Оптоволокно

Клок оптических волосков Оптоволокно или оптическое волокно – это стеклянная или пластиковая нить, которой переносится свет в середине его физического тела благодаря явлению полного внутреннего отражения.
Волоконная оптика – раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Оптоволокна используются в оптоволоконной связи, которая позволяет передавать цифровую информацию на большие расстояния и с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. В ряде случаев они также используются при создании датчиков.
Простой принцип действия позволяет использовать различные методы, дающие возможность создавать самые разнообразные оптоволокна:
За физических свойств оптоволокна необходимы специальные методы для их соединения с оборудованием. Оптоволокна является базой для различных типов кабелей, в зависимости от того, где они будут использоваться.
Принцип передачи света внутри оптоволокна был впервые продемонстрирован во времена королевы Виктории (1837-1901), но развитие современных оптоволокон началось в 1950-ых. Они стали использоваться в связи несколько позже, в 1970-х; с этого времени технический прогресс значительно увеличил диапазон применения и скорость распространения оптоволокон, а также уменьшил стоимость систем оптоволоконной связи.
[thumb=left]https://mir-prekrasen.net/uploads/posts/2011-02/1298219602_2Lightpipe%2CLaNature%28magazine%29%2C1884.jpeg[/thumb] Жан Даниэль Колладон впервые описал «световой фонтан» или «световую трубку» в статье в 1842 году под заглавием «О отражение лучей в середине параболического потока жидкости». Эта популярная иллюстрация происходит из позднего сообщения от Колладона в 1884 году. На сегодняшний день волоконная оптика використовуюеться очень интенсивно в современном мире, и является достаточно простой и совершенной технологии. Производство света вдоль тонкой Силиконовой волоса согласно закону преломления, впервые продемострировавшего Даниэль Колладон и Джакиз Бабинет в начале 1840-х годов в Париже, делает данную отрасль индустрии возможной.
Джон Тиндел ввел показательные демонстрации в свои общественные лекции в Лондоне десяток лет позже. Тиндел также писал о свойствах полного внутреннего отражения в своей ознакомительной работе о природе света в 1870 году:
Практические применения, такие как направлено освещения в полости рта при стоматологических процедур, появились в начале ХХ века. Передача изображений по трубкам была продемострована независимо радиоекспериментатором Кларенс Ханселя и телевизионным першепроходцем Джоном Логи Бэйрд в 1920 годах. Этот эффект впервые был применен для внутреннего медицинского обследования Гайнриком Ламма в течение следующей декады. В 1952 году физик Нерайндер Сайнг Капан провел експеремент, приведший к изобретению оптического волоска. Современное оптоволокно, где стеклянная волос помещена в прозрачную оболочку с целью приведения коэффициента отражения к практическому уровня использования, появивилося на свет позже. После этого все разработки сконцентрировались на снопах оптических волосков приспособленных для передачи изображения. Первый оптический полугибкие гастроскоп был запатентован в 1956 году Бэзил Айзек Хиршовицим, Си Уилбер Питерз и Лоренцом И Куртиз, которые были исследователями Университета Мичигана. В процессе разработки гастроскоп, Куртиз применил стеклянную волосок в оболочке впреше. Первые образцы оптоволокна полагались на воздух и непрактичны масла и воск, как оболочку с низким показателем преломления. Целый ряд других применений по передаче изображений появились вскоре.
Использование оптоволокна для телекоммуникационных целей было впреше изобретен в Западной Европе в конце девятнадцатого и начале двадцатого века, вроде диагностики врачом желудка пациента и связи в пределах короткого радиуса. Особенно примечательно, что передача забражень оптоволоскамы приобрела популярность в начале 21 века по причине увеличения спроса в медицинской и телевизиний отраслях.
Также гомонилося, что японский ученый от Тохоку Университета Юн-Ичи Нишазава предложил потребление оптического волокна в сфере Связи еще в 1963 году, как отмечалось в книге напечатанной 2004 года в Индии. Нишазава изобрел другие технологии, которые способствовали совершенствованию оптоволоконных коммуникаций в большей степени. Он позже открыл оптические градиентные волоски, как канал передачи света от полупроводникового лазера.
