Метод измерения показателя преломления с целью управления технологическим процессом производства волоконных световодов

Запропоновано метод визначення показника заломлення для заготовки серцевини оптичного волокна з використанням принципів явища розсіювання світла. Процес вимірювання полягає у визначенні індикатриси розсіювання для заготовки серцевини волокна. Показано, що індикатриса розсіювання однозначно визначає...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2017
Автор:	Манько, А.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2017
Назва видання:	Проблемы управления и информатики
Теми:	Технические средства для измерений и управления
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/208603
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Метод измерения показателя преломления с целью управления технологическим процессом производства волоконных световодов / А.А. Манько // Проблемы управления и информатики. — 2017. — № 5. — С. 133-139. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-208603
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-2086032025-11-03T01:18:03Z Метод измерения показателя преломления с целью управления технологическим процессом производства волоконных световодов Метод вимірювання показника заломлення з метою управління технологічним процесом виробництва волоконних світловодів Method of measuring of the refractive index to control the manufacturing process of optical fibers Манько, А.А. Технические средства для измерений и управления Запропоновано метод визначення показника заломлення для заготовки серцевини оптичного волокна з використанням принципів явища розсіювання світла. Процес вимірювання полягає у визначенні індикатриси розсіювання для заготовки серцевини волокна. Показано, що індикатриса розсіювання однозначно визначає величину показника заломлення, а застосування принципів розсіювання помітно розширює діапазон вимірювань. A method for determination of the refractive index of the optical fiber preform using the principles of light scattering phenomenon is proposed. The measurement process means determination of the scattering function for the preform of the fiber core. It is shown that the indicatrix of scattering uniquely determines the value of the refractive index, and the application of the scattering principles significantly expands the measurement range. 2017 Article Метод измерения показателя преломления с целью управления технологическим процессом производства волоконных световодов / А.А. Манько // Проблемы управления и информатики. — 2017. — № 5. — С. 133-139. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0572-2691 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/208603 535.36 10.1615/JAutomatInfScien.v49.i10 ru Проблемы управления и информатики application/pdf Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Технические средства для измерений и управления Технические средства для измерений и управления
spellingShingle	Технические средства для измерений и управления Технические средства для измерений и управления Манько, А.А. Метод измерения показателя преломления с целью управления технологическим процессом производства волоконных световодов Проблемы управления и информатики
description	Запропоновано метод визначення показника заломлення для заготовки серцевини оптичного волокна з використанням принципів явища розсіювання світла. Процес вимірювання полягає у визначенні індикатриси розсіювання для заготовки серцевини волокна. Показано, що індикатриса розсіювання однозначно визначає величину показника заломлення, а застосування принципів розсіювання помітно розширює діапазон вимірювань.
format	Article
author	Манько, А.А.
author_facet	Манько, А.А.
author_sort	Манько, А.А.
title	Метод измерения показателя преломления с целью управления технологическим процессом производства волоконных световодов
title_short	Метод измерения показателя преломления с целью управления технологическим процессом производства волоконных световодов
title_full	Метод измерения показателя преломления с целью управления технологическим процессом производства волоконных световодов
title_fullStr	Метод измерения показателя преломления с целью управления технологическим процессом производства волоконных световодов
title_full_unstemmed	Метод измерения показателя преломления с целью управления технологическим процессом производства волоконных световодов
title_sort	метод измерения показателя преломления с целью управления технологическим процессом производства волоконных световодов
publisher	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Технические средства для измерений и управления
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/208603
