kimich3 фев 2015 в 15:10

Как «согнуть» свет? Или краткий экскурс в мир волоконной оптики

19 мин

76K

Из песочницы

+77

Комментарии 51

stalinets 3 фев 2015 в 15:54

Прекрасная статья, спасибо. Обязательно пишите продолжение.
Заходите и ко мне в гости, я тоже писал статьи про волокно.
Скажем, рассказать про дисперсию на пальцах я не осилил, а у Вас всё просто и понятно расписано.

kimich 3 фев 2015 в 19:49

Да, я читал все ваши публикации по этой тематике. Мне понравилось. Во многом из-за вас я и решился на написание своей статьи. Спасибо за отзыв! Буду стараться.

ifaustrue 3 фев 2015 в 16:55

sarcasm: Сложно? На самом деле нет.

… и после этих слов уже действительно ничего не понятно =)

kimich 3 фев 2015 в 19:51

Это лишь представить визуально трудно, но на самом деле эффект не так уж сложен. Постараюсь этот вопрос рассмотреть подробнее при возможности.

zvic 3 фев 2015 в 21:14

Интересно, спасибо. Если будете еще писать статью расскажите про:
1 методы соединения волокон (сварки и механическое соединение);
2 типы коннекторов (ST, LC и т.д.)
3 пассивное оборудование СКС на оптике

Boomburum 3 фев 2015 в 22:24

Было же уже :) Раз, два, три.

BubaVV 3 фев 2015 в 21:15

Поправочка. Оконное окно это не кварцевое. Приходилось сталкиваться с кварцевой посудой, так вот первое ощущение — она белоснежная. Бросается в глаза, даже если стекло тонкое. Примерно вот так, кварц слева:

Meklon 4 фев 2015 в 05:04

И кварц не зря для ультрафиолета используют. Обычное стекло его поглощает очень интенсивно.

kimich 4 фев 2015 в 06:06

Да, прошу прощения за неточность. Оконные стекла — это, если не ошибаюсь, силикатные натрий-кальциевые стекела. В основе все тот же диоксид кремния, но с добавками. Чистое кварцевое стекло — это SiO2. Оно, действительно, пропускает УФ, в отличие от силикатного, которое его поглощает. Поправьте меня, если я не прав.

Meklon 4 фев 2015 в 05:07

Спасибо огромное. Замечательная статья. Я буквально вчера для лабораторных нужд купил на ebay оптоволокно 1.5 мм, но из полимера. Расстояния у меня меньше 15 см, так что затухание не критично. Задача была в раствор ввести пучок света герметично и также вывести уже частично поглощенный. Вопрос в ультрафиолетовой части спектра — будет ли распространяться теоретически по волокну или нет?

sergku1213 4 фев 2015 в 05:53

Вы ж химик? Так понимаете, что пластиковое волокно — это не кварцевое. Для передачи используют матёрые ИК диапазоны, а УФ это другой конец спектра. Так что берёте источник ультрафиолета и прислоняете одним концом к источнику УФ, а другим к чему-нибудь светящемуся от него. Цинковые белила, люминофоры, керосин, кажется диз топливо, УФ-метки на деньгах, хорошая белёная бумага-проверьте источником, даже ногти несильно, но светятся от УФ. Может быть коэффициент затухания не так уж драматически велик и Вам хватит. Успехов.

Meklon 4 фев 2015 в 06:37

Спасибо) проверю на опыте. Фрагмент будет считанные сантиметры. Затухание даже в 5 раз некритично. Мне нужно флуоресценцию раствора вызвать и затем зарегистрировать. Датчик слепой в диапазоне короче 400 нм, так что если поймает излучение — значит свечение раствора из-за Стоксова сдвига. Меня больше интересовало — будет ли UV распространяться внутри волокна из-за своей длины волны. Углы отражения другие уже.

P.S. Я не химик, я врач) просил сейчас экспериментальной медициной занимаюсь. Тканевая инженерия.

sergku1213 4 фев 2015 в 07:41

Я уже посмотрел, что Вы врач, извините — это я химик 8)). А по поводу световода — по моему опыту, на несколько сантиметров, при не слишком большом изгибе свет вполне удовлетворительно проводит и гнутая стеклянная палочка, и изогнутая струйка воды, так что сразу не отказывайтесь, если будет получаться плохо, а поиграйтесь с радиусом изгиба, если возможно — в сторону увеличения, естественно.

