Światłowody kapilarne



Pobieranie 21,19 Mb.
Strona29/53
Data24.02.2019
Rozmiar21,19 Mb.
1   ...   25   26   27   28   29   30   31   32   ...   53

c) d)


Rys.27. Profile jonowe i refrakcyjne w przekroju poprzecznym światłowodów wykonanych ze szkieł miękkich wieloskładnikowych; a) metoda dwutyglowa, szkło barowo-ołowiowe; b) metoda trzytyglowa, światłowód typu SKD; c) Metoda trzytyglowa, szkło BalF1-BalF2-SW4; Odległości międzytyglowe: R-P1 4 mm, P1-PZ 20 mm; krzywa 5 jest profilem refrakcyjnym; d) Metoda czterotyglowa, szkłoBaF8-BalF5-F2-SW8, Odległości międzytyglowe: R-P1 4mm, P1-P2 20mm, P3-PZ 8 mm, temperatura procesu wyciągania światłowodu 1050 oC [34].

Zmierzone rozkłady koncentracji jonów w preformie światłowodowej (rys.27) są przedstawiane na tle zmierzonego (metodą interferencyjną) profilu refrakcyjnego preformy. Porównanie krzywych daje wnioski dotyczące wagi wpływu czynników strukturalnych na profil. Na rys. 27 przedstawiono profile jonowe i refrakcyjne preform dwu, trzy i czterotyglowych, w tym włókna typu SKD.

Wpływ profili koncentracji jonów K+ i Na+ na profil refrakcji jest jednakowy jedynie w szkłach światłowodowych nie zawierających ciężkich jonów, jak Pb2+, Zn2+, itp. W takich warunkach obserwowana jest dość znaczna dyfuzja jonów alkalicznych. Jony alkaliczne samodzielnie wpływają na refrakcję w niewielkim stopniu. Bezwzględna zmiana refrakcji wynosi Δn=(0,01-0,03); Dyfuzja jonów K+ i Na+ ulega znacznej komplikacji jako rezultat zjawiska zmieszanych alkaliów;

Dyfuzja ciężkich jonów Pb2+, Ba2+, itp., ma znaczny wpływ na refrakcję preformy światłowodowej. Jony te mają jednak znacznie mniejsze wartości stałej dyfuzji D niż jony lekkie. W pewnych warunkach technologicznych dyfuzja jonów ciężkich wzrasta, a lekkich maleje w wyniku zjawiska zmieszanych alkaliów. W takich warunkach dyfuzja jonów ciężkich efektywnie zmienia profil refrakcyjny. W przypadku badanej preformy światłowodowej dyfuzja jonów Pb2+ z Ld=32mm bardzo efektywnie wpłynęła na zmianę profilu refrakcji.

Profil refrakcji jest równy profilowi gęstości tylko w szkłach światłowodowych z jednym typem ciężkich jonów metali dwuwartościowych Me2+. W szkle światłowodowym z kilkoma typami jonów Me2+ profil refrakcji jest proporcjonalny do molekularnej zawartości tych jonów.

Wzrost temperatury procesu nie powoduje zasadniczej zmiany (gwałtownego wzrostu) głębokości dyfuzji w preformie światłowodowej. Taka zmiana jest obserwowana w przypadku płaskiej geometrii układu dyfuzji w szkle. Obserwuje się pewne zmiany w obszarze granicznym rdzeń-płaszcz preformy światłowodowej, gdzie w niektórych przypadkach lokalna koncentracja migrującego jonu może znacznie wzrosnąć. Całkowita głębokość migracji może znacznie zmaleć w pewnych warunkach technologicznych. Dla badanych miękkich szkieł światłowodowych to zmniejszenie wielkości dyfuzji występuje w temperaturze ok.1000oC. Jest to związane ze zmianą lepkości szkła (znaczne zmniejszenie) i w związku z tym znacznie szybszy pasaż szkła przez obszar dyfuzji (strefę wysokotemperaturową). Rezultatem jest zmniejszenie czasu dyfuzji. Liczba Reynoldsa zmienia się w funkcji temperatury, określając stabilność procesu wyciągania światłowodu.

Pełna analiza procesu wyciągania światłowodu kapilarnego, złożonego z dwóch lub kilku szkieł, polega na stworzeniu modelu dwuwymiarowego, (w przeciwieństwie do stosowanych powszechnie modeli jednowymiarowych, nie-izotermicznych) sprzężonego uwzględniającego: transfer ciepła i materii w preformie (w tyglach), w światłowodzie, ruch gazów otaczających preformę (menisk wypływowy) i włókno, siły grawitacji, napięcie powierzchniowe, osiowe przewodzenie ciepła, rozpraszanie lepkościowe, nieliniową zależność lepkości dynamicznej od temperatury. Model na ogół nie uwzględnia ukrytych zjawisk cieplnych, radialnych gradientów temperatury oraz zakłada spełnienie praw reologii Newtona. Model taki bazuje na dwuwymiarowych równaniach radiacyjnej wymiany ciepła pomiędzy preformą (meniskiem wypływowym), włóknem, diafragmami termicznymi, ściankami pieca.

