Оптичните влакна дават пример за това как научните знания се превръщат в технологичен прогрес, което в крайна сметка улеснява живота на обикновения човек. От няколко години оптичните влакна се свързват с комуникационни средства за предаване на електрически сигнали. Тънките нишки с размер на човешка коса могат да се използват за предаване на широк спектър от сигнали, които са необходими за работа на телефон, интернет връзка, телевизор и т.н. Разбира се, поради високата си производителност, оптичните влакна са намерили приложение не само в домашни нужди.
Технология за предаване на оптичен сигнал
Само по себе си, използването на оптично влакно като преводач на сигнали е само част от разкритите знания, които се изследват в научния раздел на оптичните влакна. Специалистите в тази област изучават предаването на информация и разпространението на светлината и в един контекст, обединени от светлинни водачи. Последните се използват както като разпределители на светлина, така и като предаватели на информация. Между другото, съвременните тенденции в развитието на лазерните технологии се основават на светодиодите. В случая друг въпрос е по-интересен - какво явление е в основата на оптичните влакна? Това явлениевътрешно отражение на (общо) електромагнитно излъчване на границата между диелектрици с различни показатели на пречупване. Освен това носителят на информация изобщо не е електромагнитен сигнал, а кодиран светлинен поток. За да разберем степента на превъзходство на оптичните кабели над традиционните метални кабели, си струва още веднъж да се обърнем към тяхната честотна лента. Вече споменатата влакнеста нишка, чиято дебелина е не повече от 0,5 mm, е в състояние да предаде количество информация, която обикновеното медно окабеляване ще обслужва само с дебелина 50 mm.
Методи за производство на оптични влакна
Има два основни метода, чрез които могат да бъдат произведени оптични влакна. Това е техника на екструдиране и топене с помощта на заготовки. Първата технология дава възможност за получаване на нискокачествен материал на базата на пластмаса, така че днес практически не се използва. Вторият метод се счита за основен и най-ефективен. Преформа е заготовка, която е в структура, предназначена за изтегляне на нишки. Според съвременните стандарти заготовките могат да бъдат високи до няколко десетки метра. Външно това е стъклена пръчка с диаметър около 10 см, от която се разтопява сърцевината на нишката. По време на производствения процес сърцевината, заедно със сместа за влакната, се нагрява до високи температури, след което се образуват нишките. Дължината на получения материал може да достигне няколко километра, въпреки че диаметърът остава непроменен - той се контролира от автоматизирани регулатори. В зависимост от това къде ще се използват оптични влакна, материалът заМоже да бъде предварително обработена с покрития, които осигуряват химическа и физическа защита. Що се отнася до самите смеси от нишки, те обикновено включват материали като полиимид, акрилат и силикон.
Функции на дизайна на влакна
Централната част на нишката е сърцевината - самата сърцевина на влакното, която ще разпространява светлина по време на работа. Ядрото се характеризира с повишени коефициенти на пречупване на светлината, което се постига чрез използване на легиране на стъкло с модификация със специални добавки. Например, за силициевите влакна се използват типични пречупващи компоненти като добавка. От своя страна черупката изпълнява няколко задачи, основната от които е пряката физическа защита на ядрото. Тази част също осигурява ефекта на пречупване, но с минимален коефициент. Границата между двата материала образува светловодна структура, която не позволява на по-голямата част от светлината да избяга от ядрото. Също така си струва да се отбележи, че основите на оптичните влакна отнасят материала към разновидностите на светлинните водачи. За да бъдем по-точни, говорим за диелектрични вълноводи, които предават светлинни сигнали.
Разновидности на оптични влакна
Най-често срещаните са кварцови, пластмасови и флуорни влакна. Кварцовите нишки са базирани на оксидни стопилки или материали, подобни по структура, включително легиран силициев оксид. Тази основа прави възможно производството на гъвкави и дълги влакна, които се различават пои висока механична якост. Оптиката от пластмасови влакна е изработена от полимери и, както вече беше отбелязано, не може да осигури висока производителност. По-специално, такива нишки имат висок процент на загуба на данни, което ограничава използването им в трудни области. От друга страна, достъпността на пластмасовите влакна поддържа търсенето на този материал в посоките, насочени към сегмента на домакинството. Що се отнася до флуоридните оптични материали, тяхната основа се основава на флуороцирконатни и флуороалуминатни стъкла. Това са доста модерни и технологични решения за осигуряване на оптична комуникация, но съдържанието на тежки метали в конструкцията също не позволява използването им, например, в медицинската индустрия.
Оборудване за измерване на влакна
Най-често използваното оборудване в комплектите за оптични влакна са сензорите и решетките на Браг. Оптичните сензори са устройства, предназначени да фиксират определени стойности, които характеризират състоянието на материала в момента. Например, различни сензори могат да открият механично напрежение, температура, вибрации, налягане и други величини. Браговата решетка по своята функция е по-близка до оптичните характеристики. Той фиксира апериодично нарушение на рефракцията в сърцевината на влакното. Това измерване ви позволява да определите колко ефективна е оптичните влакна при предаването на сигнал при специфични условия. Освен това експертите използват оптичнирефлектометър, който регистрира разсейване и съпротивление.