Meklon 4 фев 2015 в 11:24

В моём варианте можно совсем без изгиба. Тут важно за пределы раствора вынести датчик и светодиоды.
Зубы, кстати, а точнее эмаль светятся шикарным зелёным)

sergku1213 4 фев 2015 в 12:03

Тут у Вас возникнет морока с тем чтобы собрать свет излучаемый светодиодами и направить в световод. В смысле — только малая часть попадёт в световод. Если у Вас никак не получается проводить измерения в стеклянной кювете с паралельными сторонами (фотометрической), более эффективно направить в световод свет, получится используя не светодиод, а полупроводниковый лазер. На близкую тему я недавно получал консультацию от друга -Физика. Я занимаюсь потихоньку проектированием в 3Д принтерной области(надеюсь что это так).

Meklon 4 фев 2015 в 13:10

Кстати, а uv-лазер бюджетный можно купить?

sergku1213 4 фев 2015 в 15:13

Так с полпинка не нашёл. Это грозит вылится в трудные поиски. Может через Alibaba.com проще будет попробовать с палочкой, со световодом, а уж потом, если припрёт.

Meklon 4 фев 2015 в 15:22

Видимо, да. Надо поэкспериментировать.

kimich 5 фев 2015 в 06:18

Бывают УФ лазеры. Но по поводу бюджетности… Вот небюджетный шикарный полупроводниковый УФ-чик. Торлабсы хорошие штуки лабораторные делают. Ну а бюджетные уже ближе к синему цвету тут. Ну а еще тыц и тыц. Короче, вопрос мощности и длины волны.

Meklon 5 фев 2015 в 06:30

Я решил остановиться на 3 Вт светодиодах. Типа этого:
3W 365nm UV LED ultraviolet LED chip light High Power bead with 20mm pcb
Причём можно даже не заморачиваться с охлаждением. Делать короткие вспышки на долю секунды с интервалом и все. Датчик все равно увидит только видимый свет.

kimich 5 фев 2015 в 06:44

Так, ну это, видимо, ачх вашего приемника? Т.е. вы им хотите детектировать некое излучение, появление которого вызвано наличием УФ, я правильно понимаю? Опасаюсь, что с этим светодиодом, что вы указали, не получится. Даже если у него действительно пик интенсивности будет на 365нм, он все равно будет светить вам в приемник и засвечивать его, ибо спектр такого СЛД весьма широк и перекроет вам и 400нм, и даже, думаю, 420-430. А вот интенсивность флуоресценции, я так полагаю, будет значительно ниже. Имхо, тут вопрос даже не в потерях, а в перекрытии спектров.

kimich 5 фев 2015 в 06:22

А вот скажите, уважаемый, зачем вам именно узкополосное излучение? почему именно лазер? УФ светодиод не подойдет? Они дешевле.

Meklon 5 фев 2015 в 06:33

Согласен. Тут просто высказали идею, что фокусировать из-за параллельности проще. Но, кажется, достаточно мощнее вспышку делать. Даже если 90% по дороге по теряется — не страшно.

kimich 5 фев 2015 в 06:45

Пойдемте в личку? Там обсудить, думаю, будет проще. Очень интересный вопрос.

sergku1213 4 фев 2015 в 12:13

А почему бы Вам не взять кварцевую палочку со с скруглёнными концами концами, посередине алмазом сделать насечку, переломить, потом вставить в стенки сосуда. Один скруглённый конец(собирающая линза) наружу — к нему излучатель света. Второй скруглённый конец — внутрь — он будет собирать свет. Так эффективность повыше будет. Впрочем, можете попробовать оплавить концы своего световода до сферичности. Если я не сошёл с ума, это должно улучшить.

Meklon 4 фев 2015 в 13:09

Круто. Надо подумать, спасибо. У меня измерения внутри трубки из полипропилена с внутренним диаметром 13 мм. При этом там течёт раствор.

sergku1213 4 фев 2015 в 15:03

Не знаю, как там трубка крепится, но полипропилен также легко дуется как стекло. Пустую трубку нагреть по кругу, раздуть до пузыря и прижать с боков холодными стёклышками до плоского. Только вопрос — полипропилен хоть немного пропускает УФ? Ну или впаивать кварцевые палочки или кусочки волокна. Варианты. Успехов.

