Технология изготовления волоконнооптических световодов для передачи изображения - Технология - Скачать бесплатно
1. Введение
Волоконная оптика - раздел оптики, рассматривающий распространение
электромагнитных волн оптического диапазона по световодам - оптическим
волокнам. Конструкция отдельно взятого оптического волокна достаточно
проста. Сердечник из оптически более плотного материала окружен оболочкой с
меньшим коэффициентом преломления и все это покрыто защитной оболочкой
(рис.1). Оптическое волокно - типичный диэлектрический волновод
электромагнитных волн.
Когда поток света пересекает границу раздела двух сред с показателями
преломления n1 и n2 то, как известно, наблюдаются два явления: преломление
и отражение. Если световой поток пересекает границу раздела со стороны
оптически более плотной среды, то угол преломления больше угла падения. С
ростом угла падения преломленный луч будет прижиматься к границе раздела.
И, наконец, при определенном угле падения, называемом критическим,
преломленный луч начнет скользить вдоль поверхности раздела. При углах
падения, больших критического, преломленный световой поток отсутствует (в
идеализированном случае), поверхность раздела приобретает свойства зеркала
- вся переносимая лучом энергия остается в отраженном потоке. Это явление
носит название полного внутреннего отражения (рис.2). На эффекте полного
внутреннего отражения построены все оптические волокна. Условно оптическим
волокном называют световоды, диаметр которых менее 0.5 мм.
Традиционные проводные линии, коаксиальные кабели, СВЧ волноводы -
все они требуют дорогих и дефицитных материалов, по меньшей мере, меди. Для
изготовления стекловолокна нужны окислы кремния - самые распространенные на
Земле вещества. Волокна из прозрачных пластиков также почти не нуждаются в
редких материалах. Таким образом, источники сырья для производства
световолокон практически не ограничены. К этому следует добавить, что по
диаметру оптические кабели существенно меньше металлических. Материалы
оптических кабелей не подвержены коррозии и экологически безопасны.
Волоконно-оптические кабели не восприимчивы к помехам со стороны
электромагнитных полей радиодиапазонов, и сами не создают таких помех.
Поэтому в плане электромагнитной совместимости - это идеальные средства
передачи информации. Столь же совершенны они и по электробезопасности,
поскольку переносимые в них мощности очень малы.
Для того чтобы передать свет на некоторое расстояние необходимо
сохранить его мощность. Снизить потери при его передаче можно, во-первых,
обеспечив достаточно оптически прозрачную среду распространения, тем самым,
сведя к минимуму поглощение волны, и, во-вторых, обеспечить правильную
траекторию движения луча. Первая задача в настоящее время решается с
помощью применения высокотехнологичных материалов, таких как чистое
кварцевое стекло. Вторая задача решается с помощью закона оптики,
описанного выше.
И сердцевина, и оболочка изготавливаются из стекла или пластика.
Наиболее часто (вследствие лучших характеристик) используется оптоволокно
типа "стекло-стекло", когда сердцевина и оболочка изготавливаются из
особого кварцевого стекла. Понятно, что стекло, используемое для оболочки,
должно иметь меньший показатель преломления, чем для сердцевины. Показатель
преломления стекла регулируется с помощью легирующих добавок. В оптических
волокнах показатели преломления сердцевины и оболочки различаются на
величину порядка 1%.
Затухание в световоде, то есть потеря мощности светового сигнала
происходит, в основном, по двум причинам: поглощение и рассеивание.
Поглощение связано с возбуждением в материале световода электронных
переходов и резонансов. В результате этого увеличивается тепловая энергия,
накапливаемая в оптическом волокне. Поглощение зависит как от свойств
материала, из которого изготавливается оптоволокно, так и от длины волны
источника света.
Рассеивание меньше зависит от свойств материала и, в основном,
определяется нарушением геометрической формы оптического волокна.
Следствием этих нарушений является то, что часть лучей покидает
оптоволокно. Интенсивность рассеивания зависит не только от качества
материала, из которого изготавливается сердцевина волокна, но и от качества
оболочки, так как часть сигнала, вопреки геометрической оптики,
распространяется в ней (это явление связано с квантовой природой света).
