Οι οπτικές ίνες παρέχουν ένα παράδειγμα του τρόπου με τον οποίο η επιστημονική γνώση μεταφράζεται σε τεχνολογική πρόοδο, κάνοντας τελικά τη ζωή ευκολότερη για τον μέσο άνθρωπο. Για αρκετά χρόνια, οι οπτικές ίνες έχουν συνδεθεί με μέσα επικοινωνίας για τη μετάδοση ηλεκτρικών σημάτων. Τα λεπτά νήματα στο μέγεθος μιας ανθρώπινης τρίχας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μετάδοση ενός ευρέος φάσματος σημάτων που απαιτούνται για τη λειτουργία ενός τηλεφώνου, σύνδεσης στο Διαδίκτυο, τηλεόρασης κ.λπ. Φυσικά, λόγω της υψηλής απόδοσης, οι οπτικές ίνες έχουν βρει χρήση όχι μόνο σε οικιακές ανάγκες.
Τεχνολογία οπτικής μετάδοσης σήματος
Από μόνη της, η χρήση οπτικών ινών ως μεταφραστή σημάτων είναι μόνο μέρος της αποκαλυπτόμενης γνώσης που διερευνάται στο επιστημονικό τμήμα των οπτικών ινών. Οι ειδικοί σε αυτόν τον τομέα μελετούν τη μετάδοση πληροφοριών και τη διάδοση του φωτός, και σε ένα πλαίσιο, ενωμένοι από οδηγούς φωτός. Τα τελευταία χρησιμοποιούνται τόσο ως διανομείς φωτός όσο και ως πομποί πληροφοριών. Παρεμπιπτόντως, οι σύγχρονες τάσεις στην ανάπτυξη τεχνολογιών λέιζερ βασίζονται σε LED. Σε αυτή την περίπτωση, ένα άλλο ερώτημα είναι πιο ενδιαφέρον - ποιο φαινόμενο είναι η βάση των οπτικών ινών; Αυτό το φαινόμενοεσωτερική ανάκλαση της (ολικής) ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στη διεπιφάνεια μεταξύ διηλεκτρικών που έχουν διαφορετικούς δείκτες διάθλασης. Επιπλέον, ο φορέας πληροφοριών δεν είναι καθόλου ηλεκτρομαγνητικό σήμα, αλλά μια κωδικοποιημένη φωτεινή ροή. Για να κατανοήσουμε τον βαθμό υπεροχής των καλωδίων οπτικών ινών έναντι των παραδοσιακών μεταλλικών καλωδίων, αξίζει να αναφερθούμε για άλλη μια φορά στο εύρος ζώνης τους. Το ήδη αναφερθέν νήμα ινών, του οποίου το πάχος δεν είναι μεγαλύτερο από 0,5 mm, μπορεί να μεταδώσει μια ποσότητα πληροφοριών που η συνηθισμένη χάλκινη καλωδίωση θα εξυπηρετήσει μόνο με πάχος 50 mm.
Μέθοδοι κατασκευής οπτικών ινών
Υπάρχουν δύο βασικές μέθοδοι με τις οποίες μπορεί να κατασκευαστεί οπτική ίνα. Είναι μια τεχνική εξώθησης και τήξης με χρήση προμορφωμάτων. Η πρώτη τεχνολογία καθιστά δυνατή την απόκτηση υλικού χαμηλής ποιότητας με βάση τα πλαστικά, επομένως σήμερα πρακτικά δεν χρησιμοποιείται. Η δεύτερη μέθοδος θεωρείται η κύρια και πιο αποτελεσματική. Ένα προφόρμα είναι ένα προφόρμα που βρίσκεται σε μια δομή σχεδιασμένη για να σχεδιάζει νήματα. Σύμφωνα με τα σύγχρονα πρότυπα, τα προδιαμορφώματα μπορούν να έχουν ύψος έως και αρκετές δεκάδες μέτρα. Εξωτερικά, αυτή είναι μια γυάλινη ράβδος με διάμετρο περίπου 10 cm, από την οποία λιώνει ο πυρήνας του νήματος. Κατά τη διαδικασία κατασκευής, ο πυρήνας, μαζί με το μείγμα για τις ίνες, θερμαίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες, μετά από τις οποίες σχηματίζονται τα νήματα. Το μήκος του υλικού που προκύπτει μπορεί να φτάσει αρκετά χιλιόμετρα, αν και η διάμετρος παραμένει αμετάβλητη - ελέγχεται από αυτοματοποιημένους ρυθμιστές. Ανάλογα με το πού θα χρησιμοποιηθούν οι οπτικές ίνες, το υλικό γιαΜπορεί να προεπεξεργαστεί με επιστρώσεις που παρέχουν χημική και φυσική προστασία. Όσον αφορά τα ίδια τα μείγματα νημάτων, συνήθως περιλαμβάνουν υλικά όπως πολυιμίδιο, ακρυλικό και σιλικόνη.
