Полимерное оптическое волокно и установка его получения

Изобретение относится к области полимерного оптического волокна (ПОВ), в частности к получению полимерного оптического волокна фоконного типа (ПОВФ) торцевого и бокового свечения, в котором с одного или с обоих концов ПОВ определенной длины с диаметром меньше, чем диаметр фокона, располагают фоконы, составляющие единое целое с оптическим волокном, и установке для его получения.

ПОВ в сочетании с фоконом находят широкое применение в приборостроении, фототехнике, медицине, метрологии, светотехники, для внутриблочной и межблочной связи в различных электронных приборах, лазерах, в том числе компьютерах, т.е. в тех областях, где необходимо передать большой объем информации. Однако на границе соединения фокона с ПОВ происходят значительные потери, что ограничивает возможности использования фоконов в волоконной оптике.

Фоконы - конические световоды - представляют собой жесткий конусообразный элемент, который преобразует излучение, изменяет масштаб изображения и используется для концентрации излучения при стыковке оптического волокна с излучателями и приемниками света. Фокон имеет разные по площади входящую и выходящую поверхности, диаметр которых изменяется пропорционально площади сечения фокона. Фоконы на основе стекла получают вытяжкой множества волокон с изменением поперечного сечения по длине волокна с последующей резкой перпендикулярно оптической оси волокон, шлифовкой и полировкой поверхностей фокона (1, 2). Технология получения фоконов данным способом сложна, а из-за перераспределения света между волокнами ухудшаются оптические характеристики фокона.

Часто фоконы применяют для согласования многомодовых оптических волокон с источниками и приемниками излучения. Применение фоконов повысило эффективность ввода излучения в оптическое волокно в 3-3,5 раза (3). В качестве прототипа предлагаемому изобретению может служить заявка РФ (4). Согласно заявке устройство содержит световод, имеющий по площади входную и выходную поверхности и содержащий оптические волокна, параллельные друг другу, которые имеют постоянный диаметр, и одна или обе поверхности имеют наклон относительно плоскости, перпендикулярной оси световода. Недостатком изобретения является наличие большого количества оптических волокон, имеющих отражающие оболочки, которые занимают часть поверхности фокона, что приводит к уменьшению полезной площади поверхности фокона и снижению оптических характеристик фокона.

Вторым прототипом является патент РФ (5), согласно которому в полимер отражающей оболочки вводят красители и люминофоры.

Задачей предлагаемого изобретения является создание ПОВФ и установки для получения ПОВФ, на которой получают полимерное оптическое волокно фоконного типа, где ПОВ составляет единое целое с фоконом, что обеспечивает получение технического результата, состоящего в расширении области применения ПОВ данного типа и повышение качества оптических характеристик ПОВ за счет устранения ограничения по вводу излучения в ПОВФ, имеющего больший диаметр, чем стандартное ПОВ, что приводит к отсутствию потерь, которые возникают при механической стыковке фокона с ПОВ.

ПОВФ получают с помощью установки, состоящей из узла подачи полимеров, снабженного приспособлением для нагрева и плавления полимеров, затем расплав полимеров с разными показателями преломления по индивидуальным каналам подают на фильерный комплект, с помощью которого формируются слои полимера с разными показателями преломления. Далее слои продавливают через фильеру и в результате получают полимерную струю, которую при остывании с помощью тянущего устройства вытягивают в волокно. Тянущее устройство позволяет менять скорость вытягивания ПОВ до нулевой в ручном режиме и автоматическом, что приводит к изменению диаметра ПОВ. Далее ПОВ направляют к режущему устройству, где участок волокна с большим диаметром разрезают, при этом получают отрезки необходимой длины ПОВФ с одним или двумя фоконами в зависимости от его назначения.

С помощью полимерных материалов с различными показателями преломления, содержащими различные красители, люминофоры, сцинтилляторы, фотохромные вещества, создают ПОВФ диаметром от 0,15 до 3,0 мм ПОВ с диаметром фокона от 0,2 до 15,0 мм, причем фоконы могут иметь одинаковый или разный диаметр на разных концах ПОВ и длиной ПОВ до 100 м.

Простейшая установка для получения полимерного оптического волокна фоконного типа состоит из двух экструдеров, снабженных плунжерами, или шнеками, или плунжером и шнеком для подачи расплавов различных полимерных материалов на фильерный комплект, который служит для придания ПОВФ требуемых геометрических размеров.

Получение полимерного оптического волокна фоконного типа осуществляют на установке, состоящей из подающего устройства, фильерного комплекта, тянущего, приемного и режущего устройств. Для получения ПОВФ используют фильерный комплект, состоящий минимум из трех пластин, размещенных по вертикали друг за другом в едином корпусе, с распределительной пластиной для распределения полимерных материалов с различными показателями преломления, а также собирающей пластины для придания ПОВФ требуемой формы.

Пластины размещены в одном корпусе по вертикали друг за другом таким образом, что первая распределительная пластина сопряжена с устройствами подачи полимерных материалов, вторая распределительная пластина сопряжена с первой пластиной, третья распределительная пластина сопряжена со второй пластиной.

