пятница, 5 февраля 2016 г.

12. Волоконная оптика - прикольное изобретение человечества. часть 12

Уж если вы осилили предыдущие части про волоконную оптику и дошли до этого места повествования, то уже можете вполне осознанно обсуждать некоторые аспекты производства оптоволокна. И это знание (синица в руках) может вам пригодиться самым неожиданным образом.
Например, для более глубокого понимания Мира при просмотре информации про этого знаменитого товарища  - Путешественник во времени Никола Тесла.
Далее я буду "углубляться" в тему еще и еще, а вы не один раз вспомните про Теслу ...

Оптоволокно - это световод

Согласитесь, что в жизни очень часто знания из одной области "науки" могут дать толчок при поисках выходов из тупиков в других областях естествознания. А синица может стать путеводной птичкой, если ее приручить (освоить) и отпустить (поверить в свои возможности).

Ну, а еще можно добавить, что прорывы в технологиях происходят быстрее всего на стыках смежных знаний. Смотрите шире, ведь шоры может и помогают быстро нестись по выбранному узкому пути, но мешают адекватно понимать проносящийся мимо окружающий Мир.

Скромно предлагаю не пользоваться шорами при освоении жизни на Земле.

После такого небольшого вступления продолжу рассуждать про оптику в волокне.
На этот раз поговорим сначала о прочности волокон. В частности о прочности стеклянного волокна.
И попробуем порассуждать хотя бы с позиции инопланетянина о кухне элитного земного ресторана (образ инопланетянина на чужой кухне немного смешной). То есть, дорогой инопланетянин, сейчас не просто потребляем красиво предложенное "лакомство", но и активно интересуемся - а почему оно вот такое? И по-прежнему не боимся задаваться глупыми вопросами, ведь мы же смелые исследователи планет, уж коли прибыли на Землю?

Итак, начнем. С улыбкой.

Как известно, рвётся всегда в слабом месте. О, это интересно, то есть заостряем наше внимание на слабых местах. Логически на месте обрыва, в слабом месте, или было тонко, или "подгнило". Как ни странно, смотрим сейчас не на волокно, а на строение троса и весело удивляемся конструкции.

Не одно столетие люди придумывали такую конструкцию троса, а тренировались на канатах и нитках
Факт - толстая проволока прочнее тонкой, но хуже изгибается. Поэтому для сочетания двух нужных свойств делается гибкая тонкая проволока и из нее плетется толстый прочный канат. Это, как видите, придумать было относительно просто. В середине конструкции имеется стержень (сердечник).

Таким же способом пытаются достигнуть эффекта прочности плюс гибкости и с канатами, и с нитками.

Но с оптическим волокном так поступать нельзя - ведь волокно еще должно пропускать сквозь себя свет, а свет не любит непрямого пути. Поэтому оптоволокно должно иметь минимум изгибов.
Остается гибкую, тонкую и прямую нить непрочного стекловолокна упрочнять снаружи тоже гибкими и одновременно достаточно прочными на разрыв материалами. Такую роль могут выполнять полимеры. Ниже пример сложной защиты оптического волокна.

Оптоволоконный кабель

Может быть кто-то и не знает, но полимеры имеют как бы ниточную химическую структуру, поэтому похожи по механическим свойствам на трос или на канат - множество отдельных гибких нитей-волокон-цепочек соединены в прочную связку.

Полимерные цепочки

Полимер гибок и прочен за счет молекулярных цепочек. Остается только найти самые прочные молекулярные нити-цепочки и использовать эти полимеры для оплётки оптоволокна.
И еще можно привязывать волокно к гибкому стержню, как на картинке ниже:

Привязка оптоволокна к стальному тросу.

Я рассказал про довольно известные способы упрочнения "ниток" - про скручивание, армирование и про подбор молекулярных цепочек у полимеров, покрывающих волокно.

Зададимся теперь вопросом - а можно ли упрочнить само оптоволокно?

Думаю, что можно. И сделать это надо, например, по принципу "закаливания" стекла, то есть воздействовать на поверхность волокна. Замечу, что озвучиваю теорию любознательного и безграничного почемучки, который вечно твердит любимое: "а почему нет?". Он же еще и инопланетянин. :)

В этом месте кратко остановлюсь на собственном опыте ионизированного упрочнения поверхности стекла, что равносильно по смыслу "закаливанию". Дело было при сдаче моего институтского диплома.
Естественно, что для опытов надо было подготовиться теоретически, и я прочитал и обдумал некоторое количество научного материала. А упрочнять пришлось обычные стекла и необычные стеклянные бруски для прожекторов.
Приглядитесь к фото зенитного прожектора - увидите полосы стекла.
 