Dla niewielkich wartości liczby Biota uzasadnione są, na podstawie badań empirycznych, przybliżenia asymptotycznymi równaniami jednowymiarowymi dla cylindrycznej geometrii układu wyciągania światłowodu kapilarnego, składników wymiany ciepła związanych z osiowym ruchem materii i osiowym rozkładem temperatury wzdłuż światłowodu. Wybierając optymalną wartość liczby Biota dla układu wyciągania jego opis ulega redukcji do modelu jednowymiarowego. Dotyczy to geometrii światłowodu, prędkości osiowych i rozkładu temperatur wzdłuż osi włókna. Innym przybliżeniem jest przyjęcie konsekwencji przewagi wymiaru wzdłużnego układu nad wymiarem poprzecznym. Zastosowanie modelu sprzężonego układu wyciągania światłowodu daje w wyniku poziom radiacyjnej wymiany ciepła kilkukrotnie wyższy od wymuszonej, konwekcyjnej wymiany ciepła. Konwekcja swobodna ciepła może być pominięta.

Wraz ze wzrostem transferu ciepła od światłowodu, dynamiczna lepkość włókna wzrasta. Światłowód formowany jest w stabilnym, relatywnie krótkim menisku wypływowym. Prędkość osiowa tworzonego włókna wzrasta gwałtownie od wartości początkowej w dyszy wylotowej (początku menisku) do stałej wartości wyciągania gotowego włókna. Wartość energii aktywacji dla lepkości dynamicznej warstw szkła tworzącego SK, w typowych warunkach technologicznych, nie ma dużego znaczenia dla geometrii światłowodu, prędkości i temperatury wyciągania. Punkt solidyfikacji włókna przesuwa się w kierunku dyszy wylotowej, wraz z maleniem termicznej liczby Pecleta.

Wartość energii aktywacji lepkości dynamicznej ma jednak istotne znaczenie dla procesu chłodzenia światłowodu, a tym samym naprężeń osiowych zamrażanych w rdzeniu i płaszczu. Znaczenie ma wielkość różnicowa energii aktywacji pomiędzy szkłami rdzenia i płaszcza. Gdy energia aktywacji lepkości dynamicznej szkła rdzenia jest większa niż dla płaszcza, naprężenia w rdzeniu są funkcjami monotonicznymi wzdłuż włókna i jednocześnie są większe od naprężeń w płaszczu. Naprężenia w płaszczu mogą być niemonotoniczne jako funkcje przewodności termicznej, stratności i inercji cieplnej.


3.9 Podsumowanie

W celu otrzymania światłowodu kapilarnego o proporcjach wymiarowych odwzorowujących preformę należy zastosować następujące warunki technologiczne procesu wyciągania:



  • strefa gorąca pieca powinna być jak najkrótsza (skrócenie menisku wypływowego),

  • temperatura procesu powinna być jak najmniejsza dopuszczalna,

  • prędkość wprowadzania preformy powinna być jak największa,

  • preforma i kapilara powinna mieć jak największą średnicę otworu.

W celu otrzymania światłowodu kapilarnego o proporcjach wymiarowych odległych od preformy należy zastosować następujące warunki procesu technologicznego wyciągania:

  • strefa gorąca pieca powinna być jak najdłuższa,

  • temperatura procesu powinna być stosunkowo wysoka dla danego rodzaju zastosowanych szkieł w układzie płaszcz-rdzeń,

  • prędkość wprowadzania preformy, obniżająca lokalnie temperaturę menisku, powinna być stosunkowo niewielka,

  • preforma powinna mieć stosunkowo dużą średnicę otworu,

  • powinna być zapewniona bardzo szeroka i szybka (czas reakcji układu sprzężenia zwrotnego automatyki regulacyjnej) możliwość regulacji szybkości wyciągania włókna,

  • powinna być zapewniona możliwość chłodzenia menisku laminarnym strumieniem gazu inercyjnego,

  • powinna być zapewniona możliwość relatywnie szybkiej zmiany temperatury menisku,

  • powinna być dostępna możliwość tworzenia nadciśnienia w otworze preformy.

