Световоды из кварца, волоконные и неволоконные — характеристики и применение

Содержание

Кварцевые световоды передают свет внутри среды из плавленого кварца SiO₂ и делятся на два класса. Волоконный световод — это гибкое оптоволокно, где сердцевина из кварца SiO₂ окружена светоотражающей оболочкой из легированного фтором кварца SiO₂-F или полимера, а излучение удерживается полным внутренним отражением. Показатель преломления кварца составляет около 1,46. Неволоконный (стержневой) кварцевый световод — монолитный стержень или жгут из плавленого кварца марок КУ-1 или КВ, где свет распространяется внутри объёма заготовки.

Волоконные световоды работают в связи, лазерной хирургии, эндоскопии и спектроскопии. Неволоконные применяют в УФ-облучателях, светильниках, IPL-системах и декоративной подсветке. Числовая апертура NA медицинских и лазерных волокон находится в диапазоне 0,20-0,24. Минимальное затухание одномодового волокна достигает 0,22 дБ/км на длине волны 1550 нм — это предел для современных линий связи. Прозрачность зависит от марки кварца, КУ-1 пропускает излучение в диапазоне 170-2500 нм, КВ — 260-3500 нм. Выбор класса и марки определяется задачей: длиной волны, гибкостью тракта и мощностью источника.

Устройство и принцип работы

Схема устройства кварцевого световода step-index: сердцевина SiO₂, оболочка SiO₂:F и полное внутреннее отражение

Показатель преломления плавленого кварца на длине волны 589 нм составляет около 1,46 — именно эта величина задаёт всю оптику волоконного световода. Конструктивно кварцевый световод делится на две зоны: внутреннюю сердцевину из чистого диоксида кремния SiO₂ и окружающую её светоотражающую оболочку. Оболочку легируют фтором (SiO₂-F), за счёт чего её показатель преломления опускается чуть ниже, чем у сердцевины, обычно она незначительно ниже. В дешёвых конструкциях вместо легированного стекла используют полимерное покрытие с заведомо меньшим n.

Свет, введённый в сердцевину под углом меньше критического, многократно отражается от границы раздела сердцевина-оболочка и не выходит наружу. Это полное внутреннее отражение, и работает оно ровно потому, что луч идёт из более плотной оптической среды в менее плотную. Стоит лучу превысить критический угол, и часть энергии уйдёт в оболочку потерями.

Профиль показателя преломления у большинства кварцевых волокон ступенчатый, или step-index: n постоянен по всей сердцевине и резко падает на границе с оболочкой. Такая геометрия проста в изготовлении и хорошо передаёт мощное излучение, но даёт заметную межмодовую дисперсию на больших длинах.

Неволоконные кварцевые световоды устроены принципиально иначе. Это монолитный стержень или спечённый жгут плавленого кварца без отдельной отражающей оболочки. Свет распространяется внутри объёма материала, удерживаясь либо отражением от полированной боковой поверхности, либо за счёт перепада показателя на границе кварц-воздух. Где нужна жёсткая геометрия пучка и стойкость к высоким температурам, стержневой световод выигрывает у гибкого волокна. Сердцевина здесь и есть всё тело стержня.

Применение кварцевых световодов

Кварцевый световод для лазерной хирургии — доставка UV-излучения через хирургический наконечник

Два класса задач делят световоды на волоконные и стержневые, и материал под каждую подбирают отдельно. Силовое волокно для литотрипсии и осветительный жгут для эндоскопа — это разные изделия с разной геометрией сердцевины, числовой апертурой и стойкостью к плотности мощности.

Волоконная оптика держит на себе телеком и медицину. В линиях связи передача идёт через три окна прозрачности кварца — 850, 1310 и 1550 нм, где затухание минимально. В медицине силовые волокна проводят излучение лазеров высокой мощности: гольмиевый и тулиевый (Ho/Tm) лазеры через такое волокно дробят камни в почках и мочеточнике при контактной литотрипсии. Осветительные (диагностические) волокна подсвечивают поле зрения в эндоскопии, где сам световод сигнала не несёт, только освещает. Отдельные направления — спектроскопия, нелинейная оптика, эндовазальная лазерная коагуляция вен (ЭВЛК) и облучение крови (ОВК).

Где работают волоконные световоды:

• магистральная и локальная оптоволоконная связь;
• контактная лазерная литотрипсия (Ho/Tm-лазеры);
• эндоскопическая диагностика и хирургия;
• ЭВЛК и внутрисосудистое облучение крови;
• аналитическая спектроскопия и лабораторная нелинейная оптика.