citation_txt	Метод измерения показателя преломления с целью управления технологическим процессом производства волоконных световодов / А.А. Манько // Проблемы управления и информатики. — 2017. — № 5. — С. 133-139. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series	Проблемы управления и информатики
work_keys_str_mv	AT manʹkoaa metodizmereniâpokazatelâprelomleniâscelʹûupravleniâtehnologičeskimprocessomproizvodstvavolokonnyhsvetovodov AT manʹkoaa metodvimírûvannâpokaznikazalomlennâzmetoûupravlínnâtehnologíčnimprocesomvirobnictvavolokonnihsvítlovodív AT manʹkoaa methodofmeasuringoftherefractiveindextocontrolthemanufacturingprocessofopticalfibers
first_indexed	2025-11-03T02:06:50Z
last_indexed	2025-11-04T02:05:35Z
_version_	1847823628621578240
fulltext	© А.А. МАНЬКО, 2017 Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 5 133 ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ И УПРАВЛЕНИЯ УДК 535.36 А.А. Манько МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ Введение В настоящее время волоконно-оптическая связь является наиболее быстро развивающейся областью телекоммуникаций. Оптическое волокно, основа воло- конно-оптической связи, способно обеспечить информационно-пропускную спо- собность, превышающую десятки терабайт в секунду. Волокно представляет со- бой направляющую систему для современных транспортных сетей и сетей досту- па, и для удовлетворения потребностей в нем объемы производства постоянно растут. Процесс изготовления волоконного световода является сложным техноло- гическим процессом, требующим применения высокоточного оборудования. Кроме того, для изготовления волоконных световодов обычно выполняется ряд технологических операций, требующих постоянного контроля параметров для обеспечения их стабильности и повторяемости [1]. Стандартная последователь- ность технологического процесса производства одномодовых оптических волокон состоит из следующих этапов: изготовление заготовки сердцевины оптического волокна, наращивание оболочки, вытяжка заготовки в волокно [2]. Основным конструктивным элементом оптического волокна является его сердцевина. Параметры заготовки сердцевины определяют качество и эксплуата- ционные характеристики волокна [2]. При этом показатели преломления сердце- вины волоконного световода определяются показателями преломления его заго- товки. Высокий уровень стабильности показателя преломления в процессе произ- водства оптического волокна определяется высокими требованиями к уровню потерь на стыках оптических волокон, которые в свою очередь определяются разни- цей числовых апертур и показателей преломления сердцевин соединяемых волокон. Таким образом, для обеспечения заданных параметров оптического волокна в ходе технологического процесса необходимо установить значение показателя преломления заготовки сердцевины. Определение показателя преломления сердцевины оптического волокна с использованием принципов явления рассеяния Для измерения показателя преломления или рефрактометрии, в основном, при- меняются методы прямого измерения углов преломления света при прохождении им границы раздела двух сред; методы, основанные на явлении полного внутрен- него отражения; а также интерференционные методы [3]. 134 ISSN 0572-2691 Для измерения по углу преломления образцу из исследуемого материала придают форму призмы с некоторым преломляющим углом α. При использовании для измерения показателя преломления явления полного внутреннего отражения образец измеряемого материала приводится в оптический контакт с эталонной призмой из материала с высоким и заранее известным показателем преломления. В интерференционных методах применяются две кюветы одинаковой длины, за- полненные веществами с различными показателями преломления. Эти методы применяются, как правило, при измерениях показателя преломления газов и раз- бавленных растворов. Измерения по первому методу требуют потерь заготовки в массе и затрат на проведение обработки материала. Измерения по второму методу также требуют потерь заготовки в массе и затрат на проведение обработки материала. Третий ме- тод практически неприменим в технологическом процессе ввиду необходимости проведения измерений параметров твердотельной заготовки. Кроме того, существующие рефрактометры позволяют определять значение показателя преломления в сравнительно небольшом диапазоне величин — от 1,4 до 2,1 (для простых конструкций) и от 1,2 до 2,8 (при наличии ряда сменных бло- ков) [4]. В то же время создаются новые виды синтетических материалов (в том числе фотонные кристаллы), показатели преломления которых могут выходить за пределы измерения существующих приборов. Таким образом, для обеспечения на ранних этапах контроля технологическо- го процесса производства оптического волокна необходимо применение метода измерения его оптических параметров с учетом приведенных выше замечаний. С этой целью в работе предложен метод, основанный на