LITERATURA
[1] F.T.Greyling, Basic fluid dynamics considerations in the drawing of optical fibers, Bell Syst. Tech. J., vol.55, pp.1011-1056 (1976)

[2] L.R.Glicksman, The cooling of glass fibres, Glass Technology, vol.9, no.5, pp.131-138 (1968)

[3] J.A.Burgman, Liquid glass jets in the forming of continuous glass fibres, Glass Technology, vol.11, no.4, pp.110-116 (1970)

[4] M.A.Matovich, J.R.A.Pearson, Spinning a molten thread-line – Steady-state isothermal viscous flows, (Industrial and Engineering Chemistry Fundamentals) Ind. Eng. Chem. Fund, Vol 8, pp. 512-520 (1969)

[5] J.R.A.Pearson, M.A.Matovich, Spinning a molten stread-line – Stability, Ind. Eng. Chem. Fund., Vol 8, pp.605-609 (1969)

[6] Y.T.Shah, J.R.A.Pearson, On the stability of nonisothermal fiber spinning, Ind. Eng. Chem. Fund., Vol. 11, pp.145-149 (1972)

[7] Y.T.Shah, J.R.A.Pearson, On the stability of nonisothermal fiber spinning – General case, Ind. Eng.Chem.Fund., vol.11, pp.150-153 (1972)

[8] G.M.Homsey, K.Walker, Heat transfer in laser drawing of optical fibres, Glass Technology, vol.20, no.1, pp.20-26 (1979)

[9] F.T.Greyling, G.M.Homsy, Extensional instabilities of the glass fiber drawing process, Glass Technology, vol.21, pp.95-102 (1980)

[10] B.P.Huynh, R.I.Tanner, Study of non-isothermal glass fibre drawing process, Rheology Acta, vol.22, pp.482-499 (1983)

[11] A.N.Beris, B.Liu, Time dependent fiber spinning equations: 1. Analysis of mathematical behavior, J.Non-Newtonian Fluid Mechanics, vol. 26, pp. 341-361 (1988)

[12] B.Liu, A.N.Beris, Time dependent fiber spinning equations: 2. Analysis of mathematical behavior, J.Non.Newtonian Fluid Mech. Vol26, pp.363-394 (1988)

[13] M.Myers, A model for unsteady analysis of preform drawing, AIChE Journ. Vol 35, no.4, pp.592-602 (1989)

[14] J.N.Dewynne, J.R.Ockendon, P.Wilmott, On a mathematical model for fiber tapering, SIAM J.Appl.Math., vol.49, pp.983-990 (1989)

[15] H.Papamichael, I.N.Miaoulis, Thermal-behavior of optical fibers during the cooling stage of the drawing process, J.Mater.Res., vol.6, pp.159-167 (1991)

[16] J.Eggers, T.F.Dupont, Drop formation in a one-dimensional approximation of the Navier-Stokes equation, J.Fluid Mech, vol.262, pp.205-221 (1993)

[17] J.N.Dewynne, P.D.Howell, O.Wilmott, Slender viscous fibers with inertia and gravity, Q.J.Mech.Appl.Math., vol.47, pp.541-555 (1994)

[18] S.E.Rosenberg, H.Papamichael, I.N.Miaoulis, A 2-dimensional analysis of the viscous problem of a glass preform during the optical fiber drawing process, Glass Technology, vol. 35, pp.260-264 (1994)

[19] S.E.Bechtel, C.D.Carlson, M.G.Forest, Recovery of the Rayleigh capillary instability from slender 1D inviscid and viscous models, Physics of Fluids, vol. 7, pp.2956-2971 (1995)

[20] S.H.K.Lee, Y.Jaluria, Simulation of the transport process in the neck-down region of a furnace drawn optical fiber, Int.J.Heat MassTransfer, vol. 40, pp.843-856 (1997)

[21] Z.L.Yin, Y.Jaluria, Thermal transport and flow in high-speed optical fiber drawing, J.Heat Transfer Trans. ASME, vol. 120, pp.916-930 (1998)

[22] M.Gregory Forest, Hong Zhou, Unsteady analyses of thermal glass fibre drawing process, Europ. Journ. of Applied Mathematics, vol.12, pp.479-496 (2001)

[23] P.Gospodinov, A.L.Yarin, Draw resonance of optical microcapillaries in nonisothermal drawing, Int.J.Multiphase Flow, vol.23, pp.967-976 (1997)

[24] S.D.Sarboh, S.A.Milinkovich, D.L.J.Debeljkovich, Mathematical model of the glass capillary tube drawing process, Glass Technology, vol.39, pp.53-67 (1998)

[25] A.D.Fitt, Kentaro Furusawa, Tanya M. Monro, Colin P.Please, Modeling the fabrication of hollow fibers: capillary drawing, Journ. Lightwave Technology, Vol.19, No.12, pp.1924-1930 (2001)