Прожектор

А также можно иметь на прожекторах вместо полосок стекла и нечто подобное плоским линзам.

Упрочнять такое стекло просто необходимо, иначе раскаленное от лампы стекло при попадании капель дождя непременно разлетится на кусочки.

Работая над дипломом, для полного понимания того, "что же я делаю", с удовольствием рисую себе всякие схемки, представляю проникновение одного вещества внутрь другого. Затем обсуждаем это с моим научным руководителем, аспирантом, который пишет диссертацию на тему ионообмена. Провожу опыты, записываю результаты, передаю аспиранту. Аспирант колдует с химреактивами и объясняет мне свои задумки. Я добавляю свои соображения...

Так идет день за днем, и наше общее понимание вопроса исследований становится шире, а результаты улучшаются.

Аспирант всё лучше пишет диссертацию, а я, логично, красивее пишу диплом.

В итоге такой глубокой совместной проработки вопроса я успешно сдаю диплом, а аспирант успешно защищает диссертацию. Меня приглашают в аспирантуру.

Так, кстати, выглядит еще один пример успешного продвижения по карьерной лестнице.

Если у вас возник вопрос - при чем здесь оптоволокно(?), не торопитесь меня осуждать. Объясню позже. А сейчас подробнее о закалке стекла.

Беда стекла в его хрупкости и способности лопаться от точечного воздействия, даже от царапин. Стекло с дефектной поверхностью самое слабое. И наоборот, абсолютно гладкая, неповрежденная поверхность стекла делает его значительно прочнее.
Однако даже гладкое стекло может быстро разрушаться от простого надавливания, если его кромка, место реза, с дефектами.

 
Трещина в оконном стекле пошла от кромки полотна стекла - видимо там был дефект

Теперь зададимся вопросом - а что делает закаливание со стеклом? Что упрочняет стекло?
Но сначала посмотрим, как проверяется прочность стекла.

Проверка на термоудар (выдерживание резкой разницы температур)

Как видим на картинке выше, проверку разрушения проводят с помощью разницы температур - стекло нагревают и затем опускают в воду.
На нижней картинке демонстрация прочности закаленного стекла, у которого обязательно хорошо обработана кромка.


Кстати, если обратить внимание на влияние кромки на прочность стекла, то невольно возникнет ассоциация с надутым шариком.

Воздушные шарики,
только форма у нашего "стекло-шарика" плоская

Воздушный шар не так-то просто лопнуть, если давить на его поверхность, а не прокалывать - оболочка воздушного шара некоторое время не рвется от надавливания, она растягивается до своего предела, а только потом рвётся.

Вот также ведет себя и "оболочка" стекла - она постоянно натянута до предела, а "рвется" от сверхвоздействия, мгновенно расширяя начавшийся разрыв - получается трещина и разрушение затрагивает не только поверхность, но и тело стекла.
Края трещины чуть разъезжаются - это говорит о том, по моему, что внутри стекло стремится сжаться, "сдуться", а внутренние связи всего стекла растянуты.
 
Трещина в лобовом стекле
Из сравнения стекла с воздушным шариком понятно, что кромка стекла - это тоже часть оболочки представляемого нами стеклянного плоского "шарика", а рвется там, где слабо - см. картинку выше - ту, где трещина в оконном стекле.

На картинках ниже схемы, объясняющие мои представления о строении незакаленного и закаленного стекол.
   
Справа остывшее стекло

На нижних схемах два варианта видения мною результата закалки.


1 вариант представления закалки.
На этой схеме поверхностный, быстро остывший слой потерял пластичность, не может уже сжиматься, держит форму. "Ионы" на поверхности плотно прижаты друг к другу. А плавно остывающее внутреннее стекло хочет сжаться еще и тянет за собой уже остывший прилегающий поверхностный слой (но поверхность всё равно не сжимается, держит форму).

От тянущего внутрь усилия поверхностный слой вынужден напрягаться, благодаря чему дополнительно растет сопротивление разрыву поверхности стекла, то есть поверхностное натяжение усиливается. А внутри стекла можно представить некоторый условный вакуум.

