ИССЛЕДОВАНИЕ  ТОЛСТЫХ  СПЕЦИАЛЬНЫХ  ОПТИЧЕСКИХ  ВОЛОКОН  В  ПОЛИИМИДНОМ  И  МЕТАЛЛИЗИРОВАННОМ  ЗАЩИТНОМ  УПРОЧНЯЮЩЕМ  ПОКРЫТИИ

Никита Григорьев

ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЛСТЫХ СПЕЦИАЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН В ПОЛИИМИДНОМ И МЕТАЛЛИЗИРОВАННОМ ЗАЩИТНОМ УПРОЧНЯЮЩЕМ ПОКРЫТИИ

Выпускная квалификационная работа бакалавра посвящена исследованию и измерению геометрических параметров, оптических параметров (числовая апертура) и прочностных параметров специальных оптических волокон в полиимидном и металлизированном защитном упрочняющем покрытии. В теоретической части рассмотрены имеющиеся литературные данные по методам определения числовой апертуры и методам определения прочностных характеристик оптических волокон. В практической части для ряда исследуемых образцов ОВ определено значение числовой апертуры несколькими методами и проведен сравнительный анализ полученных результатов. Для оптических волокон в полиимидном и металлизированном ЗУП проведено исследование прочностных характеристик методами двухточечного изгиба и осевого растяжения.

Физика

Дипломы

Вуз: Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ)

ID: 5f477b45cd3d3e00017580ae

UUID: b71ad650-ca74-0138-222b-0242ac180006

Язык: Русский

Опубликовано: больше 3 лет назад

Просмотры: 55

-18.3

Никита Григорьев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ)

Комментировать 13

Рецензировать 0

Скачать - 15,0 МБ

Поделиться работой

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» Факультет прикладной математики и механики Направление «Фотоника и оптоинформатика» Кафедра общей физики Заведующий кафедрой общей физики доктор физ.-мат. наук, доцент ____________ А.В. Перминов «22» июня 2020 г. ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА на соискание академической степени бакалавра На тему ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЛСТЫХ СПЕЦИАЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН В ПОЛИИМИДНОМ И МЕТАЛЛИЗИРОВАННОМ ЗАЩИТНОМ УПРОЧНЯЮЩЕМ ПОКРЫТИИ Студент_______________ Н.С. Григорьев Состав ВКР: 1. Пояснительная записка на 154 стр. Руководитель ВКР ________________ В.В. Бурдин Пермь 2020 г.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» КАФЕДРА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ «УТВЕРЖДАЮ» Заведующий кафедрой доктор физ.-мат. наук, доцент _____________ А.В. Перминов «_18_» ____мая ______ 2020 г. ЗАДАНИЕ на выполнение выпускной квалификационной работы бакалавра Фамилия, И.О. _____________Григорьев Никита Сергеевич Факультет прикладной математики и механики Группа Начало выполнения работы 18.05.20 Контрольные сроки просмотра работы кафедрой 22.06.20 Защита работы на заседании ГЭК 23.06.20 ___________ ____ ФОП-16-1Б . . . . Наименование темы: Исследование толстых специальных оптических волокон в полиимидном и металлизированном защитном упрочняющем покрытии 1. Целевая установка и исходные данные к работе. На основе анализа основных методов исследования оптических волокон определиться с методиками измерения, и существующими и доступными методами провести измерение геометрических характеристик, числовой апертуры и прочностных характеристик образцов оптических волокон, а так же провести сравнительный анализ и дать оценку точности данных методов, для этого необходимо решить следующие частные задачи:  Проанализировать существующие способы определения числовой апертуры и прочностных характеристик оптических волокон – изучить ГОСТ, статьи, монографии на данную тематику;  Подобрать лабораторное оборудование и составить методики определения числовой апертура оптического волокна по «простой» и «сложной» схемам;  Адаптировать метод расчетного определения значения числовой апертуры с помощью формулы Селлмейера с вычислением коэффициентов для данной формулы при исследовании оптического волокна с произвольным количеством легирующих компонентов оболочки на основе существующих, известных данных.  Провести измерение прочностных характеристик оптических волокон в полиимидном и металлизированном защитном упрочняющем покрытии. 2

2. Содержание пояснительной записки: 1. Исследование геометрических параметров образцов ОВ 2. Измерение числовой апертуры ОВ 2.1. Теоретические сведения об измерении числовой апертуры 2.2. Методы определения числовой апертуры согласно ГОСТа 2.3. Лабораторные методы определения числовой апертуры 2.4. Результаты измерений числовой апертуры с использованием метода формирования изображения 2.5. Исследование зависимости значения числовой апертуры исследуемого образца ОВ от длины волны вводимого в ОВ излучения 3. Методика определения значения числовой апертуры с помощью измерения пространственного профиля лазерного излучения 3.1. Описание методики определения значения числовой апертуры с помощью измерения пространственного профиля лазерного излучения 3.2. Результаты определения числовой апертуры для ОВ в медном ЗУП (105/125) 3.3. Результаты определения числовой апертуры для ОВ в медном ЗУП (800/880) 3.4. Результаты определения числовой апертуры для ОВ в полимерном ЗУП (силикон) 3.5. Результаты определения числовой апертуры для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) 4. Расчет числовой апертуры образцов ОВ с применением формулы Селлмейера на основе результатов анализа элементного состава исследуемых ОВ 5. Расчет числовой апертуры образцов ОВ на основе результатов определения профиля показателя преломления. Сравнение полученных значений с результатами других методов 6. Механические свойства оптических волокон на основе кварцевого стекла. Методы определения и результаты измерений прочностных характеристик ОВ 6.1. Основные понятия о прочности оптического волокна 6.2. Статистическая оценка механической прочности. Распределение Вейбулла (представление результатов испытаний) 6.3. Зависимость прочностных характеристик ОВ от вида ЗУП 6.4. Методики измерения прочности ОВ и характеристика исследуемых образцов ОВ 6.5. Результаты измерений прочности методом двухточечного изгиба 6.6. Результаты измерений прочности методом осевого растяжения       3. Перечень графического материала: Схема метода формирования изображения при измерении числовой апертуры ОВ; Результаты определения значения числовой апертуры методом формирования изображения; Результаты определения значения числовой апертуры методом измерения пространственного профиля пучка лазерного излучения; Результаты анализа элементного состава исследуемых оптических волокон; Результаты расчета числовой апертуры образцов оптических волокон с применением формулы Селлмейера; Изображения поверхности образцов оптических волокон при исследовании на СЭМ; 3

 Графическое отображение результатов измерений параметров прочности оптических волокон в полиимидном и металлизированном защитном упрочняющем покрытии методами двухточечного изгиба и растяжения. 4. Дополнительные указания:  опубликовать по результатам работы статью в научном журнале (издании) на платформе eLIBRARY (Российская электронная библиотека);  в рамках темы разработать демонстрационную презентацию на основе мультимедийных технологий в программном редакторе Power Point для представления результатов работы (до 20 слайдов). 5. Основная литература: ГОСТ Р МЭК 60793-1-43-2013. Волокна оптические = Ч. 1-43. Методы измерений и проведение испытаний. Числовая апертура: Optical fibres. Part 1-43. Measurement methods and test procedures. Numerical aperture: национальный стандарт Российской Федерации: изд. офиц.: введен впервые: введен 2015-01-01.  ГОСТ Р МЭК 60793-1-33-2014. Группа Э59. Национальный стандарт российской федерации. Волокна оптические. Часть 1-33. Методы измерений и проведение испытаний. Стойкость к коррозии в напряженном состоянии. Дата введения 2016-01-01.  Мандель А.Е. Методы и средства измерения в волоконно-оптических телекоммуникационных системах: Учебное пособие. - Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2012. - 120 с.  Семёнов С.Л. Прочность и долговечность волоконных световодов на основе кварцевого стекла / Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. - М.: 2007 г.  Цибиногина М.К. Физико-химические процессы MCVD метода изготовления фторсодержащих изгибоустойчивых световодов / Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук - Пермь, 2008 г.  Руководитель выпускной квалификационной работы бакалавра: доцент кафедры ОФ, канд. физ.-мат. наук_______________________ В.В. Бурдин (должность, уч. степень, подпись) Задание получил: ___________________________________________Н.С. Григорьев (дата и подпись студента) 4

РЕФЕРАТ Н.С. Григорьев. Исследование толстых специальных оптических волокон в полиимидном и металлизированном защитном упрочняющем покрытии. Выпускная квалификационная работа бакалавра по направлению 12.03.03 – «Фотоника и оптоинформатика», профиль «Волоконная оптика». Пермь: ПНИПУ, 2020. – 154 с. Выпускная квалификационная работа бакалавра посвящена исследованию и измерению геометрических параметров, оптических параметров (числовая апертура) и прочностных параметров специальных оптических волокон в полиимидном и металлизированном защитном упрочняющем покрытии. В теоретической части рассмотрены имеющиеся литературные данные по методам определения числовой апертуры и методам определения прочностных характеристик оптических волокон. В практической части для ряда исследуемых образцов ОВ определено значение числовой апертуры несколькими методами и проведен сравнительный анализ полученных результатов. Для оптических волокон в полиимидном и металлизированном ЗУП проведено исследование прочностных характеристик методами двухточечного изгиба и осевого растяжения. Пояснительная записка ВКР содержит: 154 стр., 26 табл., 63 рис., 7 приложений, 35 использованных источников. Ключевые слова и словосочетания: Числовая апертура, формула Селлмейера, распределение Вейбулла, метод двухточечного изгиба, метод осевого растяжения. 5

СОДЕРЖАНИЕ Перечень сокращений и обозначений………………………………………………………..….….…7 Введение………………………………………………………………….……………………….…..…8 1. Исследование геометрических параметров образцов ОВ………………………………….….….13 2. Измерение числовой апертуры ОВ……………………………………………………….…....…..19 2.1. Теоретические сведения об измерении числовой апертуры…………………………..……….19 2.2. Методы определения числовой апертуры согласно ГОСТа……………………………..……..20 2.3. Лабораторные методы определения числовой апертуры……………………………….……...23 2.4. Результаты измерений числовой апертуры с использованием метода формирования изображения…………………………………………………………………….….....28 2.5. Исследование зависимости значения числовой апертуры исследуемого образца ОВ от длины волны вводимого в ОВ излучения……………………………………………….……........34 3. Методика определения значения числовой апертуры с помощью измерения пространственного профиля лазерного излучения…………………………….….……38 3.1. Описание методики определения значения числовой апертуры с помощью измерения пространственного профиля лазерного излучения…………………………….…...…..38 3.2. Результаты определения числовой апертуры для ОВ в медном ЗУП (105/125)…………...…41 3.3. Результаты определения числовой апертуры для ОВ в медном ЗУП (800/880)…….……..…43 3.4. Результаты определения числовой апертуры для ОВ в полимерном ЗУП (силикон)…….….45 3.5. Результаты определения числовой апертуры для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ)......47 4. Расчет числовой апертуры образцов ОВ с применением формулы Селлмейера на основе результатов анализа элементного состава исследуемых ОВ………………..……....…...…51 5. Расчет числовой апертуры образцов ОВ на основе результатов определения профиля показателя преломления. Сравнение полученных значений с результатами других методов……………………………………………………………………………….…….….63 6. Механические свойства оптических волокон на основе кварцевого стекла. Методы определения и результаты измерений прочностных характеристик ОВ…………...……65 6.1. Основные понятия о прочности оптического волокна……………………………………...….65 6.2. Статистическая оценка механической прочности. Распределение Вейбулла (представление результатов испытаний)………………………………………………………...…..67 6.3. Зависимость прочностных характеристик ОВ от вида ЗУП……………………………..….…69 6.4. Методики измерения прочности ОВ и характеристика исследуемых образцов ОВ…..…..…72 6.5. Результаты измерений прочности методом двухточечного изгиба……………………...…....75 6.6. Результаты измерений прочности методом осевого растяжения………………………..….....77 Заключение……………………………………………………………………………………….....…81 Список использованных источников…………………………………………………………....…...83 Приложение А………………………………………………………………………………………....85 Приложение Б…………………………………………………………………………….………....…95 Приложение В…………………………………………………………………………………...…....105 Приложение Г……………………………………………………………………………….…......…123 Приложение Д…………………………………………………………………………….……...…...139 Приложение Е……………………………………………………………………………..…….…....141 Приложение Ж……………………………………………………………………………….…...…..146 6

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ ОВ – оптическое волокно; СОВ – специальное оптическое волокно; ЗУП – защитно-упрочняющее покрытие; ППП – профиль показателя преломления; СИД – светоизлучающий диод; ЛД – лазерный диод; СЭМ - сканирующий электронный микроскоп; 7

ВВЕДЕНИЕ К настоящему моменту волоконная оптика уже получила становление как интенсивно развивающаяся отрасль науки и техники, а оптико-волоконные технологии нашли практическое применение в системах дальней и местной связи, приборостроении, научных исследованиях. С течением времени области использования оптико-волоконных технологий расширяются, и сейчас они могут применяться в таких областях жизни человека, в которых ранее применялись лишь традиционные кабели. Широкое применение волоконно-оптических систем приводит к разработке новых типов оптических волокон специального назначения, которые находят применение в приборостроении, медицине, системах телеметрии и др. Специальное ОВ является высокотехнологичным и перспективным продуктом в производстве волоконно-оптических датчиков физических величин, чувствительных элементов для волоконно-оптических гироскопов, лазеров и т.д. Во многих случаях обычно используются различные типы полимерных покрытий для защиты оптического волокна от механических повреждений при обращении и от факторов окружающей среды при его использовании. Однако существует ряд специальных применений оптических волокон, в которых нельзя использовать обычные волокна с полимерным покрытием [31]. В целом существует три основные задачи для специальных герметичных покрытий [31]: - Защита поверхности волокна от водяного пара (снижение статического усталостного воздействия и повышение механической надежности волокна); - Остановить проникновение водорода в волоконную сердцевину (для поддержания высокой оптической проходимости в водородсодержащей среде); - Защита поверхности волокна от механических и химических повреждений при повышенных температурах, когда обычные полимерные покрытия не работают. Решение вышеперечисленных задач диктуется необходимостью использования в специфических областях ОВ в металлизированных ЗУП [24]: -радиационно-устойчивые волоконно-оптические системы, предназначенные для использования в ядерной промышленности (например, плазменные диагностические системы в термоядерных реакторах, системы по визуальному осмотру ядерных установок). Для увеличения сопротивления излучения волокно может нагреваться до приблизительно 400° C. -высокотемпературные системы сигнализации, которые остаются работоспособными в аварийных условиях (например, в случае пожара). -волоконно-оптические датчики температуры, вибрации и т.д. интегрированные в сложные устройства (например, реактивные двигатели, турбины). -высокотемпературные волоконно-оптические системы, устойчивые к проникновению водорода, предназначенные для применения в химической и нефтяной промышленности. -волоконно-оптические устройства повышенной надежности, в которых волокна припаяны к соединителям (например, устройства для космической промышленности) [25]. -охлаждаемые, негорючие волокна для подачи мощности лазера. На данный момент существует только два типа реальных герметичных покрытий для оптических волокон - углерод и металл (осажденный из расплавленного расплава). Оба покрытия эффективно снижают статические усталостные эффекты, а также защищают сердцевину волокна (в течение некоторого времени) от проникновения водорода [31]. 8

В отличие от углеродного ЗУП, металлические ЗУП не нуждаются в дополнительном защитном полимерном покрытии. Таким образом, металлические покрытия являются лучшими претендентами на применение в областях для которых нежелательно присутствие полимерного покрытия. ОВ в металлизированном ЗУП сейчас наряду с традиционными ОВ в полимерном ЗУП находят широкое применение. Технологические методы металлизации нашли себе применение в производстве «толстых» (100 мкм и более) волоконных световодов со ступенчатым профилем показателя преломления, в которых повышенная прочность на изгиб удачно сочетается с термостойкостью, а относительно невысокая производительность процесса достаточна для получения отрезков волокна длиной в несколько десятков и сотен метров для систем дистанционного контроля [11]. Одним из примеров передового развития специальных ОВ является факт, переданный в сообщении Государственной корпорация Ростех в марте 2019 года о разработке передового оптического волокна для телекоммуникаций, которое может использоваться в широком температурном диапазоне [35] В исследованиях участвовали специалисты Государственного оптического института (ГОИ) им. С.И. Вавилова холдинга «Швабе» (входит в Ростех). Утверждается, что новая технология допускает эксплуатацию оптоволокна при температурах от минус 50 до плюс 200 градусов Цельсия в течение многих лет (25 лет и более) [35] Разработка представляет собой кварцевое оптическое волокно с покрытием из олова. Кроме того, процесс производства предполагает применение висмута. Технология позволяет производить волокно диаметром от 125 до 1200 мкм. При этом толщина его оловянного покрытия составляет от 20 до 80 мкм [35]. Информация о некоторых производимых в настоящее время специальных ОВ представлена в таблице 1. Разработанная к настоящему времени схема получения волоконного световода с малыми потерями излучения состоит из двух стадий, первая из которых - синтез заготовки световода цилиндрической формы методами химического осаждения диоксида кремния из газовой фазы. Применение в качестве легирующих элементов германия, фосфора, бора и фтора, подаваемых в зону реакции в виде газообразных соединений, обеспечивает формирование в заготовке световода определенного профиля показателя преломления. На второй стадии процесса заготовка опускается в высокотемпературную (~ 2000 °С) печь и происходит вытягивание волоконного световода из расплавленного конца заготовки, образующего так называемую луковицу [11]. Заложенный в заготовке профиль показателя преломления воспроизводится в оптическом волокне, в котором явление полного внутреннего отражения на границе раздела сердцевинаоболочка используется как основной физический принцип распространения электромагнитного излучения по световедущей сердцевине с минимальной потерей мощности [11]. Эффективность ввода излучения от электрооптических преобразователей в волоконный световод является важной характеристикой оптического передатчика, которая определяет величину потерь ещё на входе волоконно-оптического тракта. Учитывая, что в оптической магистрали регулярно встречаются потери, обусловленные не только собственным затуханием волоконно-оптического кабеля, но и соединением отдельных строительных длин, в коннекторах и т.д., необходимо соблюдать обязательное условие: потери при вводе излучения в световод должны быть минимальными. Важным параметром эффективности ввода излучения в ОВ является числовая апертура. 9

Числовая апертура – параметр определяющий количество мод, распространяющихся в оптическом волокне. Также величина числовой апертуры влияет на точность, с которой должна производиться стыковка оптических волокон друг с другом и с другими компонентами линии. Она связана с максимальным углом вводимого в волокно излучения из свободного пространства, при котором свет испытывает полное внутреннее отражение и распространяется по волокну. Для измерения числовой апертуры анализируется излучение из торца возбужденного оптическим источником световода. В качестве оптического источника может быть использован ЛД или СИД. В инженерных системах на основе многомодовых ОВ наиболее важными измеряемыми параметрами ОВ являются следующие [19,20]: 1. Затухание ОВ - параметр, характеризующий ослабление мощности оптического сигнала при его распространении в волокне, обусловленное поглощением в материале сердцевины и рассеянием излучения на неоднородностях материала. 2. Дисперсия - технический термин для обозначения расширения светового импульса при его распространении в волокне (сужения полосы пропускания) вследствие рассеивания во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала. З. Числовая апертура - один из важнейших измеряемых оптико-геометрических параметров волокна, определяющий значение оптической мощности, которое можно ввести в волокно. 4. Диаметр сердцевины (геометрические размеры ОВ) - параметр, наряду с числовой апертурой определяющий значение оптической мощности, которое можно ввести в многомодовое волокно. Данный параметр в обязательном порядке измеряется в процессе производства оптических кабелей. После получения заготовок и вытяжки ОВ измеряют их основные оптические параметры, которые вносят в паспорт на ОВ. Для этого используются различные методы измерения этих параметров с целью контроля качества ОВ на этапе изготовления. К таким параметрам относятся: - геометрические размеры в ОВ, которые измеряются с помощью микроскопа, обеспечивающего точность измерения десятые доли мкм. К измеряемым геометрическим параметрам относятся: диаметр кварцевого волокна, диаметр волокна с защитным покрытием, неконцентричность сердцевины и волокна, некруглость волокна; - числовая апертура ОВ, которая измеряется методом дальнего поля, т.е. по изображению излучения, выходящего из волокна; - профиль ПП в заготовках ОВ, с использованием метода отклонения луча при поперечном сканировании заготовки; Наряду с этими измерениями проводят исследования по определению прочностных характеристик ОВ, чаще всего методами двухточечного изгиба и растяжения. Знание прочностных характеристик ОВ в дальнейшем позволяет прогнозировать срок службы ОВ. Этим обусловлена актуальность темы, выбранной для выпускной квалификационной работы. Объектом работы являются ОВ в полимерном и металлизированном ЗУП с размерами сердцевины > 100мкм: - ОВ в полимерном ЗУП (силикон) - ОВ в медном ЗУП (105/125), производство ПАО «ПНППК» г. Пермь - ОВ в медном ЗУП (800/880), производство ПАО «ПНППК» г. Пермь - ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ), производство НЦВО г. Москва 10

- ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ), производство НЦВО г. Москва Предметом исследования в данной работе являются измерения геометрических параметров, значений числовой апертуры ОВ и их прочностных характеристик. Цель работы: на основе изученного теоретического материала существующими и доступными методами провести измерение геометрических характеристик, числовой апертуры и прочностных характеристик образцов ОВ, провести сравнительный анализ и дать оценку точности данных методов. По итогам проведенной работы оценить возможность применения методов измерения числовой апертуры ОВ в процессе производства новых видов ОВ. Новизна в проведенной работе заключается в опробовании расчетного метода определения значения числовой апертуры с помощью формулы Селлмейера, вычисление коэффициентов для данной формулы при исследовании оптического волокна с произвольным количеством легирующих компонентов оболочки на основе существующих, известных данных. 11