[26] A.D.Fitt, K.Furusawa, T.M.Monro, C.P.Please, D.J.Richardson, The mathematical modelling of capillary drawing for holey fibre manufacture, Journ. of Engineering Mathematics, vol.43, no.2, pp201-227 (2002)

[27] G.Deflandre, Modeling the manufacturing of complex optical fibres: the case of holey fibres, Proc. IInd Int Coll. Modelling of Glass Forming and Tempering, Valenciennes, France, pp.150-156 (2002)

[28] R.M.Wynne, A fabrication process for microstructured optical fibers, Journ. Lightwave Technology, vol.24, no.11, pp.4304-4313 (2005)

[29] A.L.Yarin, P.Gospodinov, V.I.Roussinov, Stability loss and sensitivity in hollow fiber drawing, Phys. Fluids, vol.6, pp.1454-1463, 1994;

[30] M.Gregory Forest, Hong Zhou, Unsteady analyses of thermal glass fibre drawing process, Europ. Journ. of Applied Mathematics, vol.12, pp.479-496, Aug. 2001;

[31] Alistair D.Fitt, Kentaro Furusawa, Tanya M. Monro, Colin P.Please, Modeling the fabrication of hollow fibers: capillary drawing, Journ. Lightwave Technology, Vol.19, No.12, Dec 2001, pp.1924-1930

[32 J.I.Ramos, Convection and radiation effects in hollow, compound optical fibers, Int. Journ. On Thermal Sciences, vol.44, No.9, pp.832-850 (Sept.2005)

[33 S.C Xue, L.Poaldin, G.W.Barton, M.C.J.Large, Radiative heat transfer in preforms for microstructured optical fibers, Int. Journ. Of Heat and Mass Transfer, vol.50, no.7-8, pp.1569-1576 (April 2007)

[34] R.Romaniuk, J.Dorosz, Kontrola geometrii światłowodów kapilarnych, Elektronika, nr 4, 2006; (i literatura tam zamieszczona)

[35] R.Romaniuk, J.Dorosz, Wytwarzanie i charakteryzacja światłowodów kapilarnych, Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji PAN, no.3, 2006 str 451-468

[36] J.Canning, E.Buckley, N.Groothoff, B.L.Davies, J.Zagari, UV laser cleaving of Air-Polymer structured fibre Opt.Comm., vol. 202, no.1-3, pp.139-143 (2002)

[37] X. Feng, A. K. Mairaj, D. W. Hewak, and T. M. Monro, "Nonsilica glasses for holey fibers," J. Lightwave Technol. 23(6), 2046-2054 (2005).

[38] V. Finazzi, T. M. Monro, and D. J. Richardson, "Small-core holey fibers: nonlinearity and confinement loss trade-offs," J. Opt. Soc. Am. B 20(7), 1427-1436 (2003).
[39] K. M. Kiang, K. Frampton, T. M. Monro, R. C. Moore, J. Tucknott, D. W. Hewak, D. J. Richardson, and H. N. Rutt, "Extruded singlemode non-silica glass holey optical fibres," Electron. Lett. 38(12), 546-547 (2002).

[40] H. Ebendorff-Heidepriem, P. Petropoulos, S. Asimakis, V. Finazzi, R. C. Moore, K. Frampton, F. Koizumi, D. J. Richardson, and T. M. Monro, "Bismuth glass holey fibers with high nonlinearity," Opt. Express 12(21), 5082-5087 (2004).

[41] Y.Jaluria, Transport processes in polymer extrusion and optical fiber drawing, CHT’97, Session 5; ICHMT.org

[42] S.K.K.Lee, Y.Jaluria, Effect of variable properties and viscous dissipation during optical fiber drawing, ASME J.Heat Transfer, vol. 118, pp.350-358, 1996; Also Int.J.Heat Mass Transfer, vol.40, pp.843-856, 1996

[43] R.S.Choudhury, Y.Jaluria, S.H.K.Lee, Generation of neck down profile for furnace drawing of optical fiber, ASME Heat Transfer Div., vol.306, pp.23-32, 1995

[44] N.S.Kapany, D.F.Capellaro, Apparatus for drawing fibers, US Patent 3088297, 1963

[45] J.A.Burgman, L.L.Margason, Method and apparatus for forming hollow glass fibers, US Patent 3268313, 1966

[46] C.J.Stalego, H.E.Leman, C.L.Roberson, R.W.Roth, Method of making hollow glass fibers, US Patent 3282667, 1966

[47] AOC, Optical fiber drawing apparatus, US Patent 3890127, 1975

[48] P.Kaiser, Method for drawing fibers, US patent 4030901, 1977

[49] K.Imoto, G.Toda, M.Sumi, Method and apparatus for drawing optical fiber, US Patent 4101300, 1978