Meklon 4 фев 2015 в 15:30

Он белый и непрозрачный. Для труб холодного водоснабжения. Дешёвый и может принимать нужную форму при нагреве. Я думал в один торец вплавить линзу для фокусировки пучка. А свет подавать через другой конец.

kimich 4 фев 2015 в 06:34

С УФ пока не понятно. Насколько коротковолновый у вас УФ? У вас есть даташит на это волокно? Если я не ошибаюсь, для УФ обычно кварцевые используют. А что касается кварцевых телекомовских волокон, то заточены под ИК в диапазоне 0.8 — 1.6мкм. УФ же достаточно далеко сидит. У телекомовских одномодов отсечка моды будет на 1230-1260нм, свет видимый и УФ у них уже по оболочке идти будет. Я так понимаю, вам для абсорбционной спектроскопии или что-то типа того? В таком случае телекомовские волокна вообще плохо подойдут ввиду малой толщины сердцевины, даже если вы в ик работаете. Там свет будет проходить, главным образом, по оболочке. Максимум — многомод берите. Ввести в раствор вы, может, и введете, но обратно его собрать в волокно — геморрой тот еще. В любом случае чем толще приемное волокно будет, тем лучше и проще. Ваши 1.5мм подойдут, но я сомневаюсь по поводу полимера… Вам же не информацию передавать, если я правильно понял? Еще можете посмотреть в сторону так называемых RGB и UV волокон. Они на видимый и ближний УФ. Но сердцевина у них вообще мизерная: 2-3мкм. Это, или, например, вот это. Для спектроскопии, имхо, так себе.
Скорее всего, вам нужно вот такое или такое. Опишите задачу более подробно, я постараюсь помочь с решением. Можно в личку. Надеюсь, с вашим волокном все получится.

Meklon 4 фев 2015 в 06:42

Спасибо за ответ. Купил вот это:
Товар: 2m Fibre Optic — Light Guide — 1.5mm dia

URL: pages.ebay.com/link/?nav=item.view&id=360863247329&alt=web

Даташит запросил, пока не ответили. Изначально планировалось измерение поглощения только в зоне видимого спектра, а потом появилась идея оценить ещё и флюоресценцию. Волокно нужно, чтобы датчик не макать прямо в зону реакции. Это возможно, но много возник с изоляцией контактов, куча эпоксидной смолы и вообще не аккуратно будет.
Длина волны UV предполагается 365 нм.

kimich 4 фев 2015 в 06:58

Ну, при такой длине световода, думаю, даже УФ как-то пролезет, тем паче что он не такой уж и короткий. Даташит был глянуть… Если вы эту идею развивать станете дальше, то рациональней будет взять какой-нибудь пачкорд для спектроскопии в видимом и уф диапазоне. Они и у нас, в России продаются. Вы посмотрите какие сочные широкополосные кабелюки!

Meklon 4 фев 2015 в 07:42

Кабели шикарны, да. Но на данный момент это прототип слепленный из палок, трубок, эпоксидки, датчиков с ebay и Arduino) Для начала хочется грубо, с большими погрешностями проверить работоспособность.

kimich 4 фев 2015 в 07:50

Я прям представил эту штуку. Здорово! Удачи вам! Если возникнут вопросы по волокну, подводу излучения и спектроскопии, смело обращайтесь! Интересуюсь этим весьма и готов помочь. Да и по работе занимаюсь чем-то близким.

Meklon 4 фев 2015 в 08:12

Спасибо.) Обязательно, если появятся вопросы.

Meklon 4 фев 2015 в 15:51

Ответил продавец. Оргстекло это. полиметилметакрилат. Для УФ оно действительно прозрачно.

kimich 5 фев 2015 в 06:21

Ну, стало быть, вопрос решился на данном этапе. Успехов!;)

Meklon 5 фев 2015 в 06:34

Инфракрасный спектр режет, кстати) но мне это не принципиально.

YUVladimir 4 фев 2015 в 07:44

Однако все эти волокна конструктивно объединяет одно: у них есть светонесущая сердцевина (core) с бОльшим показателем преломления и оболочка (cladding) с меньшим показателем преломления. За счет этого достигается эффект ПВО.