Стержневые (неволоконные) кварцевые световоды — это сплошные кварцевые элементы для передачи и формирования потока. На них собирают УФ-облучатели, технические и медицинские светильники, IPL-системы для косметологии, декоративную и архитектурную подсветку. Здесь критично пропускание в нужном диапазоне: для УФ-облучателя берут кварц марки КУ-1 с границей пропускания от 170 нм, тогда как обычное оптическое стекло отсекает ультрафиолет уже около 350 нм.

Под каждое применение мы вытачиваем стержень по чертежу заказчика — задаём диаметр, длину и торцевую полировку под конкретный источник, потому что готовый каталожный размер под силовую оптику или УФ-лампу подходит редко.

Свойства кварца как материала световода

Плавленый кварц (SiO₂) выдерживает рабочую температуру до 1200 °C и размягчается лишь при 1550 °C — запас, недостижимый для полимерных и большинства многокомпонентных стёкол. Низкий температурный коэффициент линейного расширения, 5,5×10⁻⁷ K⁻¹, удерживает геометрию кварцевого световода стабильной при резких перепадах. Плотность материала составляет 2,20 г/см³, показатель преломления около 1,46 на телекоммуникационных длинах волн.

Спектрально кварцевые световоды работают в трёх окнах прозрачности: 850, 1310 и 1550 нм. Минимум затухания приходится на 1550 нм, поэтому магистральные линии тяготеют именно к этому диапазону. Расширить рабочий спектр мешают остаточные гидроксильные группы: водяной пик OH даёт полосы поглощения на 1290 и 1383 нм, вырезая из эфира участки между удобными окнами.

Химическая стойкость SiO₂ велика, но не безгранична. Плавиковая кислота (HF) растворяет кварцевое стекло, щёлочи разъедают его при нагреве — два реагента, при которых волокно теряет целостность буквально на глазах. Те же OH-группы, что портят спектральный диапазон в ближнем ИК, ограничивают применение кварцевого световода и в ультрафиолете, где поглощение растёт. Критичность этих ограничений для конкретной задачи зависит от длины волны и среды эксплуатации.

Потери на затухание определяются не только химией материала, но и качеством изготовления. Микротрещины на поверхности заготовки рассеивают свет, а загрязнение границы сердцевина/оболочка (пыль, остаточная влага, инородные включения) поднимает уровень потерь на несколько порядков относительно паспортного. Граница раздела двух сред с показателями 1,46 и чуть ниже работает как зеркало полного внутреннего отражения лишь при чистом и геометрически точном переходе: любой дефект на этой границе превращается в источник рассеяния.

Типы кварцевых световодов по конструкции

Типы кварцевых световодов в поперечном сечении: кварц-кварц, HCS, одномод, многомод, стержневой

Числовая апертура NA задаёт угол ввода излучения, и именно по ней проще всего развести два базовых класса волокон. Кварц-кварц (all-silica) собирают из сердцевины SiO₂ и светоотражающей оболочки SiO₂-F с пониженным показателем преломления, что даёт NA в пределах 0,20-0,24. Кварц-полимер (HCS, Hard Clad Silica) сохраняет кварцевую сердцевину, но оболочку заменяет твёрдый полимер: апертура поднимается до 0,35-0,40, и волокно собирает больше света на торце.

По модовости волоконный кварцевый световод делят на одномодовый (диаметр сердцевины 7-10 мкм, NA около 0,1) и многомодовый (NA около 0,2). Первый держит один пространственный режим и работает на дальних линиях связи; второй пропускает десятки мод и применяется там, где важна не дальность, а светосбор.

Разделение волоконный и неволоконный световод проходит по геометрии: к неволоконным относят стержни и жгуты из плавленого кварца. Стержень — это монолитный световедущий канал диаметром от миллиметра, жгут собирает изображение или световой поток из пучка отдельных волокон. По назначению волокна делят на силовые (доставка мощного лазерного излучения, многомодовая сердцевина с большой NA) и осветительные, где приоритет — равномерный световой поток без жёстких требований к спектру.

Характеристики световода из кварца

График пропускания кварцевого световода 200–2400 нм с окнами прозрачности и пиками поглощения ОН-групп

0,22 дБ/км на длине волны 1550 нм — это нижний предел затухания одномодового кварцевого световода, и именно эта цифра отделяет его от любых альтернатив. Значение нормируется рекомендацией ITU-T G.652 для одномодового волокна связи. Полимерное волокно (POF) на 650 нм теряет 150-200 дБ/км. Разница в три порядка: то, что кварц проносит через десятки километров, полимер гасит уже на сотне метров.

