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
