ПОЛИМЕРНОЕ ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО Российский патент 1994 года по МПК G02B6/00 

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к созданию полимерных оптических волокон, обладающих избирательной проводимостью оптического сигнала и предназначенных для использования в спектроскопии, в индикаторных и рекламных устройствах, декоративных светильниках и других товарах народного потребления.

Известны полимерные оптические волокна (ПОВ) типа ядро-оболочка из оптически прозрачных полимеров [1], у которых полимер оболочки имеет показатель преломления ниже, чем показатель преломления полимера ядра. В таких волокнах свет передается за счет полного отражения на поверхности раздела ядра и оболочки.

Существенным недостатком известных полимерных оптических волокон является то, что данные волокна имеют широкую спектральную полосу пропускания света, поэтому для получения определенной частоты светового потока необходимо использовать дорогостоящие источники монохроматического света, например лазеры, или использовать дифракционные решетки и светофильтры, что усложняет конструкцию оптических систем.

Известны полимерные оптические активные волокна [2], формирующие оптический сигнал в заданном частотном диапазоне, например в красном, зеленом, синем областях спектра, за счет введения в их структуру оптически активной добавки.

Известно полимерное оптически активное волокно типа ядро-оболочка, содержащее оптически активную добавку в полимере ядра [3]. По своей сущности данное волокно наиболее близко к заявленному волокну и принято авторами за прототип.

Существенным недостатком известных полимерных оптических волокон является то, что наличие оптически активной добавки в полимере ядра, как и любых других примесей, значительно увеличивает потери световой энергии в волокне.

Целью изобретения является уменьшение затухания светового сигнала в волокне с сохранением проводимости света в избранном диапазоне частот.

Сущность изобретения следующая.

Полимерные оптические волокна могут иметь избирательную проводимость оптического сигнала при введении оптически активной добавки в полимер оболочки. В то же время оптимальный эффект избирательной проводимости светового сигнала в волокне в этом случае может быть достигнут при определенной концентрации добавки в полимере оболочки, величина которой зависит от геометрических характеристик волокна, материалов ядра-оболочки, а также от природы используемой добавки. Проведенные экспериментальные исследования позволили выразить эту взаимосвязь в виде следующей эмпирической формулы:
C= K · , мас.%, (1) где С - концентрация оптически активной добавки, мас.%;
d - диаметр ядра ПОВ, м;
l - длина ПОВ, м;
λ - длина волны максимума спектра пропускания оптически активной добавки, м;
М - мольная масса оптически активной добавки, кг;
ρ - плотность оптически активной добавки, кг/м³;
n_o - показатель преломления полимера оболочки;
n_я - показатель преломления полимера ядра;
К - коэффициент пропорциональности, причем К=3,85х10^-3.

Полимерное оптическое волокно с избирательной проводимостью оптического сигнала может быть получено при совместном формовании полимера ядра и полимера оболочки, содержащего оптически активную добавку, методом продавливания или экструзии через фильеру коаксиального типа.

Так, например, были получены следующие полимерные оптические волокна с избирательной проводимостью светового сигнала.

П р и м е р 1. Полимерное оптическое волокно длиной 0,45 м с ядром диаметром d=4,2x10^-4 м из полистирола (ПС) с показателем преломления n_я=1,59 и оболочкой из сополимера метилметакрилата с алкилакрилатом (СПММА) с показателем преломления n_o=1,48, содержащего краситель лавазоль красный, у которого длина волны максимума спектра пропускания λ =6,3х10^-7 м, мольная масса М= 0,450 кг, плотность ρ =960 кг/м³, причем его концентрация в полимере оболочки составляет 0,154 мас.% согласно выражению (1).

Полученное волокно имеет избирательную проводимость оптического сигнала с полосой пропускания (6,1-6,5)х10^-7 м, с удельными потерями светового потока 0,90 дБ/м.

П р и м е р 2. Полимерное оптическое волокно длиной 0,45 м с ядром диаметром d=4,2x10^-4 м из ПС с показателем преломления n_я=1,59 и оболочкой из СПММА с показателем преломления n_o=1,48, содержащего краситель ярко-голубой, у которого длина волны максимума спектра пропускания λ =4,5х10^-7 м, мольная масса М=0,475 кг, плотность ρ =1030 кг/м³, причем его концентрация в полимере оболочки (СПММА) составляет 0,213 мас.% согласно выражению (1).

Полученное волокно имеет избирательную проводимость оптического сигнала с полосой пропускания (4,4-4,6)х10^-7 м, с удельными потерями светового потока 1,2 дБ/м.

П р и м е р 3. Полимерное оптическое волокно длиной 0,45 м с ядром диаметром d=4,2x10^-4 м из ПС с показателем преломления n_я=1,59 и оболочкой из СПММА с показателем преломления n_o=1,48, содержащего краситель желтый, у которого длина волны максимума спектра пропускания λ=5,9х10^-7 м, мольная масса М= 0,418 кг, плотность ρ =980 кг/м³, причем его концентрация в полимере оболочки составляет 0,159 мас.% согласно выражению (1).

