Optiskās šķiedras ir piemērs tam, kā zinātniskās zināšanas pārvēršas tehnoloģiskajā progresā, galu galā atvieglojot vidusmēra cilvēka dzīvi. Jau vairākus gadus optiskās šķiedras ir saistītas ar sakaru līdzekļiem elektrisko signālu pārraidīšanai. Plānos pavedienus cilvēka mata lielumā var izmantot, lai pārraidītu visdažādākos signālus, kas nepieciešami tālruņa, interneta pieslēguma, televizora u.c. darbībai. Protams, savas augstās veiktspējas dēļ optiskās šķiedras ir atradušas pielietojumu ne tikai sadzīves vajadzībām.
Optiskā signāla pārraides tehnoloģija
Pati par sevi optiskās šķiedras kā signālu tulkotāja izmantošana ir tikai daļa no atklātajām zināšanām, kas tiek pētītas šķiedru optikas zinātniskajā sadaļā. Šīs jomas speciālisti pēta informācijas pārraidi un gaismas izplatību, un vienā kontekstā tos vieno gaismas ceļveži. Pēdējie tiek izmantoti gan kā gaismas izplatītāji, gan kā informācijas raidītāji. Starp citu, mūsdienu tendences lāzertehnoloģiju attīstībā ir balstītas uz gaismas diodēm. Šajā gadījumā interesantāks ir cits jautājums – kāda parādība ir optiskās šķiedras pamatā? Šī parādība(kopējā) elektromagnētiskā starojuma iekšējā atstarošanās saskarnē starp dielektriķiem ar dažādiem refrakcijas rādītājiem. Turklāt informācijas nesējs vispār nav elektromagnētisks signāls, bet gan kodēta gaismas plūsma. Lai saprastu optisko šķiedru kabeļu pārākuma pakāpi pār tradicionālajiem metāla kabeļiem, ir vērts vēlreiz atsaukties uz to joslas platumu. Jau pieminētā šķiedras vītne, kuras biezums nav lielāks par 0,5 mm, spēj pārraidīt tādu informācijas daudzumu, ka parastā vara elektroinstalācija kalpos tikai ar 50 mm biezumu.
Šķiedras optiskās ražošanas metodes
Ir divas galvenās metodes, ar kurām var ražot optisko šķiedru. Tā ir ekstrūzijas un kausēšanas tehnika, izmantojot sagataves. Pirmā tehnoloģija ļauj iegūt zemas kvalitātes materiālu uz plastmasas bāzes, tāpēc šodien to praktiski neizmanto. Otrā metode tiek uzskatīta par galveno un efektīvāko. Sagatave ir sagatave, kas atrodas konstrukcijā, kas paredzēta diegu vilkšanai. Saskaņā ar mūsdienu standartiem sagatavju augstums var sasniegt vairākus desmitus metru. Ārēji tas ir apmēram 10 cm diametrā stikla stienis, no kura izkusa vītnes serde. Ražošanas procesā serde kopā ar maisījumu šķiedrām tiek uzkarsēta līdz augstām temperatūrām, pēc tam veidojas pavedieni. Iegūtā materiāla garums var sasniegt vairākus kilometrus, lai gan diametrs paliek nemainīgs - to kontrolē automatizēti regulatori. Atkarībā no tā, kur tiks izmantota optiskā šķiedra, materiāls, kas paredzētsTo var iepriekš apstrādāt ar pārklājumiem, kas nodrošina ķīmisku un fizisku aizsardzību. Kas attiecas uz pašiem kvēldiega maisījumiem, tie parasti ietver tādus materiālus kā poliimīds, akrilāts un silikons.
Šķiedras dizaina iezīmes
Viednes centrālā daļa ir serde - pati šķiedras kodols, kas darbības laikā izplatīs gaismu. Kodolam raksturīgi paaugstināti gaismas laušanas rādītāji, kas panākts, izmantojot stikla dopingu ar modifikāciju ar speciālām piedevām. Piemēram, silīcija dioksīda šķiedrām tiek izmantoti tipiski refrakcijas komponenti, piemēram, dopants. Savukārt apvalks veic vairākus uzdevumus, no kuriem galvenais ir kodola tiešā fiziskā aizsardzība. Šī daļa nodrošina arī refrakcijas efektu, bet ar minimālu koeficientu. Robeža starp abiem materiāliem veido gaismas virzošo struktūru, kas neļauj lielākajai daļai gaismas izkļūt no kodola. Ir arī vērts atzīmēt, ka optisko šķiedru pamati attiecas uz materiālu uz gaismas vadotņu šķirnēm. Precīzāk sakot, mēs runājam par dielektriskiem viļņvadiem, kas pārraida gaismas signālus.