Таблица 1 – Производители и номенклатура «толстых» специальных ОВ в полимерном и металлизированном ЗУП Диаметр сердцевины из чистого кварца, мкм Числовая апертура Защитноупрочняющее покрытие Толщина ЗУП, мкм Диапазон рабочих температур, С Спектральный диапазон, мкм Область применения FlexiRay® art photonics GmbH, www.artphotonics.com 100; 200; 400; 600; 800; 1000; 1200; 1500 FlexiRay® MCS art photonics GmbH, www.artphotonics.com 9,200,400,600,1000(AL) 9,200,400 (Cu) НЦВО-ФОТОНИКА НЦВО-ФОТОНИКА АО «НПО ГОИ им. С.И.Вавилова» 100/110,150/165,200/220, 300/330, 400/440, 600/636, 600/660, 800/848, 800/880, 1000/1060, 1000/1100 0,22 ± 0,02 50-400 Соотношение сердцевина/оболочка = 1,06;1,1. 0,22 ± 0,02 200/220, 400/440, 600/660, 800/880, 1000/1100 0,22 ± 0,02 (полный приемный угол – 25°) 0,12 ± 0,02 (полный приемный угол -14°) Nylon, Tefzel, Acrylate, Al, Cu 0,22 ± 0,02 (полный приемный угол – 25°) Al, Cu AL Медь/Медный сплав 60-155 15-150 -40….+600(медное ЗУП) 15-150 (AL) 15-50 (Cu) -270…400 (AL) -270…600 (Cu) -196…+400 -196…+600 0,18–1,2 мкм (высокая концентрация OH-) 0,35–2,4 мкм (низкая концентрация OH-) 0,18–1,2 мкм (высокая концентрация OH-) 0,35–2,4 мкм (низкая концентрация OH-) 0,25–1,2 мкм (высокая концентрация OH-) 0,4–2,0 мкм (низкая концентрация OH-) 1,3-1,6 мкм УФ-отверждаемый акрилат, олово, свинец >10 (акрилат); 40-80 (олово, свинец) -45 - +80 (акрилат); -50-+200 (олово); -60-+300 (свинец) 0,25–1,2 мкм (высокая концентрация OH-) 0,4–2,0 мкм (низкая концентрация OH-) - Лазерная сварка металлов и пластиков; Лазерная резка и сверление; Обработка поверхности лазером; Доставка излучения от медицинского лазера; Лазерная мишень и дальномер; Лазерная спектроскопия; Окружающая среда высокой температуры; Резкая химическая окружающая среда; Ядерная радиация; Высокая мощность лазерного излучения; Медицинское применение; Спаянные волокна; Для применения в условиях повышенных температур и механических нагрузок. Высокая механическая прочность; Высокая радиационная стойкость; Возможность стерилизации различными методами; Возможность пайки, в том числе, для вакуумных применений. 12 0,22 Медицинские лазеры; Спектроскопия; Передача света и мощного лазерного излучения.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБРАЗЦОВ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН В соответствии с ГОСТ Р МЭК 793-1-93 [1] диаметры волокна без покрытия и волокна с покрытием являются основными значениями, которые должны быть известны для выполнения последующих операций, таких как переработка, сращивание, установка соединителей, изготовление кабелей и измерения. Измерение геометрических параметров исследуемых образцов ОВ проводились на территории металлофизической лаборатории ПАО «ПНППК» с использованием поста микроконтроля OLYMPUS в соответствии с опытной инструкцией №66/61-10-мт от 08.11.2018 «Волокна оптические. Методика измерения геометрических параметров защитноупрочняющих покрытий непрозрачных». Для исследования были взяты транспортные оптические волокна в углеродно-медном (№1-№5), полимерном (силикон) ЗУП (№6,№7) и алюминиевом (№8,№9) ЗУП. Были поставлены следующие задачи: -Вклеивание исследуемых ОВ в балочку; -Подготовка торцевых поверхностей образцов ОВ, используя шлифовальнополировальный станок METASERV 250 и набор шлифовально-полировочных кругов с различными параметрами зернистости; -Проведение измерений геометрических параметров исследуемых ОВ на посте микроконтроля OLYMPUS. Далее продемонстрированы основные этапы проведения измерений: 1. Отрезки ОВ длиной от 20 до 30 мм крепятся с помощью пластилина внутри металлической оболочки и заливаются специальным отвердителем (см. Рисунок 1.1). Процесс затвердевания длится от 15 до 20 минут. После необходимо извлечь застывшей отвердитель с вклеенными ОВ (балочка), используя тисы и ручной инструмент (см. Рисунок 1.2-1.3). Рисунок 1.1 - Подготовка к исследованию образцов ОВ 13

Рисунок 1.2 - Подготовка к исследованию образцов ОВ Рисунок 1.3 - Балочка с исследуемыми образцами ОВ 14

2. Подготовленные образцы ОВ крепятся в специальную струбцину и проводится шлифовка и полировка их торцевых поверхностей (см. Рисунок 1.4) Рисунок 1.4 - Процесс шлифования и полирования образцов ОВ 3. С помощью поста микроконтроля OLYMPUS проводится геометрических параметров исследуемых образцов ОВ (см. Рисунок 1.5). измерение Рисунок 1.5 - Пост микроконтроля OLYMPUS с исследуемыми образцами ОВ 15

4. Результаты измерения геометрических параметров исследуемых образцов ОВ представлены в Таблице 1. Таблица 1.1 - Геометрические параметры исследуемых образцов ОВ Параметры Диаметр сердцевины, мкм Диаметр оболочки, мкм Диаметр защитноупрочняющего покрытия, мкм №1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8 №9 808 810 - - - 620 612 - - 889 889 880 880 880 720 726 1052 326 967 975 1020 1020 1000 888 906 1355 463 Рисунок 1.6 - Образец ОВ №1 (углеродно-медное ЗУП) Рисунок 1.7 - Образец ОВ №2 (углеродно-медное ЗУП) 16

а) б) в) Рисунок 1.8 - Образцы ОВ в углеродно-медном ЗУП (а - №3, б- №4, в-№5) а) б) Рисунок 1.9 - Образцы ОВ в полимерном (силикон) ЗУП (а - №6, б- №7) 17

Рисунок 1.10 - Образец ОВ №8 (алюминиевое ЗУП) толстое ОВ Рисунок 1.11 - Образец ОВ №9 (алюминиевое ЗУП) тонкое ОВ По результатам измерений в соответствии с опытной инструкцией №66/61-10-мт от 08.11.2018 «Волокна оптические. Методика измерения геометрических параметров защитноупрочняющих покрытий непрозрачных» (ПАО «ПНППК») получены геометрические параметры исследуемых ОВ. Данные представлены в таблице 1. С помощью поста микроконтроля OLYMPUS получены изображения торцевых поверхностей исследуемых ОВ с геометрическими размерами (см. Рисунки 1.6-1.11). В процессе проведения измерений для ОВ в углеродно-медном ЗУП (образцы №3-№5) и для ОВ с алюминиевым ЗУП при проведении измерений не удалось измерить размеры сердцевины. Это связано с недостаточным контрастом границы «сердцевина-оболочка». 18

2. ИЗМЕРЕНИЕ ЧИСЛОВОЙ АПЕРТУРЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН 2.1. Теоретические сведения об измерении числовой апертуры Числовая апертура является одной из важнейших оптико-геометрических характеристик волоконного световода и важным измеряемым параметром, так как световод должен обеспечивать распространение потоков излучения, входящих под максимально большим углом к его продольной оси [19]. На рисунке 2.1 показаны продольное осевое сечение ступенчатого волокна и процесс распространения световых лучей в рамках геометрической оптики. Рисунок 2.1 – Распространение световых лучей в волоконном световоде [14] При попадании светового луча на торец ОВ в нем могут появиться три типа световых лучей: направляемые (лучи 1, 2, 3), вытекающие - лучи оболочки (луч 4), и излучаемые, которые излучаются из оболочки в окружающее пространство (луч 5). Очевидно, что излучаемые и вытекающие волны - это паразитные волны, приводящие к рассеиванию энергии и искажению информационного сигнала [14]. Направляемые лучи в зависимости от траектории следует разделить на меридианные и косые световые лучи. Траектория меридианных лучей лежит в плоскости, проходящей через ось волокна, и имеет зигзагообразный вид (лучи 2, 3). Косые лучи распространяются по спиралеобразной траектории, проекция которой на поперечное сечение волокна имеет вид правильного незамкнутого треугольника. Меридианные световые лучи характеризуются углом падения на оболочку θ M , образованным лучом и нормалью к оси волокна. Критический режим соответствует условию sin θКР= nu/ nc (2.1) где θКР — угол полного внутреннего отражения; nc , nu — показатели преломления сердцевины и оболочки соответственно. При выполнении условия θM < θКР луч распространяется вдоль сердцевины волокна и может обеспечить передачу сигнала на большие расстояния. Угол θа между оптической осью и одной из образующих светового конуса — лучей, падающих на торец оптического волокна, для которых в дальнейшем выполняется условие полного внутреннего отражения, носит название апертуры ОВ. Физически апертура характеризует эффективность ввода оптического излучения в волокно, а для ее числовой оценки используется понятие номинальной числовой апертуры (Numerical Ареrture), значение которой для ступенчатого оптического волокна определяется выражением: NA= nо* sin θa где nо — показатель преломления окружающей среды, для воздуха nо=1. 19 (2.2)

В соответствии с законом Снеллиуса для лучей на входном торце оптического волокна можно записать nо* sin θa=nс*sin(π/2- θКР) (2.3) θКР=arcsin (nu/ nc) (2.4) и, учитывая, что выражение для номинальной числовой апертуры примет вид NA= √(𝑛𝑐2 − 𝑛𝑢2 ) ≈ 𝑛𝑐 ∗ √2 ∗ ∆ (2.5) Где ∆=(𝑛𝑐2 − 𝑛𝑢2 )/(2 ∗ 𝑛𝑐2 ) ≈ (𝑛𝑐 − 𝑛𝑢 )/𝑛𝑐 называется относительной разностью показателей преломления сердцевины и оболочки оптического волокна. Из последнего выражения видно, что с увеличением разности показателей преломления сердцевины и оболочки значение NA возрастает и, следовательно, улучшается эффективность ввода излучения в оптическое волокно. Полученное выражение учитывает только меридианные лучи, в то время как в оптическом волокне в основном имеют место косые лучи с гораздо более сложной траекторией распространения. Получить простое выражение для числовой апертуры косых лучей не удается. Однако отметим, что апертура, вычисленная по выражению (2.5) для меридианных лучей ступенчатого волокна, меньше действительной апертуры, учитывающей все введенные лучи [29]. Апертура представляет интерес и является предметом измерений в основном применительно к многомодовым волокнам, поскольку равенство числовых апертур источника излучения, оптического волокна и приемника излучения является одним из необходимых условий достижения малых потерь при их соединениях. 2.2. Методы определения числовой апертуры согласно ГОСТ Р МЭК 60793-1-432013 В РФ в настоящее время существует ГОСТ Р МЭК 60793-1-43-2013 [2], который определяет методы измерений и проведение испытаний при определении числовой апертуры. Настоящий стандарт устанавливает единые требования к измерению числовой апертуры оптического волокна, обеспечивая проверку соответствия волокон и кабелей целям коммерческого использования. Данный стандарт определяет метод, при котором проводят измерение углового распределения интенсивности излучения (дальнего поля) оптического волокна. Числовая апертура ступенчатого многомодового оптического волокна может быть рассчитана по результатам измерения с использованием уравнения для NA в дальнем поле NAff NAff=k* NAth (2.6) где NAff – числовая апертура в дальнем поле; k=0,95 в случае, когда измерение профиля проводят при длине волны 540нм, и k=0,96 в случае, когда измерение проводят при длине волны 633 нм; NAth – максимальное теоретическое значение . Максимальную теоретическую NA ступенчатого многомодового волокна определяют по формуле NAth=sin Θm 20 (2.7)

где NAth - максимальная теоретическая NA; Θm - наибольший угол падающего меридионального луча, который будет направляться волокном. Числовая апертура может быть определена путем измерения диаграммы направленности излучения дальнего поля на коротком отрезке волокна или путем измерения профиля показателя преломления волокна. Используя метод дальнего поля, получают диаграмму интенсивности излучения волокна Iθ и NAff (числовую апертуру в дальнем поле) определяют как синус половинного угла, при котором интенсивность уменьшилась до 5% максимального значения [2]. Согласно стандарта в качестве источника света используют некогерентный источник света, способный обеспечить устойчивое излучение (колебания интенсивности не более 10%) на торцевую поверхность образца. Излучение должно быть стабильным по интенсивности и положению на временном интервале, достаточном для проведения измерения. В соответствии со стандартом существуют две методики, которые представляют собой угловые сканирования диаграммы направленности дальнего поля. Рассмотрим методику 1 - угловое сканирование (см. Рисунок 2.2) Рисунок 2.2 - Методика 1. Угловое сканирование [2] В данной методике используют устройство для поддержки и выравнивания выходного конца образца. Это устройство позволяет выравнивать торцевую поверхность таким образом, чтобы она была расположена по нормали и совпадала с осью вращения оптического детектора, а также с плоскостью вращения оптического детектора [2]. А так же используют соответствующее устройство для вращения оптического детектора, которое позволяет детектору сканировать по дуге, достаточной для охвата почти всего конуса излучения образца (например, откалиброванный гониометр). Ось вращения механизма должна пересекать торцевую поверхность образца и должна быть перпендикулярна к оси образца, и плоскость вращения данного механизма должна совпадать с осью образца. Используют устройство для регистрации углового положения детектора по отношению к оси выходного конца образца [2]. 21

Рисунок 2.3 - Методика 2. Угловое сканирование [2] По методике 2 - угловое сканирование (см. Рисунок 2.3) используют устройство для поддержки образца таким образом, чтобы торцевая поверхность выходного конца волокна была перпендикулярна к оси вращения образца и совпадала с ней. Данный механизм (например, гониометр или точная вращающаяся платформа) должен иметь достаточный угол вращения для того, чтобы весь конус излучения в плоскости вращения проходил мимо неподвижно закрепленного детектора. Таким образом, угол вращения должен быть больше, чем полный угол излучения на выходном конце волокна. Используют устройство для регистрации прилежащего угла, сформированного осью образца и воображаемой линией между детектором и торцевой поверхностью образца [2]. Особое внимание согласно ГОСТ Р МЭК 60793-1-43-2013 [2] уделяется подготовке образцов ОВ для проведения измерений: 1) образец должен быть представительной выборкой волокна длиной (2,0±0,2) м. 2) подготавливают плоскую торцевую поверхность, перпендикулярную к оси волокна, на входном и выходном концах волокна. На точность данных измерений влияет неперпендикулярность торцевой поверхности. Рекомендуемые значения углов торцевых поверхностей – менее 2°. Существуют и общие требования при проведении испытаний [2]: 1) Концы волокна размещают в поддерживающих устройствах. Входной конец должен быть приблизительно в центре места ввода сфокусированного изображения пятна непрерывного излучения. 2) Устанавливают желаемую длину волны и ширину спектра оптического источника. 3) Сканируют диаграмму направленности излучения дальнего поля вдоль диаметра и регистрируют значение интенсивности по отношению к угловому положению. 4) Нормируют отсканированную диаграмму направленности излучения к виду пиковой интенсивности излучения. На диаграмме направленности отмечают точки, в которых интенсивность составляет 5% максимума. Значение половинного угла между этими точками регистрируют как θ5. 5) Рассчитывают числовую апертуру дальнего поля по следующей формуле NAff= sin θ5 где NAff - числовая апертура дальнего поля; θ5 - угол 5%-ной интенсивности. 22 (2.8)

2.3. Лабораторные методы определения числовой апертуры Для определения числовой апертуры на практике используют ещё несколько других различных методов, их целью является – определение апертурного угла. Это метод трех колец, метод ближней зоны, метод дальней зоны и метод калибрования зазора [18]. Например, апертурный угол можно определить на основании измерений угловой характеристики излучения волокна. Для этого в отрезок волокна длиной не менее нескольких метров вводится через смеситель мод и фильтр оболочечных мод излучение от лазера. На выходе волокна на расстоянии 10-20 см от торца под различными углами к оси волокна сканирующим фотоприемником измеряется относительная яркость излучения r(θ) [14]: r(θ) = Lθ /L0 (2.9) где Lθ - яркость в направлениях, образующих угол θ с осью волокна; L0 - яркость в направлении θ = 0. Апертурный угол θа соответствует r(θа) = Ϭ, где Ϭ<1. Практически Ϭ выбирается достаточно малой (0,05 или 0,1), так, чтобы в световом конусе, ограниченном апертурным углом, содержалось 90% излучаемой энергии [14]. При измерениях выходной торец волокна должен быть хорошо обработан, плоскость его должна быть перпендикулярна оси волокна, которая должна совпадать с осью фотоприемника при его угловом центральном положении. Рисунок 2.4 – Метод трех колец [14] Другим методом измерения апертурного угла является метод трех колец. Метод основан на том, что на выходном торце волокна (см. Рисунок 2.4) [14]: 1) ярче светится сердцевина 1, если на входной торец световой пучок падает под углом, меньший апертурного; 2) ярче светится оболочка 2, если на входной торец световой пучок падает под углом, большим апертурного; 3) граница раздела сердцевины 1 и оболочки 3 представляет ярко светящееся кольцо, если пучок падает под углов, равным апертурному. Структурная схема установки для измерения апертуры методом трех колец представлена на рисунке 2.5. Рисунок 2.5 - Схема установки для измерения апертуры методом трех колец [14] Коллимированный пучок лазера 1 фокусируется системой 2 на входной торец исследуемого волокна 4, закрепленного на поворотном столике З. Стол вращается вокруг оси, 23

перпендикулярной оси симметрии волокна. Выходной торец волокна рассматривается через микроскоп 5. Четкое кольцо на границе сердцевины и оболочки наблюдается при определенном угле падения, который фиксируют. Вращая стол в ту сторону, при которой ярко светится сердцевина, до момента появления такого же кольца, снова фиксируют угол. Полусумма этих двух углов определяет апертурный угол. Метод применим в основном для многомодовых волокон с диаметром около или больше 1 мм. Это связано с трудностями ввода оптического излучения под меняющимся углом в волокно меньшего диаметра [14]. Многие из существующих методов довольно сложны и не всегда наглядны, но при этом существует достаточно простой метод, позволяющий определить значение числовой апертуры ОВ. Для экспериментального определения NA авторы [18] рассматривают расходимость светового излучения из торца световода. На рисунке 2.6 показан принцип измерения угла. Рисунок 2.6 – Схема лабораторного макета В процессе измерения используется два типа источников излучения (СИД или ЛД), с помощью которых вводится свет в волоконный световод. Свет, отражаясь и преломляясь, проходит по световоду. Далее лучи попадают на стол с миллиметровой бумагой (см. Рисунок 2.6), на поверхности которой формируется световое пятно (спекл картина). На рисунке отмечен диаметр светового пятна d, соответствующий излучению из торца световода на расстоянии h от его торца и горизонтальный поверхности. Значение числовой апертуры вычисляется из элементарных тригонометрических соображений по измеренному значению расстояния: φa=arctan(d/(2*h)), NA=sin(φa) (2.10) Измерения проводились для диодов с разной длиной волны и разной шириной спектра. Для наглядности использовался видимый спектр. Инфракрасный диапазон в этом измерении не использовался. По результатам измерений был построен график зависимости числовой апертуры волоконного светодиода от длины волны излучения. Рисунок 2.7 – Сравнительная характеристика ЛД и СИД 24

Как видно из графиков зависимостей (см. Рисунок 2.7) светоизлучающего диода и лазерного диода, числовая апертура с увеличением длины волны уменьшается. Это еще раз доказывает, что используемый в этой связи инфракрасный диапазон источника излучения перспективен не только с точки зрения затухания (чем больше длина волны, тем меньше затухание в оптическом волокне), но и апертуры [18]. Исследованию конуса светового потока, принимаемого в ОВ или выходящего из него посвящена работа [33]. Используя схему (см. Рисунок 2.8), авторы предлагают измерять расстояние от цели (графическая бумага) до оптического волокна, а затем измерять высоту и длину окружности, проецируемой на графическую бумагу. После этого рассчитывается угол приемки (угол приемки - максимальный угол, под которым свет, падающий на волокно и полностью отраженный изнутри, может надлежащим образом передаваться вдоль волокна). По углу приемки вычисляется числовая апертура. Если радиус окружности пятна обозначен r, а расстояние обозначено d, то tan θa= r/d (2.11) θa=arctan (r/d) (2.12) Это угол θa принятия, и мы вычисляем числовую апертуру посредством sin θa . Рисунок 2.8 - Схема измерения NA [33] Аналогичный способ определения значения числовой апертуры описывается в работе [30], в качестве источника света передатчика используется лазер He-Ne с длиной волны 632,8 нм и выходной мощностью 1mW. Изображения выходного луча и профили интенсивности оптического волокна исследуют с использованием способа формирования изображения. Профили лазерного луча, захваченные чувствительной цифровой камерой Nikon, обрабатываются и анализируются с использованием гауссовского распределения интенсивности в 2D графике. Для преобразования изображения лазерного выходного луча в данные используется программа MathCAD 14 [30]. Так же известны способы экспериментального определения NA, когда в качестве приемника излучения используется телевизионная камера; при этом отпадает необходимость в сканировании. Авторы методики [12] для измерения числовой апертуры используют анализ излучение из торца возбужденного источником ЛД световода. Выходной торец находится в поле зрения телекамеры и на экране монитора возникает его изображение. Выделение строки изображения с помощью телевизионного осциллографа позволяет анализировать распределение интенсивности в его поперечном сечении. На рисунке 2.9 показан торец световода С и лучи 1, 2, ограничивающие световой конус, в котором концентрируется излучение, выходящее из него. 25

Лучи попадают на матрицу ПЗС (М на рисунке 2.9) телекамеры, с помощью которой формируется телевизионный сигнал. На рисунке 2.9 отмечен диаметр светового пятна t, соответствующий излучению из торца световода на расстоянии F от его торца и горизонтальный размер матрицы T. Изображение проекции светового конуса на матрицу М наблюдается на экране монитора в виде светлого пятна. С помощью осциллографа и блока выделения строки может быть выделена одна из строк телевизионного сигнала. Примерный вид осциллограммы, соответствующей строке, которая приходится на середину пятна, показан на рисунке 7. Диаметру пятна соответствует размер t, отмеченный на осциллограмме. Горизонтальному размеру матрицы D соответствует на осциллограмме расстояние между соседними строчными гасящими импульсами T. Размер D для используемой в макете телекамеры известен и составляет D = 5мм. Поэтому может быть определен реальный размер пятна D путем измерений по осциллограмме величин t и T: D=t*D/T (2.13) Значение числовой апертуры вычисляется из элементарных тригонометрических соображений по измеренному значению расстояния: NA=sin(φ)=d/(√(𝑑 2 + 𝐷2) (2.14) Рисунок 2.9 - Изображение проекции светового конуса на матрицу М [12] В работе [26] дается описание установки (см. Рисунок 2.10) для определения NA. Её основные составляющие – лазер, объектив, оптическое волокно и экран. На экране, который имеет возможность перемещения и регулирования дистанции от выхода ОВ до его поверхности, фиксируется выходная картина излучения ОВ и производится расчет значения числовой апертуры: NA=sin αmax=sin[arctan (D/(2*L))] 26 (2.15)

Рисунок 2.10 - Схема экспериментальной установки для определения NA [26] Вышеописанные методы [12,18,26,30,33] можно назвать экспериментальными способами исследование числовой апертуры для многомодовой волоконной оптики с использованием метода формирования изображения. В описанных методиках определения NA используются два типа источников для возбуждения световодов: – когерентный (лазер, лазерный диод); – некогерентный (светоизлучающий диод). При работе волокна совместно с лазером на выходном торце волокна все моды имеют за счет когерентности источника стабильное значение фазового набега. В результате они интерференционно складываются, образуя известную «спекл-картину». Если световод многомодовый, то она достаточно сложна и представляет собой практически случайное чередование темных и светлых областей. Качественно она показана на рисунке 2.11. За счет любого, сколь угодно малого, изменения характеристик распространения волн по волокну (колебания температуры, механическая деформация и др.) «спекл-картина» на торце световода меняется. Поскольку именно она наблюдается на чувствительной площадке фотоприемника, регистрирующего оптический сигнал, этот процесс и вносит дополнительный источник шума. Рисунок 2.11 - Интерференционная «спекл-картина» на выходном торце оптического волокна [12] 27