явлении рассеяния света [3]. При разработке метода использовались принципы квантовой электроди- намики, в соответствии с которыми световой поток, направляемый на исследуе- мый объект, представляет собой набор дискретных образований — световых квантов. Значение коэффициента отражения света на границе раздела двух опти- ческих сред при этом представляет собой вероятность отражения кванта от гра- ницы раздела [5]. Индикатриса рассеяния, полученная в результате процесса рас- сеяния для объекта с конкретной геометрией и значением показателя преломле- ния, однозначно определяет показатель преломления исследуемого объекта. В работе в качестве такого объекта рассматривается оптический цилиндриче- ский элемент, который моделирует заготовку сердцевины оптического волокна, обладающую цилиндрической формой. Как правило, для заготовок сердцевины оптических волокон выполняется соотношение D>>λ, где D — диаметр заготовки, а λ — длина световой волны. Дифракционные явления в этом случае не учитыва- ются, и моделирование рассеяния света проводится в соответствии с законами геометрической оптики. В этом приближении поведение падающего на оптиче- ский элемент света полностью описывается соотношениями геометрической оп- тики — прямолинейным распространением света в однородной среде, законом Снеллиуса и формулами Френеля [6]. Предполагалось также, что показатель преломления сохраняет постоянное значение в пределах всей заготовки, что соответствует сердцевине со ступенча- тым профилем показателя преломления. В качестве входного потока рассмотрен некогерентный поток поляризован- ного света в виде параллельных лучей (квантов), падающих на боковую поверх- ность цилиндра. Вектор электрического поля световых квантов параллелен оси цилиндра. В этом случае коэффициент отражения на границе раздела двух сред описывается выражением, полученным в соответствии с [6]: 2 2 2 12 2 1 2 1 2 2 22 12 2 1 2 1 2sin)/(cos22cos sin)/(cos22cos nnnnn nnnnn CR +θ−θ+θ +θ−θ−θ = , Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 5 135 где n1 и n2 — показатели преломления воздуха и стекла соответственно, θ — угол падения луча на поверхность цилиндра. Потери в материале оптического цилинд- ра пренебрежимо малы, так что эффект поглощения квантов не учитывается. Зна- чение коэффициента отражения света на границе раздела двух оптических сред при этом представляет собой, согласно принципам квантовой электродинамики, вероятность отражения кванта от границы раздела [5]. Процесс распространения кванта в пределах оптического элемента рассчитывается с помощью метода Мон- те-Карло [7]. При расчете определяется траектория движения каждого кванта в пределах цилиндрического элемента (рис.1). При пересечении траекторией кванта границы оптического элемента производится расчет коэффициента отражения от границы раздела с учетом угла падения θ в соответствии с приведенным выше со- отношением. При этом также определяется, какой вариант направления движения кванта будет выбран на границе раздела, — отражение от границы или прохожде- ние ее. Как было указано выше, коэффициент отражения света от границы раздела представляет собой вероятность отражения. Следовательно, в целях определения дальнейшей траектории на границе раздела используется генератор случайных чисел. Если значение числа, сформированного генератором случайных чисел, не превышает величины коэффициента отражения, на границе раздела имеет место явление отражения. В противном случае квант проходит через границу раздела. Распределение квантов в падающем на оптический элемент потоке предполагает- ся равномерным. Общее число входящих квантов можно устанавливать в широ- ких пределах. Расчет траектории прохождения квантом цилиндрического оптиче- ского элемента производится для каждого кванта в отдельности. Начальное поло- жение входящего кванта в потоке определяется в соответствии с показаниями генератора случайных чисел и с учетом равномерного распределения квантов в сечении потока. При выходе кванта за пределы цилиндрического элемента фик- сируется значение угла рассеяния кванта по отношению к направлению входяще- го потока. Полный угол, в пределах которого могут рассеиваться кванты, равно- мерно разделен на сектора, и общее количество квантов, попадающих в конкрет- ный сектор в процессе расчета, фиксируется. Эти данные использовались для построения индикатрисы рассеяния оптического элемента, которая представляет собой угловое распределение интенсивности, нормированное к максимальному ее значению. Программа расчета построена таким образом, что позволяет предста- вить на экране компьютера как числовые данные по индикатрисе (нормированные значения интенсивности в каждом секторе) в отдельном окне, так и вид самой ин- дикатрисы в полярных координатах. Возможности программы позволяют изме- нять значение