Валаконная оптыка і яе прымяненне

Аптычныя валакна паказваюць прыклад таго, як навуковыя веды пераходзяць у тэхналагічны прагрэс, у канчатковым выніку палягчаючы жыццё звычайнага чалавека. З валаконнай оптыкай ўжо некалькі гадоў звязаны камунікацыйныя сродкі перадачы электрычных сігналаў. Тонкія ніткі памерам з чалавечы валасоў могуць выкарыстоўвацца для перадачы шырокага спектру сігналаў, якія патрабуюцца для працы тэлефона, інтэрнэт-злучэння, тэлевізара і т. Д. Зразумела, дзякуючы высокім эксплуатацыйным магчымасцям валаконная оптыка знайшла прымяненне не толькі ў бытавых патрэбах.

Тэхналогія перадачы сігналу праз оптавалакно

Само па сабе выкарыстанне оптавалакна ў якасці транслятара сігналаў - толькі частка расчыненага веды, якія даследуюцца ў навуковым раздзеле валаконнай оптыкі. Спецыялісты гэтага кірунку займаюцца вывучэннем перадачы інфармацыі і распаўсюджвання святла, прычым у адным кантэксце, аб'яднаным святлавод. Апошнія выкарыстоўваюцца і ў якасці распаўсюджвальнікаў святла, і як перадатчыкі інфармацыі. Дарэчы, на святлодыёдах ж грунтуюцца сучасныя напрамкі развіцця лазерных тэхналогій. У гэтым жа выпадку цікавей іншае пытанне - якое з'ява закладзена ў аснову валаконнай оптыкі? Гэта з'ява ўнутранага адлюстравання (поўнага) электрамагнітнага выпраменьвання ў межах раздзела дыэлектрыкаў, якія маюць розныя паказчыкі пераламлення. Прычым носьбітам інфармацыі выступае зусім не электрамагнітны сігнал, а закадаваны светлавы струмень. Для разумення ступені перавагі оптавалакновых кабеляў перад традыцыйнымі металічнымі варта яшчэ раз звярнуцца да іх прапускной здольнасці. Ужо згаданая валаконная нітка, таўшчыня якой складае не больш за 0,5 мм, здольная перадаваць аб'ём інфармацыі, які звычайная медная праводка абслужыць толькі пры таўшчыні ў 50 мм.

Метады вырабу оптавалакна

Існуе два асноўных метаду, па якіх можа вырабляцца аптычнае валакно. Гэта тэхніка экструзіі і плаўленне з выкарыстаннем преформ. Першая тэхналогія дазваляе атрымліваць матэрыял нізкага якасці на аснове пластыкаў, таму сёння яе практычна не выкарыстоўваюць. Другі метад лічыцца асноўным і найбольш эфектыўным. Преформ - гэта нарыхтоўка, якая знаходзіцца ў канструкцыі, прызначанай для выцяжкі нітак. Па сучасных стандартах преформы могуць мець вышыню да некалькіх дзесяткаў метраў. Вонкава гэта шкляны стрыжань дыяметрам каля 10 см, з якога выплаўлялі асяродак ніткі. Падчас вырабаў стрыжань разам са сумессю для валокнаў награваецца да высокіх тэмператур, пасля чаго адбываецца фармаванне нітак. Даўжыня атрымоўванага матэрыялу можа дасягаць некалькіх кіламетраў, хоць дыяметр пры гэтым застаецца нязменным - яго кантралююць аўтаматызаваныя рэгулятары. У залежнасці ад таго, дзе будзе прымяняцца валаконная оптыка, матэрыял для яе папярэдне можа апрацоўвацца пакрыццямі, якія забяспечваюць хімічную і фізічную абарону. Што тычыцца саміх сумесяў для нітак, то ў іх склад звычайна ўваходзяць такія матэрыялы, як полиимид, акрилат і сілікон.

Канструкцыйныя асаблівасці оптавалакна

Цэнтральную частку ніткі ўяўляе ядро - тая самая асяродак валакна, якая і будзе распаўсюджваць святло ў працэсе эксплуатацыі. Ядро характарызуецца падвышанымі паказчыкамі праламлення святла, што дасягаецца пры выкарыстанні легіравання шкла з мадыфікацыяй адмысловымі дадаткамі. Напрыклад, для кварцавых валокнаў выкарыстоўваюць тыповыя пераламляюцца кампаненты накшталт допанта. У сваю чаргу, абалонка выконвае некалькі задач, галоўнай з якіх з'яўляецца непасрэдная фізічная абарона асяродку. Дадзеная частка таксама забяспечвае эфект праламлення, але з мінімальным каэфіцыентам. Мяжа паміж двума матэрыяламі фармуе световодную структуру, якая не дазваляе асноўнага аб'ёму святла выходзіць за межы ядра. Таксама варта адзначыць, што асновы валаконнай оптыкі адносяць матэрыял да разнавіднасцяў святлаводаў. Калі быць дакладней, то гаворка ідзе пра дыэлектрычных хваляводы, якія перадаюць светлавыя сігналы.

