Светоизлучающий волоконный световод на основе кварцевого стекла

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности, к технологии изготовления протяженных светоизлучающих волоконных световодов (далее - ВС) для пожаробезопасной и электроизолированной индикации контуров объектов, расположенных в темном пространстве. К числу таких объектов относятся подземные и подводные шахты, а также туннели, коридоры, лестницы, самолеты, корабли и другие объекты.

Известны аналоги заявляемому техническому решению по конструкции светоизлучающих ВС (заявки на изобретения US 2011122646 (A1) и WO 2014121172 (A2)), содержащих сердцевину на основе кварцевого стекла, оболочку и множество рассеивающих центров, расположенных внутри сердцевины или на границе оболочки и сердцевины.

Недостатком этих ВС является повышенный уровень оптических потерь на рассеяние (от 50 до 6000 дБ/км), высокая интенсивность свечения и малая длина, не превышающая нескольких метров. Поэтому такие ВС могут служить только малогабаритными источниками света. Для протяженных, длиной в сотни метров, светоизлучающих указателей данные конструкции ВС не приемлемы.

Указанными выше недостатками не обладает ВС, изготовленный в соответствии с заявкой на изобретение WO 2004023181 (A1). Этот патент принят за прототип заявляемого изобретения, так как по технической сущности является наиболее близким к заявляемому техническому решению.

В отличие от упомянутых аналогов, содержащих сердцевину и отражающую оболочку на основе кварцевого стекла, а также рассеивающие центры, расположенные внутри сердцевины, в прототипе ВС изготовлены с дополнительным наружным светорассеивающим полимерным слоем,

находящимся в прямом контакте с оболочкой и с возможностью перехвата рассеянного света, выходящего из сердцевины под малыми углами.

Интенсивность свечения таких ВС из-за малоуглового рассеяния излучения из сердцевины существенно слабее, чем у аналогов, однако достаточна для визуального наблюдения светящегося протяженного (длиной более 100 метров) волокна в темном пространстве.

Решаемые предлагаемым изобретением технические проблемы, в том числе являющиеся недостатками прототипа, заключаются в следующем:

- интенсивность свечения по длине волокна снижается, что в соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера обусловлено экспоненциальным характером ослабления мощности проходящего по волокну излучения при постоянной величине коэффициента оптических потерь;

- длина ВС ограничена из-за повышенного уровня поглощения света сердцевиной, высокий уровень чистоты которой сложно обеспечить при введении в нее инородных светорассеивающих частиц.

Достигаемый технический результат - обеспечение равномерности и повышение интенсивности свечения на протяжении всей длины ВС. Это достигается за счет изготовления ВС из особо чистых стеклообразных материалов с оптическими потерями на поглощение излучения намного меньшими, чем на его рассеяние, и увеличения коэффициента оптических потерь на рассеяние излучения по длине ВС без введения инородных рассеивающих частиц.

Поставленная задача решается в новой конструкции светоизлучающего ВС, содержащего на основе кварцевого стекла сердцевину, с расположенными внутри нее рассеивающими центрами, и отражающую оболочку, а также светорассеивающий полимерный наружный слой, находящийся в прямом контакте с отражающей оболочкой и изготовленный с возможностью перехвата рассеянного света, выходящего из сердцевины под малыми углами. В отличие от прототипа стеклообразные материалы ВС изготовлены модифицированным методом химического парофазного осаждения (далее - MCVD) из особо чистых материалов [Dukel'skii, K.V. MCVD technology for single-mode low-damping fiber lightguides stable against microbends / K.V Dukel'skii, M.A. Eronyan, A.V. Komarov, Yu.N. Kondrat'ev, L.G. Levit, E.I. Romashova, M.M. Serkov, A.V. Khokhlov, V.S. Shevandin // Journal of Optical Technology. - 2002. - Vol. 69. - Issue 11. - pp. 849], при этом сердцевина легирована диоксидом германия (далее - GeO₂) в количестве не менее 10 мол. %, полимерный наружный слой имеет показатель преломления (далее - ПП) больший, чем у стекла отражающей оболочки, и обладает оптической неоднородностью, а коэффициент оптических потерь сердцевины на рассеяние (α) увеличивается по длине ВС (х) в соответствии с формулой, подтвержденной экспериментальными исследованиями:

где α₀ - величина коэффициента рассеяния на начальном отрезке ВС.

Изготовление кварцевых ВС MCVD методом решает две задачи:

1. Высокая чистота материалов практически полностью исключает оптические потери излучения на поглощение света по сравнению с оптическими потерями на его рассеяние, обеспечивая тем самым повышение интенсивности свечения волокна.

2. При увеличении температуры вытягивания германо силикатных ВС увеличивается коэффициент оптических потерь на малоугловое рассеяние, что позволяет обеспечить равномерное свечение ВС, несмотря на снижение мощности распространяемого по ВС излучения (фиг. 1).

