Исследование, позволяющее улучшить эффективность использования оптоволокна, провели ученые Пермскогой национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 31 октября сообщает пресс-служба вуза.

Результаты исследования ученые представили в статье «Анализ воздействия полимерного двухслойного защитного покрытия на оптическое волокно типа „Панда“ при изгибе», опубликованной в журнале «Polymers» (№ 18, 2022 год).

В статье авторы отметили, что оптические волокна — тонкие стеклянные нити, в настоящее время востребованы практически всеми областями науки и техники, так как способны передать сигнал с высокой скоростью без потерь и на большие расстояния. Их используют также для декоративного и ландшафтного освещения.

Кроме того, одним из наиболее развивающихся направлений исследований стали приборы на основе волоконно-оптических датчиков для измерения температуры, перемещений, давления, качества воздуха, присутствия химических и биологических веществ, а также угловых скоростей и других физических параметров.

Такое широкое их применение обусловлено малыми габаритами и весом, а также устойчивостью к электромагнитным помехам, агрессивным средам, термоустойчивостью и низким энергопотреблением.

В своей работе ученые исследовали влияние теплового воздействия на оптическое волокно типа Panda в широком диапазоне температур: 23, 60 и -60 °С, учитывая при этом механические деформации из-за контактного взаимодействия компонентов оптоволокна.

При производстве изделий из оптических волокон и в процессе их эксплуатации волокна взаимодействуют друг с другом и с металлическими и неметаллическими элементами, включая защитное покрытие. Покрытие оптоволокна Panda изготавливается из двух слоев упрочненного полимерного материала.

Один из авторов статьи, старший научный сотрудник, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ, кандидат технических наук Анна Каменских, пояснила:

«В рамках технологии производства получается оптическое волокно, поперечное сечение которого может отличаться от стандартов. Отклонения от стандартных габаритов или стандартного положения элементов волокна влияет на его работу. Проводя моделирование, мы варьировали эти параметры, чтобы определить параметры волокна, которое будет стабильно воспринимать изменения температуры и другие внешние воздействия».

Она отметила, что зная эти параметры, можно минимизировать габаритные размеры защитного покрытия, сохранив его функциональность. Это позволит сделать оптоволокно более компактным, за счет чего уменьшатся и размеры изделий из него.

Исследователями ПНИПУ была построена математическая модель оптоволокна, учитывающая остаточные напряжения в волокнах, которые возникают при их производстве, и характеристики защитного покрытия.

Модель позволила ученым оценить характеристики оптоволокна при передаче сигнала с учетом влияния таких воздействий на него в процессе практического использования, как изгиб, натяг, контакт с внешними объектами и др.

«Созданная модель позволяет исследовать отклонения от проектных размеров всех элементов конструкции, а также рассмотреть свободную намотку волокна. Благодаря описанию материалов волокна в рамках сложных моделей поведения мы получили более полное представление о работе конструкции в широком диапазоне температур», — рассказала еще один автор статьи, ведущий инженер, старший преподаватель кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Юлия Лесникова.

Полученные результаты прокомментировал третий автор статьи, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ, кандидат технических наук Александр Труфанов:

«При работе в условиях существенных перепадов температур волокно постоянно деформируется, из-за чего может снижаться качество передаваемого сигнала. Проведя серию численных экспериментов, удалось установить, что на это влияют не только внешние факторы, но и полимеры защитного покрытия».

Отрицательные температуры вызывают затвердевание внутренней мягкой прослойки защитного покрытия, а повышенная положительная температура, наоборот, размягчает ее. Эти эффекты создают разные по направлению и силе внутренние напряжения, что влияет и на оптические характеристики волокна.

Исследователи отмечают, что применение проведенных ими исследований в производстве указанного типа оптоволокна и при проектировании изделий из него дает возможность повысить характеристики оптоволоконных датчиков, в которых оно применяется.

Также выполненное исследование способствует импортозамещению зарубежных технологий и повышению технологического суверенитета России.