Бороться с этим можно за счет нанесения на оболочку поглощающего покрытия.
Гибкие жгуты волокон используются для передачи изображения и света по
протяженному каналу. Область применения - медицинские и технические
эндоскопы, предназначенные для визуального наблюдения внутренних органов
человека и животного, а также при осмотре деталей конструкций, находящихся
в труднодоступных местах (например, двигатели самолетов и автомобилей).
Жгуты для передачи изображения имеют (ориентировочно) следующие размеры:
|Диаметр жгута, мм |5-100 |
|Диаметр единичного волокна, мкм |2-500 |
|Длина жгута, мм |100-5000 |
Принципиальная схема передачи изображения весьма проста: свет,
отраженный от предмета, попадает на вход светопроводящего жгута,
распространяется по нему и выходит с противоположного конца к приемнику
излучения (например, глазу человека) (рис .3).
Диаметр волоконной жилы может быть весьма мал, т.к. явление
прохождения света через стержень принципиально не меняется до тех пор, пока
диаметр не станет сравнимым с длинной световой волны - в таком случае
законы геометрической оптики теряют силу, и в значительной мере начинают
проявляться волновые свойства света (дифракция). Проходя через оптоволокно
диаметром 50 микрон, свет может претерпевать от 3000 до 20000 отражений на
метр, следовательно, для обеспечения высокого светопропускания необходима
гладкая поверхность и высокая прозрачность среды световода, а так же
прилегающей к нему среды.
Для передачи изображения необходима плотная укладка волокон в жгуты.
Если при этом два соседних волокна расположены на расстоянии менее
полуволны проходящего света, то свет может просачиваться из одного волокна
в соседнее (рис. 4).
Плотно расположенные в жгуте волокна соприкасаются друг с другом, и
просачивание света наблюдается не только на самой линии контакта волокон,
но и в области, где расстояние между ними меньше половины волны.
Просачивание света значительно ухудшает контраст изображения и понижает
разрешающую силу световода и прибора в целом. Для предупреждения
просачивания света волокна необходимо изолировать друг от друга тонкой
оболочкой из прозрачного материала с меньшим показателем преломления, чем у
волокон (именно с этой целью на жилу волокна наносится оболочка с близким
значением показателя преломления). Такая оболочка должна обеспечить
гладкость и чистоту поверхности светопроводящей сердцевины волокна,
необходимые для исключения световых потерь при полном внутреннем отражении.
Изолированные волокна можно вытягивать из цилиндрической заготовки с
сердцевиной из стекла с высоким показателем преломления и оболочкой
толщиной 1-2 микрона из стекла с низким показателем преломления. Так же для
предотвращения просачивания на волокно можно нанести тонкий слой металла.
В многожильных световодах удобно применять стеклянные волокна,
изолированные друг от друга специально подобранной пластической изоляцией.
Многожильные волокна обладают хорошими механическими свойствами (гибкость,
прочность). С помощью таких многожильных светопроводящих кабелей
достигается большая разрешающая сила:100-200 и более линий на миллиметр.
Светопропускание современных оптических волокон составляет не менее
90% на метр, а поглощение не боле 0.1% на метр. Число светопроводящих жил
световода зависит от требуемой разрешающей силы прибора. Необходимо так же
отметить, что в жгутах хорошего качества свет, вошедший через боковые
поверхности, может уйти только через поверхности, параллельные оси волокна,
т.е. свет, вошедший не со стороны входного торца световода, не может
покинуть световод через наблюдаемый (выходной) торец. Такой свет не создаёт
дымку рассеянного света на выходе, которая ухудшает полученное изображение.
Приведенный факт не относится к жгутам с шероховатой поверхностью волокон,
жгутов, торцы которых не перпендикулярны волокнам и для конических жгутов.
Борьба с рассеянным светом не является основной проблемой при создании
волоконных систем для передачи изображения (тем более, что от внешнего
рассеянного света жгут предохраняет непрозрачное покрытие ).
2. Общая схема технологического процесса.
