книги / Фотоника и оптоинформатика

ИК-диапазоне спектра, в котором собственное поглощение мало. При длине 1,3 мкм имеется локальный минимум с α ≈ 0,3 дБ/км и при 1,55 мкм абсолютный минимум с α ≈ 0,15 дБ/км.

Рис. 2. Коэффициент затухания для кварцевого стекла в зависимости от длины волны

Релеевское расссеяние света – когерентное рассеяние света на случайных оптических неоднородностях показателя преломления, размеры которых значительно меньше длины волны проходящего света. Релевское рассеяние происходит с частотами колебаний возбуждающего света. Интенсивность рассеиваемого средой света пропорциональна 1/λ4. При прохождении немонохроматического света через мелкодисперсную мутную среду в рассеянном свете преобладает коротковолновое излучение (цвет неба голубой), а в проходящем свете остается длинноволновое излучение (цвет зари оранжевый). В видимом диапазоне релеевское рассеяние света значительно превосходит хвост полосы УФ-поглощения и протягивается до начала ИК-поглощения, сужая окно прозрачности (см. рис. 2).

51

Экспериментальная часть

Схема установки

Собрать установку согласно схеме, представленной на рис. 3. Обозначения: ИП – источник питания GPS-&@303; ИМ – измеритель оптической мощности FTB-1750-02X-4; ОВ – оптическое волокно 1 м.

Рис. 3. Схема установки

Порядок выполнения работы

1.Включить источник питания и измеритель оптической мощности.

2.Подключить волокно от источника питания к измерителю оптической мощности.

3.Снять показания входной мощности излучения и занести показания в таблицу.

4.Приварить к волокну от источника излучения исследуемое волокно длиной L = 1 м и подключить его к измерителю оптической мощности.

5.Снятьпоказаниявыходноймощностиизанестиихвтаблицу.

6.Разделить исследуемое волокно пополам и приварить 50 см к волокну от источника и подключить его к измерителю мощности.

7.Снять показания и занести их в таблицу.

8.Повторить действия пп. 4 и 5 для волокна длиной 25; 12,5; 6,25 см и занести результаты в таблицу.

9.По формуле (3) определить коэффициент затухания в зависимости от длины волокна и занести данные в таблицу.

52

Пример заполнения

10. Построить график зависимости α(дБ/м) от длины оптоволокна z(м) на миллиметровой бумаге или с помощью ПК. Пример показан на рис. 4.

Рис. 4. Пример графика зависимости оптических потерь от длины волокна

11.По формуле (4) определить коэффициент пропускания

τ= PP((0)z) от длины оптоволокна z(м) и занести данные в таблицу.

12.Построить график зависимости коэффициента пропускания τ от длины оптоволокна z(м) на миллиметровой бумаге или с помощью ПК.

53

Выводы

Определена зависимость коэффициентов затухания α(дБ/м) и пропускания τ от длины оптоволокна z(м); построены соответствующие графики зависимости.

Контрольные вопросы

1.Запишите и объясните формулу для коэффициента затухания от длины волокна.

2.Запишите и объясните формулу для коэффициента пропускания от длины волокна.

Список литературы

1.Салех Б., Тейх М. Оптика и фотоника. Принципы и применения: учеб. пособие: в 2 т. – Т. 1. – Долгопрудный: Интеллект, 2012. – 760 с.

2.Кирчанов В.С. Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики: учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2020. – 351 с.

3.Инструкция к измерителю оптической мощности.

4.Инструкция к источнику питания.

5.Инструкция к сварочному аппарату для сварки ВОС.

6.Инструкция к адаптеру.

54

Лабораторная работа № 5 Измерение предела прочности оптического волокна методом одноосного растяжения

Цель работы: проведение физических исследований по изучению процессов, влияющих на прочность и срок службы волоконных световодов. Предметом исследования являются предельная прочностьОВивеличинапараметрадинамическойусталости.

Оборудование: разрывная машина Instron 5969; защитные очки; гигрометр; термометр; оптическое волокно: акрил, полиамид, углерод/полиамид, покрытие – медь, алюминий.