Не совсем так — многослойное (а также с плавным изменением показателя преломления) оптоволокно делают для защиты от мелких повреждений, а не для того чтобы ПВО работало. Отражение будет даже более эффективным, т.к. разница кварц-воздух больше чем оболочка-воздух или кварц-оболочка. Но в таком случае из за малейших дефектов поверхности ПВО будет нарушаться и светопередача существенно ухудшится:

kimich 4 фев 2015 в 08:14

Ступенчатая и градиентная структура в телекомовских волокнах делается только для создания разности показателей преломления, для образования ПВО. Одномодовые стандартные волокна слабонаправляющие и имеют dn во втором-третьем знаке после запятой! Для защиты от микротрещин используется полимерное покрытие уже поверх стеклянной оболочки. Одномодовый режим работы и обеспечивается малой разностью показателей преломления. Да и в многомодовых волокнах dn рассчитывается и формируется исходя из параметров излучения и дисперсии. Сильно повысить dn означает наплодить кучу мод и угробить сигнал. Если бы, например, в сердцевине было бы 1.7, а в оболочке 1.5, то при тех же геометрических размерах волокно было бы уже оооочень многомодовым — обычным световодом. Я не знаю откуда вы взяли эту картинку, она очень сомнительно иллюстрирует реальное положение дел — можете представить источник? Форма профиля показателя преломления всегда рассчитывается очень точно, чтобы обеспечить нужные параметры распространения волн. Как думаете, не было бы проще вытягивать волокно из обычной однородной стеклянной болванки и просто покрывать полимером для защиты и формирования волновода, без эпитаксии из газовой фазы? Почему-то так не делают. Существуют, конечно, волокна с полимерной оболочкой и без подложки из слоя стекла. В этом случае оболочка и от трещин защищает, и световод формирует. Но такие волокна редко применяются даже в лабораториях для спектроскопии.

flerant 4 фев 2015 в 07:46

Спасибо за статью.

Только маленькое дополнение. Всё-таки, кроме оптоволкна для связи нужны и лазеры, которые и генерируют сигналы. Так вот, хотя оптоволокно в России, действительно, изготавливают только узкоспециализированное, с лазерами ситуация совсем другая. Один из крупнейших в мире производителей лазеров — IPG Photonics — создана и возглавляется академиком РАН В. В. Гапонцевым, а одно из подразделений этой компании «ИРЭ-Полюс» располагается в России и является одним из мировых лидеров по производству мощных волоконных лазеров.

Ну и исследовательская деятельность в этой области в России находится на очень высоком уровне. Вот, например, буквально на днях в Nature Communications вышла статья, одним из соавторов которой является профессор МГУ А. М. Желтиков.

kimich 4 фев 2015 в 07:57

Я знаком с ИРЭ-Полюс по работе. В статье про лазеры не говорилось. Если бы говорилось — IPG Photonics уделялось бы далеко не последнее место! Тут вы правы, лазеры (не только волоконные, но и полупроводниковые), они делают замечательные. А еще лазерами Физтех Питерский занимается, если не путаю ничего. Да и в Военмехе твердотельники и химические делаются. Я и не говорил, что с лазерами у нас в стране все плохо! ;)

flerant 4 фев 2015 в 08:07

А еще лазерами Физтех Питерский занимается, если не путаю ничего. Да и в Военмехе твердотельники и химические делаются.

Ещё и у нас в Нижнем Новгороде. В ИХВВ РАН тянут волокно, а в ИПФ РАН делают лазеры.

Я и не говорил, что с лазерами у нас в стране все плохо! ;)

Поэтому моя реплика и была дополнением, а не исправлением :) Просто не хотелось бы, чтобы у читателей возникло впечатление, что с волоконной оптикой у нас всё плохо. На самом деле, это, пожалуй, одна из самых процветающих наукоёмких областей в России.

kimich 4 фев 2015 в 08:18

Соглашусь. Во всяком случае, действительно, что-то реально делается. А в условиях санкций, думаю, делаться будет и более интенсивно. Финансирования бы туда еще побольше…

enclis 4 фев 2015 в 09:13

Столько комментариев и никто не обратил внимание на отвратительную картинку спектра затухания в волокне. Абсолютные значения и даже форма кривой не соответствуют реальности. Такое ощущение, что её рисовали от руки. L-band ~~потрачен~~ потерян. В районе 1400 нм затухание >20дБ/км ?! Даже у самого первого коммерческого одномодового волокна было около 6дБ/км. Затухание на 1310нм уже давно около 0.3дБ/км, на 1510нм меньше 0.19дБ/км. Вот хорошая картинка в исторической ретроспективе. Вот ещё одна хорошая картинка, на которой показано, что определяет такую форму спектра затухания.

kimich 4 фев 2015 в 09:22

Согласен с вами, картинка в статье неточная. Отображает лишь общую картину, но мне она показалась более наглядной. По вашим ссылкам лучше. Если позволите, вынесу в статью.