Первым этапом в процессе изготовления световодов является определение
подходящих по ряду параметров материалов, из которых в дальнейшем будет
изготовлен световод. Для любых типов световодов необходимы материалы
высокой степени однородности с максимально гладкой поверхностью раздела
сердцевины и оболочки. Материал оболочки должен хорошо прилипать к
сердцевине волокна. Эти два требования предотвратят чрезмерные потери света
при рассеивании и при выходе света за пределы волокна. Прозрачные пластики
вследствие наличия структуры рассеивают свет, что делает их не вполне
пригодными для световодов большой длины, которая, правда, не характерна для
волокон, передающих изображение. Хорошим материалом для оболочки и
сердцевины является стекло, имеющее одно очень важное преимущество перед
другими материалами - возможность широко выбора показателя преломления при
помощи легирования стекла на стадии выплавки. Длина пути света в световоде
больше, чем в оптических приборах, следовательно, необходимо стекло высокой
прозрачности без вкраплений инородных материалов и пузырей воздуха. Высокая
прозрачность стекла не всегда совместима с высоким показателем преломления:
в последнем случае стекло носит желтоватый оттенок. В видимой области
спектра, а именно этот диапазон оптического излучения рассматривается при
переносе изображения по световоду, стеклянное волокно длиной 2 метра
пропускает около 50 % света, падающего на торец жгута или около 80 %
света, прошедшего в световод. Разность этих величин обусловлена
экранированием части сечения жгута изолирующими оболочками волокон и
отражением света от торца жгута. Последняя проблема может быть решена
нанесением на входной торец жгута просветляющей пленки, аналогичной той,
что используют при просветлении оптики. Первая же проблема решается путем
уменьшения толщины внешней оболочки отдельного волокна (на толщину
распространяется полуволновое ограничение).
Основными материалами являются кристаллический кварц и кварцевое
стекло - различные формы оксида кремния (SiO2). В кварцевом стекле оксид
кремния находится в аморфной форме и поэтому он не растрескивается при
резком перепаде температур, как кристаллический кварц, имеет чрезвычайно
низкий коэффициент температурного расширения и теплопроводности. В отличие
от обычного стекла, которое состоит из смеси различных компонент, кварцевое
стекло состоит только из оксида кремния, а количество примесей других
химических элементов чрезвычайно мало. Это приводит к тому, что кварцевое
стекло обладает широким спектром пропускания (через стёкла из кварца можно
даже загорать), малым поглощением света (обычное оконное стекло поглощает
столько же света, сколько и кварцевое стекло толщиной в 100 метров),
высокой оптической гомогенностью (однородностью), стойкостью к ионизирующим
излучениям и лазерному излучению высокой интенсивности, низким
коэффициентом температурного расширения (примерно в 20 раз меньше по
сравнению с обычным стеклом), высокой рабочей температурой (более 1200 оС,
что в 4 раза больше, чем для обычного стекла). Спектр оптического
пропускания синтетического кварцевого стекла Suprasil 300, оптического
стекла BK 7 и обычного стекла представлены на рис.5. Спектр видимого света
лежит примерно в пределах от 380 нм до 760 нм.
рис.5 Всё это обуславливает широкое применение
кварцевого стекла в оптике.
Вторым этапом производства оптоволокна является определение метода
изготовления световода из выбранных материалов. Технологический процесс
изготовления световодов на основе кварцевого стекла делится на два этапа.
Первый этап - получение заготовки, которая представляет собой стеклянный
стержень длиной порядка метра и диаметром около 10-20 мм. Второй –
вытягивание световода из заготовки. Для этого существует несколько
способов, каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Способы
позволяют получить различный профиль показателя преломления. Волокна для
передачи изображения передают не дискретные импульсы, по этой причине
следует выбрать метод, позволяющий получить ступенчатый показатель
преломления (рис.6). Наиболее простой и хорошо отработанный путь –
вытягивание волокон по методу двойного тигля, который подробно рассмотрен
ниже. Вытянутое волокно наматывается на барабан, затем производится
перемотка, в процессе которой волокно укладывается определенным образом в
световодный жгут. На каждом отдельном этапе производится контроль
параметров заготовки.
Особым образом обстоит дело с проверкой прочности световодов.
