Волоконный световод с повышенной стойкостью к диффузии молекул из окружающей среды
Владельцы патента RU 2314556:
Научный центр волоконной оптики при Институте общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук НЦВО при ИОФ РАН (RU)
Изобретение относится к технологии создания волоконных световодов и может быть использовано в областях, где условия работы требуют защиты световода от диффузии примесей извне. Создаются продольные полости в стеклянной оболочке волокна с заполнением этих полостей газом, не влияющим на оптические потери в световоде. В качестве газа используется гелий или дейтерий. Диффузия газа из полостей световода наружу препятствует диффузии водорода из окружающей среды внутрь световода к его световедущей сердцевине. Полости при этом располагаются достаточно далеко от световедущей сердцевины световода, чтобы не мешать распространению света по сердцевине. Сердцевина световода может быть одномодовая или многомодовая, из нелегированного кварцевого стекла или из кварцевого стекла, легированного оксидами германия, фосфора, алюминия, бора. Полости могут заполняться газом не только через торец световода, но и сбоку через вскрытые полости в определенном месте световода. Технический результат - возможность работы в атмосфере, содержащей водород при повышенных температурах без дополнительных оптических потерь, связанных с водородом. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к технологии создания волоконных световодов и может быть использовано в областях, где условия работы требуют защиты световода от диффузии примесей извне. Например, чтобы повысить надежность и увеличить время жизни приборов на основе волоконных световодов, измеряющих температуру, давление и другие физические величины.
Известно, что волоконные световоды, работающие в окружающей среде с тяжелыми условиями, используемые для распределенных температурных датчиков в скважинах, иногда неприемлемо быстро теряют работоспособность из-за большого роста оптических потерь (затухание сигнала).
Этот эффект связан с влиянием водорода, диффундирующего при высоких температурах и давлении в световод и взаимодействующего с материалом световедущей сердцевины. Существует большое количество исследований, посвященных причинам, механизмам и возможным решениям этой проблемы, поскольку какое-либо использование световодов после воздействия водорода становится невозможным.
Необходимость защищать световод от диффузии водорода и, тем самым, сохранять его физические характеристики является проблемой, требующей решения.
Однако решение этой проблемы путем нанесения различных «герметичных» покрытий дает только временный эффект. Они лишь несколько замедляют деградацию световода.
Известно волокно на основе фотонного кристалла, выбранное в качестве прототипа (Патент RU № 2226705). Изобретение относится к оптоволоконной технике и может быть использовано в оптических усилителях, лазерах, спектральных фильтрах, газовых датчиках и телекоммуникационных сетях. Волокно содержит область с однородным низким показателем преломления, которая окружается оболочкой, которая является периодической структурой из областей с различными показателями преломления. Область с низким показателем преломления имеет наибольший размер, который больше, чем отдельный самый короткий период оболочки. Световое излучение удерживается в области с более низким показателем преломления за счет запрещенной энергетической зоны фотонного кристалла оболочки. Отношение областей оболочки с низким показателем преломления к областям с высоким показателем преломления по объему равно по меньшей мере 15%. Способ изготовления волокна включает формирование пакета стержней, который включает по меньшей мере один усеченный стержень, определяющий полость в пакетах, и протягивание пакета в волокно, имеющее удлиненную полость. При этом обеспечено увеличение передаваемой мощности. Таким образом, отличительной чертой вышеописанного световода на основе фотонного кристалла является наличие в нем полостей, расположенных по продольной оси, как в световедущей сердцевине, так и в отражающей стеклянной оболочке. Однако в волокне на основе фотонного кристалла отсутствует механизм защиты от диффузии водорода внутрь волокна, что приводит к существенным оптическим потерям в нем.
Предметом изобретения является волоконный световод, который может работать в атмосфере, содержащей водород, при повышенных температурах без дополнительных оптических потерь, связанных с водородом.
Решение поставленной задачи достигается путем создания продольных полостей в стеклянной оболочке волокна и заполнением полостей газом, не влияющим на оптические потери в световоде. При этом газ в полостях находится под давлением, превышающим парциальное давление водорода в окружающей среде.
На Фиг.1 изображен волоконный световод 100, световедущая сердцевина 110, отражающая стеклянная оболочка 120 и полости 130.
На Фиг.2 изображен волоконный световод 200 с несколькими рядами полостей, где световедущая сердцевина 210, отражающая стеклянная оболочка 220, первый ряд полостей 230, второй ряд полостей 240.
Изобретение описывает волоконный световод (оптическое волокно) с повышенной стойкостью к диффузии молекул из окружающей среды, который может работать в атмосфере, содержащей водород при повышенных температурах, не имея прироста оптических потерь, связанных с водородом. Этот эффект достигается созданием продольных полостей в стеклянной оболочке волокна и заполнением этих полостей газом, не влияющим на оптические потери в световоде. Диффузия газа из световода наружу препятствует диффузии водорода из окружающей среды внутрь световода к его световедущей сердцевине.