Optisko šķiedru dažādība
Visizplatītākās ir kvarca, plastmasas un fluora šķiedras. Kvarca pavedienu pamatā ir oksīdu kausējumi vai materiāli, kas pēc struktūras ir līdzīgi, tostarp leģēts silīcija oksīds. Šī bāze ļauj ražot elastīgas un garas šķiedras, kas atšķirasun augsta mehāniskā izturība. Plastmasas šķiedru optika ir izgatavota no polimēriem un, kā jau minēts, nevar nodrošināt augstu veiktspēju. Jo īpaši šādiem pavedieniem ir liels datu zudumu procents, kas ierobežo to izmantošanu prasīgās vietās. No otras puses, plastmasas šķiedru pieejamība saglabā pieprasījumu pēc šī materiāla mājsaimniecību segmentā vērstajos virzienos. Kas attiecas uz fluorīdu optiskajiem materiāliem, to pamatā ir fluorcirkonāta un fluoralumināta stikli. Tie ir diezgan moderni un tehnoloģiski risinājumi optisko sakaru nodrošināšanai, taču smago metālu saturs konstrukcijā arī neļauj tos izmantot, piemēram, medicīnas nozarē.
Šķiedras mērīšanas aprīkojums
Visbiežāk optisko šķiedru komplektos izmantotais aprīkojums ir sensori un Brega režģi. Optiskās šķiedras sensori ir ierīces, kas paredzētas noteiktu vērtību fiksēšanai, kas raksturo materiāla stāvokli šobrīd. Piemēram, dažādi sensori var noteikt mehānisko spriegumu, temperatūru, vibrāciju, spiedienu un citus lielumus. Braga režģis savā funkcijā ir tuvāks optiskajiem parametriem. Tas nosaka aperiodiskus refrakcijas traucējumus šķiedras kodolā. Šis mērījums ļauj noteikt, cik efektīva ir optiskās šķiedras signāla pārraide konkrētos apstākļos. Arī eksperti izmanto optiskoreflektometrs, kas reģistrē izkliedi un pretestību.
Optisko šķiedru pastiprinātāji un lāzeri
Šis ir vismodernākais produkts, kas izstrādāts, pamatojoties uz optiskās šķiedras tehnoloģiju. Atšķirībā no citiem lāzeru veidiem, optisko pavedienu izmantošana ļauj izveidot kompaktas un vienlaikus efektīvas ierīces. Jo īpaši optiskās šķiedras tehnoloģija ir ļāvusi aizstāt klasiskās lāzerierīces ar šādām priekšrocībām:
- Siltuma izlietnes efektivitāte.
- Palielināts izejas starojums.
- Efektīva sūknēšana.
- Lāzera augsta uzticamība un stabilitāte.
- Maza svara aprīkojums.
Savukārt pastiprinātājus, atkarībā no veida, var izmantot arī mājas tīkla līnijās, palielinot galvenās šķiedras līnijas veiktspēju. Tomēr ir vērts apsvērt šķiedru darbības jomu sīkāk.
Kam izmanto optisko šķiedru?
Ir vairākas jomas, kurās tiek izmantoti optisko šķiedru materiāli. Tā ir sadzīves, telekomunikāciju iekārtu un datortehnikas, kā arī augsti specializētu nišu sfēra, tostarp atsevišķas medicīnas jomas. Katram no šiem segmentiem tiek ražotas īpašas optiskās šķiedras. Pielietojums kā tipisks TV vai interneta signāla pārraides līdzeklis, piemēram, ir ierobežots ar lētiem vidējas kvalitātes plastmasas modeļiem. Bet lāzeriekārtām un dārgimedicīnas ierīcēs tiek izmantotas augstas kvalitātes kvarca šķiedras, kas ir aprīkotas arī ar papildu modifikatoriem.
Optiskās šķiedras pielietojums medicīnā
Šādas šķiedras var izmantot medicīnas iekārtās un instrumentos. Standarta tehnoloģija liecina par iespēju ieviest īpašu ierīci, kuras pamatā ir refrakcijas gaismas šķiedras, kas spēj pārraidīt signālu uz ārēju televīzijas kameru, kas jau atrodas pašā ķermeņa orgānā. Optisko šķiedru izmanto medicīnā un kā apgaismes materiālu. Ierīces, kas aprīkotas ar šķiedru moduļiem, ļauj nesāpīgi apgaismot kuņģa, nazofarneksa uc dobumus.