Рассчитаны определенные стандартные усилия, при которых волокно не должно
рваться. Казалось бы, достаточно просто перемотать волокно под нагрузкой,
взятой с запасом. Порвалось - плохое, не порвалось - хорошее, можно
использовать при меньших нагрузках. Однако не все так просто. Дело в том,
что те дефекты, например трещины, которые до испытания не привели бы к
порче волокна, могли развиться при тестировании, и при следующем приложении
даже меньшей нагрузки волокно может порваться. Прогнозировать рост трещин
весьма непросто, так как он зависит от среды, в которой находится волокно,
и от механических нагрузок (в частности изгибов). Так что стопроцентную
гарантию на волокно дать невозможно. Вообще, прямые испытания устойчивости
свойств и надежности волокна провести трудно. Невозможно, например, оценить
самопроизвольные изменения прозрачности, если характерный период таких
изменений составляет порядка десяти лет. Чтобы решить эту проблему,
световоды выдерживают при повышенной температуре, ускоряя старение.
Пристального внимания требует чувствительность незащищенного волокна к
водяному пару. Это критическое свойство было обнаружено очень скоро после
налаживания выпуска оптического волокна, но было также обнаружено и
противодействие ему: непосредственное покрытие световода защитной пленкой
толщиной несколько микрометров непосредственно в процессе вытягивания
волокна. Эта защитная оболочка, в основном состоящая из полимера, полностью
защищает световод. Она повышает также механическую прочность световода и
его упругость. Кроме того, обеспечивается постоянство параметров при
неблагоприятных окружающих условиях; без защитной оболочки они снижаются
через несколько часов или дней.
Необходимо, конечно, принимать меры защиты в тех случаях, когда
несколько световодов объединяются в одном кабеле, который в дальнейшем
будет изгибаться и скручиваться. Это случается при намотке на барабан и при
укладке. Конструкция кабеля должна быть такой, чтобы устранить механические
перегрузки световода. Но опасно не только разрушение волокна, но и
микроизгибы. Они возникают, когда светопроводящие волокна лежат на
шероховатой поверхности при наличии растягивающей силы, и могут вызывать
дополнительные световые потери. Это явление можно наблюдать в
демонстрационном опыте, когда к светопроводящему волокну, туго, виток к
витку намотанному на барабан, подводится видимый свет, например от He—Ne
лазера. Весь барабан при этом излучает яркий красный свет, что указывает на
световые потери, вызванные микро изгибами. Чтобы уменьшить механические
нагрузки на волокна, был опробован ряд решений. Отдельные проводники
свободно укладываются в поперечном сечении кабеля; в процессе изготовления
кабеля следят за тем, чтобы волокна были несколько длиннее, чем кабель. При
этом световоды лежат свободно в тонких гибких трубках или на них
накладывается пористая изоляция. Слабым местом является оболочка волокон со
ступенчатым показателем преломления. Ее показатель преломления, который
лишь ненамного меньше показателя преломления сердечника, может в
неблагоприятных случаях увеличиться при низких температурах, что вызовет
нарушение условия полного внутреннего отражения и соответственно появятся
дополнительные потери на излучение.
Оптическое волокно по своей физической природе является очень
маленьким волноводом. В среде, свободной от напряжений и внешних сил, этот
волновод будет проводить свет, инжектированный в него с минимальными
потерями, или затуханием. Для изоляции волокна от таких внешних сил были
разработаны два вида первых уровня защиты: свободный буфер и плотный буфер.
В конструкции со свободным буфером волокно расположено в пластиковой
трубке с внутренним диаметром, который значительно больше, чем само
волокно. Внутреннее пространство трубки обычно заполняется гелем. Свободный
буфер изолирует волокно от внешних механических сил, воздействующих на
кабель. Для многоволоконных кабелей количество таких трубок, каждая из
которых содержит одно или несколько волокон, сочетается с элементами
жесткости для предотвращения напряжения волокон и для уменьшения растяжения
и взаимного влияния.
Другая техника защиты волокна - плотный буфер, - использует
непосредственную экструзию (выдавливание) пластика вокруг базового покрытия
волокна. Конструкции с плотным буфером способны выдерживать намного более
сильные ударные и давящие нагрузки без повреждения волокна. Однако
конструкции с плотным буфером обеспечивают более низкую защиту волокна от
напряжений и изменений температуры. Будучи относительно более гибким, по
сравнению со свободным буфером, плотный буфер, если установлен с резкими
изгибами и перекручиванием, вызывает оптические потери, превышающие
номинально допустимые вследствие микроизгибов.