Подобный процесс не будет наблюдаться, если используется некогерентный источник возбуждения. При этом моды на выходном торце волокна уже не когерентны и не могут интерферировать. Они складываются по мощности, образуя равномерную засветку чувствительной площадки фотоприемника. Распределение интенсивности этой засветки не подвержено никаким случайным изменениям [12]. Исходя из вышеизложенного в своих экспериментальных измерениях по «простой» схеме я использовал в качестве источника излучения для отрезка ОВ светоизлучательные диоды. Немаловажным преимуществом их я считаю простота в использовании и доступность. 2.4. Результаты измерений числовой апертуры с использованием метода формирования изображения. Объектом исследования были образцы, длиной ≈ 2,0 м следующих ОВ: 1) ОВ в алюминиевом ЗУП двух типоразмеров (см. Приложение А.1-А.4); 2) ОВ в полимерном ЗУП (см. Приложение А.5-А.6); 3) ОВ в медном ЗУП двух типоразмеров (см. Приложение А.7-А.10) Предварительно была выполнена работа по подготовке торцов указанных отрезков ОВ (для толстых ОВ), для этого было нужно сделать следующее: 1) Стравить металлизированное покрытие с концов образца на длину 40-50 мм; 2) Сколоть торцы ОВ с помощью скалывателя; 3) Протереть стравленную часть концов образца ОВ этиловым спиртом; 4) Подобрать необходимый капилляр для удобного размещения конца оптического волокна в нем; 5) Отрезать кусочек капилляра длинной о 30-40 мм; 6) Внутрь капилляра добавить УФ клей, предварительно разместив внутри капилляра конец оптического волокна; 7) С помощью ультрафиолетового изучения лазера, посветить на капилляр для затвердевания клея; 8) Разместить капилляр с концом оптического волокна в фиксирующем устройстве для шлифовки торца оптического волокна; 9) Процесс шлифовки осуществляется на специальных алмазных шлифовальных кругах. Процесс шлифовки осуществляется движениями восьмеркой фиксирующего устройства по шлифовальному кругу. Для более лучшего процесса шлифования рекомендуется добавлять небольшое количество воды на шлифовальный круг, равномерно распределив ее по всем поверхности круга. Контроль качества процесса шлифовки осуществляется с помощью микроскопа. В качестве держателя оптического волокна были использованы тиски, усовершенствованные для бережной фиксации ОВ. Так же использовалась миллиметровая бумага и линейка (цена деления – 1 мм), в качестве источника излучения использовался светодиодный фонарик белого цвета. Как уже было сказано ранее, в методе формирования изображения рассматривается конус светового излучения, выходящего из торца ОВ. Схема измерения числовой апертуры методом формирования изображения представлена на рисунке 2.12. Согласно формулы 2.2 для вычисления значения числовой апертуры необходимо знать значение угла между оптической осью ОВ и одной из образующих светового конуса – лучей, выходящих из торца ОВ. Т.к. диаметр торца ОВ много меньше расстояния до поверхности формирования светового пятна излучения, то при геометрических преобразованиях торец принимается за точку. Значение числовой апертуры вычисляется по формуле: NA = no*sin (α) 28 (2.16)

где α – угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, no — показатель преломления окружающей среды, для воздуха no=1. Из рассмотрения треугольника (ВАО), обозначенного на рисунке 2.12, следует: α = arctan (ВО/АО) = arctan(d/(2*h)) (2.17) и тогда соответственно значение числовой апертуры будет равно NA = sin [arctan(d/(2*h))] (2.18) Торец ОВ A h α Миллиметровая бумага B O C d Рисунок 2.12 – Схема измерения числовой апертуры методом формирования изображения («простая схема») В процессе измерений на каждом этапе фиксировался диаметр светового пятна d, соответствующий излучению из торца световода на расстоянии h от его торца до горизонтальной поверхности (миллиметровая бумага), и по формуле 2.18 вычислялось значение числовой апертуры. За итоговое значение принимался результат после статистической обработки группы результатов прямых многократных независимых измерений. Таким образом для ОВ в медном ЗУП (105/125) в результате обработки измеренных параметров получаем окончательный результат: 29

Таблица 2.1 – Окончательный результат определения значения числовой апертуры по простой схеме для ОВ в медном ЗУП (105/125). ∆NA P ΔNA(%) 0,006 0,95 3,85 Числовая апертура NA=0,149± 0,006 В таблице 2.1 конечный результат представлен после статистической обработки результатов измерений. При статистической обработке группы результатов прямых многократных независимых измерений были выполнены следующие операции: - вычисление оценки измеряемой величины, за которую было принято среднее арифметическое значение результатов измерений; - вычисление среднего квадратического отклонения результатов измерений; - проверка наличия грубых погрешностей и при необходимости исключение их; - вычисление доверительных границ случайной погрешности (доверительной случайной погрешности) оценки измеряемой величины. Доверительные границы (без учета знака) случайной погрешности оценки измеряемой величины вычислялись, используя коэффициент Стьюдента, который в зависимости от доверительной вероятности (P=0,95) и числа проведенных измерений взят из технического справочника. Данная методика используется при статистической обработке результатов измерений при проведении всех экспериментов в данной работе. Числовые значения параметров измерений для данного типа ОВ в ходе эксперимента представлены в приложении Б.1. Иллюстрация процесса измерения для данного типа ОВ представлена в приложении А.8. Достаточность количества проведенных замеров подтверждает следующий график. 0,17 апертура (NA) 0,165 0,16 0,155 0,15 0,145 0,14 0,135 0 5 10 15 количество измерений Рисунок 2.13 - Иллюстрация процесса сходимости определяемого экспериментально значения NA с заданной точностью для ОВ в медном ЗУП (105/125) Для ОВ в полимерном ЗУП (силикон) в результате обработки измеренных параметров получаем окончательный результат: 30

Таблица 2.2 – Окончательный результат определения значения числовой апертуры по простой схеме для ОВ в полимерном ЗУП (силикон). P ∆NA ΔNA(%) 0,011 0,95 5,86 Числовая апертура NA=0,192± 0,011 Числовые значения параметров измерений для данного типа ОВ в ходе эксперимента представлены в приложении Б.2. Иллюстрация процесса измерения для данного типа ОВ представлена в приложении А.6. Достаточность количества проведенных замеров подтверждает следующий график. 0,21 апертура (NA) 0,2 0,19 0,18 0,17 0,16 0,15 0 5 10 15 количество измерений 20 25 Рисунок 2.14 - Иллюстрация процесса сходимости определяемого экспериментально значения NA с заданной точностью для ОВ в полимерном ЗУП (силикон) Для ОВ в медном ЗУП (800/880) в результате обработки измеренных параметров получаем окончательный результат: Таблица 2.3 – Окончательный результат определения значения числовой апертуры по простой схеме для ОВ в медном ЗУП (800/880). P ∆NA ΔNA(%) 0,002 0,95 1,07 Числовая апертура 0,230 ± 0,002 Числовые значения параметров измерений для данного типа ОВ в ходе эксперимента представлены в приложении Б.3. Иллюстрация процесса измерения для данного типа ОВ представлена в приложении А.10. Достаточность количества проведенных замеров подтверждает следующий график. 31

0,25 апертура (NA) 0,24 0,23 0,22 0,21 0,2 0,19 0 10 20 30 40 количество измерений Рисунок 2.15 - Иллюстрация процесса сходимости определяемого экспериментально значения NA с заданной точностью для ОВ в медном ЗУП (800/880) Для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) в результате обработки измеренных параметров получаем окончательный результат: Таблица 2.4 – Окончательный результат определения значения числовой апертуры по простой схеме для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ). P ∆NA ΔNA(%) 0,005 0,95 2,40 Числовая апертура 0,221 ± 0,005 апертура (NA) Числовые значения параметров измерений для данного типа ОВ в ходе эксперимента представлены в приложении Б.4. Иллюстрация процесса измерения для данного типа ОВ представлена в приложении А.2. Достаточность количества проведенных замеров подтверждает следующий график. 0,25 0,24 0,23 0,22 0,21 0,2 0,19 0,18 0,17 0 5 10 15 20 25 количество измерений Рисунок 2.16 - Иллюстрация процесса сходимости определяемого экспериментально значения NA с заданной точностью для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) 32

Для ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ) в результате обработки измеренных параметров получаем окончательный результат: Таблица 2.5 – Окончательный результат определения значения числовой апертуры по простой схеме для ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ). P ∆NA ΔNA(%) 0,001 0,95 0,50 Числовая апертура 0,238 ± 0,001 Числовые значения параметров измерений для данного типа ОВ в ходе эксперимента представлена в приложении Б.5. Иллюстрация процесса измерения для данного типа ОВ представлена в приложении А.4. Достаточность количества проведенных замеров подтверждает следующий график. 0,25 апертура (NA) 0,24 0,23 0,22 0,21 0,2 0,19 0 5 10 15 20 25 количество измерений Рисунок 2.17 - Иллюстрация процесса сходимости определяемого экспериментально значения NA с заданной точностью для ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ) Таким образом, в результате проведенных измерений получены следующие значения числовой апертуры: - для ОВ в медном ЗУП (105/125): NA= 0,149± 0,006 - для ОВ в полимерном ЗУП (силикон): NA= 0,192± 0,011 - для ОВ в медном ЗУП (800/880): NA= 0,230 ± 0,002 - для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ): NA= 0,221 ± 0,005 - для ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ): NA= 0,238 ± 0,001 По итогам проведения измерений методом формирования изображения («простая схема») можно сделать вывод: метод является достаточно простым для получения достоверных результатов, минусом метода может является точность, ограниченная приборной точностью (цена деления измерительной линейки равна 1 мм.) а также точность данного метода зависит от индивидуального световосприятия исследователя. Метод показывает хорошую сходимость результатов, достаточное число измерений порядка: 15 – 20. 33

2.5. Исследование зависимости значения числовой апертуры исследуемого образца ОВ от длины волны вводимого в ОВ излучения При распространении по волокну оптического сигнала (излучения) основным фактором, влияющим на импульс, проходящий по ОВ, является дисперсия, проявляющаяся в размывании импульсов, увеличении его фронтов при прохождении по волокну. Дисперсия в общем случае характеризуется тремя основными факторами: - различием скоростей распространения направляемых мод; - направляющими свойствами световодной структуры; - свойствами материала оптического волокна. Основные типы дисперсии, влияющие на импульс, проходящий по волокну: - межмодовая дисперсия, характерна только для многомодовых оптических волокон. Она возникает в многомодовых световодах из-за наличия большого числа мод с различным временем распространения за счет различной длины пути, который отдельные моды проходят в сердцевине волокна. - хроматическая дисперсия происходит потому, что световой импульс имеет разные длины волны, каждый из которых перемещается по волокну на различных скоростях. Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны. Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны [9]. Физически хроматическая дисперсия выражается в зависимости показателя преломления материала (n) от оптической частоты (ν) или длины волны (λ). Типичные значения показателя преломления для стекол и кристаллов (например, кристаллы в лазерах) в видимой спектральной области находятся в диапазоне от 1,4–2,8 , и обычно показатель преломления выше для более коротких длин волн (нормальная дисперсия) [29]. Это – следствие факта, что видимая спектральная область, с высоким коэффициентом пропускания, находится между спектральными областями с сильным поглощением: ультрафиолетовой области с энергиями фотона выше ширины запрещенной зоны, и инфракрасной областью с колебательными резонансами и их обертонами [29]. Для ОВ имеет место такое понятие, как групповой коэффициент преломления, который характеризует уменьшение групповой скорости. Экстремальные отклонения показателя преломления и особенно группового показателя может произойти около резких резонансов. Это продемонстрировано на рисунке 2.18. 34

Рисунок 2.18 - Показатель преломления (сплошные линии) и групповой показатель (пунктирные линии) кварца в зависимости от длины волны при температурах 0° C (синий), 100° C (черный) и 200° C (красный) [29] На рисунке 2.19 показан спектральный ход показателя преломления n для стекла, кварца и флюорита в области длин волн от 0,1 до 1,0 мкм. Как видно из представленных графиков особенно сильная зависимость n от длины волны λ имеет место в начальном участке видимой области спектра и уменьшается при переходе в инфракрасную область спектра [6]. Рисунок 2.19 - Зависимость показателя преломления n от длины волны λ [6] Как уже было сказано ранее в работе [18] авторы проводили измерения для СИД с разной длиной волны и разной шириной спектра. Для наглядности использовался видимый спектр. По результатам измерений был построен график зависимости числовой апертуры волоконного светодиода от длины волны излучения (см. Рисунок 2.7). Как видно из графиков зависимостей светоизлучающего диода и лазерного диода, числовая апертура с увеличением длины волны уменьшается. Для качественной оценки зависимости значения числовой апертуры от длины волны вводимого излучения в ОВ мной были проведены дополнительные измерения числовой 35

апертуры для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ), при этом в качестве источников излучения использовались СИД с различными значениями длин волн излучения. Использовались СИД: - BL-L522VC, СИД ультрафиолетовый, λ=405 нм; - GNL-3014BC-1, СИД синий, λ=470 нм; - GNL-3014BGC, СИД сине-зелёный, λ=505 нм; - GNL-3014PGC, СИД зелёный, λ=525 нм; - GNL-3014URC, СИД красный, λ=660 нм; Результаты измерений представлены в приложениях Б.6-Б.10. По результатам измерений был построен график зависимости значения числовой апертуры от длины волны λ вводимого излучения (см. Рисунок 2.20). 0,275 0,27 0,265 0,26 0,255 0,25 0,245 0,24 0,235 0,23 400 450 500 550 600 650 700 Рисунок 2.20 - Зависимость числовой апертуры NA от длины волны λ Полученная зависимость подтверждает данные, полученные ранее в работе [18], значение числовой апертуры уменьшается с увеличением длины волны вводимого излучения в ОВ. Данный результат не трудно объяснить, если проанализировать формулу 2.5. Т.к. значения показателей преломления сердцевины и оболочки ОВ отличаются на незначительную величину порядка 10-2....10-3, это позволяет привести формулу 2.5 к виду: NA= √(𝑛𝑐2 − 𝑛𝑢2 ) = √(𝑛𝑐 + 𝑛𝑢 ) ∗ (𝑛𝑐 − 𝑛𝑢 ) ≈ √2 ∗ 𝑛𝑐2 ∗ (𝑛𝑐 − 𝑛𝑢 ) (2.19) Из формулы 2.17 видно, что значение числовой апертуры зависит от значения показателя преломления сердцевины ОВ и от разности показателей преломления сердцевины и оболочки. При одновременном изменении показателей преломления сердцевины и оболочки ОВ их разность практически не изменяется. Поэтому характер изменения значения числовой апертуры соответствует характеру изменения показателя преломления среды распространения излучения, в данном случае в сердцевине ОВ. Как уже было сказано ранее зависимость показателя преломления материала ОВ (n) от длины волны (λ) выражается в явлении хроматической дисперсии (складывается из материальной дисперсии и волноводной дисперсии). Хроматическая дисперсия происходит потому, что в опыте световой импульс имел разную длину волны, и соответственно каждый 36

из них перемещался по волокну со своей скоростью. И соответственно по определению: показатель преломления есть физическая величина, равная отношению скорости электромагнитных волн в вакууме к их скорости в среде: n = c/v (2.20) где c– скорость света в вакууме; v – скорость света в веществе. Поскольку волны различной длины движутся с разной скоростью, то величина скорости v в этом уравнении изменяется для каждой длины волны. Таким образом, показатель преломления изменяется в зависимости от длины волны. Дисперсия, связанная с этим явлением, называется материальной (молекулярной) дисперсией, поскольку зависит от физических свойств вещества волокна. Материальная дисперсия определяется электромагнитным взаимодействием волны со связанными электронами материала среды, которое носит, как правило, нелинейный характер (см. Рисунок 2.19). В нашем случае именно материальная дисперсия и определяет нелинейную зависимость показателя преломления волокна от длины волны: n= Ψ (λ) (2.21) И соответственно определяет такой же нелинейный характер зависимости изменения значения числовой апертуры от длины волны вводимого в ОВ излучения: NA = Ϝ (λ) (2.22) Это явление нормальной дисперсии и зафиксировано в опыте: излучение красного спектра имеет максимальную скорость распространения в ОВ и соответственно имеет минимальное значение показателя преломления и соответственно минимальное значение числовой апертуры. Таким образом, значение показателя преломления n уменьшается при увеличении длины волны λ, следовательно уменьшается и значение числовой апертуры. 37

3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЯ ЧИСЛОВОЙ АПЕРТУРЫ С ПОМОЩЬЮ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПРОФИЛЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 3.1. Описание методики определения значения числовой апертуры с помощью измерения пространственного профиля лазерного излучения Проведение измерений проводилось с помощью комплекса АРМ УЛИ (узел ввода лазерного излучения), в лаборатории ПАО «ПНППК» (Рисунок 3.1). Основная функция комплекса – измерение пространственного профиля пучка лазерного излучения. Данный комплекс состоит из аппаратуры измерения и программного комплекса, в дальнейшем данные измерений визуализируются с помощью программного комплекса MatLab. Рисунок 3.1 - Внешний вид комплекса АРМ УЛИ (узел ввода лазерного излучения) В работе комплекса АРМ УЛИ реализовано измерение пространственного профиля пучка лазерного излучения методом пространственного сканирования аналогично методике 1 ГОСТ Р МЭК 60793-1-43-2013 [2], отличие в том, что сканирование осуществляется в определенной пространственной плоскости относительно источника излучения. Измерение числовой апертуры проходило в соответствии со следующей методикой: 1. Перед измерением на комплексе АРМ УЛИ необходимо подготовить торцы ОВ для ввода/вывода излучения фотодиода. 1.1 Для стандартного волокна в металлизированном покрытии. 1.1.1 Стравить металлизированное покрытие с концов образца ОВ на длину 30-40 мм. Обработать стравленную часть ОВ этиловым спиртом. 1.1.2 Сколоть торцы ОВ с помощью скалывателя. 1.1.3 Приварить один из концов исследуемого ОВ с концом ОВ от излучающего фотодиода. Второй конец разместить на сканируемой платформе, на расстоянии от 1 до 3 мм от торца сканирующего волокна. 1.2 Для толстого волокна в металлизированном покрытии. 1.2.1 Подобрать необходимый капилляр для удобного размещения конца ОВ в нем. 1.2.2 Отрезать кусочек капилляра длинной от 30 до 40 мм. 1.2.3 Внутрь капилляра добавить УФ клей, предварительно разместив внутри капилляра конец ОВ. 1.2.4 Лазером ультрафиолетового изучения посветить на капилляр до затвердевания клея (см. Рисунок 3.2). 38

Рисунок 3.2 - Процесс подготовки концов ОВ 1.2.5 Разместить капилляр с концом оптического волокна в фиксирующем устройстве для шлифовки торца оптического волокна. 1.2.6 Процесс шлифовки осуществляется на специальных алмазных шлифовальных кругах. Процесс шлифовки осуществляется движениями восьмеркой фиксирующего устройства по шлифовальному кругу. Для более лучшего процесса шлифовки рекомендуется добавлять небольшое количество воды на шлифовальный круг, равномерно распределив ее по всем поверхности круга. Контроль качества процесса шлифовки осуществляется с помощью микроскопа. 1.2.7 После подготовки каждого из торцов исследуемого волокна необходимо правильно соотнести сканирующее, сканируемое и волокно с выходным излучением фотодиода. 1.2.8 Для этого с помощью специальной платформы на микроподвижках осуществляется стыковка торца исследуемого ОВ и ОВ от излучающего фотодиода. Необходимо добиться того, чтобы торцы волокон были подведены вплотную для уменьшения рассеяния мощности (см. Рисунок 3.3). Рисунок 3.3 - Процесс стыковки торца исследуемого ОВ и ОВ от излучающего ЛД Дополнительный контроль осуществляется с помощью фотодетектора: в момент стыковки торцов исследуемого ОВ и ОВ от излучающего фотодиода, выходной конец направляем на фотодетектор. Необходимо добиться, чтобы на выходном конце исследуемого 39

волокна был максимум мощности, при данных настройках тока и напряжения на блоке питания (см. Рисунок 3.4). Рисунок 3.4 - Контроль мощности излучения передаваемой по ОВ 1.2.9 Выходной конец исследуемого ОВ размещаем на сканируемой платформе, на расстоянии от 1 до 3 мм от торца сканирующего волокна (см. Рисунок 3.5). Рисунок 3.5 - Взаимное расположение сканируемого и сканирующего торцов ОВ 40

2. Проведение измерений диаметра модового поля. 2.1 После того, как все подготовительные пункты сделаны, можно проводить исследование диаметра модового поля исследуемого ОВ. 2.2 Для этого необходимо запустить программу аппаратного комплекса (см. Рисунок 3.6) для сканирования, предварительно установив окно сканирования и шаг сканирования (1 шаг = 0,15625 мкм). Рисунок 3.6 - Аппаратный комплекс 2.3 Дождавшись завершения процесса сканирования, открыть полученный файл формата EXCEL с измерениями в пакете MatLab для получения визуальной картины модового поля. При необходимости сделать фотографии модового пятна в основных трех проекциях, а также в изометрии. 2.4 Выбираем оду из проекций модового поля. С помощью расстановки меток определяем границу модового поля с учетом шумов на блоке АЦП. С учетом того, что за величину диаметра модового поля принимается 90% от исходного размера [2], корректируем полученное значение диаметра модового поля. Данный пункт повторяем для каждой из проекций модового поля, чтобы в итоге для расчета принять среднее значение по значениям диаметра модового поля во всех координатных плоскостях. 2.5 Найдя необходимое значение диаметра модового поля и расстояние между сканируемым и сканирующим ОВ, находим необходимое значение апертурного угла и числовой апертуры. Значение числовой апертуры вычислялось по формуле: NA= sin(arctan(D/2*L)) (3.1) Где D – диаметр модового поля с учетом корректировки (90%) L - расстояние между сканируемым и сканирующим ОВ 3.2.Результаты определения числовой апертуры для ОВ в медном ЗУП (105/125) Для данного типа ОВ измерения проводились для двух расстояний между сканируемым и сканирующим торцами ОВ: 1,5 мм и 3,0 мм (см. Рисунок 3.7-3.8). 41

Рисунок 3.7 - Взаимное расположение торцов ОВ для случая 3.0 мм Было проведено 4 измерения для случая 3.0 мм и 3 измерения для случая 1.5 мм. Выбираем одну из проекций модового поля (xy, xz, yz). С помощью расстановки меток определяем границу модового поля с учетом шумов на блоке АЦП. С учетом того, что за величину диаметра модового поля принимается 90% от исходного размера [2], корректируем полученное значение диаметра модового поля. Данный пункт повторяем для каждой из проекций модового поля, чтобы в итоге для расчета принять среднее значение по значениям диаметра модового поля во всех координатных плоскостях. Результаты измерений представлены в приложениях В.1-В.2. В приложениях В.3-В.4 представлены изображения модового поля (пространственного распределения мощности излучения). Рисунок 3.8 - Взаимное расположение торцов ОВ для случая 1.5 мм После статистической обработки результатов измерений для данного типа ОВ получаем окончательный результат (см. Таблица 3.1). 42

Таблица 3.1 - Значение числовой апертуры для ОВ в медном ЗУП (105/125), определенное методом измерения пространственного профиля пучка лазерного излучения P ∆NA ΔNA(%) 0,003 0,95 1,97 Числовая апертура NA=0,150 ± 0,003 0,154 Апертура (NA) 0,152 0,15 0,148 0,146 0,144 0,142 0 5 10 15 20 Количество измерений 25 30 Рисунок 3.9 - Иллюстрация процесса сходимости определяемого экспериментально значения NA с заданной точностью для ОВ в медном ЗУП (105/125) 3.3. Результаты определения числовой апертуры для ОВ в медном ЗУП (800/880) Для данного типа ОВ измерения проводились для одного расстояния между сканируемым и сканирующим торцами ОВ: 2,5 мм (см. Рисунок 3.10). Рисунок 3.10 - Взаимное расположение торцов ОВ для 2.5 мм Для данного ОВ было проведено 3 измерения. Выбираем одну из проекций модового поля (xy, xz, yz). С помощью расстановки меток определяем границу модового поля с учетом шумов на блоке АЦП. С учетом того, что за 43