Разнавіднасці аптычных валокнаў

Найбольш распаўсюджаныя кварцавыя, пластыкавыя і флюоридные валакна. Кварцавыя ніткі грунтуюцца на расплаве аксіду ці падобныя па структуры матэрыялах, сярод якіх допированный аксід крэмнію. Дадзеная аснова дазваляе вырабляць гнуткія і доўгія валакна, адрозныя пры гэтым і высокай механічнай трываласцю. Пластыка-валаконная оптыка вырабляецца з палімераў і, як ужо адзначалася, не можа забяспечваць высокія эксплуатацыйныя паказчыкі. У прыватнасці, такія ніткі маюць вялікі працэнт страты дадзеных, што абмяжоўвае іх ужыванне ў патрабавальных сферах. З іншага боку, коштавая даступнасць пластыкавых валокнаў захоўвае попыт на гэты матэрыял у напрамках, арыентаваных на бытавой сегмент. Што тычыцца флюоридных аптычных матэрыялаў, то іх аснова грунтуецца на фторцирконатном і фторалюминатном шкле. Гэта цалкам сучасныя і тэхналагічныя рашэнні для забеспячэння аптычнай камунікацыі, але ўтрыманне цяжкіх металаў у структуры таксама не дазваляе іх выкарыстоўваць, напрыклад, у медыцынскай галіны.

Вымяральнае абсталяванне для оптавалакна

Самым распаўсюджаным абсталяваннем, якое выкарыстоўваецца ў камплектах з аптычным валакном, з'яўляюцца датчыкі і брэгговские кратаў. Оптавалакновыя датчыкі - гэта прылады, прызначаныя для фіксацыі некаторых значэнняў, якія характарызуюць стан матэрыялу ў дадзены момант. Напрыклад, розныя датчыкі могуць вызначаць механічнае напружанне, тэмпературу, вібрацыі, ціск і іншыя велічыні. Брэгговская рашотка па сваёй функцыі больш набліжаная менавіта да аптычным характарыстыках. Яна фіксуе ў асяродку оптавалакна аперыядычны абурэнне праламлення. Дадзенае вымярэнне дазваляе вызначаць, наколькі валаконная оптыка эфектыўная пры трансляцыі сігналу ў канкрэтных умовах. Таксама спецыялісты ўжываюць аптычны рефлектометр, рэгіструючы паказчыкі рассейвання і супраціву.

Оптавалакновыя ўзмацняльнікі і лазеры

Гэта найбольш прагрэсіўная прадукцыя, якую распрацоўваюць на базе тэхналогіі валаконнай оптыкі. У адрозненне ад лазераў іншых тыпаў, выкарыстанне аптычных нітак дазваляе ствараць кампактныя і ў той жа час эфектыўныя апараты. У прыватнасці, тэхналогія валаконнай оптыкі дазволіла замяніць класічныя лазерныя прыборы дзякуючы наступным перавагам:

• Эфектыўнасць цеплавога адводу.
• Павышаныя паказчыкі выхаднога выпраменьвання.
• Эфектыўная напампоўка.
• Высокая надзейнасць і стабільнасць працы лазера.
• Невялікая маса абсталявання.

У сваю чаргу, узмацняльнікі ў залежнасці ад тыпу могуць прымяняцца і ў хатніх сеткавых лініях, павялічваючы працоўныя паказчыкі асноўнай валаконнай лініі. Зрэшты, сферы эксплуатацыі оптавалакна варта разгледзець падрабязней.

Для чаго выкарыстоўваецца валаконная оптыка?

Можна вылучыць некалькі напрамкаў, у якіх задзейнічаюцца оптавалакновыя матэрыялы. Гэта сфера бытавога прымянення, тэлекамунікацыйнае абсталяванне і кампутарная тэхніка, а таксама вузкаспецыялізаваныя нішы, сярод якіх асобныя напрамкі медыцыны. Для кожнага з гэтых сегментаў вырабляецца спецыяльная валаконная оптыка. Ужыванне ў якасці тыпавога сродкі перадачы ТБ- або інтэрнэт-сігналу, да прыкладу, абмяжоўваецца таннымі пластыкавымі мадэлямі сярэдняй якасці. Але для лазернага абсталявання і дарагіх медыцынскіх апаратаў выкарыстоўваюць высакаякасныя кварцавыя валакна, забяспечаныя таксама дадатковымі мадыфікатарамі.

