XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Оптическое волокно— нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Так же это - диэлектрическая направляющая среда, предназначенная для канализации электромагнитных волн оптического и инфракрасного диапазонов. Оптическое волокно коаксиальной конструкции и состоит из сердцевины, оболочки и первичного акрилатного покрытия и характеризуется профилем показателя преломления.

Стеклянные оптические волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как фторцирконат, фторалюминат и халькогенидные стёкла. Как и другие стёкла, эти имеют показатель преломления около 1,5.

В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон. Сердечник в таком волокне изготовляют из полиметилметакрилата (PMMA), а оболочку из фторированных PMMA (фторполимеров).

Производство оптического волокна начинается со стеклянной трубки. Эта трубка промывается в кислоте и дистиллированной воде, для устранения различных загрязнителей и жиров с ее поверхности. Далее она устанавливается в зажимы тепломеханического станка.

Трубка вращается со скоростью 60 оборотов/мин. Под ней плавно, со скоростью 20 см/мин двигается горелка, которая равномерно разогревает трубку до температуры 1600⁰С. Одновременно с этим, в трубку подается смесь газов: хлорид кремния, тетрахлорид германия, трихлорид бора и кислород, которые при температуре 1600⁰С вступают в химическую реакцию. В результате реакции на внутреннюю стенку трубки выпадает осадок в виде белого порошка, который в последствии плавится и кристаллизируется. Таким образом постепенно заполняется внутренняя часть трубки и формируется сердцевина оптического волокна.

Предформа извлекается из тепломеханического станка и устанавливается в зажимы установки вытягивания волокна (вытяжной башни). Установка вытягивания волокна:

Оптическое волокно без повреждений имеет такое же усилие на разрыв, как и стальная нить аналогичного диаметра. Это и не удивительно, ведь обычное оконное стекло тоже нелегко разорвать. Но стоит лишь нанести царапину стеклорезом (а в случае с оптическим волокном – просто прикоснуться к любой металлической поверхности) и задача существенно упрощается. Именно для защиты оптического волокна от механических повреждений, а также для защиты от попадания воды и загрязнителей, на поверхность волокна наносится первичное буферное покрытие. Оно представляет собой акриловый лак, который мы снимаем стриппером в ходе подготовки волокна к сварке. Далее нанесенный лак сушится в сушильной печи при помощи ультрафиолетового излучения. Полученное оптическое волокно сматывается на катушки (примерно 20 км на каждую) и поставляется на заводы по производству кабеля или потребителю.

Катушка оптоволокна:

3-D печать оптического волокна.

Исследователи использовали трехмерную печать для изготовления заготовок для пошагового волокна (а) и структурированной заготовки (б). Затем эти заготовки были помещены в вытяжную башню (справа) для изготовления окончательного оптического волокна.

Исследователи из Технологического университета Сиднея и Университета Нового Южного Уэльса продемонстрировали способ трехмерной печати стеклянной заготовки для изготовления стекловолокна (Опт. Lett., Doi: 10.1364 / OL.44.005358 ). Этот метод, по словам команды, упрощает производство волокна, а также позволяет использовать как новые конструкции волокон, так и их применение.

Искусство рисования волокна

Оптоволокно из кремнезема имеет множество применений, но его изготовление дорого и трудоемко. Он состоит из двух частей: сердцевины волокна, которая несет свет, и оболочки, которая удерживает свет в сердечнике, когда он проходит через волокно. Чтобы свести к минимуму потери и удерживать свет, захваченный в сердечнике, волокнистый сердечник должен иметь более высокий показатель преломления, чем оболочка из волокна.

Обычные способы изготовления заготовки, через которую можно протягивать оптическое волокно, требуют вращения полой трубки из стекла с тщательно контролируемым профилем показателя преломления на токарном станке над источником тепла. Очень важно, чтобы геометрия волокна была точно центрирована во время этого процесса.

Трехмерная печать преформы, таким образом, является очень привлекательной альтернативой, к которой некоторое время работали несколько членов австралийской команды. Несколько лет назад команда успешно продемонстрировала первое волокно, вытянутое из трехмерной полимерной преформы . Однако применение этой технологии изготовления добавок к стеклу представляет собой сложную производственную задачу, поскольку для стекла для трехмерной печати требуется температура более 1900 ° C.

Исследователи светили зеленым светом через конечное оптическое волокно и измеряли потери. Оранжевая вставка показывает поперечное сечение волокна.

Печатное стекло

Чтобы применить этот подход к стеклу, команда последних исследователей добавила наночастицы диоксида кремния в фотоотверждаемую смолу. Затем исследователи использовали прямую проекцию света (DLP) для трехмерной печати заготовки оболочки с УФ-излучением при 385 нм и вылили умную смесь наночастиц полимера и диоксида кремния - на этот раз легированную германосиликатом - в полую цилиндрическую заготовку. Добавление германосиликата к основной смоле повысило показатель преломления.

Для преодоления теплового затруднения исследователи применили процесс термического связывания. Разрыхлитель удаляет полимер и другие примеси, оставляя наночастицы кремнезема позади, которые удерживаются вместе с помощью межмолекулярных сил. Подняв тепло еще больше, исследователи затем слили наночастицы в твердую структуру, которую можно было вставить в вытяжную башню для формования в оптическое волокно. По словам команды, конечным результатом были первые кварцевые волокна, вытянутые из 3-D печатных заготовок.

Рассеяние и последующие шаги

Чтобы проверить качество первого в своем роде волокна, исследователи пропустили зеленый свет с длиной волны 532 нм через 2 метра как одномодового, так и многомодового волокна - и измерили значительные потери. Но хотя команда признает, что «существуют значительные возможности для улучшения передающих свойств этого волокна», исследователи также полагают, что относительная легкость, с которой было создано волокно, может сделать эту технологию изменит правила игры для будущего изготовления волокна.

В частности, команда подозревает, что этот новый метод может обеспечить производство невероятно сложных конструкций из многоядерных и разноцветных волокон для ранее неосуществимых приложений. Согласно пресс-релизу, сопровождающему работу, исследователи заинтересованы в партнерстве с производителем волокна для улучшения и в конечном итоге коммерциализации технологии.