Optiliste kiudude valmistamiseks kasutatav materjal on võimeline valgusenergiat neelama. Pärast valgusenergia neelamist tekitavad optiliste kiudude materjalide osakesed vibratsiooni ja kuumust ning hajutavad energiat, mille tulemuseks on neeldumiskadu.See artikkel analüüsib optiliste kiudmaterjalide neeldumiskaotust.
Me teame, et mateeria koosneb aatomitest ja molekulidest ning aatomid koosnevad aatomituumadest ja tuumavälistest elektronidest, mis tiirlevad ümber aatomituuma teatud orbiidil. See on täpselt nagu Maa, millel me elame, aga ka planeedid nagu Veenus ja Marss, mis kõik tiirlevad ümber Päikese. Igal elektronil on teatud hulk energiat ja see asub teatud orbiidil ehk teisisõnu, igal orbiidil on teatud energiatase.
Aatomituumale lähemal asuvad orbitaalenergia tasemed on madalamad, samas kui aatomituumast kaugemal asuvad orbitaalenergia tasemed on kõrgemad.Orbiitide vahelise energiataseme erinevuse suurust nimetatakse energiataseme erinevuseks. Kui elektronid lähevad madalalt energiatasemelt kõrgele energiatasemele, peavad nad vastaval energiataseme erinevusel energiat neelama.
Optilistes kiududes, kui teatud energiatasemel elektrone kiiritatakse valgusega, mille lainepikkus vastab energiatasemete erinevusele, siis madala energiaga orbitaalidel asuvad elektronid liiguvad kõrgema energiatasemega orbitaalidele.See elektron neelab valgusenergiat, mille tulemuseks on valguse neeldumiskadu.
Optiliste kiudude valmistamise põhimaterjal, ränidioksiid (SiO2), neelab ise valgust, ühte nimetatakse ultraviolettkiirguse neeldumiseks ja teist infrapunakiirguse neeldumiseks. Praegu töötab fiiberoptiline side üldiselt ainult lainepikkuste vahemikus 0,8–1,6 μm, seega arutame ainult selle töövaldkonna kadusid.
Kvartsklaasis elektronüleminekute tekitatud neeldumispiik on ultraviolettpiirkonnas lainepikkusel umbes 0,1–0,2 μm. Lainepikkuse suurenedes neeldumine järk-järgult väheneb, kuid mõjutatud piirkond on lai, ulatudes lainepikkusteni üle 1 μm. UV-neeldumisel on aga infrapunapiirkonnas töötavatele kvartsoptilistele kiududele vähe mõju. Näiteks nähtava valguse piirkonnas lainepikkusel 0,6 μm võib ultraviolettneeldumine ulatuda 1 dB/km-ni, mis väheneb lainepikkusel 0,8 μm 0,2–0,3 dB/km-ni ja lainepikkusel 1,2 μm vaid umbes 0,1 dB/km-ni.
Kvartskiudude infrapunase neeldumiskao tekitab materjali molekulaarne vibratsioon infrapunapiirkonnas. Sagedusribas üle 2 μm on mitu vibratsiooni neeldumispiiki. Optiliste kiudude erinevate dopingelementide mõju tõttu ei ole kvartskiududel võimalik omada madala kadumisaknat sagedusribas üle 2 μm. Teoreetiline piirkao lainepikkusel 1,85 μm on ldB/km.Uuringute käigus leiti ka, et kvartsklaasis on probleeme tekitavaid „hävitavaid molekule“, peamiselt kahjulikke siirdemetallide lisandeid, nagu vask, raud, kroom, mangaan jne. Need „kurjategijad“ neelavad valguse käes ahnelt valgusenergiat, hüpates ja hüpates ringi, põhjustades valgusenergia kadu. „Häirijate“ kõrvaldamine ja optiliste kiudude valmistamiseks kasutatavate materjalide keemiline puhastamine võib kadusid oluliselt vähendada.
Teine kvartsist optiliste kiudude neeldumisallikas on hüdroksiidi (OH-) faas. On leitud, et hüdroksiidil on kiu tööribas kolm neeldumispiiki: 0,95 μm, 1,24 μm ja 1,38 μm. Nende hulgas on neeldumiskadu lainepikkusel 1,38 μm kõige suurem ja avaldab kiule suurimat mõju. Lainepikkusel 1,38 μm on vaid 0,0001 sisaldusega hüdroksiidiioonide tekitatud neeldumispiigi kadu koguni 33 dB/km.
Kust need hüdroksiidioonid pärinevad? Hüdroksiidioonide allikaid on palju. Esiteks sisaldavad optiliste kiudude tootmiseks kasutatavad materjalid niiskust ja hüdroksiidiühendeid, mida on tooraine puhastamise käigus raske eemaldada ja mis jäävad lõpuks optilistesse kiududesse hüdroksiidioonide kujul; teiseks sisaldavad optiliste kiudude tootmisel kasutatavad vesiniku- ja hapnikuühendid vähesel määral niiskust; kolmandaks tekib optiliste kiudude tootmisprotsessis keemiliste reaktsioonide tõttu vett; neljandaks toob välisõhu sisenemine kaasa veeauru. Tootmisprotsess on aga nüüdseks arenenud märkimisväärsele tasemele ja hüdroksiidioonide sisaldus on vähenenud piisavalt madalale tasemele, et selle mõju optilistele kiududele saab ignoreerida.
Postituse aeg: 23. okt 2025