Одномодовое радиационно-стойкое оптическое волокно с сохранением состояния поляризации Российский патент 2024 года по МПК G02B6/24 G02B6/36 

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к области специализированных оптических волокон (ОВ) для устройств, используемых в условиях повышенного радиационного фона, в том числе в условиях космического пространства.

В патентном документе (RU 2 426 159 CI; G 02 B 6/024) раскрыто ОВ, сохраняющее поляризацию излучения, содержащее световедущую жилу, отражающую оболочку световедущей жилы из кварца, легированного фтором, круглые нагружающие стержни из кварца, легированного бором, защитную оболочку из кварца и защитно-упрочняющее полимерное покрытие. Легирование подобрано так, что вязкость расплавленной массы круговой оболочки больше вязкости расплавленной массы материала нагружающих стержней. Толщина оболочки стержней равна или меньше толщины отражающей оболочки световедущей жилы, при этом нагружающие стержни размещены на расстоянии от центра световедущей жилы, равном или превышающем радиус световедущей жилы. Поскольку в данной конструкции ОВ вязкость расплавленной массы круговой оболочки больше вязкости расплавленной массы материала нагружающих стержней, требуется большая температура консолидации, что увеличивает потери и может нарушать форму и целостность заготовки. Кроме того, данное ОВ не позиционируется как радиационно-стойкое, материал сердцевины, от которого зависит стойкость к ионизирующему излучению, в данном изобретении не указан.

В патентном документе (RU 2 472 188 С 2; G02B 6/024) раскрыт радиационно-стойкий световод, содержащий: защитно-упрочняющее покрытие, внешнюю кварцевую защитную оболочку, депрессивную оболочку из кварцевого стекла, имеющего отрицательную разность показателей преломления с чистым кварцевым стеклом внешней защитной оболочки, световедущую жилу, состоящую из кварцевого стекла, имеющую разность показателей преломления больше или равную значению чистого кварцевого стекла внешней защитной оболочки, нагружающие стержни, наводящие в световедущей жиле и депрессивной оболочке линейное двулучепреломление. Световод дополнительно содержит вторую депрессивную оболочку, располагающуюся между защитной кварцевой оболочкой и внешней границей первой депрессивной оболочки в области, свободной от нагружающих стержней. Недостатком данной конструкции является показатель преломления световедущей жилы, который может иметь значение больше, чем показатель преломления чистого кварца, что не позволяет достичь высоких показатель радиационной стойкости. Вторым недостатком конструкции является расположение нагружающих стержней, выходящих за пределы депрессивной оболочки легированной фтором, что приводит к снижению стабильности распределения напряжений в сердцевине и ухудшению анизотропных свойств ОВ, обеспечивающих точностные характеристики волоконно-оптических датчиков и навигационных приборов.

В патентном документе (RU 2 627 018 CI; G 02 B 6/02) раскрыт радиационно-стойкий световод, содержащий световедущую жилу и отражающую оболочку, состоящие из легированного кварцевого стекла, внешнюю защитную оболочку, состоящую из чистого кварцевого стекла, две нагружающие зоны с пониженным по отношению к кварцевому стеклу защитной оболочки показателем преломления и защитно-упрочняющее покрытие. При этом отражающую оболочку световода формируют из кварцевого стекла с пониженным показателем преломления относительно показателя преломления кварцевого стекла защитной оболочки, равного показателю преломления нагружающих зон с точностью ±2×10^-3, при этом обеспечивают где τ - радиус отражающей оболочки, а ρ - радиус световедущей жилы. Недостатком данной конструкции является то, что световедущая жила выполнена из легированного кварцевого стекла и имеет показатель преломления выше показателя преломления чистого кварца, что не позволяет достичь высоких показателей радиационной стойкости. Вторым недостатком является расположение нагружающих стержней, выходящих за пределы отражающей оболочки, что приводит к снижению стабильности распределения напряжений в сердцевине и ухудшению анизотропных свойств ОВ, обеспечивающих точностные характеристики волоконно-оптических датчиков и навигационных приборов.