Более совершенной конструкцией с плотным буфером является "гибридный"
или "композитный" кабель. В композитном кабеле волокно в плотном буфере
окружено арамидным волокном и оболочкой. Такие одноволоконные элементы
затем покрываются общей оболочкой, которая и формирует композитный кабель.
Каждая из описанных конструкций имеет свои преимущества и недостатки.
Свободный буфер обеспечивает более низкое затухание сигнала при
распространении его по кабелю вследствие минимальной концентрации
микроизгибов и высокий уровень изоляции от воздействия внешних сил. При
длительном механическом напряжении свободный буфер обеспечивает более
стабильные передающие характеристики. Конструкция с плотным буфером
обеспечивает меньшие размеры, более легкий вес при одинаковой конфигурации
волокна и, в общем случае, дает более гибкий, изломоустойчивый жгут.
Если оптоволоконный жгут должен иметь высокую подвижность, то его
защитная оболочка может быть выполнена из нержавеющей стали или пластика в
форме гибкого кольцевого шланга (наподобие душевого). Жгут так же может
иметь жестко фиксированную форму. В этом случае форма и материал корпуса,
содержащего волокна, определяются условиями эксплуатации.
Не зависимо от области применения оптоволоконные изделия нуждаются в
механической защите. Превышение нормальных нагрузок для кабеля при монтаже
может поставить волокно в состояние растяжения. Уровни механического
напряжения могут вызывать потери на микроизгибах, что приводит к увеличению
затухания и всевозможным эффектам усталости материала. Для обеспечения
выдерживания подобных нагрузок, что обеспечивает простоту и скорость
монтажа, а также длительную эксплуатацию, к конструкции волоконно-
оптического жгута добавляются различные внутренние элементы жесткости.
Такие элементы жесткости предохраняют волокна от напряжения, минимизируя
растяжение и взаимное влияние, возможно уменьшая при этом гибгость жгута. В
некоторых случаях они служат и как термостабилизирующие элементы. Запас
растяжения у оптического жгута очень небольшой - до момента облома волокна,
поэтому элементы жесткости должны обладать низкой степенью растяжимости при
ожидаемых силах растяжения. Сопротивляемость ударам и давлению, гибкость и
скручиваемость являются другими механическими факторами, влияющими на выбор
элементов жесткости. Элементы жесткости, которые наиболее часто
используются в волоконно-оптических кабелях - это арамидное волокно,
стекловолоконные эпоксидные пруты и стальные проволоки. Относительно
единицы веса арамидное волокно в пять раз прочнее стали. Оно и
стекловолоконные эпоксидные пруты часто являются выбором, когда требуется
полностью диэлектрическая конструкция. Следует выбирать сталь или
эпоксидные пруты, когда требуется работа при низких температурах, так как
они обладают лучшей температурной стабильностью.
Определение количества волокон в кабеле зависит от сферы применения
будущего изделия. Внутри жгута волокна могут располагаться свободно
относительно друг друга (за исключением концов жгута) - в таком случае жгут
называется весьма гибким.
Для изготовления жгутов удобны волокна диаметром 50 микрон. Такие
волокна достаточно прочны; укладка таких волокон относительно несложна.
Более тонкие волокна ломаются при регулярной укладке.
Входные и выходные торцы уложенного жгута спекаются и полируются таким
образом, что бы они были строго параллельны между собой и параллельны
любому сечению распрямленного жгута. Жгут свободных гибких волокон может
иметь торцы различной конфигурации. Конфигурация одного торца жгута может
быть преобразована в любую другую на другом конце (можно преобразовать круг
в линию и наоборот).
Если жгут не предназначен для передачи идентичного изображения, то
целесообразно применять жгут с произвольной укладкой волокон из-за их
значительно меньшей стоимости. При необходимости входной торец жгута может
быть отшлифован по форме неплоской поверхности, изображение которой желаем
передать. Противоположный конец жгута можно при этом оставить плоским.
В тех случаях, когда внешний рассеянный свет (“шум”) вреден, можно
применять поглощающие красители, веденные в оболочку волокон. Естественно,
что ведение светопоглощающего красителя ухудшает светопропускание
световода.
