Светоизлучающий волоконный световод на основе кварцевого стекла

Изобретение относится к волоконной оптике, а именно к технологии изготовления протяженных светоизлучающих волоконных световодов. Светоизлучающий волоконный световод на основе кварцевого стекла содержит 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 котором стеклообразные материалы изготовлены модифицированным методом химического парофазного осаждения из особо чистых материалов. При этом сердцевина легирована диоксидом германия в количестве не менее 10 мол.%, полимерный наружный слой имеет ПП, больший, чем у стекла отражающей оболочки, и обладает оптической неоднородностью, вызывающей рассеяние света, а коэффициент оптических потерь сердцевины на рассеяние (α) увеличивается по длине волокна ВС (х) в соответствии с формулой , где α0 - величина коэффициента рассеяния на начальном отрезке ВС. Технический результат - повышение интенсивности и равномерности свечения светоизлучающих волоконных световодов, а также увеличение их длины до сотни метров с целью их использования в качестве протяженных световых индикаторов. 1 ил.

 

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.

Светоизлучающий волоконный световод (далее - ВС) на основе кварцевого стекла, содержащий 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, отличающийся тем, что использованы стеклообразные материалы ВС, изготовленные модифицированным методом химического парофазного осаждения из особо чистых материалов, при этом сердцевина легирована диоксидом германия в количестве не менее 10 мол.%, полимерный наружный слой имеет показатель преломления, больший, чем у стекла отражающей оболочки, и обладает оптической неоднородностью, вызывающей рассеяние света, а коэффициент оптических потерь сердцевины на рассеяние (α) увеличивается по длине ВС (х) в соответствии с формулой

,

где α0 - величина коэффициента рассеяния на начальном отрезке ВС.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области волоконной оптики и касается способа формирования волоконной брэгговской решетки (ВБР) с фазовым сдвигом. Способ включает в себя воздействие на оптическое волокно, с записанной в нем волоконной брэгговской дифракционной структурой, электрической дуги сварочного аппарата.

Изобретение относится к волоконно-оптической измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещения во взрывоопасных и жестких условиях производства и эксплуатации.
Группа изобретений относится к интерфейсу для осуществления оптической связи с использованием массива оптических волокон. Оптический соединитель, кабель и устройство оптической связи содержат: линзу, выполненную с возможностью собирать входящий световой сигнал на пути передачи света или блоке детектирования света; корпус, который удерживает несколько линз и путь передачи света или блок детектирования света и который соединен с оптическим соединителем передающей световой сигнал стороны.

Группа изобретений относится к оптическим сетям доступа. Описаны оптический кабель и способ для его реализации.

Изобретение относится к боковому остеклению транспортного средства. Боковое остекление транспортного средства содержит прозрачный экран визуализации, подложку-световод, источник света и средство вывода света, излучаемого источником света.

Изобретение относится к устройствам получения изображения. Технический результат заключается в уменьшении толщины оптического устройства для получения изображения отпечатков пальцев.

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к диагностическим устройствам визуализации. Зонд ОКТ (Оптической Когерентной Томографии) для получения изображения тканей пациента содержит канюлю, содержащую просвет и имеющую ось канюли, светопроводящее оптическое волокно с возможностью селективного перемещения, расположенное внутри просвета и имеющее дистальный конец, при этом указанное оптическое волокно выполнено с возможностью излучения света из дистального конца, упругий элемент, выполненный из эластично изгибаемого материала и проходящий через просвет, при этом указанный упругий элемент содержит первый сегмент, соединенный с оптическим волокном, по существу, вдоль всей длины первого сегмента, второй сегмент, изгиб, сформированный между первым сегментом и вторым сегментом, при этом первый и второй сегменты проходят от изгиба в проксимальном направлении внутри канюли, привод, сконфигурированный для осевого смещения второго сегмента упругого элемента таким образом, что упругий элемент упруго изгибается или сгибается для того, чтобы вызвать усилие в латеральном направлении, которое смещает оптическое волокно.