показателя преломления оптического элемента. Количество секто- ров, на которые разделен полный угол, можно изменять в пределах от 24 до 360. Таким образом, максимальная разрешающая способность программы для расчета индикатрисы рассеяния составляет один угловой градус. С помощью указанного метода проведены расчеты индикатрисы рас- сеяния при различных значениях показа- теля преломления оптического элемента. В частности выполнены расчеты инди- катрисы рассеяния в окрестности значе- ния показателя преломления, равного 1,46, что характеризует кварцевое стекло. На рис. 2 изображена индикатриса рассеяния оптического цилиндрическо- го элемента с показателем преломления n = 1,458. Направление входных лучей совпадает с направлением оси х. Как видно, индикатрисе присущи четыре пика интенсивности рассеяния, располо- Рис. 1 136 ISSN 0572-2691 женные симметрично относительно оси х под углами φ1 = ± 100° и φ2 = ± 155о. Нормированные значения интенсивности этих пиков составляют 0,62 и 1,0 соот- ветственно. Рис. 2 При уменьшении показателя преломления угол φ1 увеличивается, а угол φ2 соответ- ственно уменьшается. Таким образом, эти параметры соответствуют угловым дис- персионным характеристикам по отношению к показателю преломления n. Эти ха- рактеристики отражает величина производной n∂ϕ∂ , которая для первого пика составляет 3,49 рад, а для второго — 1,745 рад, т.е. в два раза меньше. Численно эти величины отражают угловое (в радианах) смещение пика при изменении по- казателя преломления на единицу и определяют чувствительность метода по из- менению показателя преломления n. Полученные результаты свидетельствуют о возможности определения пока- зателя преломления оптического цилиндрического элемента согласно виду его индикатрисы рассеяния и угловому положению пиков индикатрисы. При уменьшении показателя преломления до величины 1,33 (значение пока- зателя преломления для воды) первый и второй пики перемещаются и занимают угловые положения 129 и 139° соответственно (рис.3). Рис. 3 Для проверки результатов моделирования цилиндрического оптического эле- мента, выполненного из кварцевого стекла (SiO2), проведено экспериментальное исследование индикатрисы рассеяния кварцевого стержня цилиндрической формы. Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 5 137 Структурная схема измерения представлена на рис. 4 (1 — оптический элемент; 2 — диафрагма; 3 — линза; 4 — источник излучения; 5 — фотоприемник; 6 — по- ляризатор). 4 3 2 6 1 3 2 5 θ Рис. 4 В качестве измерительного прибора использован оптический тестер типа ОМК3-76 в комплекте с источниками излучения и фотоприемниками. Элементы измерительной установки (оптический тестер, источник излучения, фотоприем- ник, а также исследуемый цилиндрический образец, выполненный из кварцевого стекла) показаны на рис. 5. Излучение из источника подается на коллиматор, а затем через поляризатор параллельный пучок света по- ступает на цилиндрический оп- тический элемент. Рассеянный свет через фокусирующий эле- мент поступает на вход фото- приемника. Угловое положение пиков индикатрисы рассеяния в пределах погрешности изме- рительного прибора совпадает с расчетным положением пи- ков для кварцевого цилиндра: φ1 = ± 100° и φ2 = ± 155°. Таким образом, результаты измерения в пределах погрешности измерительного при- бора подтверждают ход индикатрисы рассеяния. Результаты экспериментального исследования индикатрисы рассеяния изложены в [8]. В этой работе получено экспериментальное подтверждение результатов теоретических расчетов инди- катрисы рассеяния цилиндрического оптического элемента, выполненного из кварцевого стекла. Дополнительное подтверждение правильности результатов проведенных тео- ретических исследований можно получить, сравнив результаты, полученные иными методами. Так, для воды (показатель преломления n = 1,33) полученное ранее расчетное положение угловых пиков на индикатрисе рассеяния оптического цилиндрического элемента (φ1 = ±129о; φ2 = ±139о) совпадает с данными, полу- ченными другими методами для капель воды [9]. Это углы, под которыми в дож- девых каплях можно наблюдать первую и вторую радуги. Таким образом, результаты моделирования процесса рассеяния света в опти- ческом цилиндрическом элементе и экспериментальные данные подтверждают возможность определения показателя преломления сердцевины оптоволокна на этапе его изготовления. Полученные данные могут быть использованы при управ- лении технологическим процессом изготовления оптического волокна. Рис. 5 138 ISSN 0572-2691 Особенности индикатрисы рассеяния оптических цилиндрических элементов с пониженным и повышенным показателями преломления Как было отмечено, измерения показателя преломления с помощью сущест- вующих приборов ограничиваются диапазоном значений 1,2–2,8 [4]. В то же вре- мя явление рассеяния позволяет