χαρακτηριστικά σχεδίασης ινών
Το κεντρικό τμήμα του νήματος είναι ο πυρήνας - ο ίδιος ο πυρήνας της ίνας, ο οποίος θα διαχέει το φως κατά τη λειτουργία. Ο πυρήνας χαρακτηρίζεται από αυξημένους δείκτες διάθλασης φωτός, κάτι που επιτυγχάνεται με τη χρήση γυαλιού ντόπινγκ με τροποποίηση από ειδικά πρόσθετα. Για παράδειγμα, τυπικά διαθλαστικά συστατικά όπως ένα προσμίκτη χρησιμοποιούνται για ίνες πυριτίου. Με τη σειρά του, το κέλυφος εκτελεί αρκετές εργασίες, η κύρια από τις οποίες είναι η άμεση φυσική προστασία του πυρήνα. Αυτό το τμήμα παρέχει επίσης την επίδραση της διάθλασης, αλλά με ελάχιστο συντελεστή. Το όριο μεταξύ των δύο υλικών σχηματίζει μια ελαφριά δομή οδηγού που δεν επιτρέπει στο μεγαλύτερο μέρος του φωτός να διαφύγει από τον πυρήνα. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι τα βασικά στοιχεία των οπτικών ινών παραπέμπουν το υλικό σε ποικιλίες οδηγών φωτός. Για να είμαστε πιο ακριβείς, μιλάμε για διηλεκτρικούς κυματοδηγούς που μεταδίδουν φωτεινά σήματα.
Ποικιλίες οπτικών ινών
Οι πιο κοινές είναι οι ίνες χαλαζία, πλαστικές και φθοριούχες ίνες. Τα νημάτια χαλαζία βασίζονται σε τήγματα οξειδίων ή υλικά παρόμοια στη δομή, συμπεριλαμβανομένου του ντοπαρισμένου οξειδίου του πυριτίου. Αυτή η βάση καθιστά δυνατή την παραγωγή εύκαμπτων και μακριών ινών που διαφέρουν μεταξύ τουςκαι υψηλή μηχανική αντοχή. Οι οπτικές ίνες από πλαστικές ίνες κατασκευάζονται από πολυμερή και, όπως έχει ήδη σημειωθεί, δεν μπορούν να παρέχουν υψηλή απόδοση. Συγκεκριμένα, τέτοια νήματα έχουν υψηλό ποσοστό απώλειας δεδομένων, γεγονός που περιορίζει τη χρήση τους σε απαιτητικές περιοχές. Από την άλλη πλευρά, η προσιτή τιμή των πλαστικών ινών διατηρεί τη ζήτηση για αυτό το υλικό στις κατευθύνσεις που εστιάζονται στο τμήμα των νοικοκυριών. Όσον αφορά τα φθοριούχα οπτικά υλικά, η βάση τους βασίζεται σε γυαλιά φθοριοζιρκονικού και φθοριούχου αργιλίου. Πρόκειται για αρκετά σύγχρονες και τεχνολογικές λύσεις για την παροχή οπτικής επικοινωνίας, αλλά η περιεκτικότητα σε βαρέα μέταλλα στη δομή δεν επιτρέπει επίσης τη χρήση τους, για παράδειγμα, στην ιατρική βιομηχανία.
Εξοπλισμός μέτρησης ινών
Ο πιο κοινός εξοπλισμός που χρησιμοποιείται στα κιτ οπτικών ινών είναι οι αισθητήρες και οι σχάρες Bragg. Οι αισθητήρες οπτικών ινών είναι συσκευές σχεδιασμένες να καθορίζουν ορισμένες τιμές που χαρακτηρίζουν την κατάσταση του υλικού τη δεδομένη στιγμή. Για παράδειγμα, διαφορετικοί αισθητήρες μπορούν να ανιχνεύσουν μηχανική καταπόνηση, θερμοκρασία, κραδασμούς, πίεση και άλλες ποσότητες. Το πλέγμα Bragg στη λειτουργία του είναι πιο κοντά στα οπτικά χαρακτηριστικά. Διορθώνει μια απεριοδική διαταραχή διάθλασης στον πυρήνα της ίνας. Αυτή η μέτρηση σάς επιτρέπει να προσδιορίσετε πόσο αποτελεσματική είναι η οπτική ίνα στη μετάδοση ενός σήματος υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Επίσης, οι ειδικοί χρησιμοποιούν οπτικάανακλασόμετρο που καταγράφει τη διάχυση και την αντίσταση.
