Optinių skaidulų gamybai naudojama medžiaga gali sugerti šviesos energiją. Optinių skaidulų medžiagose esančios dalelės sugeria šviesos energiją, todėl jos sukelia vibraciją ir kaista, o tada išsklaido energiją, todėl sumažėja sugertis.Šiame straipsnyje bus analizuojami optinių skaidulų medžiagų sugerties nuostoliai.
Žinome, kad materiją sudaro atomai ir molekulės, o atomus sudaro atomo branduoliai ir užbranduoliniai elektronai, kurie sukasi aplink atomo branduolį tam tikra orbita. Tai lygiai taip pat, kaip Žemė, kurioje gyvename, taip pat planetos, tokios kaip Venera ir Marsas, sukasi aplink Saulę. Kiekvienas elektronas turi tam tikrą energijos kiekį ir yra tam tikroje orbitoje, kitaip tariant, kiekviena orbita turi tam tikrą energijos lygį.
Orbitiniai energijos lygmenys arčiau atomo branduolio yra žemesni, o toliau nuo atomo branduolio – aukštesni.Energijos lygių skirtumo tarp orbitų dydis vadinamas energijos lygių skirtumu. Kai elektronai pereina iš žemo energijos lygio į aukštą, jie turi sugerti energiją atitinkamame energijos lygių skirtume.
Optinėse skaidulose, kai tam tikro energijos lygmens elektronai yra apšvitinami šviesa, kurios bangos ilgis atitinka energijos lygmenų skirtumą, elektronai, esantys mažos energijos orbitalėse, pereis į aukštesnio energijos lygmens orbitales.Šis elektronas sugeria šviesos energiją, todėl prarandama šviesa.
Pagrindinė optinių skaidulų gamybos medžiaga, silicio dioksidas (SiO2), pati sugeria šviesą – viena dalis vadinama ultravioletinių spindulių absorbcija, o kita – infraraudonųjų spindulių absorbcija. Šiuo metu šviesolaidinis ryšys paprastai veikia tik 0,8–1,6 μm bangos ilgių diapazone, todėl aptarsime tik šios darbo srities nuostolius.
Kvarco stikle elektroninių perėjimų sukuriamas sugerties pikas ultravioletinėje srityje yra apie 0,1–0,2 μm bangos ilgio. Didėjant bangos ilgiui, jo sugertis palaipsniui mažėja, tačiau paveikta sritis yra plati ir siekia bangos ilgius, viršijančius 1 μm. Tačiau UV absorbcija mažai veikia kvarco optinius pluoštus, veikiančius infraraudonųjų spindulių srityje. Pavyzdžiui, matomos šviesos srityje, esant 0,6 μm bangos ilgiui, ultravioletinių spindulių sugertis gali siekti 1 dB/km, kuri sumažėja iki 0,2–0,3 dB/km esant 0,8 μm bangos ilgiui ir tik apie 0,1 dB/km esant 1,2 μm bangos ilgiui.
Kvarco pluošto infraraudonųjų spindulių sugerties nuostoliai atsiranda dėl medžiagos molekulinių virpesių infraraudonųjų spindulių srityje. Dažnių juostoje, viršijančioje 2 μm, yra keletas virpesių sugerties pikų. Dėl įvairių optinių pluoštų legiruojančių elementų įtakos kvarco pluoštai negali turėti mažų nuostolių lango dažnių juostoje, viršijančioje 2 μm. Teoriniai ribiniai nuostoliai esant 1,85 μm bangos ilgiui yra ldB/km.Tyrimų metu taip pat nustatyta, kad kvarciniame stikle yra „destruktyvių molekulių“, kurios sukelia problemų, daugiausia kenksmingų pereinamųjų metalų priemaišų, tokių kaip varis, geležis, chromas, manganas ir kt. Šie „piktadariai“ godžiai sugeria šviesos energiją, šokinėdami ir šokinėdami, taip praranda šviesos energiją. Pašalinus „triukšmo sukėlėjus“ ir chemiškai išvalius medžiagas, naudojamas optinių skaidulų gamybai, galima gerokai sumažinti nuostolius.
Kitas kvarco optinių skaidulų absorbcijos šaltinis yra hidroksido (OH⁻) fazė. Nustatyta, kad hidroksidas skaidulos darbinėje juostoje turi tris absorbcijos pikus: 0,95 μm, 1,24 μm ir 1,38 μm. Iš jų absorbcijos nuostoliai esant 1,38 μm bangos ilgiui yra didžiausi ir daro didžiausią įtaką skaidulai. Esant 1,38 μm bangos ilgiui, hidroksido jonų, kurių kiekis yra tik 0,0001, sukeliami absorbcijos piko nuostoliai siekia net 33 dB/km.
Iš kur atsiranda šie hidroksido jonai? Yra daug hidroksido jonų šaltinių. Pirma, optinių skaidulų gamybai naudojamose medžiagose yra drėgmės ir hidroksido junginių, kuriuos sunku pašalinti žaliavų valymo procese ir kurie galiausiai lieka hidroksido jonų pavidalu optinėse skaidulose; antra, optinių skaidulų gamyboje naudojami vandenilio ir deguonies junginiai turi nedidelį kiekį drėgmės; trečia, optinių skaidulų gamybos procese dėl cheminių reakcijų susidaro vanduo; ketvirta, patekus išoriniam orui, susidaro vandens garai. Tačiau gamybos procesas dabar gerokai išplėtotas, o hidroksido jonų kiekis sumažintas iki pakankamai žemo lygio, kad jo poveikis optinėms skaiduloms būtų ignoruojamas.
Įrašo laikas: 2025 m. spalio 23 d.