Optilised kiud on näide sellest, kuidas teaduslikud teadmised muutuvad tehnoloogiliseks progressiks, muutes lõppkokkuvõttes tavainimese elu lihtsamaks. Juba mitu aastat on fiiberoptikat seostatud sidevahenditega elektriliste signaalide edastamiseks. Inimjuukse suurusi õhukesi filamente saab kasutada mitmesuguste signaalide edastamiseks, mis on vajalikud telefoni, Interneti-ühenduse, televiisori jne kasutamiseks. Muidugi on kiudoptika tänu oma suurele jõudlusele leidnud kasutust mitte ainult kodused vajadused.
Optilise signaali edastustehnoloogia
Iseenesest on optilise kiu kasutamine signaali tõlkijana vaid osa avalikustatud teadmistest, mida uuritakse fiiberoptika teaduslikus osas. Selle ala spetsialistid uurivad info edastamist ja valguse levikut ning ühes kontekstis ühendavad neid valgusjuhid. Viimaseid kasutatakse nii valguse jagajate kui ka info edastajatena. Muide, lasertehnoloogiate arendamise kaasaegsed suundumused põhinevad LED-idel. Sel juhul on huvitavam teine küsimus - mis nähtus on fiiberoptika aluseks? See nähtus(täieliku) elektromagnetilise kiirguse sisepeegeldus erinevate murdumisnäitajatega dielektrikute vahelisel liidesel. Pealegi pole infokandja üldsegi elektromagnetiline signaal, vaid kodeeritud valgusvoog. Et mõista kiudoptiliste kaablite paremuse määra traditsiooniliste metallkaablite ees, tasub veel kord viidata nende ribalaiusele. Juba mainitud kiudniit, mille paksus ei ületa 0,5 mm, on võimeline edastama nii palju teavet, et tavaline vaskjuhtmestik töötab ainult 50 mm paksuse korral.
Fiiberoptiliste tootmismeetodid
Optilise kiu tootmiseks on kaks peamist meetodit. See on eelvormide abil ekstrusiooni ja sulatamise tehnika. Esimene tehnoloogia võimaldab saada madala kvaliteediga plastmaterjalidel põhinevat materjali, nii et tänapäeval seda praktiliselt ei kasutata. Teist meetodit peetakse peamiseks ja tõhusamaks. Toorik on toorik, mis on niitide tõmbamiseks mõeldud konstruktsioonis. Tänapäevaste standardite järgi võivad toorikud olla kuni mitmekümne meetri kõrgused. Väliselt on see umbes 10 cm läbimõõduga klaaspulk, millest niidi südamik sulatatakse. Tootmisprotsessi käigus kuumutatakse südamikku koos kiudude seguga kõrgel temperatuuril, misjärel moodustuvad niidid. Saadud materjali pikkus võib ulatuda mitme kilomeetrini, kuigi läbimõõt jääb muutumatuks - seda juhivad automatiseeritud regulaatorid. Sõltuv alt sellest, kus fiiberoptikat kasutatakse, materjalSeda saab eelnev alt töödelda katetega, mis tagavad keemilise ja füüsikalise kaitse. Mis puutub filamentide segudesse, siis need sisaldavad tavaliselt selliseid materjale nagu polüimiid, akrülaat ja silikoon.
Fiiberdisaini funktsioonid
Niidi keskosa on südamik – kiu südamik, mis levitab töötamise ajal valgust. Südamikku iseloomustavad suurenenud valguse murdumisnäitajad, mis saavutatakse spetsiaalsete lisanditega modifitseeritud klaasi dopingu kasutamisega. Näiteks kasutatakse ränidioksiidkiudude jaoks tüüpilisi murdumiskomponente, nagu lisandit. Kest omakorda täidab mitmeid ülesandeid, millest peamine on südamiku otsene füüsiline kaitse. See osa annab ka murdumise efekti, kuid minimaalse koefitsiendiga. Kahe materjali vaheline piir moodustab valguse juhtstruktuuri, mis ei lase suuremal osal valgusest südamikust välja pääseda. Samuti väärib märkimist, et fiiberoptika põhitõed viitavad materjalile erinevatele valgusjuhtidele. Täpsem alt öeldes räägime dielektrilistest lainejuhtidest, mis edastavad valgussignaale.