Материалами для ПОВФ служат либо прозрачные полимеры и сополимеры, либо смесь одного или нескольких полимеров с одним или несколькими сополимерами, либо композиции одного или нескольких прозрачных полимеров или одного или нескольких прозрачных сополимеров с одним или несколькими неполимеризующимися материалами, термодинамически совместимыми друг с другом. Расплавы полимерных материалов подают на первую распределительную пластину с помощью поршня, шнека или газа, а затем поступают на вторую распределительную пластину, где происходит формирование слоев, которые с помощью третьей пластины собираются в единое целое. Изобретение иллюстрируется чертежом, где изображена установка: 1, 2 - экструдеры, 3 - фильерный комплект, 4 - датчик диаметра, 5 - тянущее устройство, 6 - режущее устройство, 7 – приемное устройство.

Расплавы полимерных материалов с различными показателями преломления в токе инертного газа с помощью штоков, шнеков или с помощью давления газов подают на распределительные пластины ядра и отражающей оболочки. Различия в показателях преломления достигают с помощью полимеров с разными показателями преломления или сополимеризации двух или более мономеров с отличающимися показателями преломления, а также добавлением красителей, люминофоров, сцинтилляторов, фотохромных веществ, неполимеризующихся веществ в реакционные смеси при проведении реакции сополимеризации или непосредственно в полимеры или сополимеры до или в процессе формования ПОВФ. Расплавы полимерных материалов поступают в отверстие собирающей пластины, где слои образуют единое целое, где в зависимости от формы выходного отверстия ПОВФ имеет круглую, овальную или линейную формы.

Предлагаемая установка позволяет получать ПОВФ, где в качестве материалов для ПОВФ используют либо прозрачные полимеры или сополимеры, либо смесь одного или нескольких полимеров с одним или несколькими сополимерами, либо композицию одного или нескольких прозрачных полимеров или одного или нескольких сополимеров с одним или несколькими неполимеризующимися добавками, красителями, люминофорами, сцинтилляторами, фотохромными веществами, которые термодинамически совместимы с полимерами, сополимерами и друг с другом и вводят в ядро или отражающую оболочку или и в ядро и отражающую оболочку одновременно. Сформованные с помощью предлагаемого устройства из этих материалов ПОВФ с диаметром круглого, овального или линейного типа нарезают с помощью режущего устройства на ПОВФ требуемой длины.

С помощью предлагаемой установки получают полимерное оптическое волокно фоконного типа торцевого и бокового свечения с различными добавками и высокими оптическими характеристиками, которое после шлифовки и полировки используют по назначению.

Пример 1. Полимерное оптическое волокно фоконного типа диаметром от 0,15 до 3,0 мм ПОВ и диаметром фоконов от 0,2 до 15,0 мм с ядром из полиметилметакрилата(ПММА) или сополимеров метилметакрилата(ММА) с метилакрилатом (МА) или сополимеров ММА с метакриловой кислотой(МАК) или ММА с акриловой кислотой(АК) и отражающей оболочкой из поли-2,2.3.3-тетрафторпропилметакрилата (п-МН-1) или поли-2,2.3.3-тетрафторпропил-2-фторметакрилата (п-ФН-1) или сополимеров из 2,2.3.3-тетрафторпропилметакрилата (МН-1) и 2,2.3.3-тетрафторпропил-2-фторметакрилата(ФН-1) с акриловым эфиром 1,1,5-тригидроперфторамилового спирта (АН-2) или на основе термопластичных фторопластов или термопластичных фторопластов в смеси с полиметилметакрилатом (ПММА) или термопластичных фторопластов в смеси с полиакрилатом (ПА) или термопластичных фторопластов в смеси с полиметилметакрилатом (ПММА) и полиакрилатом (ПА) получают подачей с помощью штоков, шнеков или с помощью давления газов расплавов полимеров ядра и отражающей оболочки на соответствующие распределительные пластины ядра и отражающей оболочки, затем слои продавливают в токе инертного газа через фильеру и в результате получают полимерную струю, которая при остывании с помощью тянущего устройства вытягивают в ПОВ, тянущее устройство позволяет менять скорость вытягивания ПОВ в ручном режиме или автоматическом, что приводит к изменению диаметра ПОВ, а волокно направляют к режущему устройству, где участок волокна с большим диаметром разрезают, при этом получают отрезки необходимой длины ПОВФ с одним или двумя фоконами в зависимости от его назначения.

Пример 2. Полимерное оптическое волокно фоконного типа диаметром от 0,15 до 3,0 мм ПОВ и диаметром фоконов от 0,2 до 15,0 мм с ядром из полистирола (ПС) или сополимеров стирола с ММА и МА и отражающей оболочкой из полиметилметакрилата или сополимеров метилметакрилата(ММА) с метилакрилатом(МА) получают аналогично примеру 1.

Пример 3. Полимерное оптическое волокно фоконного типа диаметром от 0,15 до 3,0 мм ПОВ и диаметром фоконов от 0,2 до 15,0 мм с ядром из поликарбоната (ПК) и отражающей оболочкой из ПММА или полипентена или на основе термопластичных фторопластов получают аналогично примеру 1.