Решающий момент произошел где в 1965 году, когда Чарльз К. Коу и Джордж А. Гокхем от британской компании Стандарт Телефонс энд Кейблс впервые продвинули идею уменьшения затухания в оптоволокне к показателю низкого от 20 dB / km, таким образом введя оптические кабели в зону практического применения как телекоммуникационных меди. Они утверждали, что затухание скорее спричнинялося примесями, способными быть вилученемы в волокне доступном в настоящее время, чем фундаментальным физическим законом рассеяния. Они правильно и последовательно теоритизувалы об изменении свойств света в среде оптического волоска, и пидсказалы верные материалы для его производства – кварцевое стекло с высоким показателем чистоты. Это открытие привело Коу до получения Нобелевской Премии в области физики в 2009 году.
Принципиальный уровень затухания в 20 dB / km был достигнут впервые в 1970 году исследователями Робертом Д. Морер, Дональдом Кеком, Питером С. Шульцем, и Франком Зимаром, работавших в американской стекловаренная Корник Глес Уорк. Теперь это предприятие называется Корник Инкорпорейтед. Они продемострировали волосок с уровнем затухания в 17 dB / km, в котором кварцевое стекло удерживало примеси титана. Где-несколькими годами подряд они создали оптоволокно с уровнем затухания в 4 dB / km, используя диоксид германия за основу примеси. Столь низкое затухание придало импульс телекоммуникациям с использованием оптического волокна, и сделало Интернет доступным. В 1981 году Дженерал Электрик выпустил сплавлнеий слиток кварца, который был способным вытянуться в нить длиной 40 km.
Затухания в современном оптоволоконном кабеле значительно меньше чем в медном электрическом, что спонукнуло развитие линий телекоммуникационных передач длиной 70-150 км. Оптоволоконный усилитель с примесями ербиуму, который уменьшил стоимость оптоволоконных систем большой длины путем уменьшения или даже очень часто, полного исключения из схемы оптико-электронных повторителей, был разработан Дэвидом Н. Пейном из Университета Саусхамтона и Эмануэлем Дезервиром с Бел Лабс в 1986 году. Чем больше совершенное волокно эксплуатируется постоянно с использованием стекла для сердцевины и оболочки, тем устойчивее оно к процессам старения. А изобрел его Герхард Берниз в 1973 году, который был задействован немецким предприятием Скотт Глес.
В 1991 году из перспективного только проявившогося технологического направления фотонных кристаллов, была начата разработка одноименных волосков проводили свет благодаря дифракционным явлениям на периодической структуре материала быстрее, чем путем полного внутреннего отражения. Первое фотонное кристаллическое волокно стало коммерчески доступным в 2000 году. Такое оптоволокно является более мощным, чем обычное, и его световодные частотные свойства могут быть контролируемы при необходимости с целью улучшения эффективности определенных приложений.
Структура
Структура типового одномодового волокна.
1. Сердцевина: 8 ?m диаметр
2. Оболочка: 125 ?m диаметр
3. Буфер: 250 ?m диаметр
4. Jacket: 400 ?m диаметр Оптический волосок – это цилиндрический диэлектрический волновод, передающий свет от одного до другого конца всей своей длины благодаря физическому явлению полного внутреннего отражения. Волосок состоит из сердцевинного и оболочечного слоя, изготовлены из материалов, забезпечуютья содержания света внутри кабеля. Для обеспечения функциюнування данной системы диэлектриков, необходимо иметь коэффициент преломления сердцевины больше, чем оболочки. А также, граница двух сред может быть обрывистые, как в ступеньчастих волокон, или зглаженою, как в градентих волокон.
Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля. Однако, вместо медного сердечника здесь используется тонкое стекловолокно, а вместо внутренней изоляции – стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы сборки. В данном случае речь идет о режиме так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с различными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна).
Влияние коэффициента преломления
Коэффициент преломления – это величина соотношения скоростей света в вакууме и материале, к которому относится данный коэффициент. Луч света путешествует в свободном пространстве быстрее всего с показателем 300000 км / сек, а в диэлектрике – медленнее. Это зависит от свойств материала. Поэтому показатель преломления для составляющих оптоволокна всегда больше единицы. Типовое значение коэффициента преломления для оболочки составляет 1.46, а для сердцевины – 1.48. Чем больше преломления – тем медленнее луч путешествует в мидиуми. Вспомогательные очевидно, что оптический коммуникационный сигнал будет проходить примерно 200 000 км / сек. Или если сформулировать по-другому, путешествуя 1000 километров, сигнала необходимо потратить 5 мсек на распространение.