величину диаметра модового поля принимается 90% от исходного размера [2], корректируем полученное значение диаметра модового поля. Данный пункт повторяем для каждой из проекций модового поля, чтобы в итоге для расчета принять среднее значение по значениям диаметра модового поля во всех координатных плоскостях. Результаты измерений представлены в приложении В.5. В приложении В.6 представлены изображения модового поля (пространственного распределения мощности излучения). После статистической обработки результатов измерений для данного типа ОВ получаем окончательный результат (см. Таблица 3.2). Таблица 3.2 - Значение числовой апертуры для ОВ в медном ЗУП (800/880), определенное методом измерения пространственного профиля пучка лазерного излучения ∆NA P ΔNA(%) 0,003 0,95 1,38 Числовая апертура NA=0,227 ± 0,003 0,235 Апертура (NA) 0,230 0,225 0,220 0,215 0,210 0,205 0,200 0,195 0 2 4 6 8 10 12 14 Количество измерений Рисунок 3.11 - Иллюстрация процесса сходимости определяемого экспериментально значения NA с заданной точностью для ОВ в медном ЗУП (800/880) 3.4. Результаты определения числовой апертуры для ОВ в полимерном ЗУП (силикон) Для данного типа ОВ измерения проводились для трёх расстояний между сканируемым и сканирующим торцами ОВ: 1,5мм; 2,5 мм; 4,0 мм (см. Рисунок 3.12-3.14) 44

Рисунок 3.12 - Взаимное расположение торцов ОВ для 1.5 мм Рисунок 3.13 - Взаимное расположение торцов ОВ для 2.5 мм 45

Рисунок 3.14 - Взаимное расположение торцов ОВ для 4.0 мм Для данного ОВ было проведено по 3 измерения для каждого расстояния. Выбираем одну из проекций модового поля (xy, xz, yz). С помощью расстановки меток определяем границу модового поля с учетом шумов на блоке АЦП. С учетом того, что за величину диаметра модового поля принимается 90% от исходного размера [2], корректируем полученное значение диаметра модового поля. Данный пункт повторяем для каждой из проекций модового поля, чтобы в итоге для расчета принять среднее значение по значениям диаметра модового поля во всех координатных плоскостях. Результаты измерений представлены в приложениях В7,В.9,В.11. В приложениях В.8,В.10,В.12 представлены изображения модового поля (пространственного распределения мощности излучения). После статистической обработки результатов измерений для данного типа ОВ получаем окончательный результат: Таблица 3.3 - Значение числовой апертуры для ОВ в полимерном ЗУП (силикон), определенное методом измерения пространственного профиля пучка лазерного излучения ∆NA P ΔNA(%) 0,009 0,95 3,98 Числовая апертура NA=0,227 ± 0,009 46

0,245 Апертура (NA) 0,24 0,235 0,23 0,225 0,22 0,215 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Количество измерений Рисунок 3.15 - Иллюстрация процесса сходимости определяемого экспериментально значения NA с заданной точностью для ОВ в полимерном ЗУП (силикон) 3.5. Результаты определения числовой апертуры для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) Для данного типа ОВ измерения проводились одного расстояния между сканируемым и сканирующим торцами ОВ: 2,5 мм (см. Рисунок 3.16) Рисунок 3.16 - Взаимное расположение торцов ОВ для 2.5 мм Для данного ОВ было проведено 6 измерений для одного расстояния. Выбираем одну из проекций модового поля (xy, xz, yz). С помощью расстановки меток определяем границу модового поля с учетом шумов на блоке АЦП. С учетом того, что за величину диаметра модового поля принимается 90% от исходного размера [2], корректируем полученное значение диаметра модового поля. Данный пункт повторяем для каждой из проекций модового поля, чтобы в итоге для расчета принять среднее значение по значениям диаметра модового поля во всех координатных плоскостях. Результаты измерений представлены в приложении В13. 47

В приложении В.14 представлены изображения модового поля (пространственного распределения мощности излучения). После статистической обработки результатов измерений для данного типа ОВ получаем окончательный результат: Таблица 3.4 - Значение числовой апертуры для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ), определенное методом измерения пространственного профиля пучка лазерного излучения ∆NA P ΔNA(%) 0,004 0,95 1,74 Числовая апертура NA=0,217 ± 0,004 0,222 0,220 0,218 0,216 0,214 0,212 0,210 0,208 0,206 0,204 0,202 0 5 10 15 20 25 Рисунок 3.17 - Иллюстрация процесса сходимости определяемого экспериментально значения NA с заданной точностью для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) 3.6. Результаты определения числовой апертуры для ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ) Для данного типа ОВ измерения проводились одного расстояния между сканируемым и сканирующим торцами ОВ: 1,5 мм (см. Рисунок 3.18) 48

Рисунок 3.18 - Взаимное расположение торцов ОВ для 1.5 мм Для данного ОВ было проведено 6 измерений для одного расстояния. Выбираем одну из проекций модового поля (xy, xz, yz). С помощью расстановки меток определяем границу модового поля с учетом шумов на блоке АЦП. С учетом того, что за величину диаметра модового поля принимается 90% от исходного размера [2], корректируем полученное значение диаметра модового поля. Данный пункт повторяем для каждой из проекций модового поля, чтобы в итоге для расчета принять среднее значение по значениям диаметра модового поля во всех координатных плоскостях. Результаты измерений представлены в приложении В15. В приложении В.16 представлены изображения модового поля (пространственного распределения мощности излучения). После статистической обработки результатов измерений для данного типа ОВ получаем окончательный результат: Таблица 3.5 - Значение числовой апертуры для ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ), определенное методом измерения пространственного профиля пучка лазерного излучения ∆NA P ΔNA(%) 0,005 0,95 2,23 Числовая апертура NA=0,227 ± 0,005 49

0,234 0,232 0,230 0,228 0,226 0,224 0,222 0,220 0,218 0,216 0,214 0 5 10 15 20 25 Рисунок 3.19 - Иллюстрация процесса сходимости определяемого экспериментально значения NA с заданной точностью для ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ) Таким образом, в результате проведенных измерений получены следующие значения числовой апертуры: - для ОВ в медном ЗУП (105/125): NA= 0,150± 0,003 - для ОВ в полимерном ЗУП (силикон): NA= 0,227± 0,009 - для ОВ в медном ЗУП (800/880): NA= 0,227 ± 0,003 - для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ): NA= 0,217 ± 0,004 - для ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ): NA= 0,227 ± 0,003 По итогу проведения измерений в соответствие с методикой определения значения числовой апертуры с помощью измерения пространственного профиля лазерного излучения можно сделать вывод: данный способ является усложненным видом метода формирования изображения. Данный способ дает более точные результаты измерения числовой апертуры в сравнении с «простой схемой» за счет автоматизированного сканирования выходящего излучения из торца ОВ и дальнейшей программной обработки результатов измерений. Этот способ является более трудоемким из-за первоначальной юстировки измерительного комплекса. Точность получаемых результатов ограничена приборной точностью измерительной линейки при измерении расстояния между сканируемым и сканирующим ОВ. 50

4. РАСЧЕТ ЧИСЛОВОЙ АПЕРТУРЫ ОБРАЗЦОВ ОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФОРМУЛЫ СЕЛЛМЕЙЕРА НА ОСНОВЕ РЕЗУЛЬТАТОВ АНАЛИЗА ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ИССЛЕДУЕМЫХ ОВ В общем случае конструкция оптических волокон (ОВ) описывается распределением в его объеме показателя преломления материала (диэлектрической проницаемости), которое и определяет дисперсионные свойства волновода. Показатель преломления зависит от состава стекла (концентрации легирующих добавок) и длины волны – n [C( x y z), λ] [16]. При расчете показателя преломления кварцевого стекла в зависимости от длины волны, состава и концентрации присадок необходимо знать спектральные зависимости показателя преломления материала. Эти зависимости описываются так называемыми дисперсионными формулами. Как правило в исследованиях, посвященных анализу и синтезу ОВ из кварцевого стекла используют дисперсионную формулу Селлмейера [15,16], которая имеет вид: n2(λ) =1+ ∑3𝑖=1 𝐴𝑖 𝜆2 (𝜆2 −𝜆2𝑖 ) (4.1) где λ, λi – выражены в мкм; Ai – безразмерная величина. Каждый из таких коэффициентов определяет указывает на оптические свойства того или иного стекла в составе оптического волокна, а также позволяет рассчитать показатели преломления стекла в зависимости от длины волны. Проблема применения подобных дисперсионных формул в том, что их коэффициенты определяются в результате экспериментальных испытаний образцов стекол и, соответственно, известны для ограниченного набора стекол определенного состава с определенными значениями концентрации присадок. Использовать для увеличения точек шкалы концентрации стекла одного типа данные из разных источников не представляется возможным из-за специфики реализаций технологий изготовления образцов стекла и измерений спектральных характеристик. Для определения показателя преломления ОВ с определенной концентрацией легирующей присадки (F) по формуле Селлмейера и известным значениям коэффициентов для ограниченного числа точек шкалы концентраций я буду опираться на данные, предложенные Дж. Флемингом [28], основываясь на линейной аппроксимации зависимостей коэффициентов формулы Селлмейера от концентрации присадки. В работе [28] дисперсия показателя преломления была измерена на объемных образцах промышленных стекол из легированного фтором диоксида кремния, которые были получены плазменной горелкой таким же образом, как и получаемые стекла, предназначенные для использования в некоторых оптических волноводах. Авторы работы [28] взяли для изучения именно объемные образцы стекол из легированного фтором диоксида кремния, т.к. вопрос изучения и получения дисперсионных характеристик на конкретных световодах сталкивается с проблемами наличия в большинстве случаев значительных межслойных и внутрислойных изменений состава. 51

Таким образом, индексные измерения на объемных стеклах важны для дополнения соответствующих измерений на волокнах, даже если стекла могут быть выполнены различными способами в этих двух случаях [28]. Образцы кварцевого стекла, легированного 1 и 2 мас.% фтора, получали от Heraeus Quartzschmelze GmbH. Известно, что они были изготовлены с помощью аппарата плазменного химического осаждения из паровой фазы, который является тем же оборудованием, которое используется ими для изготовления легированных F-легированием оптических волноводных заготовок [28]. Показатель преломления, для различных длин волн источника излучения, измеряли с помощью разработанного компьютеризованного устройства измерения показателя преломления, которое измеряет отклонение монохроматического излучения через призму образца [28]. По разработанной методике получаемые данные в виде набора индексов в каждом случае приспосабливали к трехэтапной дисперсионной формуле Селлмейера. Полученные результаты в виде коэффициентов формулы Селлмейера представлены на рисунке 4.2. В работе [28] делается вывод: данные дисперсии в виде установленных коэффициентов Селлмейера могут быть использованы для моделирования свойств оптических световодов, состоящих из этих материалов. Для ОВ в качестве материала оболочки которых используется диоксид кремния легированный 1% и 2% F и с сердцевиной из чистого диоксида кремния на рис.1 показана числовая апертура как функция длины волны λ. Для данных сердцевины были использованы результаты, полученные для закаленного образца плавленого диоксида кремния,. Рисунок 4.1 - Числовая апертура как функция длины волны для волокон с кварцевыми сердцевинами и оболочкой из кварца с F-легированием [28] Таким образом, для проведения расчетов показателей преломления сердцевины и оболочки любого ОВ необходимо знать элементный состав ОВ. 52

Исследования качественного анализа (элементного состава) ОВ были проведены для двух образцов ОВ: - для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ); - для ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ); Данные исследования проводились в подразделении ПАО «ПНППК» с применением сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Целью данного исследования для каждого образца ОВ было получить элементный состав для сердцевины и светоотражающей оболочки. В приложениях Г.1-Г.2 представлены снимки торца ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ). В приложениях Г.3-Г.5 представлены спектры элементного состава данного образца ОВ. Таблица 4.1 - Элементный состав сердцевины и оболочки для образца ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) Оболочка Среднее значение Сердцевина Среднее значение SI(%) O(%) F(%) SiO2 F 31,7 64,3 4,0 0,96 0,04 31 64,5 4,5 0,955 0,045 31,1 64,3 4,6 0,954 0,046 31,1 64,1 4,8 0,952 0,048 31,9 63,6 4,5 0,955 0,045 32,1 63,6 4,3 0,957 0,043 32,1 63,6 4,3 0,957 0,043 31,8 63,5 4,7 0,953 0,047 31,8 63,8 4,4 0,956 0,044 34 63,3 2,7 0,973 0,027 31,86 63,86 4,28 0,9572 0,0428 32,3 67,7 0 1 0 32 68 0 1 0 32,3 67,7 0 1 0 32,5 67,5 0 1 0 32,1 67,9 0 1 0 31,8 68,2 0 1 0 32 68 0 1 0 32,14286 67,85714 0 Из теоретических основ расчета показателя преломления вещества (в частности стекла или легирующего материала), входящего в состав сердцевины/оболочки оптического волокна известно следующее: - для описания зависимости показателя преломления материала от длины волны (материальная дисперсия) используется формула Селлмейера (4.1), содержащая три члена. Для многокомпонентных стекол, в нашем случае согласно таблицы 4.1 мы имеем стекло состава SiO2/F, для которого коэффициенты Селлмейера меняются линейно с изменением состава: 53

Ai(X/Y)= α Ai(X)+β Ai(Y), (4.2) λi(X/Y)= α λi(X)+β λi(Y), (4.3) где α и β – доли компонентов X и Y в стекле в молярном отношении (α+β=1) В нашем случае мы принимаем молярный состав согласно исследованию на СЭМ, в соответствии с данными таблицы 4.1. Расчет показателя преломления сердцевины и оболочки сделаем для длин волн: λ=1,3мкм ; λ=1,55мкм Значения коэффициентов Селлмейера для материалов, наиболее распространенных для изготовления световодов - чистого кварцевого стекла SiO2 и F определяются эмпирически и встречаются во многих источниках технической литературы. В своем расчете я опирался на данные из работы Fleming, J. W., & Wood, D. L. [28]. Основной проблемой при расчете показателей преломления сердцевины и оболочки ОВ с конкретными значениями процентного состава легирующего элемента в основном составе ОВ является правильный выбор соответствующих коэффициентов в формуле 4.1. В работе [28] приведены значения коэффициентов формулы Селлмейера для стекол состава: 99% SiO2+1%F и 98% SiO2+2%F. Рисунок 4.2 - Данные из работы [18]: коэффициенты Селлмейера, определенные на основе нелинейного приближения данных методом наименьших квадратов экспериментального индекса к длине волны Согласно данных таблицы 4.1 в состав оболочки рассматриваемого ОВ входит 4,28%F. На основе данных представленных на рисунке 4.2 и учитывая, что коэффициенты Селлмейера меняются линейно с изменением состава, были получены коэффициенты для расчета по формуле Селлмейера показателей преломления сердцевины и оболочки рассматриваемого ОВ. Данные представлены в таблице 4.3. Таблица 4.2 - Коэффициенты для расчета по формуле Селлмейера для каждого компонента состава ОВ без учета массовых долей в составе. SiO2 F A1 0,69681 -0,87194 A2 0,40817 0,77439 A3 0,89493 2,03323 λ1 0,06853 -0,51587 λ2 0,11612 0,42998 λ3 9,914 17,7159 54

Таблица 4.3 - Коэффициенты для расчета по формуле Селлмейера показателей преломления сердцевины и оболочки рассматриваемого ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ состава: 95,72% SiO2+4,28%F) Сердцевина (100% SiO2) Оболочка (95,72% SiO2+4,28%F) A1 0,69681 A1 0,6296675 A2 0,40817 A2 0,42384422 A3 0,89493 A3 0,94364924 λ1 0,06853 λ1 0,04351768 λ2 0,11612 λ2 0,12955321 λ3 9,914 λ3 10,2479213 Согласно расчета по формуле 4.1 были получены следующие данные: Таблица 4.4 - Результаты расчетов числовой апертуры рассматриваемого ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ состава: 95,72% SiO2+4,28%F) по опорным точкам λ=1,55 мкм λ=1,3 мкм № n сердц n оболоч NA n сердц n оболоч NA 1 1,4444 1,4277 0,219 1,4473 1,4305 0,219 2 1,4444 1,4256 0,232 1,4473 1,4284 0,233 3 1,4444 1,4252 0,235 1,4473 1,4280 0,235 4 1,4444 1,4243 0,240 1,4473 1,4272 0,240 5 1,4444 1,4256 0,232 1,4473 1,4284 0,233 6 1,4444 1,4264 0,227 1,4473 1,4293 0,227 7 1,4444 1,4264 0,227 1,4473 1,4293 0,227 8 1,4444 1,4247 0,237 1,4473 1,4276 0,238 9 1,4444 1,4260 0,230 1,4473 1,4288 0,230 10 1,4444 1,4331 0,180 1,4473 1,4359 0,181 Среднее значение 1,4444 1,4258 0,231 1,4473 1,4286 0,231 55

Таблица 4.5 - Статистическая обработка результатов расчетов числовой апертуры рассматриваемого ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ состава: 95,72% SiO2+4,28%F) по опорным точкам λ=1,55 мкм λ=1,3 мкм № NA NA-<NA> (NA-<NA>)^2 № NA NA-<NA> (NA-<NA>)^2 1 0,219 -0,006898 0,000048 1 0,219 -0,006489 0,000042 2 0,232 0,006310 0,000040 2 0,233 0,006711 0,000045 3 0,235 0,008861 0,000079 3 0,235 0,009260 0,000086 4 0,240 0,013879 0,000193 4 0,240 0,014273 0,000204 5 0,232 0,006310 0,000040 5 0,233 0,006711 0,000045 6 0,227 0,001121 0,000001 6 0,227 0,001526 0,000002 7 0,227 0,001121 0,000001 7 0,227 0,001526 0,000002 8 0,237 0,011384 0,000130 8 0,238 0,011780 0,000139 9 0,230 0,003731 0,000014 9 0,230 0,004134 0,000017 10 Среднее значение сумма 0,180 -0,045819 0,002099 0,181 -0,045413 0,002062 0,000544 10 Среднее значение сумма ∆NA= 0,006 0,95 ∆NA 0,006 0,226 0,226 0,000582 погрешность P= погрешность Относительная погрешность ε(NA) = 2,46 = 0,95 Относительная погрешность ε(NA) % Окончательный ответ NA P= = 2,54 % Окончательный ответ 0,226 ± 0,006 NA = 0,226 ± 0,006 Аналогичные исследования были проведены для второго образца ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ). В приложениях Г.6-Г.8 представлены снимки торца ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ). В приложениях Г.9-Г.11 представлены спектры элементного состава данного образца ОВ. 56

Таблица 4.6 - Элементный состав сердцевины и оболочки для образца ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ) Оболочка Среднее значение Сердцевина Среднее значение SI(%) O(%) F(%) SiO2 F 34,6 61,4 4 0,96 0,04 32,9 63 4,1 0,959 0,041 33,5 62,3 4,2 0,958 0,042 32,8 63 4,2 0,958 0,042 29,7 65,6 4,7 0,953 0,047 29,3 65,6 5,1 0,949 0,051 29,6 65,4 5 0,95 0,05 28,6 66,3 5,1 0,949 0,051 38 58,9 3,1 0,969 0,031 34,5 62,3 3,2 0,968 0,032 32,35 63,38 4,27 0,957 0,0427 29,9 70,1 0 - - 30,6 69,4 0 - - 30,9 69,1 0 - - 30,9 69,1 0 - - 29,8 70,2 0 - - 30,2 69,8 0 - - 30,9 69,1 0 - - 30,45714 69,54286 0 - - Согласно данных таблицы 4.6 в состав оболочки рассматриваемого ОВ входит 4,27%F. Проводя аналогичные расчеты, сделанным ранее, для данного типа ОВ получаем следующие результаты: Таблица 4.7 - Коэффициенты для расчета по формуле Селлмейера показателей преломления сердцевины и оболочки рассматриваемого ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ состава: 95,73% SiO2+4,27%F) Сердцевина (100% SiO2) A1 A2 A3 λ1 λ2 λ3 0,69681 0,40817 0,89493 0,06853 0,11612 9,914 Оболочка (95,73% SiO2+4,27%F) A1 A2 A3 λ1 λ2 λ3 0,629824 0,423808 0,943535 0,043576 0,129522 10,24714 Согласно расчета по формуле 4.1 были получены следующие данные: 57

Таблица 4.8 - Результаты расчетов числовой апертуры рассматриваемого ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ состава: 95,73% SiO2+4,27%F) по опорным точкам λ=1,55 мкм λ=1,3 мкм № n сердц n оболоч NA n сердц n оболоч NA 1 1,4444 1,4268 0,224 1,4473 1,4297 0,225 2 1,4444 1,4273 0,222 1,4473 1,4301 0,222 3 1,4444 1,4268 0,224 1,4473 1,4297 0,225 4 1,4444 1,4268 0,224 1,4473 1,4297 0,225 5 1,4444 1,4247 0,237 1,4473 1,4276 0,238 6 1,4444 1,4231 0,247 1,4473 1,4259 0,248 7 1,4444 1,4235 0,245 1,4473 1,4263 0,245 8 1,4444 1,4231 0,247 1,4473 1,4259 0,248 9 1,4444 1,4314 0,193 1,4473 1,4343 0,193 10 1,4444 1,4310 0,196 1,4473 1,4339 0,196 Среднее значение 1,4444 1,4265 0,226 1,4473 1,4293 0,226 Таблица 4.9 - Статистическая обработка результатов расчетов числовой апертуры рассматриваемого ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ состава: 95,73% SiO2+4,27%F) по опорным точкам λ=1,55 мкм λ=1,3 мкм № NA NA-<NA> (NA-<NA>)^2 № NA NA-<NA> (NA-<NA>)^2 1 0,224 -0,001613 0,000003 1 0,225 -0,001207 0,000001 2 0,222 -0,004286 0,000018 2 0,222 -0,003878 0,000015 3 0,224 -0,001613 0,000003 3 0,225 -0,001207 0,000001 4 0,224 -0,001613 0,000003 4 0,225 -0,001207 0,000001 5 0,237 0,011290 0,000127 5 0,238 0,011686 0,000137 6 0,247 0,021117 0,000446 6 0,248 0,021501 0,000462 7 0,245 0,018698 0,000350 7 0,245 0,019086 0,000364 8 0,247 0,021117 0,000446 8 0,248 0,021501 0,000462 9 0,193 -0,033084 0,001095 9 0,193 -0,032672 0,001067 10 0,196 -0,030010 0,000901 10 0,196 -0,029598 0,000876 среднее 0,226 среднее 0,226 сумма сумма 0,00339 0,003388 погрешность ∆NA= 0,014 P= погрешность ∆NA 0,95 Относительная погрешность ε(NA) = 6,14 0,014 = 0,95 относительная погрешность % ε(NA) = Окончательный ответ NA P= 6,12 % окончательный ответ 0,226 ± 0,014 NA = 0,226 ± 0,014 Аналогичные исследования были проведены для образца ОВ в медном ЗУП (800/880). В приложениях Г.12-Г.14 представлены снимки торца ОВ в медном ЗУП (800/880). 58

В приложениях Г.15-Г.16 представлены спектры элементного состава данного образца ОВ. Таблица 4.10 - Элементный состав сердцевины и оболочки для образца ОВ в медном ЗУП (800/880) SI(%) O(%) F(%) SiO2 F Оболочка 41,5 39,9 39,5 39,1 38,9 34,3 36,3 36,7 37,1 34,6 35,1 35,8 36,1 36,1 36,7 38 37,6 37,4 37,4 37,1 37,5 37,4 37,4 54,5 55,8 56,3 56,8 56,9 60,2 58,8 58,6 58,3 60,8 59,8 59,7 59,4 59,3 58,7 57,6 58,2 58,3 58,3 58 58,1 58 58,1 3,6 3,8 3,8 3,8 3,8 5,1 4,6 4,5 4,4 4,3 4,9 4,3 4,4 4,3 4,5 4,1 3,9 4 4,1 4,5 4,2 4,3 4,3 0,96 0,957 0,958 0,959 0,958 0,945 0,951 0,953 0,954 0,954 0,949 0,955 0,955 0,954 0,954 0,956 0,958 0,957 0,957 0,951 0,956 0,954 0,955 0,036 0,038 0,038 0,038 0,038 0,051 0,046 0,045 0,044 0,043 0,049 0,043 0,044 0,043 0,045 0,041 0,039 0,04 0,041 0,045 0,042 0,043 0,043 Среднее значение 37,28 58,20 4,24 0,955 0,042 Согласно данных таблицы 4.10 в состав оболочки рассматриваемого ОВ входит 4,24%F. Проводя аналогичные расчеты, сделанным ранее, для данного типа ОВ получаем следующие результаты: Таблица 4.11 - Коэффициенты для расчета по формуле Селлмейера показателей преломления сердцевины и оболочки рассматриваемого ОВ в медном ЗУП (800/880), состава: 95,76% SiO2+4,24%F Сердцевина (100% SiO2) A1 A2 A3 λ1 λ2 λ3 0,69681 0,40817 0,89493 0,06853 0,11612 9,914 Оболочка (95,76% SiO2+4,24%F) A1 A2 A3 λ1 λ2 λ3 59 0,630308641 0,423694543 0,943184022 0,043756522 0,129424935 10,24473272