Наиболее близок к настоящему изобретению патентный документ (RU 2 531 757 CI; G 02 B 6/00) описывающий радиационно-стойкий световод, сохраняющий поляризацию излучения, содержащий световедущую жилу из кварца или из кварца, легированного азотом, отражающую оболочку из кварца, легированного фтором, круглые нагружающие стержни из кварца, легированного бором, в оболочке из чистого кварца или из кварца, легированного фтором, и защитно-упрочняющее полимерное покрытие. Расстояние от центра световедущей жилы до оболочки нагружающих стержней равно или больше диаметра световедущей жилы. Недостатком конструкции является расположение нагружающих стержней, выходящих за пределы отражающей оболочки легированной фтором, что приводит к снижению стабильности распределения напряжений в сердцевине и ухудшению анизотропных свойств ОВ, обеспечивающих точностные характеристики волоконно-оптических датчиков и навигационных приборов. Кроме того, легирование азотом сердцевины до высокого уровня числовой апертуры (NA) не позволяет достигать таких же высоких характеристик радиационной стойкости как сердцевина из высокочистого нелегированного кварцевого стекла или из кварцевого стекла с небольшим содержанием фтора, поскольку любой другой материал сердцевины вносит искажения в сетку стекла, что способствует возникновению радиационных центров окраски, вызывающих радиационно-наведенное затухание.

Технической задачей изобретения является создание ОВ с повышенной радиационной стойкостью, анизотропными свойствами и стабильностью параметров.

На фигуре 1 вверху представлен общий вид поперечного сечения одномодового радиационно-стойкого ОВ с сохранением состояния поляризации, состоящего из кварцевой нелегированной сердцевины 1, светоотражающей оболочки легированной фтором 2, кварцевой оболочки из нелегированного кварцевого стекла 3, нагружающих фосфорборосиликатных стержней 4 и защитно-упрочняющего полимерного покрытия 5, внизу представлен профиль показателя преломления, где п - показатель преломления, г - расстояние от центра сердцевины.

Одномодовое радиационно-стойкое ОВ с сохранением состояния поляризации излучения включает в себя:

- сердцевину из нелегированного кварцевого стекла с показателем преломления равным или ниже показателя преломления нелегированного кварцевого стекла, поэтому ОВ обладает высокой стойкостью к ионизирующему излучению,

- светоотражающую оболочку с показателем преломления ниже показателя преломления нелегированного кварцевого стекла за счет легирования фтором,

- внешнюю оболочку из кварцевого стекла,

два продольно простирающихся напрягающих стержня с фторированной оболочкой и центральной, легированной бором, областью с коэффициентом линейного температурного расширения, отличным от светоотражающей оболочки. Стержни симметрично расположены относительно сердцевины и создают в зоне сердцевины механические напряжения,

- двойное защитно-упрочняющее покрытие.

Степень легирования оболочки сердцевины фтором, а стержней бором, выбраны таким образом, что температура плавления оболочки сердцевины меньше температуры плавления стержней, при этом вязкость расплавленной массы фторированной оболочки нагружающих стержней меньше вязкости расплавленной массы боросиликатного материала стержней, что позволяет уменьшить температуру консолидации заготовки во время вытяжки и риск изменения формы заготовки, снижая уровень оптических потерь в волокне. Показатель преломления нагружающих боросиликатных стержней совпадает с показателем преломления светоотражающей защитной оболочки, что позволяет изолировать сердцевину волокна от паразитных мод, распространяющихся в оболочке. При этом диаметр светоотражающей фторированной оболочки позволяет расположить нагружающие боросиликатные стержни целиком внутри светоотражающей оболочки, что обеспечивает стабильность геометрических параметров ОВ во время вытяжки и уменьшение оптических потерь ОВ (не более 1,0 дБ/км на длине волны 1550 нм), а расположение нагружающих стержней на расстоянии от центра световедущей жилы, равном или меньше ее радиуса, улучшает анизотропные свойства ОВ.

