ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОПТОВОЛОКОННЫХ ИЗДЕЛИЙ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Аннотация. В статье рассматривается строение оптоволокна и его особенности. Приведена основная классификация оптоволоконных изделий. Описано применение оптоволокна в различных промышленных областях.

Ключевые слова: Оптоволокно, полимеры, одномодовые и многомодовые волокна.

В последние десятилетия наблюдается стремительное развитие технологий передачи данных, одной из наиболее значимых из которых стало оптоволокно. Оптоволоконные изделия уже давно используются в различных отраслях промышленности благодаря своим уникальным свойствам, таким как высокая прочность, малый вес, гибкость и способность передавать данные на дальние расстояния без потерь качества. В отличие от традиционных медных проводов, оптоволокно предлагает значительные преимущества, такие как высокая пропускная способность, устойчивость к электромагнитным помехам, легкость в установке и меньшая вероятность перегрева, что делает его идеальным решением для множества промышленных приложений.

Данная технология нашла широкое применение в различных областях промышленности, таких как авиационная, автомобильная, энергетическая, медицинская и др. В данной статье мы рассмотрим историю развития оптоволокна, конструкцию, классификацию, основные принципы работы оптоволоконных изделий, их преимущества и области применения в промышленности.

Волоконная оптика сделала возможным многие вещи, без которых современному человеку практически нельзя обойтись. Но своим появлением она обязана множеству открытий, каждое из которых имеет право претендовать на то, чтобы быть причастным к истории создания оптоволокна. Самые значимые открытия в данной области сделал Чарльз Као Куэн, получивший за свои работы Нобелевскую премию по физике. Он в 1966 году представил свою научную работу, в которой доказал возможность организовать линию связи при помощи волокна из стекла. Большое внимание в данной работе было уделено особенностям конструкции волокна и материалам, которые можно использовать в его производстве. Поэтому его по праву можно называть отцом оптоволоконной технологии. Именно 1966 год можно назвать полноценным днем создания привычного нам оптоволокна, без которого наша жизнь уже просто невозможна [1].

Если рассматривать стеклянные оптические волокна, то они изготавливаются из кварцевого стекла, но также могут использоваться фторцирконат, фторалюминат и халькогенидные стекла. Последние предназначены для дальнего инфракрасного диапазона.

Само изготовление кварцевых волокон проходит в 2 этапа:

1. Получение заготовки-преформы – цилиндрический стеклянный стержень или трубка
2. Вытяжка из преформы волокна

В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон. Сердечник в таком волокне изготавливают из полиметилметакрилата (PMMA), а оболочку – из фторированных РММА (фторполимеров).

Что касается конструкции оптоволокна, то, как правило, оно имеет круглое сечение и состоит из двух частей – сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Оптическое волокно, как правило, имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Сердцевина изготавливается из чистого материала (стекла или пластика) и имеет диаметр 9 мкм (для одномодового волокна), 50 или 62,5 мкм (для многомодового волокна). Оболочка имеет диаметр 125 мкм и состоит из материала с легирующими добавками, изменяющими показатель преломления [2].

Рисунок 1. Строение оптоволокна

Сегодня возможна и более сложная конструкция оптоволокна: в качестве сердцевины и оболочки могут применяться фотонные кристаллы. Также вместо ступенчатого изменения показателя преломления часто используются волокна с градиентным профилем показателя преломления, и форма сердцевины может отличаться от цилиндрической. Такие конструкции обеспечивают волокнам специальные свойства: удержание поляризации распространяющегося света, снижение потерь, изменение дисперсии волокна и др.

Если рассматривать классификацию оптоволокна, то можно выделить одномодовые и многомодовые. Рассмотрим более подробно одномодовые волокна. Диаметр их сердцевины составляет от 7 до 10 микрон, благодаря чему оптическое излучение распространяется по волокну в одной моде и, как результат, отсутствует межмодовая дисперсия.

Главным отличием между многомодовым волокном от одномодового является диаметр. У многомодового он составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62,5 микрона в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе — показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и так далее [3].