Согласно расчета по формуле 4.1 были получены следующие данные: Таблица 4.12 - Результаты расчетов числовой апертуры рассматриваемого ОВ в медном ЗУП (800/880), состава: 95,76% SiO2+4,24%F по опорным точкам λ=1,55 мкм λ=1,3 мкм № n сердц n оболоч NA n сердц n оболоч NA 1 1,4444 1,4444 1,4444 1,4444 1,4444 1,4444 1,4444 1,4444 1,4444 1,4444 1,4444 1,4444 1,4444 1,4444 1,4444 1,4444 1,4444 1,4444 1,4444 1,4444 1,4444 1,4444 1,4444 1,4293 1,4285 1,4285 1,4285 1,4285 1,4231 1,4252 1,4256 1,4260 1,4264 1,4239 1,4264 1,4260 1,4264 1,4256 1,4273 1,4281 1,4277 1,4273 1,4256 1,4268 1,4264 1,4264 0,208 0,214 0,214 0,214 0,214 0,247 0,235 0,232 0,230 0,227 0,242 0,227 0,230 0,227 0,232 0,222 0,216 0,219 0,222 0,232 0,224 0,227 0,227 1,4473 1,4473 1,4473 1,4473 1,4473 1,4473 1,4473 1,4473 1,4473 1,4473 1,4473 1,4473 1,4473 1,4473 1,4473 1,4473 1,4473 1,4473 1,4473 1,4473 1,4473 1,4473 1,4473 1,4322 1,4314 1,4314 1,4314 1,4314 1,4259 1,4280 1,4284 1,4288 1,4293 1,4268 1,4293 1,4288 1,4293 1,4284 1,4301 1,4309 1,4305 1,4301 1,4284 1,4297 1,4293 1,4293 0,208 0,214 0,214 0,214 0,214 0,248 0,235 0,233 0,230 0,227 0,243 0,227 0,230 0,227 0,233 0,222 0,217 0,219 0,222 0,233 0,225 0,227 0,227 1,4444 1,4267 0,225 1,447 1,430 0,226 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Среднее значение 60

Таблица 4.13 - Статистическая обработка результатов расчетов числовой апертуры рассматриваемого ОВ в медном ЗУП (800/880), состава: 95,76% SiO2+4,24%F по опорным точкам λ=1,55 мкм λ=1,3 мкм № NA NA-<NA> № NA NA-<NA> (NA-<NA>)^2 1 0,208 0,214 0,214 -0,017397 -0,011730 -0,011730 0,000303 0,000138 0,000138 1 0,208 0,214 0,214 -0,016984 -0,011318 -0,011318 0,000288 0,000128 0,000128 0,214 0,214 0,247 0,235 0,232 0,230 0,227 0,242 0,227 0,230 0,227 0,232 0,222 0,216 0,219 0,222 0,232 0,224 0,227 0,227 -0,011730 -0,011730 0,021896 0,009547 0,006996 0,004416 0,001807 0,017034 0,001807 0,004416 0,001807 0,006996 -0,003507 -0,008953 -0,006213 -0,003507 0,006996 -0,000834 0,001807 0,001807 0,000138 0,000138 0,000479 0,000091 0,000049 0,000020 0,000003 0,000290 0,000003 0,000020 0,000003 0,000049 0,000012 0,000080 0,000039 0,000012 0,000049 0,000001 0,000003 0,000003 4 0,214 0,214 0,248 0,235 0,233 0,230 0,227 0,243 0,227 0,230 0,227 0,233 0,222 0,217 0,219 0,222 0,233 0,225 0,227 0,227 -0,011318 -0,011318 0,022281 0,009945 0,007397 0,004819 0,002212 0,017425 0,002212 0,004819 0,002212 0,007397 -0,003098 -0,008543 -0,005803 -0,003098 0,007397 -0,000427 0,002212 0,002212 0,000128 0,000128 0,000496 0,000099 0,000055 0,000023 0,000005 0,000304 0,000005 0,000023 0,000005 0,000055 0,000010 0,000073 0,000034 0,000010 0,000055 0,000000 0,000005 0,000005 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 среднее (NA-<NA>)^2 2 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 среднее 0,225 сумма 0,226 сумма 0,002060 0,002061 погрешность ∆NA= 0,004 P= погрешность ∆NA 0,95 Относительная погрешность ε(NA) = 1,85 0,004 = 0,95 относительная погрешность % ε(NA) = Окончательный ответ NA P= 1,85 % окончательный ответ 0,225 ± 0,004 NA = 0,226 ± 0,004 Таким образом, в результате проведенных измерений получены следующие значения числовой апертуры: - для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ): NA= 0,226± 0,006 - для ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ): NA= 0,226±0,014 - для ОВ в медном ЗУП (800/880): NA= 0,225±0,004 Полученные результаты можно считать самыми точными из рассмотренных ранее методов определения числовой апертуры. Точность определяется тем, что расчет проводится на основании сложного исследования элементного состава ОВ с применением СЭМ. Этим 61

определяется и сложность получения результатов данным методом. Сложность данного метода заключается ещё в нахождении коэффициентов для уравнения Селлмейера для конкретного состава легирующих элементов ОВ. 62

5. РАСЧЕТ ЧИСЛОВОЙ АПЕРТУРЫ ОБРАЗЦОВ ОВ НА ОСНОВЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ. СРАВНЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ С РЕЗУЛЬТАТАМИ ДРУГИХ МЕТОДОВ Важной характеристикой современных ВС является функциональная зависимость ПП сердцевины от поперечной координаты (например, от радиуса). Эту функцию называют профилем показателя преломления, она зависит от технологии изготовления ВС и может быть либо ступенчатой, либо градиентной. Приборы для контроля ППП оптических волоконных световодов являются неотъемлемой частью технологических линий по их производству. ППП определяет геометрические, волноводные и дисперсионные параметры световодов. Чтобы эти параметры соответствовали международным коммерческим стандартам, ППП необходимо контролировать с точностью 5…10 %. Измерения обычно выполняют на заготовках– преформах, поскольку форма ППП после перетяжки в световод сохраняется с точностью до 0,1 % [10]. Как было уже сказано ранее при производстве ОВ используются различные легирующие добавки. Известно, что примеси бора и фтора уменьшают показатель преломления кварцевого стекла. Для оптических волокон, легированных бором, потери возрастают на длинах волн более 1,3 мкм за счет фононного поглощения, вызываемого колебаниями решетки боросиликатного стекла. Поэтому для формирования депрессированной светоотражающей оболочки световодов, работающих на λ = 1,55 мкм, широкое распространение получило легирование кварцевого стекла фтором. При этом в качестве фторагента при легировании стекла в методе MCVD первоначально использовали фреоны (CF2Cl2 [4] или C2F3Cl3 [5]), а также гексафторид серы (SF6) [4]. Однако в первом случае удавалось получить разность показателя преломления (Δn) фторсиликатного и кварцевого стекол до ~–3,5*10-3 [3], а во втором – до ~–5*10-3 [4]. Поэтому в качестве фторагента в последнее время преимущественно используют тетрафторид кремния, который позволяет увеличить Δn до ~–(9–10)*10-3 [5]. На этапах изготовления заготовки специального ОВ, в целях отбраковки на ранних стадиях, используют инструменты технического контроля оптических и геометрических характеристик заготовок. В качестве инструментов технического контроля заготовок используют вертикальные анализаторы (анализатор PK 2600 фирмы Photon Kinetics.) Анализатор позволяет автоматизировать процесс измерения оптических и геометрических параметров заготовки: показателя преломления, диаметра сердцевины, наружного диаметра заготовки и концентричности. Опираясь на результаты измерений, выполняют прогноз свойств будущего волокна. Таким образом в процессе производства специального ОВ обеспечивают важную обратную связь по контролю качества параметров заготовки. В лаборатории оптических измерений ПАО «ПНППК», в соответствии с методиками и стандартами используемыми на предприятии, были проведены исследования ППП для преформ, из которых была в дальнейшем проведена вытяжка ОВ. По данным исследований получены значения разности показателей (Δn) преломления сердцевины и оболочки преформы ОВ: - для ОВ (105/125) в медном ЗУП Δn = 0,008 (см. Приложение Д.1.) - для ОВ (800/880) в медном ЗУП Δn = 0,012 (см. Приложение Д.2.) На основании этих данных можно рассчитать значения числовой апертуры. Используя формулу (2.5), преобразуем её к другому эквивалентному виду NA= √(𝑛𝑐2 − 𝑛𝑢2 ) = √(𝑛𝑐 + 𝑛𝑢 ) ∗ (𝑛𝑐 − 𝑛𝑢 ) ≈ √(2 ∗ 𝑛с ∗ ∆𝑛) 63 (5.1)

где Δn=(𝑛𝑐 − 𝑛𝑢 ) – полученное значение разности показателей преломления сердцевины и оболочки преформы ОВ; 𝑛𝑐 - показатель преломления сердцевины ОВ (для чистого кварца 𝑛𝑐 =1,458); 𝑛𝑢 - показатель преломления оболочки ОВ. Таким образом, получаем: - для ОВ (105/125) в медном ЗУП: NA = 0,153 - для ОВ (800/880) в медном ЗУП: NA = 0,187 В таблице 5.1 представлена сравнительная характеристика полученных результатов определения числовой апертуры различными методами. Таблица 5.1 – Сравнение значений числовой апертуры исследуемых образцов ОВ, полученных различными методами Метод формирования изображения ОВ в полимерном ЗУП (силикон) ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ) ОВ (105/125) в медном ЗУП ОВ (800/880) в медном ЗУП Значение числовой апертуры (NA) Расчетное, по Метод измерения данным пространственного исследования профиля лазерного элементного излучения состава ОВ Расчетное, по данным исследования ППП 0,192± 0,011 0,227± 0,009 - - 0,221 ± 0,005 0,217 ± 0,004 0,226± 0,006 - 0,238 ± 0,001 0,227 ± 0,005 0,226±0,014 - 0,149± 0,006 0,150± 0,003 - 0,153 0,230 ± 0,002 0,227 ± 0,003 0,225 ± 0,004 0,187 Из таблицы 5.1 видно, что полученные значения числовой апертуры для конкретного образца ОВ с достаточно хорошей точностью коррелируют. Некоторое расхождение для каждого конкретного образца ОВ связано с точностью того или иного метода определения числовой апертуры, погрешностями и допусками конкретного эксперимента. Используя даже самый простой способ определения числовой апертуры, метод формирования изображения, можно получить результаты с достаточно высокой степенью достоверности. Например, для волокон в алюминиевом ЗУП, предоставленными для исследования НЦВО (г. Москва), получены значения числовой апертуры очень близкие к паспортным для данного типа ОВ (см. Таблица 1). На основании вышесказанного можно сделать вывод: рассмотренные методы определения числовой апертуры дают достоверные результаты и могут быть использованы практически для оценки значения числовой апертуры новых образцов ОВ при производстве. 64

6. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН НА ОСНОВЕ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА. М ЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОВ 6.1. Основные понятия о прочности оптического волокна Прочность бездефектного кварцевого волокна выше прочности стальной проволоки такого же диаметра [13,21], однако любое соприкосновение поверхности волокна с твердым предметом или даже частицей пыли, находящейся в воздухе, приводит к появлению на поверхности стекла микротрещин. В результате разрывная прочность кварцевых волокон оказывается намного ниже теоретического предела прочности кварцевого стекла. Предельная разрывная прочность бездефектного кварцевого волокна определяется величиной напряжения, при котором происходит разрыв атомных связей в кварцевом стекле: Ϭт = 20 ГПа (ε ~ 25 %). Это примерно в 4 раза больше величины разрывной прочности для стандартных одномодовых волокон. Такое заметное снижение прочности реальных волокон объясняется тем, что на их поверхности имеются трещины, а материал, из которого изготовлены волокна (кварцевое стекло), является хрупким, не проявляющим пластичности телом. В хрупком материале воздействие растягивающей нагрузки приводит к возникновению локальных напряжений в вершине трещин, которые не могут релаксировать за счет пластической деформации. При этом локальные напряжения в вершине узкой трещины Ϭ лок могут быть в десятки раз больше напряжения Ϭ, с которым растягивается волокно [13] (рисунок 6.1). Рисунок 6.1― Поперечное сечение трещины, находящейся под растягивающим напряжением [13] Например, для узкой эллиптической трещины (ρ/b << 1) 𝜎 𝜎лок = ∗ √ 𝑏 (6.1) 2 𝜌 где b – длина большой полуоси эллипса, ρ – радиус кривизны в вершине эллипса. Волокно разрушается, когда напряжение в вершине трещины Ϭлок достигнет критического значения Ϭт. При этом величина напряжения, разрушающего волокно, будет меньше критического: 𝜌 1 𝑏 √𝑏 𝜎𝑝 = 2 ∗ √ 𝜎𝑇 = k ∗ (6.2) Для трещин глубиной (0.1…10) мкм величина k ~ (0.5…1) ГПа мкм1\2 [13]. Формула (6.2) позволяет оценить разрывную прочность волокна при наличии одной трещины с известными размерами. Однако таких трещин в волокне бывает много, а их размеры 65

изменяются случайным образом. Поэтому для описания прочности волокна используют статистический подход. При расчетах обычно используется интегральное распределение Вейбулла [13]. Динамическая прочность ОВ определяется величиной разрушающего напряжения, статическая - долговечностью, определяющейся длительностью процесса разрушения волокна, находящегося под воздействием постоянного растягивающего напряжения [23]. Для описания динамической прочности ОВ используется следующее аналитическое выражение [23]: log Ϭd = (1+n)-1*log vϬ+(1+n)-1*log kd (6.3) где Ϭd – приложенное к световоду напряжение, vϬ – скорость нагружения, kd – коэффициент, характеризующий кварцевое стекло, n – параметр влияния окружающей среды. Статическая прочность стекловолокна определяется параметрами n и К степенного закона долговечности [23]: lg τ = -n*lg Ϭ + lg K (6.4) где τ – долговечность; n – параметр, определяющий влияние влаги на скорость разрушения стекла; Ϭ – растягивающее напряжение; К – параметр, характеризующий состояние исходного дефекта. Для исследования прочности ОВ используют различные методы статических и динамических испытаний [23]: – Статическая усталость при растяжении; – Динамическая прочность при растяжении; – Статическая усталость при двухточечном изгибе; – Динамическая усталость при двухточечном изгибе. Несмотря на то, что все эти методы исследуют одни и те же характеристики, полученные результаты отличаются. На результаты испытаний сильно влияют условия окружающей среды, предварительная обработка или выдержка образцов. По мере повышения относительной влажности, значение разрушающего напряжения уменьшается [8]. Срок службы ОВ τ, находящегося под постоянной эксплуатационной нагрузкой Ϭ раб , можно оценить на основании его перемотки при повышенном напряжении Ϭ пер [23]: τ = B*( Ϭпер)n-2/ (Ϭраб)n (6.5) где n – параметр, характеризующий влияние влаги и равный (21,5 ± 1,5) [23], В – является характеристикой дефектности волокна. Минимальное значение В равно 10-3 Гпа2∙с [21,23]. Физическую интерпретацию влияния влажности и температуры на долговечность ОВ делают на основе данной экспоненциальной зависимости. В работе [21] приводится информация о величине параметров n и B в лабораторных условиях (50 % RH, 20 0С), полученная из обзора множества технических источников. По данным обзора [21] величина параметра n, наиболее важного при прогнозировании срока службы ОВ, оказывается по данным разных авторов в диапазоне от 15 до 42, а параметр В - от 1,56∙100 до 2∙10-8 Гпа2сек. Так же в работе [21] проведен анализ и определены значения параметров В и n. 66

На основании большого объема экспериментальных измерений пришли к выводу о том, что для температуры от 0 до 100 0С и уровня влажности от 15 до 100 % параметр B остается неизменным (~2∙10-8 Гпа2сек), а параметр n меняется в зависимости от относительной влажности z и абсолютной температуры согласно следующему соотношению [21]: −10 𝑛−1= (6.6) −0,9−0,093∗lg(𝑧)+2400/(2,3∗𝑅𝑇) 6.2. Статистическая оценка механической прочности. Распределение Вейбулла (представление результатов испытаний) Для статистической оценки кратковременной (механической) прочности оптического волокна чаще всего используют распределение Вейбулла, т.к. оно очень практично в случае исследования вероятности излома хрупких материалов [17]. При определении кратковременной прочности длинных оптических волокон возникает проблема, связанная с невозможностью их испытаний на существующей испытательной технике, а также сложность учета нагружения оптического волокна собственным весом. Действительно, практическое применение имеют оптоволоконные кабели, длина которых может составлять сотни и тысячи метров [17]. Распределение Вейбулла обеспечивает экстраполяцию средней вероятности разрушения для образцов большой длины. Возникновение дефектов разного размера при изготовлении ОВ является случайным процессом, поэтому и прочность оптического волокна, определяемая прочностью в его самом слабом месте, также является случайной. Используя модель слабейшего звена, можно определить характер зависимости прочности от длины ОВ, не делая каких-либо специальных предположений о механизме разрушения и статистике распределения дефектов. Если N() – число дефектных мест на длине L0 оптического волокна, разрушающихся при приложении нагрузки меньше, чем , то вероятность F () разрушения ОВ длиной L при приложении к нему нагрузки  равна F() = 1 – exp [- (L/L0) N()] (6.7) Для ОВ из различных материалов Вейбуллом была экспериментально установлена справедливость следующего соотношения: N() = (/0)m (6.8) где m – статистический параметр. В результате, распределение Вейбулла выглядит следующим образом [21]: F() = 1 – exp [- (L/L0) (/0)m] (6.9) Путем логарифмирования, его можно привести к виду ln (ln (1/(1- F()))) = m ln() + ln(L) + const (6.10) Следовательно, в координатах ln (ln (1/(1- F))) от ln() функция F() представляет собой прямую с наклоном m. Чем уже разброс прочности (больше параметр m), тем круче наклон прямой. Чтобы построить график Вейбулла (распределение прочности в вышеописанных координатах), нужно провести n одинаковых тестов отрезков ОВ и расположить их результаты 67

в порядке возрастания. Далее каждому результату (в зависимости от номера k) нужно присвоить вероятность F (  k) = k/(n+1). Распределение Вейбулла удобно тем, что позволяет с помощью только одного параметра m характеризовать величину относительной флуктуации (Ϭ или ε). Чем больше величина параметра m, тем меньше величина этой флуктуации (при m > 5 она порядка 1/m). Или иначе, чем больше величина параметра m, тем уже распределение плотности вероятности. Величину параметра Вейбулла m можно оценить по экспериментальной зависимости вероятности разрушения ОВ от величины натяжения волокна (рисунок 6.2). Для большинства типов волокон параметр m составляет большую величину порядка 50...80, т.е. разрывная прочность имеет очень узкий разброс значений. Рисунок 6.2 ― Распределение прочности волокна в координатах ln(ln(1/(1 – F))) от lnϬ [13] Как видно из рисунка 6.2, экспериментальные результаты не ложатся на одну прямую. На графике наблюдается участок с очень большим наклоном (m ~ 50…80), соответствующий «бездефектным» образцам, а при достаточно большом количестве испытаний также и участок с малым наклоном (m ~ 1…5). Т.е. экспериментальные результаты во всем диапазоне натяжений ОВ не описываются распределением Вейбулла с одним значением параметра m [13]. В той же работе [13] делается следующий вывод: нельзя не принимать во внимание участок кривой Вейбулла с малым значением m. Если его отбросить, то по этой оценке ОВ при натяжении 1 ГПа никогда не оборвется. При таком натяжении ОВ обычно перематывается в процессе его изготовления. И как показывает опыт, ОВ все же обрывается, хотя и достаточно редко (один обрыв на несколько десятков километров). Объясняется это тем, что в волокне присутствуют достаточно сильные, хотя и редкие технологические дефекты. Рroof-test – является именно таким способом контроля прочности ОВ. Каждый участок волокна последовательно оказывается при напряжении 0.7-1.4 ГПа в течение 1 с или менее, в зависимости от конструктивных особенностей установки. При этом разрушаются все трещины глубиной ~1 мкм, а один обрыв приходится на десятки километров перемотанных волокон. Таким образом, удается получать волокна длиной несколько десятков километров с прочностью не менее 1 ГПа, что вполне достаточно для их практического применения [21]. 68

6.3. Зависимость прочностных характеристик ОВ от вида ЗУП Как уже было сказано выше, оптическое волокно должно быть защищено некоторым защитным покрытием от механических повреждений во время использования и от факторов окружающей среды во время его применения. Во многих случаях полимерное покрытие подходит для достаточной защиты. Однако существует ряд специальных применений оптических волокон, в которых нельзя использовать обычные волокна с полимерным покрытием. Эти применения можно разделить на несколько групп [24]: 1. Повышенная надежность (важна герметичность покрытия) 2. Высокий вакуум (когда выброс газа из покрытия нежелателен) 3. Возможность пайки (встраиваемые волокна, оптические коннекторы, входы в высокий вакуум) 4. Подача лазерного излучения высокой мощности (полимер может разжигаться рассеянным светом) 5. Медицинские применения (покрытые металлом волокна могут быть стерилизованы с использованием пара, электронного пучка или гамма-излучения) 6. Агрессивная окружающая среда - Высокотемпературные среды (> 350 ° C) - Ядерное излучение (полимерное покрытие ослабевает при облучении) - Химические вещества (если они не вызывают коррозии металла) В реальной ситуации область применения ОВ (в датчиках, в аэрокосмической, химической промышленности, в глубоководной нефтедобывающей промышленности) может принадлежать к нескольким группам одновременно. Стандартные акрилатные ЗУП позволяют использовать ОВ при температурах не выше 85 °С. Улучшенные полиакрилатные покрытия допускают эксплуатацию ОВ при температуре 150 °С. Использование силикона в качестве ЗУП позволяет повысить рабочую температуру до 200 °С. Наиболее термостойкими (с рабочими температурами свыше 300 °С) являются полимерные защитные покрытия ОВ на основе полиимидов [7]. В общем случае герметизация поверхности световода осуществляется путём нанесения металлического или углеродно-полимерного покрытия. Волокно может быть покрыто металлической пленкой после вытяжки в отдельном процессе (вне линии) или во время вытяжки (в линии)[24]. В настоящее время только метод "замораживания" позволяет наносить металлическое покрытие в линии во время процесса вытяжки волокна. В этом случае волокно проходит через слой (приблизительно несколько миллиметров) расплавленного металла. Если температура расплава близка к температуре плавления металла и температура волокна ниже, то некоторый слой металла может "замерзнуть" на поверхности волокна. Для этой техники можно использовать обычную башню вытяжки всего с одной модификацией: специально сконструированный металлический аппликатор должен заменить полимерную матрицу[24]. Многими исследованиями было показано, что покрытые металлом волокна, изготовленные методом "замораживания", действительно являются герметичными. Это означает, что из-за отсутствия водяного пара под металлом прочность волокон может быть вдвое выше, чем у волокон с полимерным покрытием (5,5 ГПа) [17]. Данное значение для покрытых металлом волокон приближается к прочности стекла в жидком азоте (~ 14 ГПа). Параметр усталости n в этом случае также будет высоким (> 100) по сравнению с n ~ 20 для волокон с полимерным покрытием. Покрытые углеродом волокна также демонстрируют такой высокий усталостной параметр, но не могут достичь такой высокой прочности из-за растрескивания хрупкого углеродного покрытия во время испытаний при высоком удлинении (приблизительно > 5%) [32]. 69