Optiliste kiudude valik
Kõige levinumad on kvarts-, plast- ja fluoriidkiud. Kvartsfilamendid põhinevad oksiidisulamitel või sarnase struktuuriga materjalidel, sealhulgas legeeritud ränioksiidil. See alus võimaldab toota painduvaid ja pikki kiude, mis erinevad üksteisestja kõrge mehaaniline tugevus. Plastkiudoptika on valmistatud polümeeridest ja, nagu juba märgitud, ei suuda pakkuda kõrget jõudlust. Eelkõige on sellistel lõimedel suur andmekao protsent, mis piirab nende kasutamist nõudlikes piirkondades. Teisest küljest hoiab plastkiudude taskukohasus nõudlust selle materjali järele kodumajapidamiste segmendile keskendunud suundades. Mis puudutab fluoriidoptilisi materjale, siis nende aluseks on fluorosirkonaat- ja fluoroaluminaatklaasid. Tegemist on üsna kaasaegsete ja tehnoloogiliste lahendustega optilise side pakkumiseks, kuid raskmetallide sisaldus konstruktsioonis ei võimalda ka nende kasutamist näiteks meditsiinitööstuses.
Fibermõõteseadmed
Kiudoptilistes komplektides on kõige levinumad seadmed andurid ja Braggi võred. Fiiberoptilised andurid on seadmed, mis on ette nähtud teatud väärtuste fikseerimiseks, mis iseloomustavad materjali hetkeseisu. Näiteks võivad erinevad andurid tuvastada mehaanilist pinget, temperatuuri, vibratsiooni, rõhku ja muid suurusi. Braggi võre oma funktsioonilt on optilistele omadustele lähemal. See fikseerib aperioodilise murdumishäire kiu südamikus. See mõõtmine võimaldab teil määrata, kui tõhus on fiiberoptika teatud tingimustes signaali edastamisel. Samuti kasutavad eksperdid optilistreflektomeeter, mis registreerib hajumise ja takistuse.
Fiiberoptilised võimendid ja laserid
See on kõige arenenum toode, mis on välja töötatud fiiberoptikatehnoloogia baasil. Erinev alt teist tüüpi laseritest võimaldab optiliste filamentide kasutamine luua kompaktseid ja samal ajal tõhusaid seadmeid. Eelkõige on fiiberoptika tehnoloogia võimaldanud asendada klassikalisi laserseadmeid järgmiste eelistega:
- Jahutusradiaatori efektiivsus.
- Suurem väljundkiirgus.
- Tõhus pumpamine.
- Laseri kõrge töökindlus ja stabiilsus.
- Madala kaaluga varustus.
Võimendeid saab omakorda olenev alt tüübist kasutada ka koduvõrgu liinides, suurendades fiiberopt põhiliini jõudlust. Siiski tasub kiu toimimise ulatust üksikasjalikum alt kaaluda.
Milleks kasutatakse fiiberoptikat?
Fiiberoptilisi materjale kasutatakse mitmes valdkonnas. See on kodukasutuse, telekommunikatsiooniseadmete ja arvutiseadmete valdkond, samuti väga spetsiifilised nišid, sealhulgas teatud meditsiinivaldkonnad. Iga selle segmendi jaoks toodetakse spetsiaalset kiudoptilist materjali. Kasutamine näiteks TV- või Interneti-signaali tüüpilise edastamise vahendina piirdub keskmise kvaliteediga odavate plastmudelitega. Aga laserseadmete jaoks ja kallismeditsiiniseadmed kasutavad kvaliteetseid kvartskiude, mis on varustatud ka täiendavate modifikaatoritega.