[50] K.Imoto, Y.Takasaki, M.Sumi, Apparatus for producing optical fiber, US Patent 4123242, 1977

[51] J.W.Hicks, Jr., Hollow tube method for forming an optical fiber, US Patent 4551162, 1984

[52] M.S.Maklad, Method of manufacturing hollow core optical fibers, US Patent 4764194, 1986

[53] I.D.Harding, Optical fibre manufacture, US Patent 4793840, 1988

[54] L.J.Huey, Method and apparatus for producing hollow glass filaments, US Patent 4846864, 1989

[55] H.W.Barch, W.P.Marshall, Method and apparatus for forming hollow fibers, US Patent 4941904, 1990

[56] M.Turpin, J.P.LePesant, Process and device for producing hollow optical fiber, US Patent 5167684, 1990

[57] S.Teshima, Multicore hollow optical fiber and a method for preparation thereof, US Patent 5471553, 1995

[58] J.Huang, Method of making shaped fibers, US Patent 5895715, 1999

[59] Y.Komachi, K.Aizawa, Hollow optical fiber and method for manufacturing the same, US patent 6735369, 2004

[60] A.M.Ganan-Calvo, D.Ldevore, Methods of producing optical fiber by focusing high viscosity liquid, US Patent 6758067, 2004

[61] J.Sanghera, I.Aggarwal, L.B.Shaw, P.C.Pureza, F.Kung, B.Cole, Hollow core photonic band gap infrared fibers, US Patent 6993230, 2006

[62] B.L.Bernard, Hollow-core fibers, US Patent Appl.20070142804, 2007

[63] Glass Science and Technology [glassproperties.com/viscosity]

[64] Innovaquartz Silica/Quartz Capillaries [innovaquartz.openfos.com]

[65] Optical fiber / capillary products, High Beam Research [highbeam.com]

[66] Capillary arrays, Schott [schott.com]

[67] Fiber optic products, Glass capilaries, Tycofiber [tycofiber.com]

[68] Fiber optic products, Capillary optical fibers [fibersystems.org]

[69] Fiber optic products, Light guiding fused silica capillary tubing [photonics.com]

[70] Light guiding flexible capillary tubes [directindustry.com] , [ecplaza.net]

[71] P.R.Chudhuri, C.Lu.W.Xiaoyan, Scalar model and exact vectorial description for the design of hollow optical fiber components, Optics Communications, vol.228, pp.285-293, 2003

[72] Kwang Taek Kim, Hyo Kyeom Kim, Seung Hwangbo, Sangsoo Choi, Byeong Ha Lee, Kyunghwan Oh, Characterization of evanescent wave coupling in side-polished hollow optical fiber and its application as a broadband coupler, Optics Communications vol 245, 2005 pp.145-151.




Rozdział 4

Charakteryzacja światłowodów kapilarnych


W poprzednich rozdziałach omawiano parametry SK z punktu widzenia projektowania i technologii włókna optycznego. SK jest jednak przede wszystkim elementem optycznym (o określonej refrakcji) lub optoelektronicznym, ale także mechanicznym o określonej geometrii, i o konkretnym zastosowaniu [1-52]. W takim ujęciu istotne są parametry aplikacyjne [8]. Niektóre z nich są podobne do parametrów projektowych i technologicznych, niektóre są nieco odmienne. Ogólnie, parametry użytkowe światłowodu, w tym SK, można podzielić na geometryczne, optyczne, materiałowe, mechaniczne oraz termiczne i specyficzne zdefiniowane dla kapilary optycznej. Parametry specyficzne to kondycjonowanie powierzchni otworu kapilarnego, kompatybilność z kapilarą chemiczną i inne, związane z zastosowaniem kapilary optycznej. Zastosowania SK, omówione w następnym rozdziale, wymagają umiejętności pomiarów, przynajmniej niektórych parametrów materiałów, elementów pośrednich, takich jak preforma światłowodowa, sprzężony światłowód klasyczny i sama kapilara optyczna [16].
4.1. Parametry materiałów światłowodowych

Do wytwarzania SK stosuje się tzw. materiały światłowodowe [5] w postaci ultraczystych szkieł i polimerów o wysokiej przezroczystości. Rodzaj użytego materiału zależy od aplikacji światłowodu. SK ze szkieł wysokokrzemionkowych są wytwarzane dla celów transmisyjnych i instrumentalnych. SK ze szkieł tlenkowych mieszanych i szkieł nietlenkowych takich jak tlenowcowe (np. siarczkowe), halogenkowe (np. fluorkowe, chlorkowe), są wytwarzane głównie dla celów instrumentalnych. Wyjątkiem jest transmisja dużej mocy optycznej, na niewielkie odległości, w zakresie IR. SK polimerowe są także wytwarzane dla celów instrumentacyjnych obejmujących np. optoelektroniczne elementy funkcjonalne i czujniki.

