Перечень сокращений и обозначений 7
Введение 8
1. Исследование геометрических параметров образцов ОВ 13
2. Измерение числовой апертуры ОВ 19
2.1. Теоретические сведения об измерении числовой апертуры 19
2.2. Методы определения числовой апертуры согласно ГОСТа 20
2.3. Лабораторные методы определения числовой апертуры 23
2.4. Результаты измерений числовой апертуры с использованием метода
формирования изображения 28
2.5. Исследование зависимости значения числовой апертуры исследуемого образца ОВ
от длины волны вводимого в ОВ излучения 34
3. Методика определения значения числовой апертуры с помощью
измерения пространственного профиля лазерного излучения 38
3.1. Описание методики определения значения числовой апертуры с помощью
измерения пространственного профиля лазерного излучения 38
3.2. Результаты определения числовой апертуры для ОВ в медном ЗУП (105/125) 41
3.3. Результаты определения числовой апертуры для ОВ в медном ЗУП (800/880) 43
3.4. Результаты определения числовой апертуры для ОВ в полимерном ЗУП (силикон) 45
3.5. Результаты определения числовой апертуры для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) 47
4. Расчет числовой апертуры образцов ОВ с применением формулы Селлмейера на
основе результатов анализа элементного состава исследуемых ОВ 51
5. Расчет числовой апертуры образцов ОВ на основе результатов определения
профиля показателя преломления. Сравнение полученных значений с результатами других методов 63
6. Механические свойства оптических волокон на основе кварцевого стекла.
Методы определения и результаты измерений прочностных характеристик ОВ 65
6.1. Основные понятия о прочности оптического волокна 65
6.2. Статистическая оценка механической прочности. Распределение Вейбулла
(представление результатов испытаний) 67
6.3. Зависимость прочностных характеристик ОВ от вида ЗУП 69
6.4. Методики измерения прочности ОВ и характеристика исследуемых образцов ОВ 72
6.5. Результаты измерений прочности методом двухточечного изгиба 75
6.6. Результаты измерений прочности методом осевого растяжения 77
Заключение 81
Список использованных источников 83
Приложение А 85

Купить

К настоящему моменту волоконная оптика уже получила становление как интенсивно развивающаяся отрасль науки и техники, а оптико-волоконные технологии нашли практическое применение в системах дальней и местной связи, приборостроении, научных исследованиях.
С течением времени области использования оптико-волоконных технологий расширяются, и сейчас они могут применяться в таких областях жизни человека, в которых ранее применялись лишь традиционные кабели.
Широкое применение волоконно-оптических систем приводит к разработке новых типов оптических волокон специального назначения, которые находят применение в приборостроении, медицине, системах телеметрии и др.
Специальное ОВ является высокотехнологичным и перспективным продуктом в производстве волоконно-оптических датчиков физических величин, чувствительных элементов для волоконно-оптических гироскопов, лазеров и т.д.
Во многих случаях обычно используются различные типы полимерных покрытий для защиты оптического волокна от механических повреждений при обращении и от факторов окружающей среды при его использовании. Однако существует ряд специальных применений оптических волокон, в которых нельзя использовать обычные волокна с полимерным покрытием [31].
В целом существует три основные задачи для специальных герметичных покрытий [31]:
- Защита поверхности волокна от водяного пара (снижение статического усталостного воздействия и повышение механической надежности волокна);
- Остановить проникновение водорода в волоконную сердцевину (для поддержания высокой оптической проходимости в водородсодержащей среде);
- Защита поверхности волокна от механических и химических повреждений при повышенных температурах, когда обычные полимерные покрытия не работают.
Решение вышеперечисленных задач диктуется необходимостью использования в специфических областях ОВ в металлизированных ЗУП [24]:
-радиационно-устойчивые волоконно-оптические системы, предназначенные для использования в ядерной промышленности (например, плазменные диагностические системы в термоядерных реакторах, системы по визуальному осмотру ядерных установок). Для увеличения сопротивления излучения волокно может нагреваться до приблизительно 400° C.
-высокотемпературные системы сигнализации, которые остаются работоспособными в аварийных условиях (например, в случае пожара).
-волоконно-оптические датчики температуры, вибрации и т.д. интегрированные в сложные устройства (например, реактивные двигатели, турбины).
-высокотемпературные волоконно-оптические системы, устойчивые к проникновению водорода, предназначенные для применения в химической и нефтяной промышленности.
-волоконно-оптические устройства повышенной надежности, в которых волокна припаяны к соединителям (например, устройства для космической промышленности) [25].
-охлаждаемые, негорючие волокна для подачи мощности лазера.
На данный момент существует только два типа реальных герметичных покрытий для оптических волокон - углерод и металл (осажденный из расплавленного расплава). Оба покрытия эффективно снижают статические усталостные эффекты, а также защищают сердцевину волокна (в течение некоторого времени) от проникновения водорода [31].
В отличие от углеродного ЗУП, металлические ЗУП не нуждаются в дополнительном защитном полимерном покрытии. Таким образом, металлические покрытия являются лучшими претендентами на применение в областях для которых нежелательно присутствие полимерного покрытия.
ОВ в металлизированном ЗУП сейчас наряду с традиционными ОВ в полимерном ЗУП находят широкое применение.
Технологические методы металлизации нашли себе применение в производстве «толстых» (100 мкм и более) волоконных световодов со ступенчатым профилем показателя преломления, в которых повышенная прочность на изгиб удачно сочетается с термостойкостью, а относительно невысокая производительность процесса достаточна для получения отрезков волокна длиной в несколько десятков и сотен метров для систем дистанционного контроля [11].