Пример 4. Полимерное оптическое волокно фоконного типа диаметром от 0,15 до 3,0 мм ПОВ и диаметром фоконов от 0,2 до 15,0 мм с ядром из сополимеров с ММА и МН-1, или ММА и АН-2, или ММА и ФН-1, или МН-1 и ФН-1 и отражающй оболочкой из ФН-1 и АН-2 или на основе термопластичных фторопластов получают аналогично примеру 1.

Пример 5. Полимерное оптическое волокно фоконного типа диаметром от 0,15 до 3,0 мм ПОВ и диаметром фоконов от 0,2 до 15,0 мм с ядром из ПММА или сополимера ММА/МА при соотношении 95/5 вес. % и красителей, люминофоров, сцинтилляторов, фотохромных веществ, для отражающей оболочки получают сополимер на основе 2,2,3,3-тетрафторпропилметакрилата (МН-1) и акрилового эфира 1,1,5-тригидроперфторированного спирта (АН-2) в соотношении МН-1/АН-2 соответственно 85/15 вес. %, или из ФН-1 и АН-2 соответственно 85/15 вес. %, или термопластичных фторопластов получают аналогично примеру 1.

Пример 6.. Полимерное оптическое волокно фоконного типа диаметром от 0,15 до 3,0 мм ПОВ и диаметром фоконов от 0,2 до 15,0 мм с ядром из ПММА или сополимера ММА/МА при соотношении 95/5 вес. %, для отражающей оболочки получают сополимер на основе 2,2,3,3-тетрафторпропилметакрилата (МН-1) и акрилового эфира 1,1,5-тригидроперфторированного спирта (АН-2) в соотношении МН-1/АН-2 соответственно 85/15 вес. %, или из ФН-1 и АН-2 соответственно 85/15 вес. %, или термопластичных фторопластов и красителей, люминофоров, сцинтилляторов, фотохромных веществ, получают аналогично примеру 1.

Пример 7. Полимерное оптическое волокно фоконного типа диаметром от 0,15 до 3,0 мм ПОВ и диаметром фоконов от 0,2 до 15,0 мм с ядром из ПММА или сополимера ММА/МА при соотношении 95/5 вес.% и красителей, люминофоров, сцинтилляторов, фотохромных веществ, для отражающей оболочки получают сополимер на основе 2,2,3,3-тетрафторпропилметакрилата (МН-1) и акрилового эфира 1,1,5-тригидроперфторированного спирта (АН-2) в соотношении МН-1/АН-2 соответственно 85/15 вес. %, или из ФН-1 и АН-2 соответственно 85/15 вес. %, или термопластичных фторопластов и красителей, люминофоров, сцинтилляторов, фотохромных веществ получают аналогично примеру 1.

Пример 8. Полимерное оптическое волокно фоконного типа диаметром от 0,15 до 3,0 мм ПОВ и диаметром фоконов от 0,2 до 15,0 мм с ядром из полистирола (ПС) или сополимеров стирола с ММА и МА и красителей, люминофоров, сцинтилляторов, фотохромных веществ, отражающей оболочкой из полиметилметакрилата или сополимеров метилметакрилата (ММА) с метилакрилатом (МА) получают аналогично примеру 1.

Пример 9. Полимерное оптическое волокно фоконного типа диаметром от 0,15 до 3,0 мм ПОВ и диаметром фоконов от 0,2 до 15,0 мм с ядром из полистирола (ПС) или сополимеров стирола с ММА и МА, отражающей оболочкой из полиметилметакрилата или сополимеров метилметакрилата (ММА) с метилакрилатом (МА) и красителей, люминофоров, сцинтилляторов, фотохромных веществ получают аналогично примеру 1.

Пример 10. Полимерное оптическое волокно фоконного типа диаметром от 0,15 до 3,0 мм ПОВ и диаметром фоконов от 0,2 до 15,0 мм с ядром из полистирола (ПС) или сополимеров стирола с ММА и МА и красителей, люминофоров, сцинтилляторов, фотохромных веществ, отражающей оболочкой из полиметилметакрилата или сополимеров метилметакрилата(ММА) с метилакрилатом (МА) и красителей, люминофоров, сцинтилляторов, фотохромных веществ получают аналогично примеру 1.

Источники информации

1. Вейсберг В.Б., Саттаров А.К. Оптика световодов. - Л.: Машиностроение, 1977, с. 25.

2. Бутусов М.М., Галкин С.Л., Оробинский С.П., Пал Б.П. Волоконная оптика и приборостроение. - Л.: Машиностроение, 1978, с. 378.

3. Соколовский А.А. Диссертация «Микрооптические элементы и устройства для волоконно-оптических измерительных систем», гл. 2, 2009.

4. Заявка РФ №95101473/28, 30.01.1995, опубликована 20.06.1997.

5. Патент РФ №2018890, 28.04.1990, опубликован 30.08.94, бюл. №16.