В работе [24] установлена причина сравнительно низких значений (3,5 – 4,5 ГПа) максимальной прочности ОВ с углеродным покрытием, изготовленных зарубежными производителями: хрупкое углеродное покрытие растрескивается во время измерения прочности при относительном удлинения ~ 5 – 7 %, что вызывает разрушение ОВ в целом. Разрушение углеродного герметичного покрытия при относительном удлинении образцов более 5 – 7 % не позволяет достигнуть предельных значений разрывной прочности, но при этом долговременная стабильность ОВ в углеродном покрытии при меньшем удлинении крайне высока из-за отсутствия возможности попадания влаги на поверхность ОВ [21]. В работе [21] приводится информация, что прочность на изгиб бездефектных ОВ с полимерными покрытиями в лабораторных условиях равняется (5,0 – 5,5) ГПа, а в инертных (в отсутствие влаги) достигает (14 – 16) ГПа. В работе [34] образцы из трех различных 1 км катушек покрытого алюминием кремнеземного волокна испытывали при изгибе и растяжении для определения их прочности. Алюминиевые покрытия наносили на волокно, пропуская его через расплавленную пленку жидкого металла (метод «замораживания»). Испытания на изгиб проводили с использованием двухточечного устройства сгиба. Образцы длиной 0,5 м использовали для испытаний на растяжение, которые проводили со скоростью деформации 20%/мин. Эти данные о волокнах высокой прочности могут быть представлены статистикой Вейбулла. Рисунок 6.3 – Результаты прочностных испытаний: ● - тесты на изгиб; растяжение; ----- - Оценка Вейбулла [34] ▲- тесты на Данные показывают, что короткие длины алюминиевого волокна могут последовательно выдерживать изгибные напряжения, превышающие 6,9 ГПа. В отличие от результатов испытания на изгиб, прочность на разрыв, зарегистрированная для образцов длиной 0,5 м, существенно ниже. Также результаты показывают более широкий спектр в диапазоне от ~ 1,4 ГПа до 6,9 ГПа (средняя прочность > 4,1 ГПа) [34]. Показатели прочности на разрыв ниже 4,4 ГПа и их гораздо более широкое распределение по Вейбуллу, чем прочности на изгиб, было объяснено наличием дефектов металлизированного ЗУП [27]. 70

Так же была определена закономерность: прочность, измеренная при более высоких скоростях напряжения (деформации), всегда выше, чем прочность, измеренная при более низких скоростях, предположительно потому, что меньше времени приходится для химической атаки (коррозии) на вершинах трещин [27]. Рисунок 6.4 - График вероятности разрушения на разрыв ОВ с различными видами металлических покрытий [24] В исследованиях [25] показывается, что применение герметичных Cu-покрытий методом замораживания давало волокна с пониженной статической усталостью (n > l00), сверхвысокой прочностью на изгиб (до 10 ГПа) и прочностью на растяжение - 2 ГПа. Кроме того, волокна отличаются превосходной пайкой. Поскольку температура плавления меди довольно высока (1083 ° С) и медь инертна по отношению к диоксиду кремния, покрытые Cu волокна должны быть более устойчивы к повышенным температурам, чем широко распространенные покрытые Al волокна. В последнем случае химическая реакция алюминия с кремнеземом устанавливает предельную температуру для нанесения волокна около 400 ° С. В работе [25] приводятся результаты исследований ОВ в медном ЗУП. На момент написания статьи последние улучшения в технологии нанесения Cu-покрытия позволяли получить волокна с прочностью на разрыв 3,5 ГПа и равномерной прочностью на изгиб 10 ГПа. Причиной снижения прочностных параметров ОВ с ЗУП из меди может являться о взаимодействие поверхности медного ЗУП и диоксида кремния при высоких температурах, которое приводит к кристаллизации стекла и образованию кластеров меди из-за диффузии меди. Т.е. эти два вида дефектов на поверхности диоксида кремния снижают прочность волокон [25]. Механическая прочность и надежность оптических волокон определяются статической усталостью стекла. Это явление заключается в том, что поверхностные дефекты, выжившие в тесте на прочность, растут в течение длительного периода приложения напряжений, что в конечном итоге приводит к повреждению волокна [31]. Благодаря этому эффекту прочность стандартного волокна с полимерным покрытием (типичное значение составляет ~ 5,5 ГПа при 50% RH и комнатной температуре) значительно меньше, чем при температуре жидкого азота (~ 14 ГПа), когда влияние водяного пара минимизировано [31]. 71

Но в случае металлизированного ЗУП существует особенность. К сожалению, трудно воспользоваться этой уникальной прочностью покрытых металлом волокон в случае значительной длины волокон. Задача получения волокна с длинным металлическим покрытием с однородной высокой прочностью значительно сложнее, чем задача, решаемая для волокон с полимерным покрытием. Помимо обычных источников возможных дефектов, необходимо выявить, систематизировать и устранить ряд новых типов дефектов, таких как включения твердых частиц в металл, поры или отверстия в металлической пленке и т.д [31]. С целью выявления и анализа поверхностных дефектов ОВ было проведено исследование четырех образцов ОВ на СЭМ, представленных на рисунке 6.5. Были исследованы: - ОВ в медном ЗУП (105/125), производство ПАО «ПНППК» г.Пермь - ОВ в медном ЗУП (800/880), производство ПАО «ПНППК» г.Пермь - ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ), производство НЦВО г.Москва - ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ) , производство НЦВО г.Москва Рисунок 6.5 ― Образцы для исследования поверхностных дефектов Результаты исследований представлены в приложениях Е.1-Е.5. На изображениях не обработанных торцевых поверхностей (см. Приложение Е.1) отчетливо видна кристаллическая структура сердцевины и оболочки ОВ, а так же ЗУП. В приложениях Е.2-Е.5 представлены изображения поверхностей исследуемых образцов ОВ, на которых видны дефекты следующего вида: продольные царапины, зазубрины, включения посторонний частиц в ЗУП, трещины в ЗУП. Все эти дефекты, как было уже сказано ранее, и являются факторами, снижающими значение прочности покрытых металлом волокон в случае значительной их длины. 6.4. Методики измерения прочности ОВ и характеристика исследуемых образцов ОВ Для исследуемых образцов ОВ был проверен один из механических параметров – предел прочности ОВ. Для измерения предельной прочности ОВ применялись два метода: метод двухточечного изгиба и метод осевого растяжения. Динамические испытания двухточечным изгибом являются наиболее простым методом определения прочности ОВ [21]. Предложенный более 70 лет тому назад метод прочностных 72

испытаний оптических волокон путем нагружения их двухточечным изгибом заключается в том, что образец ОВ длиной (≈3 – 4 см), изогнутый в виде «U» – образной трубки (рисунок 6.6), помещают между двумя параллельными пластинами А1 и А2. Одна пластина находится в неподвижном состоянии. Вторую пластину передвигают с постоянной скоростью, так что расстояние между пластинами и радиус изгиба оптического волокна в вершине уменьшаются, а напряжение растяжения в кварце в вершине возрастает. При достижении критического значения, оптическое волокно разрушается. Рисунок 6.6 ― Схема для измерения прочности методом двухточечного изгиба, d – расстояние между двумя пластинами (мм), v–постоянная скорость (мм/c) Фиксируется значение расстояния между пластинами, при котором произошло разрушение и производится расчет прочности в [ГПа], ниже приведена эмпирическая расчетная формула [23]: Ϭ = E*[1+3.450*( 1.219∗𝐷 𝑑 - 1.137∗𝐷2 𝑑2 )]*( 1.219∗𝐷 𝑑 - 1.137∗𝐷2 𝑑2 ) (6.11) где D – Диаметр оптического волокна (по кварцу) [мм], d – расстояние между пластинами [мм], Е – Модуль упругости, равный 73,5 ГПа. При измерении прочности методом двухточечного изгиба под воздействием нагрузки оказывается исключительно малая часть ОВ (≈ 1мм), поэтому текущий метод преимущественно удобен для исследования образцов с высокой однородностью дефектов по длине ОВ, равномерно снижающих прочность. Кроме этого изгибные испытательные установки оказываются очень простыми и мобильными. Для метода осевого растяжения при проверке прочности ОВ использовалась разрывная машина Instron 5960, показанная на рисунке 6.7. Образец ОВ удерживался вертикально и наматывался на кабестаны с обоих концов, для уменьшения проскальзывания применялся широкий скотч. Расстояние между кабестанами составляло 500 мм, ОВ вытягивалось вертикально с постоянными скоростями (50, 100, 500 мм/мин) по 15 измерений каждого образца. Разрушающее напряжение регистрировалось во время разрыва ОВ. Вся установка была подвержена воздействию контролируемой окружающей среды (относительная влажность – (60 ± 5) %, температура – (23 ± 2) 0С). 73

Рисунок 6.7 ― Схема и общий вид установка для метода осевого разрыва Согласно ГОСТ Р МЭК 60793-1-33-2014 [3] данный метод предназначен для определения динамического параметра стойкости к коррозии в напряженном состоянии (динамической n величины – nd) ОВ при установленных постоянных значениях скорости растяжения волокна. Данный метод предназначен для проведения измерений для тех ОВ, для которых медианное значение разрушающего усилия более 3 ГПа при наибольшей установленной скорости растяжения. Для ОВ с медианным значением разрушающего усилия менее 3 ГПа условия, указанные в настоящем стандарте, не обеспечивают достаточной точности измерений. Для ОВ в металлизированном ЗУП существует проблема правильного измерения прочностных характеристик Как уже было сказано выше, в методе двухточечного изгиба подвергается напряжению очень короткая длина волокна (~ 1 мм). Кроме того, правильное вычисление радиуса изгиба и соответствующей прочности в случае метода двухточечного изгиба затруднено нелинейным поведением модуля Юнга диоксида кремния при удлинениях до 8% и отсутствием экспериментальных данных при более высоких удлинениях (разрушение в жидком азоте происходит при ~ 15% удлинении) [24]. В методе осевого растяжения очень трудно измерить прочность с помощью обычной машины для испытания на растяжение, т.к. существует трудность фиксации концов волокон во время испытания без повреждения поверхности волокна. Поскольку вся длина волокна между держателями обычно отжимается после отказа, невозможно определить положение исходного места разрыва, независимо от того, находится ли оно в держателе или между держателями. Исходя из этого, для ОВ в медном ЗУП измерение параметров прочности проводилось только методом осевого растяжения. Для проверки прочностных характеристик методами двухточечного изгиба и осевого растяжения ОВ были взяты следующие образцы (см. Приложение Ж.1): 1. ОВ в полиимидном защитно-упрочняющем покрытии (ЗУП); 2. ОВ в углерод/полиимид ЗУП; 3. ОВ отечественного производства в полиимидном ЗУП после вытяжки; 4. ОВ импортного производства (Fibercore) в полиимидном ЗУП после термоцикла при температуре 300 0С; 74

5. ОВ импортного производства (Fibercore) в полиимидном ЗУП, досушенное в вакууме; 6. ОВ в акрилатном ЗУП; 7. ОВ в металлизированном ЗУП (медь) 105/125. По умолчанию производитель ОВ ПАО «ПНППК» (если не указано иное). При проведении экспериментов были поставлены основные задачи: 1. Провести измерения прочности ОВ методом двухточечного изгиба с разными типами полиимидных ЗУП; построить графики Вейбулла прочности на изгиб исследуемых ОВ, рассчитать погрешность проведенных измерений. 2. Провести измерения прочности методом осевого растяжения для ОВ с разными типами полиимидных ЗУП и для ОВ в металлизированном ЗУП; построить графики Вейбулла прочности на изгиб исследуемых ОВ, рассчитать погрешность проведенных измерений. 6.5. Результаты измерений прочности методом двухточечного изгиба Измерения проводились на территории лаборатории УВОК НТЦ ПАО «ПНППК» с помощью электронного штангенциркуля (см. Приложение Ж.2). Образец ОВ с заданной длиной (от 3 до 4 см), помещался между пластинами штангенциркуля, изогнутым в виде «U»-образной трубки. Далее ОВ крепилось к пластинам штангенциркуля с помощью скотча. Нижнюю пластину вручную сдвигали к верхней, до момента разрушения ОВ (контроль визуальный) и фиксировали расстояние между пластинами в момент разрыва. Полученное расстояние с помощью эмпирической формулы (6.11) пересчитывалось в значение разрушающего напряжения для каждого образца ОВ. В результате проведенных экспериментов и расчетов были получены следующие значения предела прочности исследуемых образцов ОВ с разными типами полиимидных ЗУП (см. Таблица 6.1) Таблица 6.1 – Результаты определения предела прочности методом двухточечного изгиба образцов ОВ с разными типами полиимидных ЗУП Вид исследуемого образца ОВ ОВ в полиимидном ЗУП ОВ в углерод/полиимид ЗУП ОВ отечественного производства в полиимидном ЗУП после вытяжки ОВ импортного производства в полиимидном ЗУП после термоцикла при температуре 300 0С ОВ импортного производства в полиимидном ЗУП, досушенным в вакууме ОВ в акрилатном ЗУП Значение предела прочности (Ϭ), ГПа 6,58 ± 0,26 5,36 ± 0,22 6,96 ± 0,26 7,75 ± 0,28 7,69 ± 0,23 6,59 ± 0,15 Таким образом, на основании всех проделанных расчетов можно построить сравнительные графики для всех исследованных образцов ОВ, представленные на рисунках 6.8-6.9. 75

1,4 полиимид 0,9 0,4 полиимид/углерод ln(ln(1/(1-F))) -0,1 -1,1 отечественный полиимид после вытяжки -1,6 импортный полиимид после 300 градусов -0,6 -2,1 импортный полиимид досушенный в вакууме -2,6 -3,1 1,4 1,6 1,8 2 акрилат ЗУП 2,2 Ln(Ϭ) Рисунок 6.8 ― Графики Вейбулла прочности на изгиб ОВ исследованных образцов 100 полиимид 90 80 полиимид/углерод Вероятность разрушения(%) 70 60 отечественный полиимид после вытяжки 50 40 импортный полиимид после 300 градусов 30 20 импортный полиимид досушенный в вакууме 10 0 4 5 6 7 8 Разрушающее напряжение Ϭ(ГПа) 9 акрилат ЗУП Рисунок 6.9 ― Зависимость разрушающего напряжения от вероятности разрушения исследованных образцов ОВ 76

На основании полученных значений предела прочности для ОВ можно сделать следующие выводы: 1. Наименьшую прочность на изгиб имеет ОВ в углерод/полиимидном ЗУП. 2. Полученные значения разрушающего напряжения для исследованных образцов ОВ с достаточно хорошей точностью коррелируют с данными исследования и определения прочностных характеристик ОВ, приведенных в технической литературе. 6.6. Результаты измерений прочности методом осевого растяжения Измерения проводились на территории металло-физической лаборатории (МФЛ) ПАО «ПНППК» с помощью разрывной машины Instron 5960, представленной на рисунке 6.10. Исследования проводились для следующих образцов ОВ: 1)ОВ в полиимидном ЗУП, показания фиксировались для трех скоростей растяжения (500 мм/мин, 100 мм/мин и 50 мм/мин) по 15 измерений. 2)ОВ в углерод/полиимид ЗУП (100 мм/мин) – 15 измерений. 3)ОВ в медном ЗУП (500 мм/мин, 100 мм/мин- 2 замера) – 10-15 измерений. Рисунок 6.10 ― Фотография разрывной машины для определения предела прочности ОВ методом осевого растяжения В результате проведенных экспериментов и выполненных необходимых вычислений для построения кривых распределения Вейбулла, были получены следующие данные, представленные на рисунках 6.11 – 6.14. 77

Распределение Вейбулла 1,50 1,00 0,50 ln(-ln(1-F)) 0,00 -0,50 0,50 1,00 1,50 2,00 волокно в меди 105/125мкм (100мм/мин) волокно в меди 105/125мкм (100мм/мин) -1,00 -1,50 волокно в полиимиде 100/125мкм (100мм/мин) -2,00 -2,50 волокно в карбоне 100/125мкм (100мм/мин) -3,00 -3,50 -4,00 ln(σ) Рисунок 6.11 ― Графики Вейбулла прочности на растяжение ОВ исследованных образцов (скорость растяжения 100 мм/мин)) Вероятность разрушения Вероятность разрушения 1,00 0,90 0,80 волокно в меди 105/125мкм (100мм/мин) 0,70 0,60 волокно в полиимиде 100/125мкм (100мм/мин) 0,50 0,40 волокно в карбоне 100/125мкм (100мм/мин) 0,30 0,20 волокно в меди 105/125мкм (100мм/мин) 0,10 0,00 1,50 2,50 3,50 4,50 5,50 6,50 7,50 Разрушающее напряжение Ϭ(ГПа) Рисунок 6.12 ― Зависимость разрушающего напряжения от вероятности разрушения исследованных образцов ОВ (скорость растяжения 100 мм/мин)) 78

Распределение Вейбулла 1,50 1,00 ln(-ln(1-F)) 0,50 0,00 -0,50 0,50 1,00 1,50 2,00 волокно в меди 105/125мкм (500мм/мин) -1,00 -1,50 волокно в полиимиде 100/125мкм (500мм/мин) -2,00 -2,50 -3,00 -3,50 -4,00 ln(σ) Рисунок 6.13 ― Графики Вейбулла прочности на растяжение ОВ исследованных образцов (скорость растяжения 500 мм/мин)) Вероятность разрушения Вероятность разрушения 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 волокно в меди 105/125мкм (500мм/мин) волокно в полиимиде 100/125мкм (500мм/мин) 1,50 2,50 3,50 4,50 5,50 6,50 7,50 Разрушающее напряжение Ϭ(ГПа) Рисунок 6.14 ― Зависимость разрушающего напряжения от вероятности разрушения исследованных образцов ОВ (скорость растяжения 500 мм/мин)) Результаты анализа экспериментальных данных в графическом виде для ОВ в полиимидном ЗУП представлены в Приложении Ж.3. Для данного типа ОВ получена величина разрушающего напряжения: Для скорости 500 мм/мин – Ϭ = 5.87 Гпа (m = 85,65) Для скорости 100 мм/мин – Ϭ = 5.50 Гпа (m = 76,01) Для скорости 50 мм/мин – Ϭ = 5.25 Гпа (m = 97,36) 79

Результаты анализа экспериментальных данных в графическом виде для ОВ в углерод/полиимид ЗУП представлены в Приложении Ж.4. Для ОВ в углерод/полиимид ЗУП получена величина разрушающего напряжения: Для скорости 100 мм/мин – Ϭ = 2.62 Гпа (m = 19,51) Результаты анализа экспериментальных данных в графическом виде для ОВ в медном ЗУП представлены в Приложении Ж.5. Для данного типа ОВ в медном ЗУП получена величина разрушающего напряжения: Для скорости 500 мм/мин – Ϭ = 5.08 Гпа (m = 8,1) Для скорости 100 мм/мин (замер №1) – Ϭ = 5.50 ГПа (m = 12,25) Для скорости 100 мм/мин (замер №2) – Ϭ = 4.99 ГПа (m = 8,7) По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы: - для исследованных образцов ОВ в полиимидном ЗУП величина параметра Вейбулла m, согласно экспериментальной зависимости вероятности разрушения волокна от величины натяжения волокна, составляет большую величину порядка m>80, т.е. разрывная прочность имеет очень узкий разброс значений, что согласуется с данными работы [21]; - полученные значения разрушающего напряжения методом осевого растяжения ниже соответствующих значений, полученных методом двухточечного изгиба. Но эти данные, полученные на разрывной машине наилучшим образом коррелируют со значениями разрушающего напряжения приведенными в технической литературе [17,21, 25, 27,31, 34]. Это подтверждает, что метод двухточечного изгиба дает завышенные значения. - для ОВ в медном ЗУП полученные значения разрушающего напряжения имеют более широкий разброс (для них характерно более широкое распределение по Вейбуллу), что подтверждает выводы, сделанные в работах [24, 27,34]. 80

ЗАКЛЮЧЕНИЕ При подготовке выпускной квалификационной работы была определена цель: на основе изученного теоретического материала существующими и доступными методами провести измерение геометрических характеристик, числовой апертуры и прочностных характеристик образцов ОВ, провести сравнительный анализ и дать оценку точности данных методов. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: - было проведено измерение геометрических параметров исследуемых образцов ОВ с использованием поста микроконтроля OLYMPUS в соответствии с опытной инструкцией №66/61-10-мт от 08.11.2018 «Волокна оптические. Методика измерения геометрических параметров защитно-упрочняющих покрытий непрозрачных» ПАО «ПНППК». Получены данные для девяти образцов ОВ; - изучены существующие способы определения значения числовой апертуры методом формирования изображения. Данным методом были получены следующие результаты: 1) для ОВ в медном ЗУП (105/125): NA= 0,149± 0,006; 2) для ОВ в полимерном ЗУП (силикон): NA= 0,192± 0,011; 3) для ОВ в медном ЗУП (800/880): NA= 0,230 ± 0,002; 4) для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ): NA= 0,221 ± 0,005; 5) для ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ): NA= 0,238 ± 0,001; - было проведено исследование зависимости значения числовой апертуры исследуемого образца ОВ от длины волны вводимого в ОВ излучения. В процессе измерений наблюдалось явление нормальной дисперсии: излучение красного спектра имеет максимальную скорость распространения в ОВ и соответственно имеет минимальное значение показателя преломления и как следствие минимальное значение числовой апертуры. Таким образом, значение показателя преломления n уменьшается при увеличении длины волны λ, следовательно уменьшается и значение числовой апертуры. Полученная зависимость подтверждает, что значение числовой апертуры уменьшается с увеличением длины волны (в видимом диапазоне) вводимого излучения в ОВ; - была составлена методика определения значения числовой апертуры измерением пространственного профиля лазерного излучения с помощью комплекса АРМ УЛИ (узел ввода лазерного излучения). Данным методом получены следующие значения числовой апертуры: 1) для ОВ в медном ЗУП (105/125): NA= 0,150± 0,003; 2) для ОВ в полимерном ЗУП (силикон): NA= 0,227± 0,009; 3) для ОВ в медном ЗУП (800/880): NA= 0,227 ± 0,003; 4) для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ): NA= 0,217 ± 0,004; 5) для ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ): NA= 0,227 ± 0,003; - был определен элементный состав для трёх образцов ОВ. Для расчета значений числовой апертуры с использованием формул Селлмейера были рассчитаны соответствующие коэффициенты уравнения и получены следующие результаты: 1) для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ): NA= 0,226± 0,006; 2) для ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ): NA= 0,226±0,014; 3) для ОВ в медном ЗУП (800/880): NA= 0,225 ±0,004; - проведен сравнительный анализ полученных данных. По итогам проведенных исследований можно сделать следующие выводы: - полученные значения числовой апертуры для конкретного образца ОВ различными методами с достаточно хорошей точностью коррелируют. Некоторое расхождение для каждого конкретного образца ОВ связано с точностью того или иного метода определения числовой апертуры, погрешностями и допусками конкретного эксперимента; 81