Полученное волокно имеет избирательную проводимость оптического сигнала с полосой пропускания (5,7-6,1)х10^-7 м, с удельными потерями светового потока 0,95 дБ/м.

П р и м е р 4. Полимерное оптическое волокно длиной 0,45 м с ядром диаметром d=4,2x10^-4 м из ПС с показателем преломления n_я=1,59 и оболочкой из СПММА с показателем преломления n_o=1,48, содержащего краситель зеленый, у которого длина волны максимума спектра пропускания λ =5,5х10^-7 м, мольная масса М=0,428 кг, плотность ρ =1002 кг/м³, причем его концентрация в полимере оболочки составляет 0,175 мас.% согласно выражению (1).

Полученное волокно имеет избирательную проводимость оптического сигнала с полосой пропускания (5,4х5,6)х10^-7 м, с удельными потерями светового потока 1,18 дБ/м.

П р и м е р 5. Полимерное оптическое волокно длиной 0,7 м с ядром диаметром d= 3,8x10^-4 м из ПС с показателем преломления n_я=1,59 и оболочкой из СПММА с показателем преломления n_o=1,48, содержащего краситель лавазоль красный, у которого длина волны максимума спектра пропускания λ =6,3х10^-7 м, мольная масса М=0,450 кг, плотность ρ =960 кг/м^3, причем его концентрация в полимере оболочки составляет 0,083 мас.% согласно выражению (1).

Полученное волокно имеет избирательную проводимость оптического сигнала с полосой пропускания (6,1-6,5)х10^-7 м с удельными потерями светового потока 0,95 дБ/м.

П р и м е р 6. Полимерное оптическое волокно длиной 0,7 м с ядром диаметром d=3,8x10^-4 м из ПС с показателем преломления n_я=1,59 и оболочкой из СПММА с показателем преломления n_o=1,48, содержащего краситель ярко-голубой, у которого длина волны максимума спектра пропускания λ=4,5х10^-7 м, мольная масса М=0,475 кг, плотность ρ =1030 кг/м₃, причем его концентрация в полимере оболочки составляет 0,076 мас.% согласно выражению (1).

Полученное волокно имеет избирательную проводимость оптического сигнала с полосой пропускания (4,4-4,6)х10^-7 м, с удельными потерями светового потока 1,25 дБ/м.

П р и м е р 7. Полимерное оптическое волокно длиной 0,3 м с ядром диаметром d=6,3x10^-4 м из ПС с показателем преломления n_я=1,59 и оболочкой из полиэтилена (ПЭ) с показателем преломления n_o=1,52, содержащего краситель желтый, у которого длина волны максимума спектра пропускания λ =5,9х10^-7 м, мольная масса М=0,418 кг, плотность ρ =980 кг/м³, причем его концентрация в полимере оболочки составляет 0,250 мас.% согласно выражению (1).

Полученное волокно имеет избирательную проводимость оптического сигнала с полосой пропускания (5,7-6,1)х10^-7 м, с удельными потерями светового потока 2,20 дБ/м.

П р и м е р 8. Полимерное оптическое волокно длиной 1,35 м с ядром диаметром d=1x10^-4 м из сополимера метилметакрилата с алкилакрилатом (СПММА) с показателем преломления n_я=1,48 и оболочкой из полифторакрилата (ПФА) с показателем преломления n_о=1,43, содержащего краситель зеленый, у которого длина волны максимума спектра пропускания λ =5,5х10^-7 м, мольная масса М= 0,428 кг, плотность ρ=1002 кг/м³, причем его концентрация в полимере оболочки (ПФА) составляет 0,111 мас.% согласно выражению (1).

Полученное волокно имеет избирательную проводимость оптического сигнала с полосой пропускания (5,4-5,6)х10^-7 м, с удельными потерями светового потока 0,42 дБ/м.

П р и м е р 9. Полимерное оптическое волокно длиной 1,35 м с ядром диаметром d=1x10^-3 м из СПММА с показателем преломления n_я=1,48 и оболочкой из ПФА с показателем преломления n_o=1,43, содержащего краситель лавазоль красный, у которого длина волны максимума спектра пропускания λ =6,3х10^-7 м, мольная масса М=0,450 кг, плотность ρ =960 кг/м³, причем его концентрация в полимере составляет 0,116 мас.% согласно выражению (1).

Полученное волокно имеет избирательную проводимость оптического сигнала с полосой пропускания (6,1-6,5)х10^-7 м, с удельными потерями светового потока 0,35 дБ/м.

П р и м е р 10. Полимерное оптическое волокно длиной 0,6 м с ядром d= 4,2x10^-4 м из полистирола (ПС) с показателем преломления n_я=1,59 и оболочкой из сополимера метилметакрилата с алкилакрилатом (СПММА) с показателем преломления n_o=1,48, содержащего люминофор - трифенилпиразолин, у которого длина волны максимума спектра пропускания λ =4,9х10^-7 м, мольная масса М= 0,284 кг, плотность ρ =1025 кг/м³, причем его концентрация в полимере оболочки составляет 0,128 мас.% согласно выражению (1).