расширить диапазон измерения значений показа- теля преломления. Так, например, при использовании технологии изготовления фотонных кристаллов в волоконной оптике можно достичь более низких значений показателя преломления, чем для существующих типов стекла. На рис. 6 приве- ден вид индикатрисы рассеяния для случая, когда показатель преломления опти- ческого цилиндрического элемента составляет 1,15. Как видно из рис. 6, вид индикатрисы заметно отличается от варианта с пока- зателем преломления кварцевого стекла. Однако при этом имеются характерные пики с вполне определенным угловым положением, которые наряду с индикатри- сой однозначно характеризуют величину показателя преломления оптического элемента. Рис. 6 Наряду с этим прогресс в развитии нанотехнологий ведет к созданию гете- рогенных материалов с возможностью изменения их показателей преломления в широком диапазоне значений. В связи с этим представляет интерес применение данного метода для определения повышенного значения показателя преломления. На рис. 7 приведен вид индикатрисы рассеяния для случая, когда показатель преломления оптического цилиндрического элемента составляет 3,3. Здесь также можно отметить наличие пиков, угловое положение которых в совокупности с видом индикатрисы однозначно определяет величину показателя преломления цилиндрического образца. Рис. 7 Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2017, № 5 139 Заключение Результаты исследования явления рассеяния на примере оптического цилин- дрического элемента показали возможность определения показателя преломления заготовки для производства оптического волокна. Это позволяет управлять техно- логическим процессом его изготовления и в необходимых случаях выполнять кор- рекцию процесса. При этом вид индикатрисы рассеяния позволяет однозначно определить значение показателя преломления заготовки цилиндрической формы. Кроме того, измерения, построенные на принципах явления рассеяния, по- зволяют значительно расширить диапазон измеряемых значений показателя пре- ломления при сохранении достаточной точности, определяемой точностью угло- вых измерений. Это особенно актуально для измерения параметров оптических волокон и других устройств, созданных на базе технологии фотонных кристаллов и нанотехнологий. О.О. Манько МЕТОД ВИМІРЮВАННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ З МЕТОЮ УПРАВЛІННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИМ ПРОЦЕСОМ ВИРОБНИЦТВА ВОЛОКОННИХ СВІТЛОВОДІВ Запропоновано метод визначення показника заломлення для заготовки серце- вини оптичного волокна з використанням принципів явища розсіювання світла. Процес вимірювання полягає у визначенні індикатриси розсіювання для заго- товки серцевини волокна. Показано, що індикатриса розсіювання однозначно визначає величину показника заломлення, а застосування принципів розсію- вання помітно розширює діапазон вимірювань. A.A. Manko METHOD OF MEASURING OF THE REFRACTIVE INDEX TO CONTROL THE MANUFACTURING PROCESS OF OPTICAL FIBERS A method for determination of the refractive index of the optical fiber preform using the principles of light scattering phenomenon is proposed. The measurement process means determination of the scattering function for the preform of the fiber core. It is shown that the indicatrix of scattering uniquely determines the value of the refractive index, and the application of the scattering principles significantly expands the measurement range. 1. Mahlke G., Gossing P. Fiber optic cables: fundamentals, cable design, system planning, 4th edi- tion — Munich : MCD Corporate Publishing, 2001. — 302p. 2. Жиро А. Технологии производства оптических волокон. Обзор последних разработок // Наука и техника — 2009. — №4. — С. 22–27. 3. Физический энциклопедический словарь. — М. : Сов. энциклопедия, 1984. — 944 с. 4. Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы химии. 3-е изд., перераб. — Л. : Химия, 1983. — 352 с. 5. Фрейнман P. КЭД — странная теория света и вещества: Пер. с англ. — М. : Наука, 1988. — 144 с. 6. Борн M., Вольф Э. Основы оптики. — М. : Наука, 1970. — 856 с. 7. Katok V.B., Manko V.A., Manko A.A. New method of quantitative modelling of fiber filters on thin films // Proc. 7th International Conf. on Transparent Optic «ICTON 2005». — Spain : Barce- lona : 2005. — P. 444–446. 8. Сукач Г.О., Манько В.О., Манько О.О. Дослідження оптичних спектрально-селективних елемен- тів, що використовують ефект розсіювання світла // Зв’язок. — № 7–8. — 2008. — С. 33–35. 9. Ван де Хюлст. Рассеяние света малыми частицами. — М. : Издательство иностранной ли- тературы, 1961. — 530 с. Получено 03.02.2017 После доработки 22.05.2017

Метод измерения показателя преломления с целью управления технологическим процессом производства волоконных световодов

Репозитарії

Схожі ресурси