Светоизлучающее устройство, содержащее по меньшей мере один первый источник (21, 22, 23, 24, 25, 211) света, выполненный с возможностью, при работе, излучения первого света (13) с первым спектральным распределением, первый световод (3), содержащий первую поверхность (31) ввода света, первую поверхность (32) выхода света и по меньшей мере одну первую дополнительную поверхность (33, 34, 35, 36), причем первый световод выполнен с возможностью приема первого света с первым спектральным распределением на первую поверхность ввода света, проведения первого света до первой поверхности выхода света и выведения первого света с первым спектральным распределением с первой поверхности выхода света, по меньшей мере один люминесцентный элемент (90), размещенный на первой поверхности выхода света первого световода, причем по меньшей мере один люминесцентный элемент включает вторую поверхность (91) ввода света, вторую поверхность (92) выхода света и по меньшей мере одну вторую дополнительную поверхность (93, 94, 95, 96), причем люминесцентный элемент выполнен с возможностью приема первого света с первым спектральным распределением на вторую поверхность ввода света, преобразования по меньшей мере части первого света с первым спектральным распределением во второй свет (14) со вторым спектральным распределением, направления второго света на вторую поверхность выхода света и выведения второго света со вторым спектральным распределением со второй поверхности выхода света, причем светоизлучающее устройство дополнительно содержит по меньшей мере один первый теплоотводящий элемент (70), размещенный у или на поверхности люминесцентного элемента, обращенной в сторону от второй поверхности (92) ввода света.

Изобретение относится к способу изготовления оптического волновода. Способ изготовления оптического волновода с «гребенчатой» структурой с низкими потерями связи между оптическим волноводом и оптическим волокном.

Заявлена группа изобретений, раскрывающая фотонный волновод и способ изготовления фотонного волновода. Способ содержит этапы: формируют оптический волновод на первой поверхности (S1) диэлектрической подложки; производят утонение диэлектрической подложки для формирования фотонного волновода; отличается тем, что утонение осуществляют путем вырезания второй поверхности (S2) диэлектрической подложки, противоположной первой поверхности (S1), при этом утонение содержит выемку, профиль которой проходит параллельно оптическому волноводу, при этом глубина выемки изменяется непрерывно и постепенно между первой точкой Р1 нулевой глубины на высоте второй поверхности (S2) и максимальной глубиной (е) на заранее определенном расстоянии (Iq) от первого конца фотонного волновода, причем первый конец предназначен для присоединения оптического волокна, при этом изменение глубины выемки образует вертикальную переходную зону оптической моды длиной (Iq) между фотонным волноводом и оптическим волокном.

Изобретение относится к области волоконной оптики и касается способа формирования волоконной брэгговской решетки (ВБР) с фазовым сдвигом. Способ включает в себя воздействие на оптическое волокно, с записанной в нем волоконной брэгговской дифракционной структурой, электрической дуги сварочного аппарата.

Группа изобретений относится к активным волоконным световодам с полностью волоконными вводом излучения накачки в первую оболочку. Волоконный световод-конус для усиления оптического излучения содержит сердцевину из кварцевого стекла, легированного ионами редкоземельных элементов и дополнительными легирующими добавками (например, Ge, Al, Р, F, В), взятыми вместе или по отдельности, при этом диаметр сердцевины увеличивается по длине световода.

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно к энергетической фотометрии, и может быть использовано в составе эталонной техники для метрологического обеспечения высокоточной поверки средств измерений средней мощности коллимированного лазерного излучения.

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно к энергетической фотометрии, и может быть использовано в составе эталонной техники для метрологического обеспечения высокоточной поверки средств измерений средней мощности коллимированного лазерного излучения.

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к технологии изготовления кварцевых волоконных световодов с сердцевиной из фоторефрактивного стекла для изготовления волоконных брегговских решеток (ВБР).