ενισχυτές οπτικών ινών και λέιζερ
Αυτό είναι το πιο προηγμένο προϊόν που αναπτύχθηκε με βάση την τεχνολογία οπτικών ινών. Σε αντίθεση με άλλους τύπους λέιζερ, η χρήση οπτικών νημάτων καθιστά δυνατή τη δημιουργία συμπαγών και ταυτόχρονα αποδοτικών συσκευών. Συγκεκριμένα, η τεχνολογία οπτικών ινών κατέστησε δυνατή την αντικατάσταση των κλασικών συσκευών λέιζερ με τα ακόλουθα πλεονεκτήματα:
- Αποτελεσματικότητα της ψύκτρας.
- Αυξημένη ακτινοβολία εξόδου.
- Αποτελεσματική άντληση.
- Υψηλή αξιοπιστία και σταθερότητα του λέιζερ.
- Εξοπλισμός χαμηλού βάρους.
Με τη σειρά τους, οι ενισχυτές, ανάλογα με τον τύπο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε γραμμές οικιακού δικτύου, αυξάνοντας την απόδοση της κύριας γραμμής οπτικών ινών. Ωστόσο, το εύρος της λειτουργίας των ινών αξίζει να εξεταστεί με περισσότερες λεπτομέρειες.
Σε τι χρησιμεύουν οι οπτικές ίνες;
Υπάρχουν αρκετοί τομείς στους οποίους χρησιμοποιούνται υλικά οπτικών ινών. Αυτή είναι η σφαίρα της οικιακής χρήσης, του τηλεπικοινωνιακού εξοπλισμού και του εξοπλισμού ηλεκτρονικών υπολογιστών, καθώς και άκρως εξειδικευμένες θέσεις, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων τομέων της ιατρικής. Για καθένα από αυτά τα τμήματα, παράγονται ειδικές οπτικές ίνες. Η εφαρμογή ως τυπικό μέσο μετάδοσης σήματος τηλεόρασης ή Διαδικτύου, για παράδειγμα, περιορίζεται σε φθηνά πλαστικά μοντέλα μέτριας ποιότητας. Αλλά για εξοπλισμό λέιζερ και ακριβόΟι ιατρικές συσκευές χρησιμοποιούν ίνες χαλαζία υψηλής ποιότητας, που παρέχονται επίσης με πρόσθετους τροποποιητές.
Εφαρμογή της οπτικής ίνας στην ιατρική
Τέτοιες ίνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ιατρικό εξοπλισμό και όργανα. Η τυπική τεχνολογία προτείνει τη δυνατότητα εισαγωγής μιας ειδικής συσκευής που βασίζεται σε διαθλασμένες ίνες φωτός, η οποία μπορεί να μεταδώσει ένα σήμα σε μια εξωτερική κάμερα τηλεόρασης που βρίσκεται ήδη στο ίδιο το όργανο του σώματος. Οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται στην ιατρική και ως υλικό φωτισμού. Οι συσκευές εξοπλισμένες με μονάδες ινών καθιστούν δυνατό τον ανώδυνο φωτισμό των κοιλοτήτων του στομάχου, του ρινοφάρυγγα κ.λπ.
Χρήση οπτικών ινών σε εξοπλισμό υπολογιστών
Ίσως αυτή είναι η πιο κοινή θέση στην οποία η οπτική ίνα έχει βρει τη θέση της. Σήμερα, οι γραμμές επικοινωνίας μεταξύ μεμονωμένων συσκευών που μεταδίδουν πληροφορίες δεν μπορούν πλέον να κάνουν χωρίς αυτό. Φυσικά, αυτό ισχύει για εκείνους τους τομείς στους οποίους είναι αδύνατη ή μη πρακτική η χρήση ασύρματων συνδέσεων, οι οποίες επίσης αντικαθιστούν ενεργά τα καλώδια. Για παράδειγμα, οι μεγαλύτερες εταιρείες τηλεπικοινωνιών δημιουργούν διαπεριφερειακά δίκτυα κορμού που χρησιμοποιούν οπτικές ίνες. Η χρήση τέτοιων καναλιών για τη σύνδεση περιφερειακού εξοπλισμού και απλών καταναλωτών τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών σάς επιτρέπει να βελτιστοποιήσετε το οικονομικό κόστος της συντήρησης της υποδομής δικτύου και επίσης αυξάνει την αποτελεσματικότητα της ίδιας της μετάδοσης δεδομένων.