Полимерные (пластиковые) волокна производят диаметром 50, 62,5, 120 и 980 микрометров и оболочкой диаметром 490 и 1000 мкм.

Оптоволоконные изделия играют всё более важную роль в различных отраслях промышленности благодаря своим уникальным свойствам, таким как высокая пропускная способность, низкие потери сигнала, устойчивость к электромагнитным помехам и малый вес. Вот несколько ключевых областей применения оптоволокна в промышленности:

1. Коммуникации и сети:

Промышленные сети Ethernet: Оптоволоконные кабели используются для создания промышленных сетей Ethernet, обеспечивая быструю и надежную передачу данных между различными устройствами автоматизации, контроллерами, датчиками и серверами. Они особенно важны в средах с сильными электромагнитными помехами, где медные кабели могут работать нестабильно.

Связь с удаленными объектами: Оптоволоконная связь позволяет организовать надежную передачу данных на большие расстояния, что актуально для нефтегазовой промышленности, горнодобывающей отрасли, энергетических сетей и других объектов, расположенных на значительном удалении друг от друга.

Видеонаблюдение: Оптоволоконные системы видеонаблюдения обеспечивают передачу высококачественного видеосигнала без потерь и задержек, что важно для обеспечения безопасности и контроля на промышленных объектах.

2. Сенсорика и измерения:

Оптоволоконные датчики: Оптоволокно используется для создания различных датчиков, измеряющих температуру, давление, деформацию, вибрацию, уровень жидкости и другие параметры. Эти датчики обладают высокой точностью, чувствительностью и устойчивостью к агрессивным средам, что делает их востребованными в химической, нефтегазовой, авиационной и других отраслях.

Спектроскопия и анализ: Оптоволоконные зонды используются для проведения спектроскопических измерений и анализа состава веществ в режиме реального времени, что важно для контроля качества продукции и процессов в химической, пищевой и фармацевтической промышленности.

Контроль дефектов: Оптоволоконные системы применяются для неразрушающего контроля и выявления дефектов в материалах и изделиях, например, для проверки сварных швов, поиска трещин и внутренних повреждений.

3. Освещение:

Промышленное освещение: Оптоволоконные системы освещения позволяют передавать свет от удаленных источников к нужным областям, обеспечивая равномерное и безопасное освещение рабочих мест, цехов и складов. Они также используются в условиях, где обычные лампы могут быть взрывоопасными или труднодоступными.

Эндоскопия: Оптоволоконные эндоскопы используются для визуального осмотра труднодоступных мест, например, внутри трубопроводов, механизмов и оборудования, что позволяет выявлять проблемы и проводить диагностику без демонтажа.

4. Лазерные технологии:

Лазерная резка и сварка: Оптоволокно используется для передачи лазерного излучения к рабочему инструменту в станках для лазерной резки и сварки, обеспечивая высокую точность и эффективность обработки материалов.

Лазерная гравировка и маркировка: Оптоволоконные лазеры применяются для нанесения маркировки, гравировки и нанесения штрих-кодов на различные изделия.

Преимущества использования оптоволоконных изделий в промышленности:

1. Высокая пропускная способность: Позволяет передавать большие объемы данных с высокой скоростью, что необходимо для современных систем автоматизации и управления.
2. Низкие потери сигнала: Обеспечивают передачу данных на большие расстояния без потери качества.
3. Устойчивость к электромагнитным помехам: Гарантируют стабильную работу в условиях сильных помех, характерных для промышленных предприятий.
4. Безопасность: Оптоволоконные кабели не проводят электрический ток и не подвержены короткому замыканию, что обеспечивает безопасность эксплуатации.
5. Малый вес и размер: Облегчают монтаж и обслуживание.
6. Долговечность и надежность: Оптоволоконные изделия устойчивы к воздействию влаги, температурных перепадов и других агрессивных факторов.

В заключение:

Оптоволоконные изделия играют ключевую роль в модернизации и автоматизации промышленных процессов. Их широкое применение обусловлено уникальными свойствами и преимуществами, которые позволяют повысить эффективность, безопасность и надежность производства. По мере развития технологий, сфера применения оптоволокна в промышленности будет только расширяться.