Полученное волокно имеет избирательную проводимость оптического сигнала с полосой пропускания (4,8-5,0)х10^-7 м и удельными потерями светового потока 0,95 дБ/м.

П р и м е р 11. Полимерное оптическое волокно длиной 0,6 м с ядром d= 4,2x10^-4 м из ПС с показателем преломления n_я=1,59 и оболочкой из СПММА с показателем преломления n_o= 1,48, содержащего люминофор - 1,4-бис(5-фенилоксазолил-2)бензол, у которого длина волны максимума спектра пропускания λ = 4,2х10^-7 м, мольная масса М=0,364 кг, плотность ρ =1010 кг/м³, причем его концентрация в полимере оболочки составляет 0,167 мас.% согласно выражению (1).

Полученное волокно имеет избирательную проводимость оптического сигнала с полосой пропускания (4,15-4,25)х10^-7 м и удельными потерями светового потока 0,630 дБ/м.

П р и м е р 12. Полимерное оптическое волокно длиной 0,6 м с ядром d= 4,2x10^-4 м из ПС с показателем преломления n_я=1,59 и оболочкой из СПММА с показателем преломления n_o= 1,48, содержащего люминофор - паратерфенил, у которого длина волны максимума спектра пропускания λ=3,4х10^-7 м, мольная масса М= 0,420 кг, плотность ρ =980 кг/м³, причем его концентрация в полимере оболочки составляет 0,212 мас.% согласно выражению (1).

Полученное волокно имеет избирательную проводимость оптического сигнала с полосой пропускания (3,45-3,55)х10^-7 м и удельными потерями светового потока 1,10 дБ/м.

П р и м е р 13. Полимерное оптическое волокно длиной 0,6 м с ядром d= 4,2x10^-4 м из ПС с показателем преломления n_я=1,59 и оболочкой из СПММА с показателем преломления n_o=1,48, содержащего люминофор - 635 К, у которого длина волны максимума спектра пропускания λ =6,35х10^-7 м, мольная масса М= 0,455 кг, плотность ρ =1020 кг/м³, причем его концентрация в полимере оболочки составляет 0,118 мас.% согласно выражению (1).

Полученное волокно имеет избирательную проводимость оптического сигнала с полосой пропускания (6,3-6,4)х10^-7 м и удельными потерями светового потока 0,95 дБ/м.

П р и м е р 14. Полимерное оптическое волокно длиной 0,6 м с ядром d= 4,2x10^-4 м из ПС с показателем преломления n_я=1,59 и оболочкой из СПММА с показателем преломления n_o=1,48, содержащего краситель - флюоресцентный оранжевый, у которого длина волны максимума спектра пропускания λ =5,5х10^-7 м, мольная масса М=0,512 кг, плотность ρ =1200 кг/м³, причем его концентрация в полимере оболочки составляет 0,135 мас.% согласно выражению (1).

Полученное волокно имеет избирательную проводимость оптического сигнала с полосой пропускания (5,4-5,6)х10^-7 м и удельными потерями светового потока 0,88 дБ/м.

П р и м е р 15. Полимерное оптическое волокно длиной 0,6 м с ядром d= 4,2x10^-4 м из ПС с показателем преломления n_я=1,59 и оболочкой из СПММА с показателем преломления n_o=1,48, содержащего краситель - флюоресцентный изумрудный, у которого длина волны максимума спектра пропускания λ =4,2х10^-7 м, мольная масса М=0,432 кг, плотность ρ =1100 кг/м³, причем его концентрация в полимере оболочки составляет 0,172 мас.% согласно выражению (1).

Полученное волокно имеет избирательную проводимость оптического сигнала с полосой пропускания (4,1-4,3)х10^-7 м и удельными потерями светового потока 0,92 дБ/м.

Применение: спектроскопия, индикаторные и рекламные устройства, декоративные светильники. Сущность изобретения: в полимер оболочки волокна введена оптически активная добавка концентрацией, определяемой из эмпирически полученного выражения в зависимости от требуемого спектра пропускания света волокном.

ПОЛИМЕРНОЕ ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО, содержащее оптически активную добавку, отличающееся тем, что, с целью уменьшения затухания света в волокне с избирательной проводимостью оптического сигнала, оптически активная добавка с концентрацией, определяемой из соотношения
C = 3,85· 10^-3· · , мас. % /с ,
где d - диаметр ядра ПОВ, м;
l - длина ПОВ, м;
λ - длина волны максимума спектра пропускания оптически активной добавки, м;
ρ - плотность оптически активной добавки, кг/м³;
M - мольная масса оптически активной добавки, кг;
n_я - показатель преломления полимера оболочки;
n₀ - показатель преломления полимера ядра,
введена в оболочку оптического волокна.