Podstawowe parametry szkieł i polimerów na światłowody to: współczynnik załamania nd, nieliniowy współczynnik załamania n2, liczba Abbego LA lub dyspersja i właściwości spektralne (tłumienie optyczne), a także właściwości termiczne i mechaniczne, jak rozszerzalność termiczna, moduły mechaniczne, wytrzymałość włókna na zrywanie i złamanie. Znajomość tych parametrów jest niezbędna w celu określenia rodzaju szkieł do danego zastosowania światłowodowego. Współczynnik załamania szkieł stosowanych w technice światłowodowej zmienia się typowo w granicach od 1,3 do 2,5 a liczby Abbego w zakresie od 8 do 105. Te granice są rozszerzane, za pomocą metod inżynierii materiałowej, w celu powiększenia obszaru zastosowań światłowodów w zakresach UV i IR oraz budowy włókien optycznych z metamateriałów/metaszkieł i kryształów fotonicznych (szklanych i polimerowych). Metaszkła i kryształy fotoniczne mają parametry analogiczne do szkieł klasycznych, takie jak refrakcja, dyspersja, tłumienność, właściwości termiczne i mechaniczne, a oprócz nich mają dodatkowe parametry strukturalne dotyczące charakterystycznych dla tych materiałów właściwości optycznych.

Metaszkła (metamateriały), inaczej szkła podwójnie ujemne, lewoskrętne, rezonansowe, mają inny zakres refrakcji od szkieł naturalnych, np. ich refrakcje są bardzo duże lub ujemne [6,7]. Bardzo duża refrakcja metaszkła, często związana ze zjawiskiem rezonansowym w materiale, prowadzi m.inn. do istotnego spowolnienia biegu światła lub silnych właściwości nieliniowych, np. generacji wyższych harmonicznych lub kontinuum optycznego. Refrakcja ujemna metaszkła, przy akceptowalnym poziomie strat w materiale, gdyż szkło to ma właściwości magnetyczne, powoduje ‘odwrócenie’ prawa Snella i przez to możliwość budowy „idealnych” elementów optycznych. Właściwości metaszkieł są formowane przez zawieszenie w matrycy amorficznej elementów rezonansowych oddziaływujących aktywnie z fotonem. Wymiarem charakterystycznym nanoperiodyzacji (sztucznej nanomorfizacji) szkła naturalnego do postaci metaszkła jest (1-10) nm.

Kryształy fotoniczne [8,9] mogą mieć współczynnik załamania bliski jedności (mniejszy lub większy), a więc podobny jak dla próżni. Właściwości kryształu są formowane przez mikroperiodyzacje struktury (sztuczną mikromorfizację) materiału amorficznego jakim jest szkło lub przezroczysty polimer. Elementem periodyzującym w światłowodzie jest np. wielokrotna kapilara lub inny element, np. mikrokulki teflonowe. Wymiarem charakterystycznym mikroperiodyzacji szkła do postaci kryształu fotonicznego jest λ/2 a więc (150-1000)nm. Elementy periodyzujące nie oddziaływają rezonansowo z fotonem, jak w metaszkle, tylko na drodze optyczno-falowej, refrakcyjno-dyfrakcyjno-interferencyjnej. Wskutek utworzenia jedno lub wielowymiarowej siatki Bragga, w krysztale fotonicznym tworzone jest jedno lub wielowymiarowe fotoniczne pasmo zabronione, analogiczne do elektronicznego pasma zabronionego w kryształach. Oznacza to, że fala optyczna nie może propagować w pewnych kierunkach. Konsekwencją tego jest, że jeśli w krysztale fotonicznym występuje kierunek, w którym fala może się rozprzestrzeniać, i ten kierunek jest otoczony obszarem, w którym fala nie może się rozprzestrzeniać, to w tym kierunku fala rozprzestrzenia się, niezależnie od warunków refrakcyjnych. Skalowalność geometryczna struktur periodyzujących/morfizujących powoduje, że włókna SKF mogą być projektowane dla innych zakresów długości fal, np. THz [10].

