Физические процессы определяющие прочность и долговечность волоконных световодов

• Автор: Семенов, Сергей Львович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1997
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 125 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА Г МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВЕТОВОДОВ НА ОСНОВЕ
КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
§ 1. Г Рост трещин в кварцевом стекле
§ 1.2. Влияние условий окружающей среды на параметры
статической усталости кварцевого стекла
§ 1.3. Световоды с герметичными покрытиями
§ 1.4. Прогнозирование срока службы световодов.
Перемотка под нагрузкой
ГЛАВА 2. ВОЗДЕЙСТВИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ПАРАМЕТРЫ
СТАТИЧЕСКОЙ УСТАЛОСТИ СВЕТОВОДОВ В ПОЛИМЕРНОМ
ПОКРЫТИИ
§ 2.1. Методики измерения параметров статической усталости.
Экспериментальные установки
§ 2.2. Влияние влажности на параметры статической усталости
§ 2.3. Влияние химических реагентов на параметры статической усталости . 44 § 2.4. Стрение и статическая усталость световодов в горячей воде
ГЛАВА 3. СВЕТОВОДЫ В ГЕРМЕТИЧНЫХ ОБОЛОЧКАХ
§ 3.1. Термофлуктуационный механизм статической усталости
кварцевого стекла в отсутствие влаги
§ 3.2. Световоды с металлическими покрытиями, нанесенными методом
намораживания
§ 3.3. Световоды с углеродным покрытием
3.3.1. Экспериментальная установка
3.3.2. Предельная прочность световодов в углеродном покрытии
3.3.3. Поврежденные световоды в углеродном покрытии
ГЛАВА 4. СРОК СЛУЖБЫ СВЕТОВОДА ПОСЛЕ ПЕРЕМОТКИ
ПОД НАГРУЗКОЙ
§4.1. Прочность световода после перемотки под нагрузкой
§ 4.2. Срок службы световодов в полимерном покрытии
§ 4.3. Методы определения параметра т
§ 4.4. Срок службы световодов в герметичных покрытиях
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Широкое использование волоконных световодов в системах оптической связи и разнообразных датчиках физических полей обусловило повышенный интерес к их долговечности. Существует ряд причин, приводящих к ухудшению работоспособности волоконных световодов, например, увеличение оптических потерь из-за микроизгибов при изменении температуры окружающей среды [1], рост потерь под действием ионизирующих излучений [2] или из-за диффузии водорода в сердцевину световода в подводном кабеле [3]. Однако, наиболее катастрофические последствия для волоконно-оптических систем и устройств происходят при разрушении световода в процессе эксплуатации. Поэтому именно изучению физических процессов, определяющих прочность и долговечность волоконных световодов и посвящена настоящая работа.
Прочность бездефектного кварцевого волокна выше прочности стальной проволоки такого же диаметра [4,5], однако любое соприкосновение поверхности волокна с твердым предметом или даже частицей пыли, находящейся в воздухе приводит к появлению на поверхности стекла микротрещин, которые при приложении растягивающей нагрузки начинают быстро расти. В результате разрывная прочность кварцевых волокон оказывается намного ниже теоретического предела прочности кварцевого стекла.
Первые волоконные световоды из кварцевого стекла изготавливались без полимерных оболочек и имели поэтому очень низкую прочность. Вскоре проблема повреждения световодов при вытяжке была решена путем использования защитных полимерных покрытий различных типов, которые наносились на световод прямо в процессе вытяжки и затвердевали до момента первого контакта световода с каким-либо твердым телом (ролики, катушка) [4]. Следует отметить, что дефекты, вызывающие уменьшение прочности световода, могут возникать не только вследствие контакта световода с твердыми телами в процессе вытяжки, но и на более ранних стадиях его изготовления. В частности к снижению прочности световода могут

приводить инородные частицы, которые могут находиться в опорных кварцевых трубах, используемых при изготовлении заготовок световодов, микротрещины в заготовках, которые при вытягивании световода трансформируются в поверхностные дефекты световода, частицы пыли в печи для вытяжки световодов [5].
В результате анализа причин, вызывающих разрушение световодов, были выработаны некоторые общие технологические требования (изготовление заготовок из материала без внутренних включений, химическая и огневая полировка заготовки перед вытяжкой, контроль атмосферы в зоне нагрева, работа в обеспыленном помещении, очистка от пыли полимерных материалов для покрытия) [5,6], которые позволяют получать "бездефектные" световоды с высокой прочностью на разрыв на коротких кусках (~1 м, ~5 ГПа) и ее узким разбросом. Следует отметить, что малый разброс разрывной прочности на коротких кусках не позволяет гарантировать отсутствие одной или нескольких слабых точек на длине световода в несколько километров. Даже при соблюдении всех вышеупомянутых технологических требований, на большой длине световода возможно появление редких дефектов, которые отбраковываются с помощью перемотки под нагрузкой уже после вытяжки световода. Рекордным по литературным данным является результат, когда световод длиной 15,6 км прошел без обрыва перемотку с нагрузкой 3,5 ГПа [7]. При промышленном производстве световоды перематываются обычно под нагрузкой 0,3-1,4 ГПа. При этом один обрыв (дефект) приходится на километры и даже десятки километров перемотанных световодов [7,8,9].
Успешное решение проблем, связанных с получением высокопрочных световодов большой длины выдвинуло в середине 80-х годов на первый план новые задачи. Основное внимание стало уделяться долговечности таких световодов. Уже было известно, что световоды в полимерных оболочках подвержены статической усталости [10], то есть световоды под нагрузкой постепенно снижают свою прочность вплоть до разрушения из-за медленного роста дефектов на их поверхности. Известно было и то, что главным фактором, определяющим скорость статической усталости кварцевого стекла является присутствие паров воды [11], однако данные, приводимые

Рисунок 2.1. Нагружение световода методом намотки на оправку.
Рисунок 2.2. Нагружение световода методом двухточечного изгиба.