Прымяненне оптавалакна ў медыцыне

Такія валакна могуць выкарыстоўвацца ў медыцынскім абсталяванні і інструментах. Стандартная тэхналогія прадугледжвае магчымасць увядзення спецыяльнага апарата на пераламляюцца светлавых валокнах, якія ўжо ў самым органе цела могуць перадаваць сігнал на знешнюю тэлекамеру. Ўжываецца валаконная оптыка ў медыцыне і як асвятляльны матэрыял. Апараты, забяспечаныя валаконнымі модулямі, дазваляюць бязбольна падсвятляць паражніны страўніка, насаглоткі і г.д.

Прымяненне оптавалакна ў кампутарным абсталяванні

Мабыць, гэта найбольш распаўсюджаная ніша, у якой знайшло сваё месца оптавалакно. Без яго сёння ўжо не абыходзяцца лініі сувязі паміж асобнымі прыладамі, якія перадаюць інфармацыю. Зразумела, гэта тычыцца тых абласцей, у якіх немагчыма або немэтазгодна прымяненне бесправадных злучэнняў, якія таксама актыўна выцясняюць кабелі як такія. Напрыклад, найбуйнейшыя тэлекамунікацыйныя кампаніі пракладваюць міжрэгіянальныя магістральныя сеткі, у якіх задзейнічаецца валаконная оптыка. Выкарыстанне такіх каналаў для сувязі перыферыйнага абсталявання і звычайных спажыўцоў тэлекамунікацыйных паслуг дазваляе аптымізаваць фінансавыя выдаткі на абслугоўванне сеткавай інфраструктуры, а таксама павышае эфектыўнасць самой перадачы дадзеных.

недахопы оптавалакна

На жаль, аптычныя ніткі не абыходзяцца і без слабых месцаў. Хоць змест такой праводкі абыходзіцца танней, не кажучы пра адсутнасць неабходнасці частага абнаўлення, кошт самога матэрыялу значна вышэйшыя за тыя ж металічных аналагаў. Акрамя таго, валаконная оптыка і яе выкарыстанне ў медыцыне вельмі абмежавана з-за ўтрымання ў асобных сплавах свінцовых і цырконіевых прымешак, таксічнага небяспечных для чалавека. У асноўным гэта тычыцца менавіта самых высакаякасных шкляных мадэляў, а не пластковых.

Вытворчасць оптавалакна ў Расіі

У рамках праграмы импортзамещения ў 2015 г. у Мардовіі быў адкрыты завод «Оптыка-валаконны сістэмы». Гэта адзінае прадпрыемства ў РФ, якое на дадзены момант па меры магчымасці стараецца папаўняць патрэбы айчынных спажыўцоў у оптавалакно. Да 2015 г. расійская прамысловасць таксама займалася вырабам оптавалакновых матэрыялаў, але толькі ў рамках асобных мэтавых праектаў. Гэтая ж сітуацыя збольшага захоўваецца і сёння. Калі пэўнай кампаніі спатрэбіцца валаконная оптыка і яе выкарыстанне ў медыцыне або ў сферы тэлекамунікацыйнага забеспячэння будзе фінансава апраўдана, то ёсць нямала заводаў, гатовых працаваць над падобнымі спецзаказе ў індывідуальным парадку. Аднак серыйным выпускам тых жа кабеляў з оптавалакна ў найбліжэйшай будучыні будзе працаваць толькі мардоўскі завод. Больш за тое, пакуль і ён не ў стане забяспечваць рынак у адпаведнасці з аб'ёмамі попыту. Значная доля прадукцыі па-ранейшаму закупляецца ў ЗША і Японіі. І нават айчынныя вырабы вырабляюцца на імпартнай сыравіне.

заключэнне

Оптавалакновая прадукцыя фармуецца як сегмент рынку ўжо парадку 15-20 гадоў. За гэтыя гады спажывец змог высока ацаніць вартасці новых кабеляў, аднак прагрэс не стаіць на месцы. Па меры павышэння тэхніка-фізічных якасцяў пашыраюцца і вобласці ўжывання матэрыялу. Найноўшае оптавалакно на аснове нанатэхналогій, у прыватнасці, актыўна выкарыстоўваюць у нафтагазаздабыўнага прамысловасці і абаронным комплексе. У сваю чаргу, нелінейная валаконная оптыка развівае пакуль толькі канцэптуальныя, але вельмі перспектыўныя напрамкі тэхналогіі. Сярод іх можна вылучыць компрессіонные лазерныя імпульсы, аптычныя салітонаў, ўльтракароткія аптычныя выпраменьвання і г.д. Відавочна, што акрамя тэарэтычных даследаванняў з магчымымі адкрыццямі і ў рамках выключна навуковага веды, новыя распрацоўкі дазволяць і на рынку зрабіць новыя прапановы спажыўцам рознага ўзроўню.