Pomiary i znajomość parametrów materiałowych SK przekładają się na parametry aplikacyjne jedynie w pośredni sposób. Na ogół nie dotyczą one bezpośredniego użytkownika SK. W materiałach na światłowody, a także w preformach światłowodowych (których metrologia jest podobna do materiałów objętościowych) mierzy się wiele parametrów, a głównie:



  • Straty transmisyjne S[cm-1] obejmujące: straty absorpcyjne, absorpcję wielofononową w zakresie IR, zależność strat od domieszki szkła, rodzaje domieszek, mieszane domieszki, zanieczyszczenia, straty pasmowe domieszek i zanieczyszczeń metalami przejściowymi i jonami hydroniowymi, straty ekscytonowe w zakresie UV przy krawędzi pasma zabronionego, wpływ strat IR i UV na straty w paśmie użytecznym, straty rozproszeniowe Rayleigha, lokalne fluktuacje gęstości i refrakcji szkła;

  • Liniowy współczynnik rozszerzalności termicznej; Dla szkieł światłowodowych mieści się w zakresie (4÷200) 10-7/oC, przy czym najmniejszą wartość ma czyste szkło krzemionkowe;

  • Refrakcję szkła światłowodowego czystego wyjściowego i domieszkowanego, refrakcję poprzeczną preformy światłowodowej – pomiar podobny do szkła objętościowego, fluktuacje refrakcji w preformie; zmiany refrakcji od rodzaju i poziomu domieszki;

  • Dyspersję materiałową M=(λ/c)(d2n/dλ2) [ps·nm·km-1], długość fali zera dyspersji materiałowej dla danego rodzaju szkła, przesunięcie naturalnego zera dyspersji materiałowej od rodzaju i stężenia domieszki szkła; Dyspersja wynosi kilkadziesiąt ps·nm·km-1 w otoczeniu punktu zerowego i opisana jest zależnością Sellmeiera [n2(λ)-1]=Σ(i=1÷k)[(ai2)/(λ2-bi), gdzie ai oraz bi są pomiarowymi (dla szkieł nietypowych, syntetyzowanych laboratoryjnie dla celów eksperymentalnych) lub tabelaryzowanymi parametrami typowego szkła światłowodowego katalogowego;

  • Dyspersję profilu refrakcji w preformie; typowo dla profilu parabolicznego: n2=n12(1-2Δ(r/a)2 dla 02=n12

  • Dyspersję termiczną refrakcji dn/dT=ndL/dT+Ldn/dT [10-5/oC]; dyspersja termiczna wynosi (1÷10) 10-5/oC w typowym zakresie eksploatacji światłowodu,

  • Termiczną zmianę dyspersji materiałowej dM/dT;

  • Wymiary preformy światłowodowej i jej elementów, średnice rur szklanych i ich stabilność;

  • Międzyoperacyjne parametry jakościowe preformy światłowodowej, mikro defekty, stan powierzchni, pęcherze gazu, rekontaminacja;

  • Obecność i rozkład jonów OH- w szkle objętościowym i preformie światłowodowej;

  • Warunki fizykochemiczne przechowywania i obróbki szkieł światłowodowych i preform;

  • Optymalną temperaturę procesów technologicznych, itp.

Szczególną uwagę wśród właściwości materiałów światłowodowych zwraca obecność i rozkład jonów OH- w szkle [11,12]. Zanieczyszczenie jonami hydroniowymi ma dwa zasadnicze źródła. W materiałach wyjściowych jest pozostałość wody. Jony OH- dyfundują łatwo w szkło, także pomiędzy jego różnymi warstwami. Metody zapobiegania wymagają pomiaru poziomu zanieczyszczeń. Pomiaru dokonuje się najczęściej poprzez określenie poziomu maksimum absorpcyjnego dla λ=1,4 μm w wytworzonym z danego szkła światłowodzie. Zapobieganie zanieczyszczeniom polega na: dodatkowym dokładnym suszeniu surowców lub stosowaniu surowców, z których łatwo jest usunąć wodę, stosowaniu suchych gazów, uszczelnieniu układu technologicznego wytwarzania szkła i światłowodu od wpływów zewnętrznych w celu uniknięcia rekontaminacji, stosowaniu dodatkowej zewnętrznej bariery szklanej w postaci dodatkowego płaszcza buforowego odgradzającego niezanieczyszczony płaszcz i rdzeń światłowodu od wpływów zewnętrznych. Droga dyfuzji jonów OH- w typowych warunkach technologicznych wytwarzania szkieł i światłowodów instrumentacyjnych wynosi kilkanaście-kilkadziesiąt µm, przy wartości stałej dyfuzji rzędu D=10-9 cm2s-1.
4.2 Parametry światłowodu kapilarnego

Proporcje geometryczne, maksymalna dopuszczalna stratność i minimalna wymagana wytrzymałość mechaniczna wywarzanych światłowodów kapilarnych stanowią bazę wyjściową dla charakteryzacji włókien optycznych. Z punktu widzenia aplikacji podstawowe są charakterystyki optyczne światłowodów, w tym fazowe i amplitudowe, spektralne i refrakcyjne. W czasie procedur laboratoryjnych mierzone są standardowo następujące charakterystyki optyczne światłowodów kapilarnych: krzywe tłumienia spektralnego α(λ), tłumienie jednostkowe dla określonych źródeł pobudzających; apertura numeryczna wewnętrzna NAwew i zewnętrzna NAzew; profil refrakcyjny n(r); pole bliskie Pb(r,θ) i pole dalekie Pd(r,θ) światłowodu kapilarnego jednomodowego i wielomodowego; profile luminancji światłowodów oświetlonych ze źródła Lamberta Pl(r,θ), średnica rdzenia, częstotliwość znormalizowana, liczba modów, promień modu.