Числовая апертура (NA) задаёт угол, под которым излучение входит в сердцевину и выходит из неё. От неё напрямую зависит эффективность ввода от источника. Чем выше NA, тем проще завести свет от широконаправленного LED, но тем сильнее модовая дисперсия, размывающая импульс. Для лазерных и медицинских волокон берут NA 0,20-0,24, в отдельных силовых сборках до 0,32. Связные одномодовые работают на NA около 0,1, многомодовые около 0,2. Кварцевые световоды с полимерной оболочкой (HCS) выделяются высокой апертурой 0,35-0,40, что удобно при стыковке с дешёвыми диодами. Стоит ли всегда гнаться за большим углом ввода? На коротких медицинских трассах высокая NA оправдана; на магистральных линиях она только увеличивает межмодовую дисперсию.

Затухание складывается из поглощения и рассеяния. Многомодовое кварцевое волокно держит ≤3,5 дБ/км, HCS на 850 нм — 1-10 дБ/км в зависимости от чистоты сердцевины.

Пропускание привязано к окнам прозрачности 850, 1310 и 1550 нм. Между ними сидят водяные пики OH на 1290 и 1383 нм: на этих длинах волн рабочие каналы не размещают.

Марки кварцевого стекла для световодов

Сравнение марок кварца КУ-1, КВ и КИ для световодов по спектральным диапазонам и содержанию ОН-групп

ГОСТ 15130-86 нормирует все марки кварцевого стекла, и выбор начинается с одной величины — рабочего спектрального диапазона. Под каждый участок спектра подходит своя марка плавленого кварца, и ошибка здесь обнуляет светопропускание кварцевого световода в нужной зоне.

Логика подбора простая. Задача в ультрафиолете — УФ-облучатель или УФ-спектроскопия — закрывается КУ-1: марка пропускает от 170 нм и не имеет провалов в зоне 170-250 нм, где большинство стёкол уже глухие. Но у КУ-1 есть граница: полоса поглощения гидроксильных групп OH на 2600-2800 нм режет передачу в дальнем ИК, поэтому для длинноволновых задач она не годится.

Работа в видимом свете, ближнем и среднем ИК — это КВ с её диапазоном 260-3500 нм. Когда смещаемся глубже в инфракрасную область, выбор переходит к КИ.

Неволоконные кварцевые световоды из плавленого кварца марок КУ и КВ выпускаются серийно и подбираются под спектр конкретной установки. Диапазон источника — монохроматический лазер или широкополосная лампа — напрямую определяет марку: перекрытие спектра излучателя и окна прозрачности кварца должно быть полным, иначе часть энергии уйдёт в нагрев стекла, а не в передачу сигнала.

Нормативная база для кварцевого световода по ГОСТ и КУ

Марку кварца для световода нельзя выбрать «на глаз»: спектральное пропускание КУ-1 и КИ в УФ-диапазоне различается в разы. ГОСТ 15130-86 «Стекло кварцевое оптическое. Общие технические условия» закрепляет шесть марок (КУ-1, КУ-2, КВ, КИ, КУВИ, КУВ), категории качества и нормы по содержанию гидроксильных групп, пузырям, двойному лучепреломлению. От этого документа отталкиваются, когда подбирают материал под рабочий диапазон длин волн: КУ-1 с высоким содержанием OH-групп пропускает УФ от 170 нм, тогда как КИ заточен под ИК-окно.

Заготовки под неволоконные кварцевые световоды регламентирует отдельный стандарт.

• ГОСТ 15130-86 — марки оптического кварцевого стекла, спектральное пропускание, категории, показатели качества.
• ГОСТ 8680-58 — прямые трубы из прозрачного кварцевого стекла: геометрия, отклонения диаметра и толщины стенки для трубок и стержней.
• Паспорт качества партии — фактические значения пропускания и содержания примесей по конкретной плавке.
• Сертификат соответствия — подтверждение марки и соблюдения ГОСТ при поставке.

При заказе мы запрашиваем паспорт на каждую партию: маркировка по ГОСТ без приложенных замеров пропускания мало что гарантирует кварцевому световоду. Для одной задачи важнее стабильность УФ-окна, для другой — точная геометрия трубки.