Μειονεκτήματα των φυτικών ινών
Δυστυχώς, τα οπτικά νήματα δεν είναι χωρίς αδυναμίες. Αν και η συντήρηση τέτοιων καλωδίων είναι φθηνότερη, για να μην αναφέρουμε την απουσία της ανάγκης για συχνές ενημερώσεις, το κόστος του ίδιου του υλικού είναι πολύ υψηλότερο από τα ίδια μεταλλικά αντίστοιχα. Επιπλέον, οι οπτικές ίνες και η χρήση τους στην ιατρική είναι εξαιρετικά περιορισμένη λόγω της περιεκτικότητας σε ακαθαρσίες μολύβδου και ζιρκονίου σε ορισμένα κράματα, τα οποία είναι τοξικά για τον άνθρωπο. Αυτό ισχύει κυρίως για μοντέλα γυαλιού υψηλότερης ποιότητας, όχι πλαστικά.
Παραγωγή οπτικών ινών στη Ρωσία
Στο πλαίσιο του προγράμματος υποκατάστασης εισαγωγών το 2015, άνοιξε το εργοστάσιο Optical Fiber Systems στη Μορδοβία. Αυτή είναι η μόνη επιχείρηση στη Ρωσική Ομοσπονδία, η οποία αυτή τη στιγμή προσπαθεί να καλύψει τις ανάγκες των οικιακών καταναλωτών σε οπτικές ίνες στο μέτρο του δυνατού. Μέχρι το 2015, η ρωσική βιομηχανία ασχολούνταν επίσης με την κατασκευή υλικών οπτικών ινών, αλλά μόνο στο πλαίσιο μεμονωμένων στοχευμένων έργων. Η ίδια κατάσταση επιμένει σε κάποιο βαθμό και σήμερα. Εάν μια συγκεκριμένη εταιρεία χρειάζεται οπτικές ίνες και η χρήση της στην ιατρική ή στον τομέα των τηλεπικοινωνιών δικαιολογείται οικονομικά, τότε υπάρχουν πολλά εργοστάσια που είναι έτοιμα να εργαστούν με τέτοιες ειδικές παραγγελίες σε ατομική βάση. Ωστόσο, στο εγγύς μέλλον, μόνο το εργοστάσιο της Μορδοβίας θα παράγει σειριακή παραγωγή των ίδιων καλωδίων οπτικών ινών. Επιπλέον, δεν είναι ακόμη σε θέση να τροφοδοτήσει την αγορά σύμφωνα με τον όγκο της ζήτησης. Σημαντικό ποσοστό προϊόντων εξακολουθεί να αγοράζεται από τις ΗΠΑ και την Ιαπωνία. Και ακόμη και εγχώρια προϊόντα παράγονται με εισαγωγήπρώτες ύλες.
Συμπέρασμα
Τα προϊόντα οπτικών ινών έχουν διαμορφωθεί ως τμήμα της αγοράς για περίπου 15-20 χρόνια. Με τα χρόνια, ο καταναλωτής μπόρεσε να εκτιμήσει τα πλεονεκτήματα των νέων καλωδίων, αλλά η πρόοδος δεν σταματά. Με τη βελτίωση των τεχνικών και φυσικών προσόντων διευρύνονται και οι τομείς εφαρμογής του υλικού. Οι πιο πρόσφατες ίνες που βασίζονται στη νανοτεχνολογία, ειδικότερα, χρησιμοποιούνται ενεργά στη βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου και στην αμυντική βιομηχανία. Με τη σειρά της, οι μη γραμμικές οπτικές ίνες αναπτύσσουν επί του παρόντος μόνο εννοιολογικούς, αλλά πολλά υποσχόμενους τομείς της τεχνολογίας. Μεταξύ αυτών είναι παλμοί λέιζερ συμπίεσης, οπτικά σολίτονα, υπερσύντομη οπτική ακτινοβολία κ.λπ. Προφανώς, εκτός από τη θεωρητική έρευνα με πιθανές ανακαλύψεις και στο πλαίσιο της αμιγώς επιστημονικής γνώσης, οι νέες εξελίξεις θα επιτρέψουν και νέες προσφορές σε καταναλωτές διαφορετικών επιπέδων στην αγορά.