Усилватели и лазери с оптични влакна
Това е най-модерният продукт, разработен на базата на оптична технология. За разлика от други видове лазери, използването на оптични нишки прави възможно създаването на компактни и в същото време ефективни устройства. По-специално, технологията на оптичните влакна направи възможно замяната на класическите лазерни устройства със следните предимства:
- Ефективност на радиатора.
- Повишена изходна радиация.
- Ефективно изпомпване.
- Висока надеждност и стабилност на лазера.
- Оборудване с ниско тегло.
От своя страна, усилвателите, в зависимост от типа, могат да се използват и в линиите на домашната мрежа, повишавайки производителността на основната оптична линия. Въпреки това, обхватът на работата на влакното си струва да се разгледа по-подробно.
За какво се използва оптични влакна?
Има няколко области, в които се използват оптични материали. Това е сферата на домашно използване, телекомуникационно оборудване и компютърна техника, както и високоспециализирани ниши, включително определени области на медицината. За всеки от тези сегменти се произвеждат специални оптични влакна. Приложението като типично средство за предаване на телевизионен или интернет сигнал, например, е ограничено до евтини пластмасови модели със средно качество. Но за лазерно оборудване и скъпомедицинските изделия използват висококачествени кварцови влакна, снабдени също и с допълнителни модификатори.
Прилагане на оптично влакно в медицината
Такива влакна могат да се използват в медицинско оборудване и инструменти. Стандартната технология предполага възможността за въвеждане на специално устройство на базата на пречупени светлинни влакна, което може да предава сигнал към външна телевизионна камера, която вече е в самия орган на тялото. Оптичните влакна се използват в медицината и като осветителен материал. Устройствата, оборудвани с фибри модули, позволяват безболезнено осветяване на кухините на стомаха, назофаринкса и др.
Използване на оптично влакно в компютърно оборудване
Може би това е най-често срещаната ниша, в която оптичното влакно е намерило своето място. Днес комуникационните линии между отделните устройства, които предават информация, вече не могат без нея. Разбира се, това се отнася за онези области, в които е невъзможно или непрактично да се използват безжични връзки, които също активно заменят кабелите като такива. Например, най-големите телекомуникационни компании полагат междурегионални опорни мрежи, които използват оптични влакна. Използването на такива канали за свързване на периферно оборудване и обикновени потребители на телекомуникационни услуги ви позволява да оптимизирате финансовите разходи за поддръжка на мрежовата инфраструктура, а също така повишава ефективността на самото предаване на данни.
Недостатъци на фибрите
За съжаление, оптичните нишки не са без слабости. Въпреки че поддръжката на такова окабеляване е по-евтина, да не говорим за липсата на необходимост от чести актуализации, цената на самия материал е много по-висока от същите метални колеги. Освен това оптичните влакна и използването им в медицината са изключително ограничени поради съдържанието на олово и циркониеви примеси в някои сплави, които са токсични за хората. Това се отнася главно за стъклени модели с най-високо качество, а не за пластмасови.
Производство на оптични влакна в Русия
Като част от програмата за заместване на вноса през 2015 г. беше открит заводът за оптични влакна в Мордовия. Това е единственото предприятие в Руската федерация, което в момента се опитва да задоволи доколкото е възможно нуждите на местните потребители от оптични влакна. До 2015 г. руската индустрия също се занимаваше с производството на оптични материали, но само в рамките на индивидуални целеви проекти. Същата ситуация се запазва до известна степен и днес. Ако дадена компания има нужда от оптични влакна и използването й в медицината или в областта на телекомуникациите е финансово оправдано, тогава има много фабрики, които са готови да работят по такива специални поръчки на индивидуална основа. В близко бъдеще обаче само мордовският завод ще произвежда серийно производство на същите оптични кабели. Освен това все още не е в състояние да снабди пазара в съответствие с обема на търсенето. Значителна част от продуктите все още се закупуват от САЩ и Япония. И дори местни продукти се произвеждат на вноснисуровини.
Заключение
Продуктите с оптични влакна се формират като пазарен сегмент от около 15-20 години. През годините потребителят е успял да оцени достойнствата на новите кабели, но напредъкът не стои на едно място. С подобряването на техническите и физическите качества се разширяват и областите на приложение на материала. Най-новото влакно, базирано на нанотехнологиите, по-специално, се използва активно в нефтената и газовата промишленост и отбранителната промишленост. От своя страна нелинейната оптика в момента развива само концептуални, но много обещаващи области на технологиите. Сред тях са компресионни лазерни импулси, оптични солитони, ултракъси оптични лъчения и др. Очевидно в допълнение към теоретичните изследвания с възможни открития и в рамките на чисто научно познание, новите разработки също ще позволят да се правят нови оферти за потребителите на различни нива на пазара.