Optiskās šķiedras izmantošana datoraprīkojumā
Iespējams, šī ir visizplatītākā niša, kurā savu vietu atradusi optiskā šķiedra. Mūsdienās sakaru līnijas starp atsevišķām ierīcēm, kas pārraida informāciju, vairs nevar iztikt bez tās. Protams, tas attiecas uz tām jomām, kurās nav iespējams vai nepraktiski izmantot bezvadu savienojumus, kas arī aktīvi aizstāj kabeļus kā tādus. Piemēram, lielākie telekomunikāciju uzņēmumi veido starpreģionu mugurkaula tīklus, kas izmanto optisko šķiedru. Šādu kanālu izmantošana perifērijas iekārtu un parasto telekomunikāciju pakalpojumu patērētāju savienošanai ļauj optimizēt tīkla infrastruktūras uzturēšanas finansiālās izmaksas, kā arī palielina pašas datu pārraides efektivitāti.
Šķiedras trūkumi
Diemžēl optiskie pavedieni nav bez trūkumiem. Lai gan šādu elektroinstalāciju uzturēšana ir lētāka, nemaz nerunājot par to, ka nav nepieciešams bieži atjaunināt, paša materiāla izmaksas ir daudz augstākas nekā tiem pašiem metāla kolēģiem. Turklāt optiskās šķiedras un tās izmantošana medicīnā ir ārkārtīgi ierobežota, jo dažos sakausējumos ir svina un cirkonija piemaisījumi, kas ir toksiski cilvēkiem. Tas galvenokārt attiecas uz augstākās kvalitātes stikla modeļiem, nevis uz plastmasas modeļiem.
Optiskās šķiedras ražošana Krievijā
Importa aizstāšanas programmas ietvaros 2015. gadā Mordovijā tika atvērta optisko šķiedru sistēmu rūpnīca. Šis ir vienīgais uzņēmums Krievijas Federācijā, kas šobrīd iespēju robežās cenšas apmierināt vietējo patērētāju vajadzības pēc optiskās šķiedras. Līdz 2015. gadam Krievijas rūpniecība nodarbojās arī ar optisko šķiedru materiālu ražošanu, taču tikai atsevišķu mērķprojektu ietvaros. Tāda pati situācija zināmā mērā saglabājas arī šodien. Ja konkrētam uzņēmumam ir nepieciešama optiskā šķiedra un tās izmantošana medicīnā vai telekomunikāciju jomā ir finansiāli pamatota, tad ir daudzas rūpnīcas, kas ir gatavas strādāt pēc šādiem īpašiem pasūtījumiem individuāli. Tomēr tuvākajā nākotnē tikai Mordovijas rūpnīca ražos tādus pašus optisko šķiedru kabeļus. Turklāt tā vēl nespēj nodrošināt tirgu atbilstoši pieprasījuma apjomam. Ievērojama daļa produktu joprojām tiek iegādāta no ASV un Japānas. Un pat vietējie produkti tiek ražoti uz importaizejvielas.
Secinājums
Šķiedras optiskie izstrādājumi kā tirgus segments ir veidojušies aptuveni 15-20 gadus. Gadu gaitā patērētājs ir spējis novērtēt jauno kabeļu priekšrocības, taču progress nestāv uz vietas. Uzlabojoties tehniskajām un fiziskajām īpašībām, paplašinās arī materiāla pielietojuma jomas. Jaunākās šķiedras, kuru pamatā ir nanotehnoloģijas, jo īpaši tiek aktīvi izmantotas naftas un gāzes rūpniecībā un aizsardzības rūpniecībā. Savukārt nelineārā optiskā šķiedra šobrīd attīsta tikai konceptuālas, taču ļoti perspektīvas tehnoloģiju jomas. Starp tiem ir kompresijas lāzera impulsi, optiskie solitoni, ultraīss optiskais starojums utt. Acīmredzot, papildus teorētiskajiem pētījumiem ar iespējamiem atklājumiem un tīri zinātnisku zināšanu ietvaros, jauni sasniegumi ļaus arī piedāvāt jaunus piedāvājumus dažāda līmeņa patērētājiem tirgū.
