Optisko šķiedru ražošanā izmantotais materiāls var absorbēt gaismas enerģiju. Pēc tam, kad optisko šķiedru materiālu daļiņas absorbē gaismas enerģiju, tās rada vibrāciju un siltumu, un izkliedē enerģiju, kā rezultātā rodas absorbcijas zudumi.Šajā rakstā tiks analizēti optisko šķiedru materiālu absorbcijas zudumi.
Mēs zinām, ka matērija sastāv no atomiem un molekulām, un atomi sastāv no atomu kodoliem un ārpuskodolu elektroniem, kas rotē ap atomu kodolu noteiktā orbītā. Tas ir tāpat kā Zeme, uz kuras mēs dzīvojam, kā arī tādas planētas kā Venera un Marss, kas visas riņķo ap Sauli. Katram elektronam ir noteikts enerģijas daudzums un tas atrodas noteiktā orbītā jeb, citiem vārdiem sakot, katrai orbītai ir noteikts enerģijas līmenis.
Orbitālās enerģijas līmeņi tuvāk atoma kodolam ir zemāki, savukārt orbitālās enerģijas līmeņi tālāk no atoma kodola ir augstāki.Enerģijas līmeņu starpības lielumu starp orbītām sauc par enerģijas līmeņu starpību. Kad elektroni pāriet no zema enerģijas līmeņa uz augstu enerģijas līmeni, tiem ir jāabsorbē enerģija atbilstošajā enerģijas līmeņu starpībā.
Optiskajās šķiedrās, kad elektronus noteiktā enerģijas līmenī apstaro ar gaismu, kuras viļņa garums atbilst enerģijas līmeņu starpībai, elektroni, kas atrodas uz zemas enerģijas orbitālēm, pāries uz orbitālēm ar augstāku enerģijas līmeni.Šis elektrons absorbē gaismas enerģiju, kā rezultātā rodas gaismas absorbcijas zudumi.
Optisko šķiedru ražošanas pamatmateriāls, silīcija dioksīds (SiO2), pats par sevi absorbē gaismu, vienu sauc par ultravioleto absorbciju un otru - par infrasarkano absorbciju. Pašlaik optiskās šķiedras sakari parasti darbojas tikai viļņu garuma diapazonā no 0,8 līdz 1,6 μm, tāpēc mēs apspriedīsim tikai zudumus šajā darba jomā.
Kvarca stiklā elektronisko pāreju radītais absorbcijas maksimums ultravioletajā diapazonā ir aptuveni 0,1–0,2 μm viļņa garumā. Palielinoties viļņa garumam, tā absorbcija pakāpeniski samazinās, bet skartā zona ir plaša, sasniedzot viļņa garumus virs 1 μm. Tomēr UV absorbcijai ir maza ietekme uz kvarca optiskajām šķiedrām, kas darbojas infrasarkanajā diapazonā. Piemēram, redzamās gaismas diapazonā pie viļņa garuma 0,6 μm ultravioletā absorbcija var sasniegt 1 dB/km, kas samazinās līdz 0,2–0,3 dB/km pie viļņa garuma 0,8 μm un tikai aptuveni 0,1 dB/km pie viļņa garuma 1,2 μm.
Kvarca šķiedras infrasarkanās absorbcijas zudumus rada materiāla molekulārā vibrācija infrasarkanajā diapazonā. Frekvenču joslā virs 2 μm ir vairāki vibrācijas absorbcijas pīķi. Dažādu optisko šķiedru leģējošo elementu ietekmes dēļ kvarca šķiedrām nav iespējams iegūt zemu zudumu logu frekvenču joslā virs 2 μm. Teorētiskie robežzudumi pie viļņa garuma 1,85 μm ir ldB/km.Pētījumu gaitā tika arī atklāts, ka kvarca stiklā ir dažas "destruktīvas molekulas", kas rada problēmas, galvenokārt kaitīgi pārejas metālu piemaisījumi, piemēram, varš, dzelzs, hroms, mangāns utt. Šie "ļaunprātīgie" gaismas apgaismojumā alkatīgi absorbē gaismas enerģiju, lēkājot un lēkājot apkārt, radot gaismas enerģijas zudumus. "Problēmu radītāju" likvidēšana un optisko šķiedru ražošanā izmantoto materiālu ķīmiska attīrīšana var ievērojami samazināt zudumus.
Vēl viens absorbcijas avots kvarca optiskajās šķiedrās ir hidroksīda (OH⁻) fāze. Ir konstatēts, ka hidroksīdam šķiedras darba joslā ir trīs absorbcijas pīķi: 0,95 μm, 1,24 μm un 1,38 μm. Starp tiem absorbcijas zudumi pie 1,38 μm viļņa garuma ir vislielākie un visvairāk ietekmē šķiedru. Pie 1,38 μm viļņa garuma hidroksīda jonu ar tikai 0,0001 saturu radītie absorbcijas pīķa zudumi sasniedz pat 33 dB/km.
No kurienes rodas šie hidroksīda joni? Ir daudz hidroksīda jonu avotu. Pirmkārt, optisko šķiedru ražošanā izmantotie materiāli satur mitrumu un hidroksīda savienojumus, kurus ir grūti noņemt izejvielu attīrīšanas procesā un kuri galu galā paliek hidroksīda jonu veidā optiskajās šķiedrās; otrkārt, optisko šķiedru ražošanā izmantotie ūdeņraža un skābekļa savienojumi satur nelielu daudzumu mitruma; treškārt, optisko šķiedru ražošanas procesā ķīmisko reakciju dēļ rodas ūdens; ceturtkārt, ārējā gaisa iekļūšana rada ūdens tvaikus. Tomēr ražošanas process tagad ir ievērojami attīstījies, un hidroksīda jonu saturs ir samazināts līdz pietiekami zemam līmenim, lai tā ietekmi uz optiskajām šķiedrām varētu ignorēt.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 23. oktobris