Порядок укладки волокон может быть различным (рис.7): гексагональная
укладка, квадратная укладка, ромбическая укладка, укладка волокон в ряд,
либо несколько рядов. Порядок укладки на входе и выходе может не совпадать.
При получении изображения наблюдаемого предмета порядок укладки
определяется требуемой разрешающей способностью прибора. Максимальному
разрешению соответствует максимальная плотность укладки волокон.
3.Поэтапное описание технологии.
3.1Выбор и описание материалов
3.1.1 Выбор материала сердечника и прозрачной оболочки волокна.
Рис. 8 Зависимость показателя преломления бинарной стеклообразующей системы
В2О3 - SiO2 от молярной доли оксида кремния М(SiO2):
Рис. 9 Зависимость показателя преломления плавленого кварца от молярной
доли оксида германия М(GeO2):
Из большинства видов стекол самым низким поглощением в видимой области
спектра обладает плавленый кварц - при условии высокой степени очистки и
гомогенности (однородности по составу). Значительные преимущества кварца
обусловлены малыми внутренними потерями на рассеивание. Высокая температура
плавления кварца (1610 С при быстром нагреве, 1720 С при медленном), с
одной стороны, требует специальной технологии для изготовления оптического
волокна, а с другой - помогает избавиться от различных примесей, которые
испаряются при более низких температурах. Стекла, применяемые для
изготовления световодов (сердцевины и оптической оболочки), различаются
показателями преломления n. В кварц (показатель преломления n = 1,4585 на
длине волны 0,589 мкм) добавляется оксид бора (n = 1,4585 на длине волны
0,589 мкм), снижающий показатель преломления (рис.8). Полученный материал
может быть применен в качестве оболочки оптоволокна. Длительный отжиг
(термическая обработка стекла, придающая необходимые свойства)
боросиликатного стекла приводит к увеличению n. Этот материал используется
для изготовления сердечника. Другой способ понизить показатель преломления
плавленого кварца - добавить в него фтор. В отличие от метастабильного
характера изменения этого показателя у чистого боросиликата, снижение его у
боросиликатного стекла с добавкой фтора - внутреннее свойство атомов фтора
в матрице SiO2. Разность показателей преломления чистого SiO2 и материала с
добавкой фтора увеличивается линейно с повышением молярной концентрации
фтора вплоть до нескольких процентов. Показатель преломления кварца
уменьшается на 0,2% при изменении молярной концентрации фтора на 1%. При
этом оптические свойства кварца не ухудшаются. Фторирование кварца
позволяет уменьшить рассеивание Рэлея и минимизировать волновые потери.
Однако легирование фтором увеличивает вероятность возникновения трещин и
уменьшает прочность стекла, а, кроме того, делает кварц более
чувствительным к диффузии водорода.
Все другие добавки к плавленому кварцу - такие, как GeO2 (рис.9), P2O5,
TiO2, Al2O3, Sb2O3 приводят к увеличению показателя преломления по
сравнению с чистым кварцем без ухудшения его оптических свойств. Молярные
доли этих оксидов в кварце могут меняться в пределах от 1 до 15%.
Показатель преломления увеличивается на 0,001 при увеличении молярной доли
GeO2 на 1%. При 20-процентной молярной концентрации двуокиси германия
показатель преломления увеличивается на 1,5%.
Кварц с добавкой германия, который может быть использован в качестве
материала сердцевины оптоволокна , имеет широкое окно прозрачности почти до
1,7мкм (рис.5).
Более предпочтительным в качестве легирующего материала (как более
дешевого) является фосфорный ангидрид Р2О5. При добавлении к плавленому
кварцу Р2О5 для образования бинарного стекла внутреннее поглощение
материала и рэлеевское рассеяние увеличиваются весьма незначительно.
Фосфорный ангидрид сублимируется (переходит из твердого состояния в
газообразное, минуя жидкое) при температуре 300 С , гигроскопичен (способен
поглощать влагу из воздуха) и имеет температурный коэффициент линейного
расширения почти в 25 раз больше, чем у плавленого кварца. Однако он
образует с кварцем
|