Ogólnie, parametry światłowodu można podzielić na dwie grupy: technologiczne [13] i użytkowe [14]. W czasie procesu wyciągania włókna optycznego z tygli i z preformy mierzonych jest szereg grup parametrów technologicznych. Są to wielkości związane z pracą pieca i wieży wyciągowej. Obejmują one: stabilność temperatury pieca; laminarność przepływu, wilgotność i temperaturę gazu izolującego; stabilność wymiarów włókna, parametry związane ze sposobem pokrywania włókna koszulką zabezpieczającą, stabilność prędkości wyciągania włókna, sposób działania sprzężenia zwrotnego pomiędzy temperaturą pieca, prędkością wyciągania włókna i wymiarem zewnętrznym włókna, itp. Natomiast parametry użytkowe dotyczą tych wielkości, które są konieczne do projektu funkcjonalnego systemu światłowodowego.

Poniżej podano wybrane przykłady mierzonych charakterystyk optycznych reprezentatywne dla różnych klas wytwarzanych światłowodów. Szczególnie interesujące są właściwości optyczne, propagacyjne i polaryzacyjne, kapilarnych światłowodów jednomodowych lub nieliniowych.



4.3 Parametry geometryczne

Parametry geometryczne [15] SK obejmują: geometrię światłowodu, symetrię włókna i proporcje wymiarowe, eliptyczność włókna, wymiar zewnętrzny, wymiar wewnętrzny, zakres wymiarów wewnętrznych i zewnętrznych, stabilność wymiarów wzdłuż włókna, specyfikę wymiarów małych i dużych w SK, stan powierzchni czołowej włókna, wymiary pokrycia i konektorów, itp.

Podstawową cechą dobrej technologii światłowodów jest wzdłużna stabilność wymiarów poprzecznych włókna optycznego. W czasie produkcji wymiary poprzeczne włókna są mierzone dyfrakcyjną metodą laserową, a na wyciągniętych próbkach, np. metodą pola bliskiego. Dwie zasadnicze przyczyny powodują niestabilność wymiarów wyciąganego włókna szklanego, jak to omówiono w rozdziale 3.6. Jedną jest fluktuacja krótkoterminowa spowodowana zmianami temperatury pieca. Drugą jest fluktuacja długoterminowa spowodowana zmianami średnicy zewnętrznej preformy lub zmianami przepływu w zewnętrznej dyszy tyglowej i zmianami kształtu menisku wypływowego. Fluktuacje krótkoterminowe mają charakterystyczny okres poniżej 1m i mogą być redukowane do wartości poniżej 0,5 m poprzez zmniejszenie fluktuacji temperatury poniżej 0,2oC. Redukcja fluktuacji temperatury jest związana z wieloma czynnikami, np. laminarnością przepływu gazu przez piec. Charakterystyczny okres fluktuacji długoterminowych wynosi powyżej 1 m. Fluktuacje długoterminowe są redukowane poprzez pomiar bieżącej średnicy preformy, stabilizację kształtu menisku wypływowego i wykorzystanie sprzężenia zwrotnego do sterowania szybkości podawania preformy do pieca lub stabilizacji kąta menisku.

Standardową metodą pomiaru wymiarów poprzecznych włókna optycznego jest zastosowanie mikroskopowego systemu wideo, z kamerą CCD o dużej rozdzielczości, współpracującego z komputerowym systemem akwizycji i obróbki obrazów. W systemie można porównywać obraz mierzony z wzorcowym, obracać osie, przekształcać, wyodrębniać charakterystyczne szczegóły, np. krawędzie, itp. Dokładności uzyskiwane w takich systemach pomiarowych są bardzo duże i wynoszą, przy typowych wymiarach SK, ponad 99,9%. Na rys.1 przedstawiono schematyczny wygląd interfejsu operatora takiego systemu pomiarowego. Wszystkie wielkości interfejsu są regulowane i mogą być dopasowywane do podświetlonego, mikroskopowego obrazu czoła światłowodu znajdującego się w tle.





1   ...   25   26   27   28   29   30   31   32   ...   53


©operacji.org 2017
wyślij wiadomość

    Strona główna