Краткие теоретические сведения

Основные характеристики стекла

Прочностью называется свойство материалов противостоять разрушению при воздействии внешних нагрузок. Характеристикой механической прочности является предел прочности – максимальное механическое напряжение, при превышении которого происходит разрушение стекла. Основным методом измерения предела прочности является испытание на разрыв отрезков световодов на стандартной разрывной машине при различных скоростях растяжения (динамическая усталость). Под действием статической нагрузки, в зависимости от характера механического воздействия, материал характеризуется различными прочностными характеристиками: прочностью на растяжение; на сжатие; на изгиб; микротвердостью; абразивной стойкостью. Рассматривая прочностные характеристики стекла, нужно отличать две различные величины: теоретическую и техническую прочности.

Теоретическая прочность является условной величиной, оценочно рассчитываемой для некоего идеального бездефектного гомогенного стекла, нагружаемого квазистатично при низких температурах. Эта условная величина зависит от природы и прочности химических связей в структуре стекла и является характеристикой материала.

55

Техническая (или практическая) прочность является характе-

ристикой реальных изделий из стекла. Реальная прочность изделий из стекла определяется поверхностными дефектами и микротрещинами, возникающими при производстве или эксплуатации этих изделий. Эти поверхностные дефекты снижают прочность стекла, и практическая прочность стеклоизделий составляет лишь 1/1000–1/100 от теоретической величины.

Практическая прочность зависит от геометрии стеклянного изделия. Так, для обычных стеклянных изделий прочность на растяжение находится в диапазоне 0,02–0,10 ГПа, для некоторых специальных изделий (автомобильные стекла) эта величина составляет 0,3–0,5 ГПа, а для тонких стеклянных волокон (диаметром несколько микрон) достигает 3,5 ГПа и более [1].

Измеряемая величина прочности может зависеть от места приложения нагрузки к образцу, так как практическая прочность образца стекла определяется его слабейшим участком.

Твердость стекла – способность противостоять деформации и разрушению его поверхностного слоя. Твердость является важной технической характеристикой материала, определяющей не только эксплуатационные характеристики, но и его абразивоустойчивость, технологические особенности процессов обработки стеклянных деталей – шлифования, полирования и резания. Твердость стекла обычно характеризуют с помощью вдавливания в материал индентора, царапания или истирания абразивом.

Для испытания твердости стекла с помощью вдавливания индентора разработаны различные экспериментальные методики:

–метод Виккерса – вдавливание алмазной пирамиды с углом при вершине, равным 136º;

–метод Кнупа – вдавливание ромбовидной алмазной пира-

миды;

–метод Бриннеля – вдавливание стального шарика диаметром 1 мм;

–метод Роквелла – вдавливание алмазного конуса с полусферической вершиной.

56

При испытаниях микротвердости по этим методам ее величина определяется как отношение приложенной нагрузки F к площади полученного отпечатка S. На рис. 1 приведены характерные отпечатки инденторов при измерениях микротвердости H по методам Виккерса и Кнупа.

Рис. 1. Форма характерных отпечатков инденторов при измерении микротвердости по методам Виккерса (а) и Кнупа (б)

Отметим, что при вдавливании индентора в такой хрупкий материал, как стекло, возникает опасность образования трещин в точке приложения нагрузки. Поэтому при измерении микротвердости стекла прикладываемые нагрузки невелики (0,01–2 Н). Размеры соответствующих отпечатков на поверхности стекла также очень малы (несколько микрон), поэтому при определении стойкости материала к вдавливанию индентора, мы говорим о микротвердости стекла.

Микротвердость стекла зависит от прочности химических связей в материале. Поэтому микротвердость стекол зависит от их химического состава и изменяется в пределах 4–10 ГН/м2. Высокими значениями микротвердости характеризуются различные виды кварцевого стекла (9–10 ГН/м2), а низкой микротвердостью обладают свинцовосиликатные стекла (4,2–4,7 ГН/м2). Микротвердость стекла может быть значительно увеличена методами поверхностногоупрочнения, например, низкотемпературнымионнымобменом.