2 вариант представления закалки.
Получается, что тонкий верхний слой стекла при воздействии холода затвердевает, но расстояние между "ионами" в верхнем слое (синие кружки) остается таким же, как и внутри еще нагретого стекла (красные кружки слева), то есть синие "ионы" в оболочке закаленного стекла несколько дальше друг от друга, чем могли бы быть в остывшем состоянии.

После быстрого остывания поверхности закаливаемого стекла постепенно остывает и всё тело стекла, внутренние "ионы" (голубые шарики) сближаются друг с другом.

После полного остывания, при создавшемся неравноправном положении голубых и синих "ионов" при поверхности стекла, неизбежно возникают постоянные силы, стремящиеся сблизить между собой внешние синие "ионы" до состояния голубых "ионов ". Но этого сближения не происходит, так как стекло уже не имеет достаточного пластического состояния.

В результате возникает сильное поверхностное стягивающее напряжение.
То есть условно здесь тоже можно представить внутри стекла некоторый вакуум.




Как делается закаленное стекло?

Закалку стекла осуществляют нагревом до температуры 630—650°С с последующим быстрым и равномерным охлаждением воздухом в течение 2,5—3 мин.

Ниже один пример использования закаленного стекла с обработанными кромками:
Конструкция из закаленного стекла
Пример разрушения закаленного стекла:
Разрушение закаленного стекла происходит без острых режущих кромок.
Это удобно для безопасности людей в автомобилях и в других местах.
Если всё понятно с принципом поверхностного упрочнения, добавлю, что существуют два способа создания стягивающих напряжений - термический и химический.
Термический - это закалка.
А химический делается ионообменом.

Принципиально результат от обеих способов ничем не отличается - получается стягивающее напряжение поверхности стекла.
Дополнительно для еще более лучшего показателя прочности стекло могут химически "протравить", отполировать и покрыть всякими пленками.

Посмотрите на закаленные стекла.



Расскажу теперь про ионообмен - это уже ближе к волоконной оптике.

На левой картинке простое неупрочненное стекло.
Справа стекло с проведенным ионообменом.


На картинке выше видно, что "ионы" красного цвета больше по диаметру, чем соседние голубые и синие, тем самым красные нарушают равномерность укладки голубых и синих.

Внутри стекла примерно однородная структура из голубых и синих. Крупные "ионы" (красные) подменяют собой родные "ионы" (голубые), и в создавшемся положении как бы расталкивают прилегающие маленькие голубые и синие "ионы", создают напряжение у поверхности стекла. То есть снова, как и при термическом закаливании стекла, на поверхности возникает стягивающий эффект. Как и следовало ожидать, при этом получается упрочненное стекло. Прочность увеличивается в несколько раз.

Не буду описывать преимущества одного способа упрочнения над другим. Не буду углубляться в технологии производства стекла. Это уже тема другого поста. Нам же важно понимание принципа получения поверхностной прочности. Кстати, такой же эффект усиления прочности получается и при закалке стали.

Возвращаемся к волоконной оптике.

Если помните, я говорил в части о вытяжке про потерю прочности волокна, если на волокно при вытяжке оседает пыль или конденсируются испарения кварца.
На основе сказанного в настоящей части про упрочнение стекла становится понятен механизм пагубного воздействия любого вещества на гладкую поверхность волокна - даже группы атомов других веществ могут поменять поверхностное натяжение. Таким образом создаются точечные очаги напряжений, слабые места.

В результате попадания любых инородностей на поверхность волокна мы получаем потенциальную точку обрыва "нити", а также можем получить точечное воздействие на световедущую жилу, а такое точечное воздействие может привести к потерям света.


В конце посмотрите ролик про ионообмен. Для общего развития.


Благодарю за внимание.
С уважением, Виктор Мирошкин.
 
P.S. - У меня еще есть, что рассказать про волоконную оптику.

Отредактировано 14 марта 2016 г.



Дополнительно:

По сути обычная закалка, но есть нюанс
http://velemudr.blogspot.ru/2017/05/blog-post.html 

Лженаука и символ чести
http://vimstory.blogspot.ru/2017/03/blog-post_6.html

Как евреи 40 лет радиосвязь с Богом делали
http://vimstory.blogspot.ru/2017/03/40.html

Фантастика из СССР
http://vimstory.blogspot.ru/2017/02/blog-post_22.html


---