Световод и оптоволокно, различия , что лучше и как выбрать

Сравнение кварцевого световода и оптоволокна связи по спектру, NA, сердцевине и мощности

Оптоволокно — это частный случай волоконного световода, заточенный под передачу сигнала и связь. Световод как понятие шире. Сюда попадают силовые волокна для лазеров, осветительные жгуты и неволоконные стержневые изделия из плавленого кварца, которые вообще не гнутся и работают как жёсткий канал для света. Путаница возникает потому, что в быту «оптоволокном» называют всё подряд — от интернет-кабеля до УФ-стержня в облучателе.

На практике отличие световода от оптоволокна сводится к геометрии и назначению. Оптоволокно почти всегда гибкое, в защитной оболочке, с диаметром сердцевины от единиц до сотен микрон. Стержневой кварцевый световод — это монолит диаметром в миллиметры, который проводит широкий спектр без расщепления на моды.

Выбор волоконного и неволоконного световода зависит от задачи. Для связи и передачи данных берут одномодовое кварцевое волокно. Под мощный технологический лазер — силовое волокно кварц-кварц с большой апертурой. Для подсветки, УФ-облучения и спектроскопии чаще подходят кварцевые стержни и капилляры из КУ-1 (высокое пропускание в УФ) или КВ.

Кварц-Пром работает с плавленым кварцем с 2004 года. Мы изготавливаем неволоконные кварцевые световоды по чертежу и ТЗ, подбираем марку (КУ-1, КВ или КИ) под спектральный диапазон задачи и контролируем качество каждой партии. По нашему опыту, ошибка с маркой на УФ-задаче дороже самого изделия: КВ срежет нужный диапазон, где КУ-1 пропустит его без потерь. Прямые поставки идут по Москве, России и СНГ.

Пришлите чертёж или опишите задачу — подберём марку кварца и изготовим световод под ваши параметры.

Частые вопросы

Чем кварцевый световод отличается от оптоволокна?

Оптоволокно — частный случай волоконного световода, заточенный под передачу данных в линиях связи. Световод как класс шире: он включает волоконные силовые и осветительные жгуты, а также неволоконные стержни из плавленого кварца. То есть всякое оптоволокно — световод, но не всякий световод — оптоволокно. Стержневой кварцевый световод бывает монолитом диаметром в миллиметры, тогда как сердцевина одномодового оптоволокна — всего 7-10 мкм.

Что такое числовая апертура и на что она влияет?

Числовая апертура (NA) задаёт половинный угол конуса, под которым излучение вводится в сердцевину и выводится из неё. У медицинских и лазерных кварцевых волокон NA составляет 0,20-0,24, у HCS-волокон — 0,35-0,40. Чем выше NA, тем проще завести свет в торец, но тем сильнее модовая дисперсия и шире выходной пучок.

Какая марка кварца нужна для УФ-диапазона?

Для ультрафиолета применяют марку КУ-1 с рабочим окном пропускания 170-2500 нм. В отличие от технических марок, КУ-1 не имеет полос поглощения в диапазоне 170-250 нм, что и позволяет передавать жёсткий УФ без потерь на собственных дефектах структуры SiO₂.

Какое затухание у кварцевых световодов?

Одномодовое волокно даёт минимальное затухание 0,22 дБ/км на длине волны 1550 нм. У многомодовых волокон затухание не превышает 3,5 дБ/км, а у HCS-волокон оно составляет 1-10 дБ/км на 850 нм. Разброс объясняется диаметром сердцевины и типом оболочки.

Чем волоконный световод отличается от стержневого?

Волоконный световод — это гибкое волокно со структурой «сердцевина-оболочка», где свет удерживается полным внутренним отражением. Стержневой (неволоконный) световод — монолитный элемент из плавленого кварца марок КУ-1 или КВ, в котором излучение распространяется в объёме материала. Первый гнётся и плетётся в жгуты, второй держит форму и работает как жёсткий оптический элемент.

Можно ли изготовить неволоконный световод по чертежу?

Да. Кварц-Пром изготавливает изделия из плавленого кварца по чертежу или техническому заданию заказчика, подбирая марку под нужный спектральный диапазон и контролируя качество по всей партии. Это позволяет получить стержень или вставку с заданной геометрией и прозрачностью под конкретную оптическую задачу.

Почему на кривой пропускания есть «водяные пики»?

Провалы пропускания вызывает поглощение гидроксильных OH-групп, встроенных в структуру SiO₂. Основные центры поглощения лежат на 1290 и 1383 нм, поэтому их и называют водяными пиками. У кварца дополнительная полоса OH-поглощения приходится на диапазон 2600-2800 нм, что ограничивает работу в среднем ИК.