- используя даже самый простой способ определения числовой апертуры, метод формирования изображения, можно получить результаты с достаточно высокой степенью достоверности; - рассмотренные методы определения числовой апертуры дают достоверные результаты и могут быть использованы практически для оценки значения числовой апертуры новых образцов ОВ при производстве. Наиболее простым и мобильным способом является метод формирования изображения по «простой схеме», наиболее точным является расчетный метод на основе результатов исследования элементного состава оболочки и сердцевины ОВ, он же является и наиболее трудоемким. Выбор метода определения значения числовой апертуры новых образцов ОВ может быть продиктован производственными задачами; - полученные значения разрушающего напряжения для исследованных образцов ОВ с достаточно хорошей точностью коррелируют с данными исследований и определения прочностных характеристик ОВ, приведенных в технической литературе; - для исследованных образцов ОВ в полиимидном ЗУП величина параметра Вейбулла m, согласно экспериментальной зависимости вероятности разрушения волокна от величины натяжения волокна, составляет большую величину порядка m>80, т.е. разрывная прочность имеет очень узкий разброс значений; - полученные значения разрушающего напряжения методом осевого растяжения ниже соответствующих значений, полученных методом двухточечного изгиба. Но эти данные, полученные на разрывной машине наилучшим образом коррелируют со значениями разрушающего напряжения мировых производителей. Это подтверждает, что метод двухточечного изгиба дает завышенные значения; - для ОВ в медном ЗУП полученные значения разрушающего напряжения имеют более широкий разброс (для них характерно более широкое распределение по Вейбуллу); - из сравнения полученных значений прочностных характеристик ОВ в полимерных и металлизированных ЗУП видно, что значения для ОВ в металлизированном ЗУП не превосходят значения для ОВ в полимерных ЗУП. Поставленные цели работы считаю выполненными. 82

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. ГОСТ Р МЭК 793-1-93. Группа Э59. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ. ВОЛОКНА ОПТИЧЕСКИЕ. Общие технические требования. Optical fibres. Generic specification ОКСТУ 6600 Дата введения 1995-01-01. 2. ГОСТ Р МЭК 60793-1-43-2013. Волокна оптические = Ч. 1-43. Методы измерений и проведение испытаний. Числовая апертура: Optical fibres. Part 1-43. Measurement methods and test procedures. Numerical aperture: национальный стандарт Российской Федерации. Дата введения 2015-01-01. 3. ГОСТ Р МЭК 60793-1-33-2014. Группа Э59. Национальный стандарт российской федерации. Волокна оптические. Часть 1-33. Методы измерений и проведение испытаний. Стойкость к коррозии в напряженном состоянии. Дата введения 2016-01-01. 4. Аксенов В.А., Белов А.В., Воробьев И.Л. и др. Оптимизация оптических волокон с кварцевой сердцевиной и фторсиликатной оболочкой // Труды LVII Науч. сессии РНТОРЭС им. А.С. Попова. Т. 1. 2002. С.30 5. В. А. Аксенов, Г. А. Иванов, В. А. Исаев, М. Е. Лихачев. Получение фторсиликатного стекла методом MCVD.// НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2010, том 46, № 9, с. 1106–1110 6. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением М.—Л.Госэнергоиздат, 1962, 332 с. 7. Высокотехнологичный полиимидный лак для изготовления покрытия волоконного световода / Ф.Косолапов, Е.А.Пластинин, С.Л. Семенов, Б.А.Байминов, А.Сапожников, Д.Д.Алексеева, Я.С.Выгодский// Краткие сообщения по физике ФИАН № 6, 2017 г. 8. Гауэр Дж.Оптические системы связи:Пер.с англ.-М.:Радио и связь,1989.-504 с. 9. Гнатенко, А. С. Расчет дисперсионных характеристик оптических волокон для проектирования кольцевых резонаторов волоконных лазеров / А. С. Гнатенко, Е. Д. Алексеева //Радиотехника (всеукраинский межведомственный научно-технический сборник ). – 2015. – № 182. – С. 106-109. 10. Измеритель профиля показателя преломления оптических кварцевых заготовок./ А.Н. Афанасьев, А.Ф. Иванов, В.И. Махров, А.А. Шибаев, Л.А. Мялицин, Н.Н. Платонов // Известия Челябинского научного центра, вып. 4 (21), 2003. 11. Кварцевые волоконные световоды с особыми оптическими и механическими свойствами./ Шевандин В.С.// Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. - ФГУП ВНЦ "ГОИ им. СИ. Вавилова", 2006г. 12. Контроль характеристик и параметров оптического волокна и устройств на его основе. Сокольников А. В., Косарев А. В. ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П.Огарева», г.Саранск // Электроника и информационные технологии, 2009, выпуск 2 (7). 13. А. В. Листвин, В. Н. Листвин. Рефлектометрия оптических волокон.– М.: ЛЕСАРарт, 2005. 208 с, ил. 14. Мандель А.Е. Методы и средства измерения в волоконно-оптических телекоммуникационных системах: Учебное пособие. - Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2012. - 120 с. 15. Методические указания к выполнению контрольной работы по дисциплине «Оптические системы связи»/ С.М.Сысоев, к.ф.-м.н., доцент// Сургутский государственный университет.- Сургут, 2007. 16. Методы определения коэффициентов формулы Селлмейера в задачах анализа дисперсионных характеристик кварцевых оптических волокон/ Бурдин В. А./ Инфокоммуникационные технологии. 2006. Т. 4. № 2. С. 30-34. 83

17. Мильков А.В., Яковлев М.Я. Оценка надежности оптического волокна на основе испытаний на кратковременную прочность и статическую усталость. Системы и средства связи, телевидения и радиовещания, 2002, №1-2, с.86-90. 18. Моделирование лабораторной установки для исследования параметров оптического волокна. /Е.Ю. Елизарова, Д.А. Рыспеков.// Вестник Алматинского университета энергетики и связи.- Алматы, 2015. 19. Портнов Э. Л. Оптические кабели связи их монтаж и измерение. Учебное пособие для вузов.- Горячая линия-Телеком , 2012. -448 с. 20. Савин, Е.З. Исследование эффективности ввода излучения в световод : метод. указания по выполнению лабораторной работы (190901.65 «Системы обеспечения движения поездов») / Е.З. Савин. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2013. – 20 с.: ил. 21. Семёнов С.Л. Прочность и долговечность волоконных световодов на основе кварцевого стекла / Диссертация на соискание ученой степени доктора физикоматематических наук. - М.: 2007 г. 22. Шумкова, Д.Б. Специальные волоконные световоды: учеб. пособие / Д.Б. Шумкова, А.Е. Левченко. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.ун-та, 2011. – 178 с. 23. Цибиногина М.К. Физико-химические процессы MCVD метода изготовления фторсодержащих изгибоустойчивых световодов./ Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук.- Пермь, 2008 г. 24. Bogatyrev, V. A., & Semjonov, S. (2007). Metal-Coated Fibers. Specialty Optical Fibers Handbook, 491–512. doi:10.1016/b978-012369406-5/50017-5 25. Bogatyrjov, V. A., Dianov, E. M., Biriukov, A. S., Sysoliatin, A. A., Voronov, V. V., Khitun, A. G., … Jin Han Kim. (n.d.). Performance of high-strength Cu-coated fibers at high temperatures. Proceedings of Optical Fiber Communication Conference. (doi:10.1109/ofc.1997.719804Fleming, J. W., & Wood, D. L. (1983). Refractive index dispersion and related properties in fluorine doped silica. Applied Optics, 22(19), 3102. doi:10.1364/ao.22.003102) 26. FIBER OPTIC APPARATUS - NA Measurements//Applied Science Department NITTTR, Sector-26, Chandigarh, India. 27. Filas, R. (1998). Metallization of Silica Optical Fibers. MRS Proceedings, 531, 263. doi:10.1557/PROC-531-263 28. Fleming, J. W., & Wood, D. L. (1983). Refractive index dispersion and related properties in fluorine doped silica. Applied Optics, 22(19), 3102. doi:10.1364/ao.22.003102 29. M. Medhat et al., J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 4, 174 (2002). 30. Saman Q. Mawlud, Nahlah Q. Muhamad. Theoretical and Experimental Study of a Numerical Aperture for Multimode PCS Fiber Optics Using an Imaging Technique, 2012 Chinese Phys. Lett. Vol. 29, No. 11 (2012), DOI: 10.1088/0256307X/29/11/1,(http://iopscience.iop.org/0256-307X/29/11/114217) 31. Sergey L. Semjonov, Vladimir A. Bogatyrev, and Alexei A. Malinin "Hermetically coated specialty optical fibers", Proc. SPIE 7839, 2nd Workshop on Specialty Optical Fibers and Their Applications (WSOF-2), 783912 (14 October 2010); https://doi.org/10.1117/12.867097 32. Semjonov, S. L. et al. 1994. Mechanical behavior of low- and high-strength carboncoated fibers. Proc. SPIE 2290:14-n. 33. Trilochan Patra. Numerical Aperture of A Plastic Optical Fiber, International Journal of Innovations in Engineering and Technology (IJIET), Vol. 2 Issue 1 February 2013. 34. P. Simpkins, C. R. Kurkjian and C. M. Schroeder, "Aluminium-coated silica fibres: strength and solderability," in Electronics Letters, vol. 31, no. 9, pp. 747-749, 27 April 1995. 35. Сделано в России: разработано термостойкое оптоволокно для телекоммуникаций. (https://3dnews.ru/984074) 84

ПРИЛОЖЕНИЕ А Измерение числовой апертуры исследуемых ОВ с использованием метода формирования изображения («простая схема») А.1. Внешний вид ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) 85

А.2.Измерение NA для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) 86

А.3. Внешний вид ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ) 87

А.4.Измерение NA для ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ) 88

А.5. Внешний вид ОВ в полимерном ЗУП (силикон) 89

А.6.Измерение NA для ОВ в полимерном ЗУП (силикон) 90

А.7. Измерение NA для ОВ в медном ЗУП (105/125) 91

А.8. Измерение NA для ОВ в медном ЗУП (105/125) 92

А.9. Внешний вид ОВ в медном ЗУП (800/880) 93

А.10. Измерение NA для ОВ в медном ЗУП (800/880) 94

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Результаты измерений числовой апертуры исследуемых ОВ с использованием метода формирования изображения («простая схема») Б.1. Значения числовой апертуры по «простой схеме» для ОВ в медном ЗУП (105/125). расстояние диаметр от торца значение № модового NA NA-<NA> (NA-<NA>)^2 волокна до угла пятна (мм) экрана (мм) 1 12 4 9,46 0,164 0,015462 0,000239 2 12 4 9,46 0,164 0,015462 0,000239 3 12 4 9,46 0,164 0,015462 0,000239 4 17 6 10,01 0,174 0,024848 0,000617 5 17 5 8,37 0,145 -0,003443 0,000012 6 17 5 8,37 0,145 -0,003443 0,000012 7 27 9 9,46 0,164 0,015462 0,000239 8 27 8 8,43 0,147 -0,002389 0,000006 9 27 8 8,43 0,147 -0,002389 0,000006 10 42 12 8,13 0,141 -0,007516 0,000056 11 42 12 8,13 0,141 -0,007516 0,000056 12 42 12 8,13 0,141 -0,007516 0,000056 13 52 15 8,21 0,143 -0,006184 0,000038 14 52 15 8,21 0,143 -0,006184 0,000038 15 52 15 8,21 0,143 -0,006184 0,000038 16 72 20 7,91 0,138 -0,011369 0,000129 17 72 20 7,91 0,138 -0,011369 0,000129 18 72 20 7,91 0,138 -0,011369 0,000129 8,57 0,149 <> сумма 0,002281 95

Б.2. Значения числовой апертуры по простой схеме для ОВ в полимерном ЗУП (силикон). расстояние диаметр от торца модового значение волокна до пятна угла экрана (мм) (мм) 1 102 34 2 102 3 № NA NA-<NA> (NA-<NA>)^2 9,46 0,164 -0,028006 0,000784 35 9,74 0,169 -0,023307 0,000543 102 34 9,46 0,164 -0,028006 0,000784 4 72 24 9,46 0,164 -0,028006 0,000784 5 72 25 9,85 0,171 -0,021353 0,000456 6 72 26 10,23 0,178 -0,014723 0,000217 7 72 25 9,85 0,171 -0,021353 0,000456 8 52 19 10,35 0,180 -0,012688 0,000161 9 52 20 10,89 0,189 -0,003558 0,000013 10 52 20 10,89 0,189 -0,003558 0,000013 11 52 20 10,89 0,189 -0,003558 0,000013 12 32 12 10,62 0,184 -0,008117 0,000066 13 32 13 11,48 0,199 0,006655 0,000044 14 32 12 10,62 0,184 -0,008117 0,000066 15 32 13 11,48 0,199 0,006655 0,000044 16 22 8 10,30 0,179 -0,013520 0,000183 17 22 9 11,56 0,200 0,007991 0,000064 18 22 9 11,56 0,200 0,007991 0,000064 19 22 8 10,30 0,179 -0,013520 0,000183 20 12 6 14,04 0,243 0,050130 0,002513 21 12 6 14,04 0,243 0,050130 0,002513 22 12 6 14,04 0,243 0,050130 0,002513 23 12 6 14,04 0,243 0,050130 0,002513 11,09 0,192 <> сумма 0,014990 96

Б.3. Значения числовой апертуры по простой схеме для ОВ в медном ЗУП (800/880). диаметр расстояние от модового значение NA(NA№ торца волокна до NA пятна угла <NA> <NA>)^2 экрана (мм) (мм) 1 105 50 13,39 0,232 0,001731 0,000003 2 105 49 13,13 0,227 -0,002660 0,000007 3 105 50 13,39 0,232 0,001731 0,000003 4 105 49 13,13 0,227 -0,002660 0,000007 5 85 41 13,56 0,234 0,004564 0,000021 6 85 40 13,24 0,229 -0,000851 0,000001 7 85 40 13,24 0,229 -0,000851 0,000001 8 85 41 13,56 0,234 0,004564 0,000021 9 75 36 13,50 0,233 0,003483 0,000012 10 75 35 13,13 0,227 -0,002660 0,000007 11 75 35 13,13 0,227 -0,002660 0,000007 12 75 35 13,13 0,227 -0,002660 0,000007 13 75 36 13,50 0,233 0,003483 0,000012 14 55 26 13,30 0,230 0,000135 0,000000 15 55 26 13,30 0,230 0,000135 0,000000 16 55 27 13,79 0,238 0,008489 0,000072 17 55 25 12,80 0,222 -0,008269 0,000068 18 55 26 13,30 0,230 0,000135 0,000000 19 45 21 13,13 0,227 -0,002660 0,000007 20 45 21 13,13 0,227 -0,002660 0,000007 21 45 20 12,53 0,217 -0,012959 0,000168 22 45 20 12,53 0,217 -0,012959 0,000168 23 45 21 13,13 0,227 -0,002660 0,000007 24 45 20 12,53 0,217 -0,012959 0,000168 25 25 13 14,57 0,252 0,021744 0,000473 26 25 12 13,50 0,233 0,003483 0,000012 27 25 12 13,50 0,233 0,003483 0,000012 28 25 12 13,50 0,233 0,003483 0,000012 29 25 13 14,57 0,252 0,021744 0,000473 30 25 12 13,50 0,233 0,003483 0,000012 31 15 7 13,13 0,227 -0,002660 0,000007 32 15 7 13,13 0,227 -0,002660 0,000007 33 15 7 13,13 0,227 -0,002660 0,000007 34 15 7 13,13 0,227 -0,002660 0,000007 35 15 7 13,13 0,227 -0,002660 0,000007 36 15 7 13,13 0,227 -0,002660 0,000007 <> 13,29 0,230 сумма 0,001811 97

Б.4. Измерение значения числовой апертуры по простой схеме для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ). № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 <> сумма диаметр расстояние от модового значение торца волокна пятна угла до экрана (мм) (мм) 100 100 100 80 80 80 60 60 60 60 50 50 50 50 40 40 40 40 20 20 20 20 10 10 50 49 49 34 35 34 25 24 25 24 23 24 21 22 18 19 18 16 10 9 9 10 5 5 14,04 13,77 13,77 12,00 12,34 12,00 11,77 11,31 11,77 11,31 12,95 13,50 11,86 12,41 12,68 13,36 12,68 11,31 14,04 12,68 12,68 14,04 14,04 14,04 12,76 NA NA-<NA> (NA-<NA>)^2 0,243 0,238 0,238 0,208 0,214 0,208 0,204 0,196 0,204 0,196 0,224 0,233 0,206 0,215 0,220 0,231 0,220 0,196 0,243 0,220 0,220 0,243 0,243 0,243 0,221 0,021618 0,017045 0,017045 -0,013059 -0,007221 -0,013059 -0,016963 -0,024802 -0,016963 -0,024802 0,003230 0,012455 -0,015400 -0,006056 -0,001405 0,010155 -0,001405 -0,024802 0,021618 -0,001405 -0,001405 0,021618 0,021618 0,021618 0,000467 0,000291 0,000291 0,000171 0,000052 0,000171 0,000288 0,000615 0,000288 0,000615 0,000010 0,000155 0,000237 0,000037 0,000002 0,000103 0,000002 0,000615 0,000467 0,000002 0,000002 0,000467 0,000467 0,000467 0,003650 98

Б.5. Измерение значения числовой апертуры по простой схеме для ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ). расстояние диаметр от торца значение № модового NA NA-<NA> (NA-<NA>)^2 волокна до угла пятна (мм) экрана (мм) 1 100 50 14,04 0,243 0,004584 0,000021 2 100 50 14,04 0,243 0,004584 0,000021 3 100 49 13,77 0,238 0,000010 0,000000 4 80 39 13,70 0,237 -0,001136 0,000001 5 80 39 13,70 0,237 -0,001136 0,000001 6 80 38 13,36 0,231 -0,006880 0,000047 7 80 39 13,70 0,237 -0,001136 0,000001 8 80 39 13,70 0,237 -0,001136 0,000001 9 60 30 14,04 0,243 0,004584 0,000021 10 60 30 14,04 0,243 0,004584 0,000021 11 60 29 13,59 0,235 -0,003048 0,000009 12 60 29 13,59 0,235 -0,003048 0,000009 13 50 25 14,04 0,243 0,004584 0,000021 14 50 24 13,50 0,233 -0,004579 0,000021 15 50 24 13,50 0,233 -0,004579 0,000021 16 50 25 14,04 0,243 0,004584 0,000021 17 40 20 14,04 0,243 0,004584 0,000021 18 40 19 13,36 0,231 -0,006880 0,000047 19 40 18 12,68 0,220 -0,018440 0,000340 20 40 19 13,36 0,231 -0,006880 0,000047 21 20 9 12,68 0,220 -0,018440 0,000340 22 20 9 12,68 0,220 -0,018440 0,000340 23 20 10 14,04 0,243 0,004584 0,000021 24 10 5 14,04 0,243 0,004584 0,000021 25 10 5 14,04 0,243 0,004584 0,000021 26 10 6 16,70 0,287 0,049396 0,002440 <> 13,77 0,238 сумма 0,000218 99

Б.6. Измерение значения числовой апертуры по простой схеме для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) для светодиодного источника с λ=405 нм ОВ в алюминиевом ЗУП(толстое), λ=405 нм Измерение апертуры по простой схеме № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 <> расстояние от торца волокна до экрана (мм) 52 52 52 52 52 52 52 42 42 42 42 42 42 42 42 52 52 52 52 52 диаметр модового пятна (мм) 29 30 31 30 29 30 28 23 23 23 23 23 24 23 24 29 31 29 29 30 100 значение угла NA 15,58 16,09 16,60 16,09 15,58 16,09 15,07 15,31 15,31 15,31 15,31 15,31 15,95 15,31 15,95 15,58 16,60 15,58 15,58 16,09 15,72 0,269 0,277 0,286 0,277 0,269 0,277 0,260 0,264 0,264 0,264 0,264 0,264 0,275 0,264 0,275 0,269 0,286 0,269 0,269 0,277 0,271

Б.7. Измерение значения числовой апертуры по простой схеме для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) для светодиодного источника с λ=470 нм ОВ в алюминиевом ЗУП(толстое) (470 нм) Измерение апертуры по простой схеме № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 <> расстояние от торца волокна до экрана (мм) диаметр модового пятна (мм) 42 42 42 42 42 42 42 52 52 52 52 52 52 52 52 52 52 23 23 23 23 24 23 24 29 27 28 28 31 31 29 29 30 30 101 значение угла NA 15,31 15,31 15,31 15,31 15,95 15,31 15,95 15,58 14,55 15,07 15,07 16,60 16,60 15,58 15,58 16,09 16,09 15,60 0,264 0,264 0,264 0,264 0,275 0,264 0,275 0,269 0,251 0,260 0,260 0,286 0,286 0,269 0,269 0,277 0,277 0,269

Б.8. Измерение значения числовой апертуры по простой схеме для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) для светодиодного источника с λ=505 нм ОВ в алюминиевом ЗУП(толстое) (505 нм) Измерение апертуры по простой схеме № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 <> расстояние от торца волокна до экрана (мм) диаметр модового пятна (мм) 52 52 52 52 52 52 42 52 52 52 52 52 52 52 27 28 27 28 27 27 21 27 28 30 30 29 29 28 102 значение угла NA 14,55 15,07 14,55 15,07 14,55 14,55 14,04 14,55 15,07 16,09 16,09 15,58 15,58 15,07 15,03 0,251 0,260 0,251 0,260 0,251 0,251 0,243 0,251 0,260 0,277 0,277 0,269 0,269 0,260 0,259

Б.9. Измерение значения числовой апертуры по простой схеме для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) для светодиодного источника с λ=525 нм ОВ в алюминиевом ЗУП(толстое) (525 нм) Измерение апертуры по простой схеме № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 <> расстояние от торца волокна до экрана (мм) 52 52 52 52 52 52 45 45 45 45 45 52 52 52 52 52 52 диаметр модового пятна (мм) 25 26 24 26 25 26 23 22 23 22 23 26 28 27 26 26 27 103 значение угла NA 13,52 14,04 12,99 14,04 13,52 14,04 14,34 13,74 14,34 13,74 14,34 14,04 15,07 14,55 14,04 14,04 14,55 14,05 0,234 0,243 0,225 0,243 0,234 0,243 0,248 0,237 0,248 0,237 0,248 0,243 0,260 0,251 0,243 0,243 0,251 0,243

Б.10. Измерение значения числовой апертуры по простой схеме для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) для светодиодного источника с λ=660 нм ОВ в алюминиевом ЗУП(толстое) (660 нм) Измерение апертуры по простой схеме расстояние от торца волокна № до экрана (мм) 1 32 2 32 3 32 4 32 5 32 6 32 7 32 8 32 9 32 10 32 <> диаметр модового пятна (мм) 15 16 16 15 16 15 15 14 15 16 104 значение угла NA 13,19 14,04 14,04 13,19 14,04 13,19 13,19 12,34 13,19 14,04 13,44 0,228 0,243 0,243 0,228 0,243 0,228 0,228 0,214 0,228 0,243 0,232

ПРИЛОЖЕНИЕ В Определение значения NA методом измерения пространственного профиля пучка лазерного излучения В.1.Результаты определения NA для ОВ в медном ЗУП (105/125) для 3.0 мм 3мм xy по горизонтали 1 yz по вертикали xz лев.точка пр.точка лев.точка пр.точка лев. точка прав. точка Лев. точка прав.точка x 140,6 640,6 671,9 656,3 140,6 640,6 781,3 1234 y 1543 1507 1482 1010 1558 0,1563 998 1507 z 67 1593 1457 65 68 56 62 65 r (мм) 500 472 500 509 угол 8,53 8,06 8,53 8,68 NA 0,148 0,140 0,148 0,151 yz xz 3мм xy по горизонтали 2 по вертикали лев. точка пр.точка лев.точка пр. точка лев. точка прав.точка лев.точка пр. точка x 234,4 1234 718,8 734,4 218,8 1234 812,5 656,3 y 1273 1171 1678 724,8 1211 1003 717 1706 z 69 66 68 67 66 61 65 62 r (мм) 499,8 476,6 507,6 494,5 угол 8,53 8,14 8,66 8,44 NA 0,148 0,142 0,151 0,147 yz xz 3мм xy по горизонтали 3 по вертикали Лев.точка пр.точка лев. точка пр.точка лев. точка прав. точка лев. точка пр. точка x 187,5 1172 671,9 687,5 156,3 1188 687,5 703,1 y 1015 938,9 1433 490,5 887,3 911,1 459,1 1467 z 92 76 80 81 69 71 68 65 r (мм) 492,25 471,25 515,85 503,95 угол 8,40 8,05 8,80 8,60 NA 0,146 0,140 0,153 0,149 yz xz 3мм xy по горизонтали 4 по вертикали лев.точка пр.точка лев. точка пр. точка лев. точка прав. точка лев. точка пр. точка x 187,5 1172 687,5 687,5 140,6 1156 - - y 1033 946,6 1428 488 978,4 789,7 - - z 88 73 82 81 68 74 - - r (мм) 492,25 470 507,7 - - угол 8,40 8,03 8,66 - - NA 0,146 0,14 0,151 - - 105