Сердцевина световода может быть одномодовая или многомодовая, из нелегированного кварцевого стекла или из кварцевого стекла, легированного оксидами германия, фосфора, алюминия, бора и т.п.
Кроме того, сердцевина световода может быть выполнена сплошной или микроструктурированной (дырчатой).
Защитное покрытие может состоять из полимерного покрытия, герметичного покрытия (например: метал, углерод, керамика) или комбинации герметичного и полимерного покрытий.
На Фиг.3. изображен волоконный световод 300 с полостями и защитным покрытием, где 310 - световедущая сердцевина; 320 - отражающая стеклянная оболочка; 330 - полости; 340 - защитное покрытие.
В качестве газа может использоваться гелий или дейтерий.
Полости могут заполняться газом не только через торец световода, но и сбоку через вскрытые полости в определенном месте световода. В этом случае концы световода могут быть сварены с обычным световодом и использоваться для ввода-вывода сигнала, как показано на Фиг.4.
Диаметры световода и полостей могут варьироваться и быть увеличены, чтобы получить лучшее соотношение между скоростью диффузии газа наружу и скоростью подачи газа по полостям на всю дину световода в случае большой длины световода.
Физическая сущность предложенного технического решения заключается в том, что диффузия газа из полостей через стеклянную оболочку наружу препятствует диффузии водорода из окружающей среды внутрь световода к его световедущей сердцевине. Полости при этом располагаются достаточно далеко от световедущей сердцевины световода, чтобы не мешать распространению света по сердцевине. Диффузия газа из световода наружу препятствует диффузии водорода из окружающей среды внутрь световода к его световедущей сердцевине. Таким образом, водород не диффундирует при высоких температурах и давлении в световод и не ухудшает оптических параметров световедущей сердцевины. Экспериментальные данные, представленные на Фиг.5, подтверждают преимущества заявленного технического решения при сравнении спектров оптических потерь в сплошных световодах и в градиентных световодах легированных оксидом германия после выдержки в атмосфере водорода при давлении 30 атм при температуре 300°С в течение 1 часа.
Таким образом, предлагаемое техническое решение является новым, не известно из современного уровня техники, промышленно применимо в волоконной оптике и дает положительный эффект при его применении.
1. Волоконный световод с повышенной стойкостью к диффузии молекул из окружающей среды, содержащий световедущую сердцевину, стеклянную оболочку, а также защитное покрытие, нанесенное поверх оболочки, отличающийся тем, что в стеклянной оболочке по всей длине световода располагаются продольные параллельные оси световода полости, заполненные гелием или дейтерием под давлением, превышающим парциальное давление водорода в окружающей среде, полости располагаются на расстоянии от световедущей сердцевины световода, не влияющем на распространение света по сердцевине.
2. Волоконный световод с повышенной стойкостью к диффузии молекул из окружающей среды по п.1, отличающийся тем, что световедущая сердцевина выполнена из нелегированного кварцевого стекла.
3. Волоконный световод с повышенной стойкостью к диффузии молекул из окружающей среды по п.1, отличающийся тем, что световедущая сердцевина выполнена из кварцевого стекла, легированного оксидами одного материала из группы германий, фосфор, алюминий, бор.
4. Волоконный световод с повышенной стойкостью к диффузии молекул из окружающей среды по п.1, отличающийся тем, что световедущая сердцевина выполнена сплошной или микроструктурированной.
5. Волоконный световод с повышенной стойкостью к диффузии молекул из окружающей среды по п.1, отличающийся тем, что световедущая сердцевина выполнена одномодовой или многомодовой.
6. Волоконный световод с повышенной стойкостью к диффузии молекул из окружающей среды по п.1, отличающийся тем, что защитное покрытие состоит из полимерного покрытия.
7. Волоконный световод с повышенной стойкостью к диффузии молекул из окружающей среды по п.1, отличающийся тем, что защитное покрытие состоит из герметичного покрытия.
8. Волоконный световод с повышенной стойкостью к диффузии молекул из окружающей среды по п.7, отличающийся тем, что герметичное покрытие состоит из одного из материалов из группы: металл, углерод, керамика.
9. Волоконный световод с повышенной стойкостью к диффузии молекул из окружающей среды по п.1, отличающийся тем, что защитное покрытие состоит из комбинации герметичного и полимерного покрытий.
10. Волоконный световод с повышенной стойкостью к диффузии молекул из окружающей среды, содержащий световедущую сердцевину, стеклянную оболочку, а также защитное покрытие, нанесенное поверх оболочки, отличающийся тем, что в стеклянной оболочке по всей длине световода располагаются продольные параллельные оси световода полости, заполненные гелием или дейтерием под давлением, превышающим парциальное давление водорода в окружающей среде, полости располагаются на расстоянии от световедущей сердцевины световода, не влияющем на распространение света по сердцевине, причем сбоку в определенном месте световода в полостях имеются вскрытия, через которые эти полости могут заполняться газом.