Относительно полного внутреннего отражения
Когда луч путешествует в густом мидиуми натыкается на препятствие под стремительным углом (больше чем критический для данного материала), то свет будет полностью отразилось. Этот эффект используется в оптическом волокне для содержания светового излучения в пределах его сердцевины. Оно просуваетья вдоль волоска, видбиваючись вперед и назад от границы раздела двух составляющих кабеля. По причине того, что луч должен ударить границу раздела под определенным наклоном, что является большим критического угол, то только свет, вошедшее в систему в рамках определенного диапазона направлений, может пройти через все волокно без утечки за его пределы. Указанный диапазон направлений называется конусом получения волокна. Размер конуса получения является функцией разности индексов преломления материалов сердцевины и оболочки оптической волоса.
Иными словами, существует максимальный угол относительно оси оптоволокна под которым световой луч может войти в среду кабеля, и продвинуться вдоль его сердцевины. Синус максимума тупика является цифровой апертурой (NA) волокна. Волокно с большим NA не требует высокой точности его сращивания, и может может функциюнуваты с другим волокном, имеет малый NA. Одномодовые оптические волоски имеют незначительный NA.
Одномодовое волокно
Пропагации световых лучей через одномодовые оптические волоски. Оптические волоски с диаметром сердцевины размером примерно одной десятой длины несущей световой волны, не могут быть смоделированными используя теорию геометрической оптики. Зато, вся структура должна быть рассмотрена с точки зрения классической электродинамики, применяя формулы Максвелла, приведенные к развязки уравнения распространения электромагнитных колебаний. Также, такие физические явления как испекли, возникающие за счет пропагации когерентного излучения в многомодовых волокнах, тоже должны быть обоснованы как следствие теории Максвелла. Назразок оптического волновода, волосок поддерживает один или где-несколько локализованных поперечных режимов, в границах которых свет продвигается вдоль. Волокно, работает только в одном режиме, называется одномодовым или мономодовим. Поведение оптических волосков со значительным размером сердцевины тоже может быть смоделирована с помощью волновых уравнений, в результате демонстрирует их способность к пропускания света в нескольких режимах, или модах. Отсюда происходит и название типов оптоволокна. Когда серецевина волоска достаточно велика для обеспечения пропагации световых лучей в нескольких модах, то математические расчеты согласно теорий Максвелла и геометрической оптики примерно совпадают.
Анализ волновода показывает, что лучистая энергия в волокне не полностью сосредоточение в рамках сердцевины. Зато, наиболее характерным для одномодовых световодов, значительная ее порция путешествует в привязан моде в среде оболочки как еванесцентна волна.
Наиболее распространенный тип одномодового волокна имеет диаметр сердцевины 8-10 микрометров и спроектирован для использования света близкого к инфракрасному диапазону спектра. Структура волны зависит от длины волны света, задействованного в процессе работы, таким образом волосок фактически поддерживает незначительное количество дополнительных мод в видимой части спектра света. Многомодовое оптоволокно, для сравнения, изготовление с диаметром центральной жилы поперечного размера что наименее чем 50 микрометров, и что больше сотни микрометров. Нормализована частота V для волоска должна быть не более чем нулевой член степенного ряда функции Бесселя J 0 (примерно 2.405)
Многомодовое волокно
Пропагации световых лучей через многомодовые оптические волоски. Оптическое волокно с большим диаметром сердцевины (более 10 микрон) может быть рассчитано с помощью методов геометрической оптики. Такое волокно называется многомодовым. Ступеньчате багатомодовое волокно производит лучи света вдоль серецевины благодаря эффекту полного внутреннего отражения. Лучи, падающие на границу раздела компонентов волоска под стремительным углом, большим чем угол полного внутреннего отражения, испытывают полного зеркального отражения. Лучи соприкасающихся с границей под малым углом преломляются в направлении от сердцевины к оболочке, а дальше поглощаются и не передают информацию. Значительная цифровая апертура делает возможным светлую пропагандироваться протяжении волокна благодаря лучам, которые расположены близко к оси, а также под различными углами, позволяя эффективно компоновки пучка излучения в световоде. Однако попривсе, эта цифровая апертура увеличивает дисперсию, поскольку лучи путешествующие под разными углами проходят отрезки пути разной длины. Это, в конечном итоге, влияет на количество времени необходимого для пересечения общей заданной длины кабеля.