В.2. Результаты определения NA для ОВ в медном ЗУП (105/125) для 1.5 мм 1,5мм 1 x y z r (мм) угол NA 1,5мм 2 x y z r (мм) угол NA 1,5мм 3 x y z r (мм) угол NA xy по горизонтали лев. прав. точка точка 453,1 953 1015 994,8 244 235 249,95 8,529084553 0,148311437 по вертикали лев. прав. точка точка 703,1 703,1 1250 742,7 194 214 253,65 8,653442643 0,150457541 xy по горизонтали лев. прав. точка точка 468,8 968,8 1043 1005 311 156 250 8,53076561 0,148340453 по вертикали лев. прав. точка точка 703,1 718 1260 752,8 198 190 253,6 8,651762673 0,150428554 xy по горизонтали лев. прав. точка точка 468,8 953,1 1043 1010 343 261 242,15 8,266660181 0,143780382 по вертикали лев. прав. точка точка 718,8 718,8 1260 765,6 162 246 247,2 8,436603701 0,146715 106 yz лев. прав. точка точка 421,9 968,8 1053 1029 116 150 273,45 9,317504524 0,161905309 xz лев. точка 750 718,6 104 прав. точка 671 1252 193 266,7 9,09139423 0,158009757 yz лев. прав. точка точка 421,9 968,4 1043 947,5 119 153 273,25 9,310809131 0,161789993 xz лев. точка 718,8 715,6 89 прав. точка 671,9 1267 145 275,7 9,392809957 0,163202156 yz лев. прав. точка точка 421,9 984,4 1029 950 115 126 281,25 9,578422919 0,166397418 xz лев. точка 718,8 725,2 102 прав. точка 687,5 1268 150 271,4 9,248864612 0,160723007

В.3. Изображения модового поля (пространственного распределения мощности излучения) для ОВ в медном ЗУП (105/125) для 3.0 мм 107

В.4. Изображения модового поля (пространственного распределения мощности излучения) для ОВ в медном ЗУП (105/125) для 1.5 мм 108

В.5. Результаты определения NA для ОВ в медном ЗУП (800/880) для 2.5 мм 2,5 мм 1 x y z r (мм) угол NA 2,5 мм 2 x y z r (мм) угол NA 2,5 мм 3 x y z r (мм) угол NA xy по горизонтали лев. прав. точка точка 78,13 1406 1530 1433 3 3 663,935 13,44 0,232 по вертикали лев. прав. точка точка 781,3 734,4 1448 808,9 118 3 639,1 12,96 0,224 xy по горизонтали лев. прав. точка точка 15,63 1313 1074 913,4 3 3 648,685 13,14 0,227 по вертикали лев. прав. точка точка 656,3 671,9 1614 363,1 3 3 625,45 12,69 0,220 xy по горизонтали лев. прав. точка точка 15,63 1297 1464 1369 3 3 640,685 12,99 0,225 по вертикали лев. прав. точка точка 703,1 718,8 1390 765,6 151 3 624,4 12,67 0,219 109 yz лев. прав. точка точка 93,75 1406 1406 1183 4 3 656,125 13,29 0,230 xz лев. точка 750 753 3 прав. точка 93,75 1403 4 650 13,17 0,228 yz xz лев. прав. точка точка 15,63 1328 1041 681,1 4 3 656,185 13,29 0,230 лев. прав. точка точка 718,8 609,4 310,8 1665 3 3 677,1 13,70 0,237 yz xz лев. прав. точка точка 15,63 1313 1373 1280 4 4 648,685 13,14 0,227 лев. прав. точка точка 640 1297 717,2 1368 3 3 650,8 13,19 0,228

В.6. Изображения модового поля (пространственного распределения мощности излучения) для ОВ в медном ЗУП (800/880) для 2.5 мм 110

В.7.Результаты определения NA для ОВ в полимерном ЗУП (силикон) для 1.5 мм 1,5 мм 1 x y z r (мм) угол NA 1,5 мм 1 x y z r (мм) угол NA 1,5 мм 1 x y z r (мм) угол NA xy по горизонтали лев. прав. точка точка 640,6 1469 793,6 719,7 11 10 414,2 13,96 0,241 по вертикали лев. прав. точка точка 1047 1063 1138 352,8 10 9 392,6 13,25 0,229 yz лев. точка 609,4 767,7 7 xy по горизонтали лев. прав. точка точка 671,9 1484 806,4 714,7 17 12 406,05 13,69 0,237 по вертикали лев. прав. точка точка 1063 1078 1133 355,5 14 12 388,75 13,13 0,227 по вертикали лев. прав. точка точка 1078 1078 1135 360,5 12 15 387,25 13,08 0,226 111 лев. точка 1109 330 8 yz лев. точка 625 769,7 7 xy по горизонтали лев. прав. точка точка 687,5 1500 796,3 722,3 23 9 406,25 13,70 0,237 прав. точка 1500 687,3 8 445,3 14,96 0,258 xz прав. точка 1516 661,4 8 445,5 14,97 0,258 xz лев. прав. точка точка 1063 1047 324,7 1163 8 8 419,15 14,12 0,244 yz лев. точка 625 8,9 7 прав. точка 1516 614,8 8 445,5 14,97 0,258 прав. точка 359,4 1167 7 418,5 14,10 0,244 xz лев. точка 687,5 315,2 7 прав. точка 1047 1165 8 424,9 14,30 0,247

В.8. Изображения модового поля (пространственного распределения мощности излучения) для ОВ в полимерном ЗУП (силикон) для 1.5 мм 112

В.9. Результаты определения NA для ОВ в полимерном ЗУП (силикон) для 2.5 мм 2.5 мм 1 x y z r (мм) угол NA 2.5 мм 1 x y z r (мм) угол NA 2.5 мм 1 x y z r (мм) угол NA xy по горизонтали лев. прав. точка точка 718,8 1781 979,9 905,8 12 9 531,1 10,82 0,188 по вертикали лев. прав. точка точка 1234 1234 1441 449,7 10 9 495,65 10,12 0,176 yz лев. точка 656,6 921,4 8 xy по горизонтали лев. прав. точка точка 718,8 1781 1008 898,1 11 11 531,1 10,82 0,188 по вертикали лев. прав. точка точка 1250 1250 1446 457 9 10 494,5 10,09 0,175 по вертикали лев. прав. точка точка 1250 1250 867,5 1433 11 265 565,5 11,51 0,199 113 лев. прав. точка точка 1250 1219 397,3 1507 8 7 554,85 11,30 0,196 yz лев. точка 640,6 944,4 7 xy по горизонтали лев. прав. точка точка 734,4 1250 1451 1433 12 265 515,6 10,52 0,182 прав. точка 1828 849,1 7 585,7 11,91 0,206 xz прав. точка 1828 746,4 7 593,7 12,06 0,209 xz лев. точка 1219 393,8 8 yz лев. точка 656,3 0 7 прав. точка 1250 1433 265 593,7 12,06 0,209 прав. точка 1188 1509 8 557,6 11,35 0,197 xz лев. точка 1375 852,8 9 прав. точка 1250 1433 265 580,2 11,80 0,204

В.10.Изображения модового поля (пространственного распределения мощности излучения) для ОВ в полимерном ЗУП (силикон) для 2.5 мм ПРИЛОЖЕНИЕ 114

В.11. Результаты определения NA для ОВ в полимерном ЗУП (силикон) для 4.0 мм 4 мм 1 x y z r (мм) угол NA 4 мм 2 x y z r (мм) угол NA 4 мм 3 x y z r (мм) угол NA xy по горизонтали лев. прав. точка точка 500 1578 1064 997,5 32 26 1078 13,63 0,236 по вертикали лев. прав. точка точка 1016 1047 1566 475,2 19 24 1090,8 13,79 0,238 xy по горизонтали лев. прав. точка точка 515,6 1594 1178 1061 11 11 1078,4 13,64 0,236 по вертикали лев. прав. точка точка 1094 1078 1632 623 9 9 1009 12,79 0,221 xy по горизонтали лев. прав. точка точка 421,9 1531 1082 1018 24 26 1109,1 14,01 0,242 по вертикали лев. прав. точка точка 984,4 1000 1512 531,1 25 36 980,9 12,45 0,216 115 yz xz лев. прав. точка точка 437,5 1625 929,7 970,8 19 19 1187,5 14,96 0,258 лев. прав. точка точка 1047 890,6 383,8 1549 12 22 1165,2 14,69 0,254 yz xz лев. прав. точка точка 468,8 1656 1054 985,2 8 8 1187,2 14,96 0,258 лев. прав. точка точка 1094 1078 549,1 1676 11 6 1126,9 14,23 0,246 yz xz лев. прав. точка точка 343,8 1578 1080 898,1 16 19 1234,2 15,52 0,268 лев. прав. точка точка 937,5 1000 418,8 1560 14 16 1141,2 14,40 0,249

В.12. Изображения модового поля (пространственного распределения мощности излучения) для ОВ в полимерном ЗУП (силикон) для 4.0 мм 116

В.13. Результаты определения NA для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) для 2.5 мм 2,5 мм 1 x y z r (мм) угол NA 2,5 мм 2 x y z r (мм) угол NA 2,5 мм 3 x y z r (мм) угол NA xy по горизонтали лев. прав. точка точка 203,1 1359 1244 1166 12 7 577,95 11,75 0,204 по вертикали лев. прав. точка точка 812,5 781,3 1693 526,3 25 2 583,35 11,86 0,206 xy по горизонтали лев. прав. точка точка 171,9 1375 1203 1134 9 5 601,55 12,22 0,212 по вертикали лев. прав. точка точка 750,3 796,9 533,1 1700 3 1 583,45 11,86 0,206 xy по горизонтали лев. прав. точка точка 93,75 1297 1417 1336 12 7 601,63 12,22 0,212 по вертикали лев. прав. точка точка 703,1 687 721,1 1382 3 91 660,90 13,38 0,231 117 yz xz лев. прав. точка точка 156,3 1391 1204 1026 5 5 617,35 12,53 0,217 лев. прав. точка точка 625 1375 555,8 1215 3 5 659,20 13,35 0,231 yz xz лев. прав. точка точка 109,4 1406 15,63 1040 2 3 648,30 13,14 0,227 лев. прав. точка точка 796,9 1391 554,7 1172 3 3 594,10 12,07 0,209 yz xz лев. прав. точка точка 31,25 1328 1433 1199 4 3 648,38 13,14 0,227 лев. прав. точка точка 671,9 47 720,3 1318 3 4 624,90 12,68 0,219

2,5 мм 4 x y z r (мм) угол NA 2,5 мм 5 x y z r (мм) угол NA 2,5 мм 6 x y z r (мм) угол NA xy по горизонтали лев. прав. точка точка 46,88 1297 1028 932 11 4 625,06 12,68 0,220 по вертикали лев. прав. точка точка 640,6 656,3 1533 368 7 5 582,50 11,84 0,205 xy по горизонтали лев. прав. точка точка 93,75 1297 1382 1297 11 5 601,63 12,22 0,212 по вертикали лев. прав. точка точка 703,1 703,1 746,4 1338 7 105 591,60 12,02 0,208 xy по горизонтали лев. прав. точка точка 156,3 1344 1359 1269 10 6 593,85 12,07 0,209 по вертикали лев. прав. точка точка 734,4 765,6 721,1 1322 6 130 600,90 12,21 0,211 118 yz xz лев. прав. точка точка 31,25 1313 948,6 822,2 7 5 640,88 12,99 0,225 лев. прав. точка точка 734,4 656,3 333,3 1580 3 3 623,35 12,65 0,219 yz xz лев. прав. точка точка 46,88 1328 1383 1191 4 3 640,56 12,99 0,225 лев. прав. точка точка 546,9 1313 696,1 1334 3 4 637,90 12,93 0,224 yz xz лев. прав. точка точка 93,75 1391 1216 1178 3 3 648,63 13,14 0,227 лев. прав. точка точка 609,4 1375 665,9 1277 2 4 611,10 12,41 0,215

В.14. Изображения модового поля (пространственного распределения мощности излучения) для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) для 2.5 мм 119

В.15. Результаты определения NA для ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ) для 1.5 мм 1,5 мм 1 x y z r (мм) угол NA 1,5 мм 2 x y z r (мм) угол NA 1,5 мм 3 x y z r (мм) угол NA xy по горизонтали лев. прав. точка точка 359,4 1125 1115 1021 10 10 382,8 12,94 0,224 по вертикали лев. прав. точка точка 750 750 1411 702,8 18 16 354,1 11,99 0,208 yz лев. прав. точка точка 312,5 1156 1071 17,19 6 3 421,75 14,20 0,245 xy по горизонтали лев. прав. точка точка 438 1172 1329 1288 26 13 367 12,42 0,215 по вертикали лев. прав. точка точка 781,3 797 1643 930 17 17 356,5 12,07 0,209 по вертикали лев. прав. точка точка 812,5 796,9 1276 528,6 11 12 373,7 12,64 0,219 120 лев. точка 687,5 644,2 4 yz лев. точка 359,4 21,72 2 xy по горизонтали лев. прав. точка точка 437,5 1172 968,8 902,3 15 14 367,25 12,43 0,215 xz xz прав. точка 1203 1196 6 421,8 14,20 0,245 yz лев. точка 375 935,3 7 прав. точка 719 1465 7 410,4 13,83 0,239 лев. точка 843,8 871,6 6 прав. точка 781,3 1666 10 397,2 13,40 0,232 xz прав. точка 1203 803,8 7 414 13,95 0,241 лев. прав. точка точка 828,1 796,9 495,3 1285 7 9 394,85 13,33 0,231

1,5 мм 4 x y z r (мм) угол NA 1,5 мм 5 x y z r (мм) угол NA 1,5 мм 6 x y z r (мм) угол NA xy по горизонтали лев. прав. точка точка 437,5 1172 1382 1306 12 16 367,25 12,43 0,215 по вертикали лев. прав. точка точка 796,9 828,1 961,9 1698 20 0 368,05 12,45 0,216 xy по горизонтали по вертикали лев. прав. лев. прав. точка точка точка точка 437,5 1188 812,5 796,9 973,4 881,7 1292 521,7 13 13 12 7 375,25 385,15 12,69 13,01 0,220 0,225 375,25 по горизонтали по вертикали лев. прав. лев. прав. точка точка точка точка 437,5 1172 812,5 812,5 1377 1283 1668 927,5 11 17 16 11 367,25 370,25 12,43 12,52 0,215 0,217 121 yz лев. точка 390,6 1294 9 прав. точка 1219 1192 6 414,2 13,96 0,241 xz лев. точка 843,8 924,8 8 yz лев. точка 390,6 863,6 7 прав. точка 1219 834,8 7 414,2 13,96 0,241 385,15 лев. точка 390,6 1300 9 прав. точка 1203 1205 8 406,2 13,70 0,237 прав. точка 781,3 1693 13 384,1 12,98 0,225 xz лев. точка 843,8 509,4 9 прав. точка 781,9 1302 12 396,3 13,38 0,231 414,2 лев. прав. точка точка 1109 859,4 889,7 1688 3 14 399,15 13,47 0,233

В.16. Изображения модового поля (пространственного распределения мощности излучения) для ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ) для 1.5 мм 122

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Исследование образцов ОВ на СЭМ и определение их элементного состава Г.1. Изображение торца ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) 123

Г.2. Изображение торца ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) с расположением точек-меток 124

Г.3. Результаты исследования элементного состава для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) метки №74,68 125

Г.4. Результаты исследования элементного состава для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) метки №69,70 126

Г.5. Результаты исследования элементного состава для ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) метки №83,84 127

Г.6. Изображение торца ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ) 128

Г.7. Изображение торца ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ) с расположением точек-меток №1-8 129

Г.8. Изображение торца ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ) с расположением точек-меток №9-16 130

Г.9. Результаты исследования элементного состава для ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ) метки №3,4 131

Г.10. Результаты исследования элементного состава для ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ) метки №6,7 132

Г.11. Результаты исследования элементного состава для ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ) метки №12,16 133

Г.12. Изображение торца ОВ в медном ЗУП (800/880) 134

Г.13. Изображение торца ОВ в медном ЗУП (800/880) с расположением точекметок №60-77 135

Г.14. Изображение торца ОВ в медном ЗУП (800/880) с расположением точекметок №99-111 136

Г.15. Результаты исследования элементного состава для ОВ в медном ЗУП (800/880) метки №64,69 137

Г.16. Результаты исследования элементного состава для ОВ в медном ЗУП (800/880) метки №88,111 138

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Определение ППП с помощью анализатора PK 2600 Д.1. ППП преформы (для вытяжки ОВ 105/125 в медном ЗУП) 139

Д.2. ППП преформы (для вытяжки ОВ 800/880 в медном ЗУП) 140

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Исследование поверхностных дефектов образцов ОВ Е 1. Изображения необработанных торцевых поверхностей исследуемых образцов ОВ ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ) ОВ в медном ЗУП (800/880) ОВ в медном ЗУП (105/125) 141

Е 2. Изображения поверхности образца ОВ в алюминиевом ЗУП (толстое ОВ) 142

Е 3. Изображения поверхности образца ОВ в алюминиевом ЗУП (тонкое ОВ) 143

Е 4. Изображение поверхности образца ОВ в медном ЗУП (800/880) 144

Е 5. Изображение поверхности образца ОВ в медном ЗУП (105/125) 145

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Исследование прочностных характеристик ОВ в полиимидном и металлизированном ЗУП Ж 1. Фотографии исследуемых образцов ОВ ОВ в полиимидном ЗУП ОВ в углерод/полиимид ЗУП ОВ отечественного производства в полиимидном ЗУП после вытяжки ОВ импортного производства в полиимидном ЗУП после термоцикла при температуре 300 0С ОВ импортного производства в полиимидном ЗУП, досушенное в вакууме ОВ отечественного производства в медном ЗУП (105/125) 146

Ж 2. Инструментарий про проведении измерений прочности методом двухточечного изгиба 147

Ж 3. Графическое отображение результатов измерений параметров прочности ОВ в полиимидном ЗУП методом осевого растяжения (для скоростей растяжения 500 мм/мин, 100 мм/мин, 50 мм/мин) Зависимость нагрузки [Н] от перемещения [мм], ОВ в полиимидном ЗУП при скорости растяжения 500 мм/мин 80 1 Нагрузка[N] 70 2 60 3 50 4 5 40 6 30 7 20 8 9 10 10 0 0 11 20 40 Перемещение[mm] 12 Напряжение(ГПа) Величина напряжения разрушения образцов ОВ и значение промежутка времени (с) от начала эксперимента до разрушения образца ОВ для скорости растяжения 500 мм/мин 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 2 4 Время(S) 148 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Зависимость нагрузки [Н] от перемещения [мм], ОВ в полиимидном ЗУП при скорости растяжения 100 мм/мин 70 60 Нагрузка[N] 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 Перемещение[mm] 50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Величина напряжения разрушения образцов ОВ и значение промежутка времени (с) от начала эксперимента до разрушения образца ОВ для скорости растяжения 100 мм/мин Напряжение ГПа 6 5,5 1 5 2 4,5 3 4 4 5 3,5 6 3 7 2,5 8 2 9 1,5 10 1 11 0,5 12 0 13 0 10 20 Время(S) 149 30 14

Зависимость нагрузки [Н] от перемещения [мм], ОВ в полиимидном ЗУП при скорости растяжения 50 мм/мин 70 1 2 60 3 50 Нагрузка [N] 4 40 5 30 6 7 20 8 10 9 0 1 0 0 10 20 30 40 Перемещение [mm] 50 60 Величина напряжения разрушения образцов ОВ и значение промежутка времени (с) от начала эксперимента до разрушения образца ОВ для скорости растяжения 50 мм/мин 5,5 1 5 2 Напряжение(ГПа) 4,5 3 4 4 3,5 5 6 3 7 2,5 8 2 9 10 1,5 11 1 12 0,5 13 0 14 0 10 20 30 40 Время(S) 150 50 60 70 15

Ж 4. Графическое отображение результатов измерений параметров прочности ОВ в углерод/полиимид ЗУП методом осевого растяжения (для скорости растяжения 100 мм/мин) Зависимость нагрузки [Н] от перемещения [мм] 35 1 30 2 3 Нагрузка[N] 25 4 5 20 6 15 7 8 10 9 10 5 11 0 0 10 20 Перемещение[mm] 12 30 13 Величина напряжения разрушения образцов ОВ и значение промежутка времени (с) от начала эксперимента до разрушения образца ОВ 3 1 2 2,5 Напряжение(ГПа) 3 4 2 5 6 1,5 7 1 8 9 0,5 10 11 0 0 5 10 Время(S) 151 15 20 12 13

Ж 5. графическое отображение результатов измерений параметров прочности ОВ в металлизированном (медь) ЗУП методом осевого растяжения (для скоростей растяжения 500 мм/мин, 100 мм/мин) Зависимость нагрузки [Н] от перемещения [мм], ОВ в металлизированном (медь) ЗУП при скорости растяжения 500 мм/мин 80 1 70 2 Нагрузка[N] 60 3 50 4 40 5 30 6 7 20 8 10 9 0 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Перемещение[mm] Величина напряжения разрушения образцов ОВ и значение промежутка времени (с) от начала эксперимента до разрушения образца ОВ для скорости растяжения 500 мм/мин 8 Напряжение[ГПа] 7 1 6 2 5 3 4 4 5 3 6 2 7 8 1 9 0 10 0 1 2 3 4 5 6 Время[S] 152 7 8 9 10

Зависимость нагрузки [Н] от перемещения [мм], ОВ в металлизированном (медь) ЗУП при скорости растяжения 100 мм/мин (замер №1) 70 60 1 2 Нагрузка[N] 50 3 40 4 5 30 6 7 20 8 10 9 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Перемещение[mm] Величина напряжения разрушения образцов ОВ и значение промежутка времени (с) от начала эксперимента до разрушения образца ОВ для скорости растяжения 100 мм/мин (замер №1) 6 5 1 Напряжение[ГПа] 2 4 3 4 3 5 6 2 7 8 1 9 10 0 0 5 10 15 20 Время[S] 153 25 30 35 40

Зависимость нагрузки [Н] от перемещения [мм], ОВ в металлизированном (медь) ЗУП при скорости растяжения 100 мм/мин (замер №2) 90 1 80 2 70 3 4 Нагрузка[N] 60 5 50 6 40 7 8 30 9 10 20 11 10 12 0 13 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Перемещение[mm] 14 Величина напряжения разрушения образцов ОВ и значение промежутка времени (с) от начала эксперимента до разрушения образца ОВ для скорости растяжения 100 мм/мин (замер №2) 7 1 2 6 3 4 Напряжение[ГПа] 5 5 6 4 7 8 3 9 2 10 11 1 12 13 0 0 10 20 30 Время[S] 154 40 50 60 14 15