Оптифибра: состав, свойства и применение¶

Оптифибра — композитный волоконно-оптический материал, представляющий собой стеклянное или полимерное оптическое волокно, заключённое в защитную оболочку и используемое для передачи светового сигнала в осветительных, декоративных и технических целях. В узком смысле термин нередко применяется к готовым изделиям из оптического волокна — светящимся нитям, шнурам, тканям и жгутам, применяемым в дизайне, рекламе и приборостроении.

¶Общие сведения

Оптическое волокно (оптоволокно) — это нить из оптически прозрачного материала, сердцевина которой имеет более высокий показатель преломления, чем окружающая оболочка. За счёт эффекта полного внутреннего отражения свет распространяется вдоль волокна с малыми потерями, огибая изгибы. Именно это свойство лежит в основе любых изделий, которые называют оптифиброй.

Материалом служат:

• кварцевое стекло — для дальней связи и точных измерений;
• многокомпонентные стёкла — для специальных применений;
• полимерные волокна (PMMA, полистирол) — для освещения, декора и коротких линий.

Полимерная оптифибра дешевле, гибче и безопаснее в быту, но имеет более высокое затухание (порядка 0,2–1 дБ/м и выше), поэтому применяется на коротких дистанциях.

¶Устройство и принцип работы

Типичное волокно состоит из трёх слоёв:

Свет, введённый в торец под углом меньше критического, многократно отражается от границы «сердцевина — оболочка» и практически без потерь доходит до другого конца. Критический угол зависит от разности показателей преломления; его характеризуют числовой апертурой волокна.

Различают одномодовые волокна (малый диаметр сердцевины, один тип распространения света, большие дистанции) и многомодовые (больший диаметр, множество мод, короткие линии). Для декоративной оптифибры чаще используют многомодовые полимерные нити диаметром от 0,25 до 3 мм.

¶История

Разработка волоконной оптики началась в 1950-е годы. В 1954 году индийско-американский физик Нариндер Сингх Капани предложил термин «fiber optics» и продемонстрировал передачу изображения по жгуту стеклянных волокон. В 1966 году Чарльз Као и Джордж Хокхэм показали, что потери в стекле можно снизить до уровня, пригодного для связи. В 1970 году фирма Corning получила волокно с затуханием около 20 дБ/км, что открыло эру волоконно-оптических линий связи. Параллельно развивалось декоративное и осветительное направление — светящиеся нити, подсветка и «звёздное небо» на основе оптифибры.

¶Виды и классификация

• По материалу: кварцевые, многокомпонентные стеклянные, полимерные.
• По числу мод: одномодовые, многомодовые.
• По назначению: телекоммуникационные, осветительные, декоративные, сенсорные.
• По конструкции: одиночные нити, жгуты, тканые полотна, торцевые панели.

Отдельно выделяют бокового свечения оптифибру: в оболочке делают микронадрезы или вводят рассеивающие добавки, благодаря чему свет «выходит» по всей длине нити, а не только на торце. Такие нити применяют для контурной подсветки.

¶Применение

¶Освещение и дизайн

Оптифибра используется для декоративной подсветки интерьеров, витрин, бассейнов, салонов автомобилей. Популярны потолочные системы «звёздное небо», где тонкие нити выводят свет от одного источника к сотням точек. Преимущества: отсутствие электричества и нагрева в точке свечения, безопасность во влажных средах, гибкость укладки.

¶Технические и медицинские задачи

Волоконные жгуты применяют в эндоскопах для передачи изображения и подсветки внутренних полостей, в датчиках температуры, давления, деформации. Оптифибра служит чувствительным элементом в волоконно-оптических сенсорах, устойчивых к электромагнитным помехам.

¶Связь

Телекоммуникационная оптифибра — основа магистральных линий, городских сетей и подводных кабелей. Она обеспечивает пропускную способность в десятки терабит в секунду на одно волокно при использовании спектрального уплотнения.

¶Преимущества и ограничения

К достоинствам относят широкую полосу пропускания, малые потери, невосприимчивость к электромагнитным помехам, малый вес, пожаробезопасность, возможность работы во взрывоопасных средах. К недостаткам — хрупкость стекла, сложность монтажа и сварки, необходимость специального инструмента, ограничения по радиусу изгиба и стоимость оконечного оборудования.

¶Технологии производства

Полимерную оптифибру получают экструзией: расплав полимера продавливают через фильеру, формируя сердцевину и оболочку. Кварцевое волокно изготавливают методами осаждения из газовой фазы (MCVD, OVD, VAD) с последующим вытягиванием заготовки в нить. Для декоративных нитей добавляют красители, светорассеивающие частицы и защитные покрытия.

¶Интересные факты

• Одно кварцевое волокно способно передать одновременно миллионы телефонных разговоров.
• В декоративной оптифибре источник света один, а светящихся точек — сотни, что снижает энергопотребление.
• Волокно не проводит электричество, поэтому его применяют в средах с повышенной пожаро- и взрывоопасностью.