Градиентное волокно
Пропагации световых лучей через градиентные оптические волоски. В градиентном волокне коэффициент преломления в сердцевине уменьшается постепенно от оси к внешней стенке волокна. Это заставляет лучи света выгибаться дугой при приближении к оболочке, в отличие от неожиданного отражения на границе раздела компонентов волоска. Как следствие, дугообразный путь продвижения уменьшает многовекторную дисперсию распространения, так как лучи под значительными углами проходят через участок сердцевины с малым показателем преломления быстрее, чем под большим. Профиль градиента преломления выбирается так, чтобы минимизировать разницу между продольными скоростью пропагации лучей разной векторной направленности в волокне. Идеальный профиль градиента преломления очень близок к параболического при соотношении самой величины и расстояния до оси.
Поляризационно стабильное волокно



Пропагации световых лучей через многомодовые оптические волоски. Затухание – это уменьшение интенсивности световых лучей в волосках отношении расстоянии пересеченной ими в среде передачи. Коэффициент затухания в оптоволокне обычно используется в единицах dB / km, благодаря относительно высокой прозрачности современного оптического медиуму. Как правило, им выступает кварцевый стекольный волосок, удерживающей захвачено лучей в границах своего физического тела. Угасание – есть основной фактор, ограничивающий продвижение цифрового сигнала на большие расстоянии. Неудивительно, что основная масса исследований была проведена в связи с попытками уменьшения его влияния, и усилением оптического сигнала. Эмпирический анализ показал, что затухание в оптоволокне возникает из-за рассеяния и поглощения.
Оптоволоконная связь



Оптоволокно может эксплуатироваться, как среда для передачи больших объемов закодированной в свете информации на значительные расстоянии. Магистральные сети уровня страны и города почти исключительно строятся с использованием оптоволоконных систем связи. Значительные преимущества применения оптоволоконной связи для построения информационных сетей задействуются при использовании полностью оптических компьютерных сетей, связи между сегментами медных компьютерных сетей на разных этажах, домах, районах и т.д. Внедрение оптоволоконных решений позволяет значительно увеличить длину канала связи и объем передаваемой информации по сравнению с медиа на базе металлических проводников. Исключительные свойства оптоволоскив по электромагнитной совместимости (EMC) позволяют строить линии связи при наличии значительных елетромагнитих полей, а также выступают техническим решением для построения защищенных сетей с кодированием информации.
Несмотря на то, что оптические волокна могут быть сделаны из прозрачных полимерных материалов, широкое применение получили именно волокна изготовлены из стекла. В сетях связи используются одномодовые и многомодовые волоски. Применение одномодовых оптоволокон, передатчиков, приемников и соединительных компонентов обычно стоят дороже на базе мультимодовых компонентов вследствие их технологических особенностей изготовления, сферы их практического использования, и маркетингового позиционирования.
Оптоволоконный датчик
Оптоволокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, дает оптоволоконным датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определенных областях.
Оптоволокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптоволокном.
Оптоволоконные датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Оптоволоконные датчики хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков (Оптоволоконное измерение температуры).
Другое применение оптоволокна – в качестве датчика в лазерном гироскопе, который используется в Boeing 767 и в некоторых моделях машин (для навигации).
Оптоволокно применяется в охранной сигнализации на особо важных объектах (например, ядерное оружие) [источник?]. Когда злоумышленник пытается переместить боеголовку, условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.
Другие применения оптоволокна
Диск фрисби, освещенный оптоволокном Оптоволокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптоволокна используются для обозначения маршрута с крыши в какую-нибудь часть здания. Оптоволоконное освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные елки.
Оптоволокно также используется для формирования изображения. Когерентный пучок, передаваемый оптоволокном, иногда используется совместно с линзами – например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

В наличии большой каталог строительных материалов их Москвы, отделочные материалы с нашего склада в любом количестве.