлические буферы. Металлические буферы выдерживают непрерывный рост температуры до 500 °С, до 700°С – с прерываниями. Низкий уровень газообразования позволяет применять такие волокна в сверхвысоком вакууме.

Рисунок 1. Конфигурация сердечника оптоволоконного кабеля

Рисунок 2. Передача УФ и видимого излучения в волоконно-оптическом кабеле

Рисунок 3. Передача излучения в видимом и ИК диапазонах в оптическом волноводе
 

Рисунок 4. Передача излучения в видимом, УФ и ИК диапазонах в оптическом волноводе

Устойчивые к соляризации волокна для глубокого УФ диапазона

Спектроскопия с применением волоконной оптики ограничена в диапазоне, поскольку стандартные кварцевые волокна часто повреждаются под воздействием глубокого ультрафиолетового излучения (ниже 230 нм). Повреждение происходит из-за эффекта соляризации, который проявляется образованием “цветовых центров” с полосой поглощения 214 нм. Эти цветовые центры образуются, когда примеси (например, хлор) в сердцевине волокна создают несвязанные электронные пары на атоме кремния, подвергающиеся воздействию УФ-излучения.

Недавно Avantes разработали устойчивые к соляризации волокна, нагруженные водородом. Недостатком этих волокон является ограничение на возможные диаметры волокон и ограниченный срок службы, вызванный потерей водорода из волокна.

В первые пару часов работы этих волокон возникает высокое падение передачи (от 100% до 40%). Чтобы стабилизировать передачу излучения, рекомендуется заказать дополнение PRESOL (предварительная соляризация).
 

Рисунок 5. Соляризация волокон UV400
 

Рисунок 6. Соляризация микронного волокна UVIR200
 

Рисунок 7. Соляризация микронного волокна UVIR

Термостойкость и устойчивость к химическому воздействию

Термостойкость и устойчивость к химическому воздействию волоконно-оптического узла зависит от следующих параметров конфигурации:

1. Оптоволоконный буфер. Стандартная конструкция волокна имеет полиимидный буфер, охватывающий широкий тепловой диапазон от -190 до 400 °C. Для устойчивости к более высоким температурам рекомендуются металлические покрытия.

2. Оболочка. Стандартная оболочка на основе ПВХ и имеет небольшой диапазон температур (от -20°C до 65°C), для большей устойчивости к температурам рекомендуется гибкая металлическая оболочка с силиконовой трубкой (выдерживает до 250°C) или трубкой из нержавеющей стали (не гибкая, диапазон до 750°C).

3. Наконечник зонда. Разъемы и наконечники изготавливаются из металла и имеют широкий диапазон термической устойчивости.

Волоконно-оптические зонды

Большинство материалов, которые Avantes использует при производстве волоконно-оптических зондов, могут быть заменены другими для улучшения химической или термической стойкости или для повышения стойкости к вакууму или давлению.

© Avantes

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Avantes на территории РФ