На фиг. 1 представлены расчетные зависимости изменения интенсивности свечения волокна W(x) (кривые 1, 2) и мощности излучения Р(х) (кривые 3, 4), проходящего по ВС, от его длины (х): пунктирные линии (2 и 3) для ВС, вытянутого при постоянной температуре (α=α₀=const); сплошные линии (1 и 4) для ВС, вытянутого при изменении температуры [α=α₀/(1-х*α₀)], где α₀ принято равным 0.0023 м^-1.

Наружный полимерный слой волокна, состоящий, например, из эпоксиакрилатной композиции, отверждаемой ультрафиолетовым излучением, решает также две задачи, направленные на повышение интенсивности свечения волокна:

1. Повышенный по сравнению с отражающей оболочкой ПП полимерного слоя обеспечивает перехват света, выходящего из сердечника.

2. Для структуры такого полимера свойственны оптические неоднородности с размером, превышающим длину волны распространяемого по ВС излучения. Именно такие неоднородности являются центрами рассеяния, определяющими светоизлучающие свойства волокна.

Изобретение реализовано следующим образом:

Пример №1.

Заготовка для вытягивания ВС изготовлена MCVD методом. Осаждение стеклообразных слоев оболочки и сердцевины произведено внутри трубки из кварцевого стекла марки F-300 с наружным диаметром 22 мм, толщиной стенки 2 мм и длиной 1 м. Радиальный профиль ПП в заготовке с наружным диаметром 12,2 мм измеряем на рефрактометре марки Р-101. Отражающая оболочка содержит около 1.5 мол. % оксида фосфора и малые добавки фтора для получения ПП, близкого к ПП кварцевого стекла опорной трубки. Легирование сердцевины GeO₂ обеспечивает увеличение ПП на 0,013 по сравнению с отражающей оболочкой, что соответствует содержанию GeO₂ в сердцевине около 10 мол. %.

Из заготовки вытягивают 500 м ВС диаметром 125 мкм с эпоксиакрилатным покрытием толщиной около 50 мкм, отверждаемым ультрафиолетовым излучением. Длина волны отсечки высшей моды для ВС ≈1.3 мкм. В спектральной области видимого излучения такие ВС являются маломодовыми.

Для достижения постоянства интенсивности свечения по длине волокна (х) изменяют коэффициент оптических потерь на рассеяние [α=α₀/(1-x*α₀)], увеличивая температуру вытягивания с 2025 до 2200°С в соответствии с формулой:

,

где А и В - коэффициенты, зависящие от содержании GeO₂ в сердцевине,

t₀ - температура вытягивания волокна, не приводящая к избыточным оптическим потерям на рассеяние (≈1900°С).

На основании специальных экспериментальных данных для ВС, легированного 10 мол. % диоксида германия, определены коэффициенты А и В, равные, соответственно, 1,61⋅10^-3 м^-1 и 4,605⋅10^-8 м^-1 град^-2. На начальном участке 500 метрового ВС α₀ равно 0.0023 м^-1, что соответствует затуханию в 10 дБ/км.

В качестве излучателя света с длиной волны 650 нм используется локатор дефектов оптического волокна VFL650 с мощностью Р₀=10 мВт. Такой ВС, намотанный на катушку диаметром 160 мм, равномерно светится на длине 400 метров. Интенсивность свечения ВС, равная 23 мкВт/м, достаточна для визуального наблюдения в отсутствии посторонних источников света. На участках с удаленным полимерным слоем ВС не светится.

Пример №2.

Заготовка светоизлучающего ВС изготовлена по аналогии с примером №1, в отличие от которого ВС вытягивают при увеличении температуры с 1900 до 2100°С.

При аналогичной с примером №1 введения излучения в ВС длиной 500 метров, намотанного на катушку диаметром 160 мм, наблюдается равномерное свечение по всей длине ВС, однако интенсивность излучения слабее, чем в первом примере. На начальном участке ВС коэффициент оптических потерь составляет 0.0016 м^-1, что соответствует затуханию в 7 дБ/км.

Пример №3.

Заготовка светоизлучающего ВС изготовлена по аналогии с примерами №1 и №2, в отличие от которых ВС вытягивали при постоянной температуре 2025°С.

По аналогии с вышеприведенными примерами при введении излучения в ВС длиной 500 метров, намотанного на катушку диаметром 160 мм, излучение наблюдалось на начальном участке длиной не более 100 метров и имело затухающий характер, что подтверждает необходимость вытяжки ВС при увеличении температуры в соответствии с примерами №1 и №2.

Изложенные в примерах №1 и №2 экспериментальные результаты подтверждают очевидную промышленную применимость заявленной в изобретении конструкции светоизлучающих ВС, определяющих перспективу их использования в качестве протяженных световых индикаторов.