57

Обсуждая величины микротвердости стекла, необходимо обязательно указывать, каким методом эта величина определялась. Несмотря на то, что величины микротвердости, измеренные различными методами, имеют одинаковую размерность, значения микротвердости, например по Виккерсу, не могут сравниваться с величинами, определенными по методу Кнупа.

Хрупкостью стекла называется его свойство разрушаться без пластической деформации под действием возникающих в нем напряжений. По другому определению хрупкость стекла представляетсякакотношениетвердостиматериалакегопрочности[3].

Хрупкостью при деформировании обладают стекла, находящиеся в твердом состоянии (при температурах ниже интервала стеклования), в котором затруднено протекание процессов релаксации возникающих напряжений. Хрупкий характер разрушения стекла проявляется в условиях, когда скорость действия внешней прикладываемой нагрузки намного превышает скорость релаксации возникающих напряжений, например при ударе.

В качестве характеристики хрупкости стекла используется величина ударной вязкости KC, представляющая собой отношение работы A удара, затраченную на пластическую деформацию и разрушение образца к площади поверхности поперечного сечения образца S в месте надреза до испытания:

Для стекол эта величина очень мала (примерно на два порядка меньше, чем у металлов) и составляет 1,5–2 кН/м.

Другими величинами, характеризующими хрупкость стекла,

являются индексы хрупкости и недолговечности, определяемые на основании измерений микротвердости стекла по Виккерсу. При вдавливании пирамиды в поверхность стекла при приложении определенной нагрузки на поверхности стекла формируется отпечаток иобразуютсятрещины, каксхематичнопоказанонарис. 2.

58

аб

Рис. 2. Схематическое изображение отпечатка и трещины, образовавшихся при вдавливании пирамиды Виккерса в поверхность стекла: a – вид сбоку; б – вид сверху; длина диагонали отпечатка пирамиды l, длина трещины b

Большей хрупкости стекла соответствует большая величина отношения длины образовавшейся трещины b к размеру диагонали отпечатка l.

Индексы недолговечности и хрупкости являются очень близкими величинами и их значения различаются не более чем на 5 %. Эти величины довольно широко используются на практике в качестве характеристик хрупкости стекол благодаря относительной простоте и доступностиэкспериментальногооборудованиядляихопределения.

Модель Гриффитса

В 1920 г. Гриффитс предположил, что трещина начинает расти в том случае, когда уменьшение упругой энергии в образце из-за разгрузки материала вокруг растущей трещины равно или больше увеличения свободной поверхностной энергии, возникающей при образовании новых поверхностей. Согласно Гриффитсу критерий распространения трещины

где σкрит – наименьшее напряжение растяжения, необходимое для распространения трещины как хрупкой; Е – модуль Юнга; γ – по-

59

верхностная энергия стенок трещины, отнесенная к единице ее

площади; a – половина длины трещины (глубина).

В 1958 г. Ирвин для описания перенапряжений в вершине трещиныввелпонятиекоэффициентаинтенсивностинапряжений:

где Y – геометрический фактор, близкий к единице, дает учет различной формы трещин; σ – прикладываемое напряжение. Например, для полуэллиптической трещины Y = 1,24. Радиус кривизны в вершине в этом случае учитывается геометрическим фактором. Согласно соотношению (3) разрушение хрупкого материала происходит при приложении к нему напряжения:

где KIC – критический коэффициент интенсивности напряжений. Согласно концепции Гриффитса KIC является константой материала и зависит от поверхностной энергии и модуля Юнга.

Рис. 3. Полуэллиптическая трещина на поверхности стекла

Согласно теории Гриффитса образец стекла может находиться под нагрузкой бесконечно долго, если только он не разрушится в момент нагружения. Однако многочисленные экспериментальные данные показывают, что при приложении к стеклянному образцу нагрузки меньше критической он через некоторое время разрушится. Время до разрушения зависит от

60