Optilise kiu rakendamine meditsiinis
Selliseid kiude saab kasutada meditsiiniseadmetes ja -instrumentides. Standardtehnoloogia pakub võimalust võtta kasutusele spetsiaalne murdunud valguskiududel põhinev seade, mis suudab edastada signaali juba kehaorganis endas olevale välisele telekaamerale. Fiiberoptikat kasutatakse meditsiinis ja valgustusmaterjalina. Kiudmoodulitega varustatud seadmed võimaldavad valutult valgustada mao-, nina-neelu jm õõnsusi.
Optilise kiu kasutamine arvutiseadmetes
Võib-olla on see kõige levinum nišš, kus valguskiud on oma koha leidnud. Tänapäeval ei saa infot edastavate üksikute seadmete vahelised sideliinid enam ilma selleta läbi. Muidugi kehtib see nende piirkondade kohta, kus traadita ühenduse kasutamine on võimatu või ebaotstarbekas, mis samuti kaableid kui selliseid aktiivselt asendavad. Näiteks rajavad suurimad telekommunikatsiooniettevõtted piirkondadevahelisi magistraalvõrke, mis kasutavad fiiberoptikat. Selliste kanalite kasutamine välisseadmete ja telekommunikatsiooniteenuste tavatarbijate ühendamiseks võimaldab optimeerida võrgu infrastruktuuri ülalpidamise finantskulusid ning suurendab ka andmeedastuse enda tõhusust.
Kiudude puudused
Kahjuks pole optilistel keermetel puudusi. Kuigi sellise juhtmestiku hooldus on odavam, rääkimata sagedaste värskenduste vajaduse puudumisest, on materjali enda maksumus palju suurem kui samadel metallist kolleegidel. Lisaks on fiiberoptika ja selle kasutamine meditsiinis äärmiselt piiratud, kuna mõnedes sulamites on inimesele mürgiseid plii ja tsirkooniumi lisandeid. See kehtib peamiselt kõrgeima kvaliteediga klaasmudelite, mitte plastikust mudelite kohta.
Optiliste kiudude tootmine Venemaal
Impordi asendamise programmi raames avati 2015. aastal Mordva linnas optiliste kiudude süsteemide tehas. See on ainuke ettevõte Venemaa Föderatsioonis, mis püüab praegu võimalikult suurel määral rahuldada kodutarbijate vajadusi optilise kiu osas. Kuni 2015. aastani tegeles Venemaa tööstus ka fiiberoptiliste materjalide valmistamisega, kuid ainult üksikute sihtprojektide raames. Sama olukord püsib teatud määral ka tänapäeval. Kui teatud ettevõttel on fiiberoptikat vaja ja selle kasutamine meditsiinis või telekommunikatsiooni valdkonnas on rahaliselt põhjendatud, siis on palju tehaseid, kes on valmis selliste eritellimuste alusel töötama ka individuaalselt. Kuid lähiajal hakkab samu fiiberoptilisi kaableid seeriatootma vaid Mordva tehas. Pealegi ei suuda ta veel turgu vastav alt nõudluse mahule pakkuda. Märkimisväärne osa toodetest ostetakse endiselt USA-st ja Jaapanist. Ja isegi kodumaiseid tooteid toodetakse imporditud kujultooraine.
Järeldus
Fiiberoptilised tooted on turusegmendina kujunenud umbes 15-20 aastat. Aastate jooksul on tarbija suutnud hinnata uute kaablite eeliseid, kuid areng ei seisa paigal. Koos tehniliste ja füüsiliste omaduste paranemisega laienevad ka materjali kasutusvaldkonnad. Eelkõige uusimat nanotehnoloogial põhinevat kiudu kasutatakse aktiivselt nafta- ja gaasitööstuses ning kaitsetööstuses. Omakorda arendab mittelineaarne fiiberoptika praegu ainult kontseptuaalseid, kuid väga paljutõotavaid tehnoloogiavaldkondi. Nende hulgas on kompressioonlaserimpulsid, optilised solitonid, ülilühike optiline kiirgus jne. Ilmselgelt võimaldavad uued arengud lisaks võimalike avastustega teoreetilisele uurimistööle ja puhtteaduslike teadmiste raames teha uusi pakkumisi ka turul erineva tasemega tarbijatele.