Таким образом, достигается технический результат повышения радиационной стойкости за счет изготовления сердцевины из нелегированного кварцевого стекла и светоотражающей оболочки из кварца, легированного фтором. Повышение анизотропных свойств ОВ происходит за счет расположения боросиликатных стержней целиком внутри светоотражающей оболочки на расстоянии от центра световедущей жилы, равном или меньшем ее радиуса, а повышение стабильности параметров ОВ -за счет степени легирования боросиликатных стержней так, чтобы вязкость расплавленной массы фторированной оболочки нагружающих стержней была меньше вязкости расплавленной массы боросиликатного материала стержней за счет высокой концентрации бора при легировании и разницы в вязкости расплавленной массы фторированной оболочки нагружающих стержней меньше и расплавленной массы боросиликатного материала стержней.

Достигнуты практические показатели:

1) стойкость к ионизирующему излучению, т.е. значение радиационно-наведенных оптических потерь не более 3,5 дБ/км при дозе облучения 100 крад при комнатной температуре и мощности дозы 100 рад/с;

2) начальные оптические потери не более 1,0 дБ/км на длине волны 1550 нм;

3) NA свыше 0,15;

4) двулучепреломление не менее 6,5×10^-4;

5) h-параметр ОВ длиной не менее 1 км на транспортной катушке диаметром 170 мм не более 0,3×10^-5 1/м;

Таким образом, предлагаемое ОВ обладает повышенной радиационной стойкостью и стабильными анизотропными свойствами и может применяться в устройствах, используемых в условиях повышенного радиационного фона, в том числе в условиях космического пространства.

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к области специализированных оптических волокон для устройств, используемых в условиях повышенного радиационного фона, в том числе в условиях космического пространства. Оптическое волокно содержит сердцевину из нелегированного кварцевого стекла с показателем преломления, равным или ниже показателя преломления кварцевого стекла внешней оболочки, светоотражающую оболочку из кварцевого стекла, легированного фтором, два продольно простирающихся напрягающих стержня, расположенных на расстоянии от центра световедущей жилы, равном или меньше ее радиуса, располагающихся целиком внутри светоотражающей фторированной оболочки, а также двойное защитно-упрочняющее полимерное покрытие. Технический результат - повышение радиационной стойкости оптического волокна с анизотропными свойствами и стабильностью параметров. 1 ил.

Одномодовое радиационно-стойкое оптическое волокно с сохранением состояния поляризации излучения, предназначенное для использования в условиях повышенного радиационного фона, в том числе в условиях космического пространства, включающее в себя сердцевину из кварцевого стекла; светоотражающую оболочку, легированную фтором с показателем преломления ниже показателя преломления кварцевого стекла; внешнюю оболочку из кварцевого стекла; два продольно простирающихся напрягающих стержня с фторированной оболочкой и центральной легированной бором областью с коэффициентом линейного температурного расширения, отличным от светоотражающей оболочки, симметрично расположенных относительно сердцевины; двойное защитно-упрочняющее полимерное покрытие; отличающееся тем, что сердцевина оптического волокна выполнена из нелегированного кварцевого стекла с показателем преломления, равным или ниже показателя преломления кварцевого стекла внешней оболочки, боросиликатные стержни расположены целиком внутри светоотражающей фторированной оболочки на расстоянии от центра световедущей жилы, равном или меньшим ее радиуса, при этом вязкость расплавленной массы фторированной оболочки нагружающих стержней меньше вязкости расплавленной массы боросиликатного материала стержней за счет высокой концентрации бора при легировании, при этом показатели преломления нагружающих боросиликатных стержней и светоотражающей оболочки совпадают.