Одним из примеров передового развития специальных ОВ является факт, переданный в сообщении Государственной корпорация Ростех в марте 2019 года о разработке передового оптического волокна для телекоммуникаций, которое может использоваться в широком температурном диапазоне [35]
В исследованиях участвовали специалисты Государственного оптического института (ГОИ) им. С.И. Вавилова холдинга «Швабе» (входит в Ростех). Утверждается, что новая технология допускает эксплуатацию оптоволокна при температурах от минус 50 до плюс 200 градусов Цельсия в течение многих лет (25 лет и более) [35]
Разработка представляет собой кварцевое оптическое волокно с покрытием из олова. Кроме того, процесс производства предполагает применение висмута. Технология позволяет производить волокно диаметром от 125 до 1200 мкм. При этом толщина его оловянного покрытия составляет от 20 до 80 мкм [35].
Информация о некоторых производимых в настоящее время специальных ОВ представлена в таблице 1.
Разработанная к настоящему времени схема получения волоконного световода с малыми потерями излучения состоит из двух стадий, первая из которых - синтез заготовки световода цилиндрической формы методами химического осаждения диоксида кремния из газовой фазы. Применение в качестве легирующих элементов германия, фосфора, бора и фтора, подаваемых в зону реакции в виде газообразных соединений, обеспечивает формирование в заготовке световода определенного профиля показателя преломления. На второй стадии процесса заготовка опускается в высокотемпературную (~ 2000 °С) печь и происходит вытягивание волоконного световода из расплавленного конца заготовки, образующего так называемую луковицу [11].
Заложенный в заготовке профиль показателя преломления воспроизводится в оптическом волокне, в котором явление полного внутреннего отражения на границе раздела сердцевина- оболочка используется как основной физический принцип распространения электромагнитного излучения по световедущей сердцевине с минимальной потерей мощности [11].
Эффективность ввода излучения от электрооптических преобразователей в волоконный световод является важной характеристикой оптического передатчика, которая определяет величину потерь ещё на входе волоконно-оптического тракта. Учитывая, что в оптической магистрали регулярно встречаются потери, обусловленные не только собственным затуханием волоконно-оптического кабеля, но и соединением отдельных строительных длин, в коннекторах и т.д., необходимо соблюдать обязательное условие: потери при вводе излучения в световод должны быть минимальными.
Важным параметром эффективности ввода излучения в ОВ является числовая апертура.
Для измерения числовой апертуры анализируется излучение из торца возбужденного оптическим источником световода. В качестве оптического источника может быть использован ЛД или СИД.
В инженерных системах на основе многомодовых ОВ наиболее важными измеряемыми параметрами ОВ являются следующие [ 19,20]:
1. Затухание ОВ - параметр, характеризующий ослабление мощности оптического сигнала при его распространении в волокне, обусловленное поглощением в материале сердцевины и рассеянием излучения на неоднородностях материала.
2. Дисперсия - технический термин для обозначения расширения светового импульса при его распространении в волокне (сужения полосы пропускания) вследствие рассеивания во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала.
3. Числовая апертура - один из важнейших измеряемых оптико-геометрических параметров волокна, определяющий значение оптической мощности, которое можно ввести в волокно.
4. Диаметр сердцевины (геометрические размеры ОВ) - параметр, наряду с числовой апертурой определяющий значение оптической мощности, которое можно ввести в многомодовое волокно. Данный параметр в обязательном порядке измеряется в процессе производства оптических кабелей.
После получения заготовок и вытяжки ОВ измеряют их основные оптические параметры, которые вносят в паспорт на ОВ.
Для этого используются различные методы измерения этих параметров с целью контроля качества ОВ на этапе изготовления. К таким параметрам относятся:
- геометрические размеры в ОВ, которые измеряются с помощью микроскопа, обеспечивающего точность измерения десятые доли мкм. К измеряемым геометрическим параметрам относятся: диаметр кварцевого волокна, диаметр волокна с защитным покрытием, неконцентричность сердцевины и волокна, некруглость волокна;
- числовая апертура ОВ, которая измеряется методом дальнего поля, т.е. по изображению излучения, выходящего из волокна;
- профиль ПП в заготовках ОВ, с использованием метода отклонения луча при поперечном сканировании заготовки;
Наряду с этими измерениями проводят исследования по определению прочностных характеристик ОВ, чаще всего методами двухточечного изгиба и растяжения. Знание прочностных характеристик ОВ в дальнейшем позволяет прогнозировать срок службы ОВ.
Этим обусловлена актуальность темы, выбранной для выпускной квалификационной работы.
Объектом работы являются ОВ в полимерном и металлизированном ЗУП с размерами сердцевины > 100мкм:
- ОВ в полимерном ЗУП (силикон)
- ОВ в медном ЗУП (105/125), производство ПАО «11111111К» г. Пермь
- ОВ в медном ЗУП (800/880), производство ПАО «11111111К» г. Пермь
- ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ), производство НЦВО г. Москва
Цель работы: на основе изученного теоретического материала существующими и доступными методами провести измерение геометрических характеристик, числовой апертуры и прочностных характеристик образцов ОВ, провести сравнительный анализ и дать оценку точности данных методов. По итогам проведенной работы оценить возможность применения методов измерения числовой апертуры ОВ в процессе производства новых видов ОВ.
Новизна в проведенной работе заключается в опробовании расчетного метода определения значения числовой апертуры с помощью формулы Селлмейера, вычисление коэффициентов для данной формулы при исследовании оптического волокна с произвольным количеством легирующих компонентов оболочки на основе существующих, известных данных
Купить