Изобретение относится к оптическим волокнам. Оптическое волокно содержит сердцевину, при этом упомянутая сердцевина имеет внешний радиус r1, оболочку, окружающую упомянутую сердцевину, причем упомянутая оболочка имеет внешний радиус r4; первичное покрытие, окружающее упомянутую оболочку, причем упомянутое первичное покрытие имеет внешний радиус r5, упомянутое первичное покрытие имеет модуль упругости in situ не выше 0,50 МПа; и вторичное покрытие, окружающее упомянутое первичное покрытие, причем упомянутое вторичное покрытие имеет внешний радиус r6.

Изобретение относится к оптическим волокнам. Оптическое волокно содержит сердцевину, при этом упомянутая сердцевина имеет внешний радиус r1, оболочку, окружающую упомянутую сердцевину, причем упомянутая оболочка имеет внешний радиус r4; первичное покрытие, окружающее упомянутую оболочку, причем упомянутое первичное покрытие имеет внешний радиус r5, упомянутое первичное покрытие имеет модуль упругости in situ не выше 0,50 МПа; и вторичное покрытие, окружающее упомянутое первичное покрытие, причем упомянутое вторичное покрытие имеет внешний радиус r6.

Группа изобретений относится к области полимерного оптического волокна, в частности к получению полимерного оптического волокна фоконного типа торцевого и бокового свечения, в котором с одного или с обоих концов полимерного оптического волокна, определенной длины с постоянным диаметром, располагают фоконы, составляющие единое целое с оптическим волокном, и установке для его получения.

Изобретение относится к покрытиям волоконных световодов из растворимых ароматических полиамидов и способу их изготовления. Предложено покрытие волоконного световода из ароматического гомо- или сополиамида формулы I с молекулярной массой от 35000 до 85000: ,где х:у=0-1:1-0; Способ включает вытягивание световода из заготовки.

Устройство для передачи светового излучения большой мощности относится к квантовой электронике, в частности к технологическим лазерным устройствам. Устройство для передачи светового излучения большой мощности содержит заполненную теплоносителем камеру, ограниченную с торца прозрачным оптическим элементом, оптоволоконный жгут с полированным торцом, собранный из световодов, концевой участок которого установлен внутри камеры с помощью, по меньшей мере, двух фиксирующих элементов, один из которых обеспечивает плотную упаковку световодов на его приторцевой части, между соседними световодами имеются зазоры, образующие межволоконное пространство.
Изобретение относится к волоконной оптике. Волокно включает сердцевину и светоотражающую оболочку из кварцевого стекла с нанесенным на нее оловянным покрытием. Оловянное покрытие модифицировано висмутом в пропорции Bi100-xSnx, где х=99,5±0,05 масс. %. Толщина стабилизированного оловянного покрытия предпочтительна от 20 до 60 мкм для оптического волокна диаметром от 125 до 480 мкм и от 40 до 80 мкм для оптического волокна диаметром от 500 до 1200 мкм. Технический результат – получение оптического волокна с прочным гладким без крупных дефектов оловянным покрытием, способного к долговременной эксплуатации в различных температурных условиях в широком диапазоне от -50 до +200°С. 2 з.п. ф-лы, 3 пр.

Изобретение относится к волоконной оптике, а именно к технологии изготовления протяженных светоизлучающих волоконных световодов. Светоизлучающий волоконный световод на основе кварцевого стекла содержит 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 котором стеклообразные материалы изготовлены модифицированным методом химического парофазного осаждения из особо чистых материалов. При этом сердцевина легирована диоксидом германия в количестве не менее 10 мол., полимерный наружный слой имеет ПП, больший, чем у стекла отражающей оболочки, и обладает оптической неоднородностью, вызывающей рассеяние света, а коэффициент оптических потерь сердцевины на рассеяние увеличивается по длине волокна ВС в соответствии с формулой, где α0 - величина коэффициента рассеяния на начальном отрезке ВС. Технический результат - повышение интенсивности и равномерности свечения светоизлучающих волоконных световодов, а также увеличение их длины до сотни метров с целью их использования в качестве протяженных световых индикаторов. 1 ил.

Наверх