Радиационная прочность

Радиационная прочность определяет способность оборудования противостоять ядерным эффектам. Волокна в отличие от проводников не накапливают статические заряды под воздействием радиации. Волокна также не повреждаются мгновенно после расплавления их кабельной оболочки под тепловым воздействием радиационного источника.

Волокна действительно противостоят росту затухания в условиях постоянного радиоактивного облучения высокой интенсивности. Радиационное облучение усиливает поглощение на неоднородностях волокна. Рост затухания зависит от величины накопленной дозы и интенсивности облучения. Всплеск радиационного облучения в 3700 рад в течение 3 наносекунд обусловливает резкий рост затухания до тысяч децибел на километр. Этот всплеск затухания спадает до 10 дБ/км через 10 секунд после облучения и до менее 5 дБ/км в течение последующих 100 секунд. Таким образом, волокна восстанавливают способность передачи информации в течение одной минуты после радиационного облучения, связанного с ядерным взрывом.

Существует другое следствие ядерного взрыва - электромагнитный импульс, хотя его воздействие скорее ближе к электромагнитной невосприимчивости волокна, чем к радиационным эффектам. Два-три ядерных устройства, взорванных на высоте нескольких сотен километров, могут вывести из строя все незащищенное электронное оборудование на территории страны.

Гамма-лучи, возникающие в течение первых наносекунд после взрыва, распространяются в верхних слоях атмосферы до тех пор, пока не поглотятся электронными оболочками газовых молекул. Возникающие при этом свободные быстрые электроны движутся в магнитном поле земли вдоль искривленных траекторий, обусловливая поперечный электрический ток. Ток приводит к возникновению электромагнитного импульса, излучаемого вниз. Импульс будет улавливаться любым металлическим проводником и приводить к протеканию через него тока. Взрыв боеголовки мощностью в 1 мегатонну может привести к возникновению пикового поля 50 КВ/м с мгновенным значением плотности мощностью в 6 Мвт/кв. м. Этот уровень воздействия находится далеко за границами возможности сохранения незащищенного оборудования. Таким образом, вся система электропитания и коммуникации страны может быть выведена из строя в результате воздействия электромагнитного всплеска, сопровождающего ядерный взрыв.

Оптическое волокно (часть 1)

Отражение и преломление зависят от показателей преломления граничащих сред и угла падения света на границу. Работа волокна основана на тех же принципах. В нормальных условиях свет, захваченный волокном, продолжает отражаться от его границ по мере распространения.

Следует помнить о различии между оптическим волокном и волоконно-оптическим кабелем. Оптическое волокно представляет собой элемент, переносящий сигнал, подобный металлическому проводнику в проводе. Как правило, несколько волокон используются в кабеле, который предохраняет их от механических повреждений и воздействий окружающей среды.

Принципиальное устройство волокна

Оптическое волокно имеет два концентрических слоя - ядро (сердцевина) и оптическая оболочка. Внутреннее ядро предназначено для переноса света. Окружающая его оптическая оболочка имеет отличный от ядра показатель преломления и обеспечивает полное внутреннее отражение света в ядро. Показатель преломления оптической оболочки менее чем на 1% меньше показателя преломления ядра. Характерные величины показателей преломления - 1.47 для ядра и 1.46 - для оптической оболочки.

Производители волокна строго контролируют разность показателей для получения нужных характеристик волокна.

Волокна имеют дополнительную защитную оболочку вокруг оптической оболочки. Защитная оболочка, представляющая собой один или несколько слоев полимера, предохраняет ядро и оптическую оболочку от воздействий, которые могут повлиять на их оптические свойства. Защитная оболочка не влияет на процесс распространения света по волокну, а всего лишь предохраняет от ударов.

Полное внутреннее отражение в оптическом волокне

Свет заводится внутрь волокна под углом, большим критического, к границе ядро-оптическая оболочка и испытывает полное внутреннее отражение на этой границе. Поскольку углы падения и отражения совпадают, то свет и в дальнейшем будет отражаться от границы. Таким образом, луч света будет двигаться зигзагообразно вдоль волокна.

Свет, падающий на границу под углом, меньшим критического, будет проникать в оптическую оболочку и затухать по мере распространения в ней. Оптическая оболочка обычно не предназначен для переноса света, и свет в ней достаточно быстро затухает.

Отметим, что в ситуации, представленной на рисунке выше, свет будет также преломляться на границе воздух-волокно. И только после этого его распространение будет происходить в соответствии с законом Снелла и значениями индексов преломления ядра и оптической оболочки.

Внутреннее отражение служит основой для распространения света вдоль обычного оптического волокна. В этом анализе, однако, учитываются только меридианные лучи, проходящие через центральную ось волокна после каждого отражения. Другие лучи, называемые асимметричными, движутся вдоль волокна, не проходя через его центральную ось. Траектория асимметричных лучей представляет собой спираль, накручивающуюся вокруг центральной оси. Асимметричные лучи, как правило, игнорируются в анализе большинства волоконно-оптических процессов.

Специфические особенности движения света вдоль волокна зависят от многих факторов, включая:

Размер волокна
Состав волокна
Процесс инжекции света внутрь волокна

Понимание взаимного влияния этих факторов проясняет многие аспекты волоконной оптики.

Волокна сами по себе имеют чрезвычайно малый диаметр. Ниже на рисунке представлены поперечные сечения и диаметры для ядра и оптической оболочки четырех наиболее распространенных видов волокон.

Типичные диаметры ядра и оптической оболочки

Моды

Мода представляет собой математическое и физическое понятие, связанное с процессом распространения электромагнитных волн в среде. В своей математической формулировке модовая теория возникает из уравнений Максвелла. Джеймс Клерк Максвелл, шотландский физик прошлого века, первым получил математическое выражение для соотношения между электрической и магнитной энергией. Он показал, что они являются лишь различными формами одного вида электромагнитной энергии, а не различными видами энергии, как полагали ранее. Из его уравнений также следует, что распространение этого вида излучения подчиняется строгим правилам. Уравнения Максвелла являются основой электромагнитной теории.

Мода представляет собой возможное решение уравнений Максвелла. В рамках этой статьи под модой достаточно понимать вид траектории, вдоль которой может распространяться свет. Число мод, допускаемых волокном, колеблется от 1 до 100 000. Таким образом, волокно позволяет свету распространяться по множеству траекторий, число которых зависит от размера и свойств волокна.

Оптическое волокно (часть 2)