СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕТОРАССЕИВАЮЩЕГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА (ВОЭ) И ВОЭ, ПОЛУЧЕННЫЙ НА ОСНОВЕ ЭТОГО СПОСОБА
METHOD OF MAKING LIGHT-SCATTERING FIBRE-OPTICAL ELEMENT AND FIBRE-OPTIC ELEMENT OBTAINED BASED ON SAID METHOD

Изобретение относится к области осветительных устройств, основанных на использовании волоконной оптики, и может использоваться в осветительных устройствах в светотехнике, в медицине для фототерапии и косметологии.
Рассеяние света, распространяющегося в среде, например в стекле, обусловлено оптической неоднородностью среды, например микроразмерными или наноразмерными инородными включениями, газовыми полостями, кристаллами в стеклообразной матрице. Интенсивность рассеяния и угловое распределение рассеянного света зависит от концентрации, размера и формы включений, от разности показателей преломления включений и матрицы. Рассеяние света в стеклянном волокне или спеченном пучке волокон сопровождается выходом части рассеянного излучения через боковую поверхность волокна или пучка. Этот эффект используется в осветительных системах на основе волокна.
Известна осветительная система на основе кварцевого оптического волокна (патент США №20110122646, G02B 6/02, G02B 6/04, G02B 6/26, B29D 11/00, опубликованный 26.05.2011), где рассеяние света с выходом части рассеянного излучения через боковую поверхность волокна обусловлено наличием в сердцевине волокна или на границе сердцевины и оболочки волокна множества микро- или нановключений, например полостей, заполненных газом.
Недостатком данной осветительной системы является то, что процесс насыщения оптического волокна микроразмерными или наноразмерными газовыми включениями является технологически сложным (см., например, патенты США: №7567742, G02B 6/032, G01J 1/04, C03B 37/023, опубликованный 28.07.2009; №20090202211, G02B 6/032, С03В 37/02, опубликованный 13.08.2009). Кроме того, осветительная система построена на основе кварцевого волокна, изготовление которого является дорогостоящим и технологически сложным процессом.
Наиболее близким по технологической схеме к заявляемому способу изготовления светорассеивающего волоконно-оптического элемента является способ, заявленный в патенте РФ №2235072, С03В 37/028, опубликованном 27.08.2004. По известному способу изготовления волоконно-оптических элементов и микроканальных структур, включающему вытягивание единичных одножильных световодов, перетягивание одножильных световодов в многожильные и сверхмногожильные, спекание и прессование многожильных и сверхмногожильных световодов в блоки и их механическую разделку, из штабиков круглого или прямоугольного сечения, изготовленных из стекол для сердцевины и для оболочек волокна, раздельно вытягивают стержни одинакового или взаимосогласующегося различного сечения 0,4-6,0 мм. Затем из стержней набирают пакет, имеющий круглую или многоугольную форму сечения, при укладке формируют внутреннюю структуру будущего единичного световода. Затем из пакета вытягивают единичный световод размером сечения от 5 мкм до 5 мм. Полученные таким способом элементарные световоды являются либо готовой продукцией, либо перерабатываются далее по известным технологическим схемам. Единичные световоды используют для сборки пакета для вытягивания многожильных световодов и, если требуется получение элементов с большим разрешением, из многожильных световодов собирается пакет для вытяжки сверхмногожильных световодов. Из многожильных или сверхмногожильных световодов прессуют волоконные блоки. Блоки разрезают на пластины, из которых изготавливают волоконно-оптические элементы или заготовки микроканальных пластин.
Назначением известного способа является изготовление одножильного световедущего волокна, состоящего из оптически однородной сердцевины, изготовленной из стекла с высоким показателем преломления и оптически однородной оболочки, состоящей из стекла с показателем преломления меньшим, чем показатель преломления стекла сердцевины. Изготовленное таким способом световедущее волокно имеет низкое светорассеяние и не пригодно для осветительного устройства.
Назначение заявляемого способа иное и заключается в изготовлении волоконно-оптического световода с высокой степенью оптической неоднородности, обеспечивающей значительное светорассеяние и выход рассеянного света через боковую поверхность световода и возможность использования в осветительных устройствах.
Задачей настоящего изобретения является упрощение процесса изготовления светорассеивающего волоконно-оптического элемента, а также снижение трудоемкости и повышение экономичности процесса изготовления для широкого использования изготовленных ВОЭ в различных хозяйственных отраслях.
Для всех известных способов изготовления ВОЭ, передающих изображение, общим является изготовление единичного световедущего волокна, состоящего из сердцевины, изготовленной из стекла с высоким показателем преломления, и оболочки, изготовленной из стекла с низким показателем преломления, причем размер сечения единичного волокна в ВОЭ определяет разрешающую способность волоконно-оптического элемента.
Задача изобретения решается в новом способе изготовления светорассеивающего волоконно-оптического элемента, включающем раздельную вытяжку стержней одинакового или взаимосогласующегося различного сечения 0,4-6,0 мм из штабиков круглого или многоугольного сечения, изготовленных из силикатных стекол с высоким и низким показателями преломления, набор из стержней пакета круглого или многоугольного сечения, перетяжку пакета в многожильные световоды (МЖС) с размером сечения от 50 мкм до 6 мм и возможную дальнейшую переработку МЖС по известным технологиям, в котором, в отличие от прототипа, набирают пакет таким образом, чтобы распределение стержней из высокопреломляющих стекол и стержней из низкопреломляющих стекол в поперечном сечении пакета было случайным при количественном соотношении высокопреломляющих и низкопреломляющих стержней от 1:10 до 10:1, перетягивают пакет, получая многожильный световод со случайным распределением высокопреломляющих и низкопреломляющих волокон в поперечном сечении.
Полученные МЖС возможно использовать для набора следующего пакета и вытяжки сверхмногожильных световодов (СМЖС). Полученные СМЖС возможно использовать для набора следующего пакета и вытяжки сверхсверхмногожильных световодов (ССМЖС).
Многожильные, сверхмногожильные и сверхсверхмногожильные световоды могут быть использованы для изготовления светорассеивающих волоконно-оптических элементов.
Волоконно-оптический светорассеивающий элемент изготавливают из МЖС, или СМЖС, или ССМЖС, полученных вышеописанным способом.
Нами впервые было показано, что многожильные, сверхмногожильные и сверхсверхмногожильные световоды с размером поперечного сечения единичных волокон от 40 нм до 1000 нм и случайным распределением высокопреломляющих и низкопреломляющих волокон в поперечном сечении МЖС, СМЖС, ССМЖС обладают высоким светорассеянием через боковую поверхность и могут использоваться для изготовления различных волоконных осветительных устройств.
Уровень светорассеяния повышается с разницей показателей преломления высокопреломляющих и низкопреломляющих волокон и зависит от их количественного соотношения. Наибольший уровень рассеяния наблюдается для соотношения 1:1 и уменьшается при изменении соотношения. Количественное соотношение от 1:10 до 10:1 подобрано опытным путем и обеспечивает необходимый уровень светорассеяния световодов.
Сущность изобретения поясняется электронно-микроскопическими снимками волоконно-оптических элементов и примерами ВОЭ в виде фотоснимков.
На Фиг. 1 показан электронно-микроскопический снимок поперечного сечения волоконно-оптической пластины, изготовленной по известному способу-прототипу. Микроструктура поперечного сечения ВОП характеризуется строгой упорядоченностью и однородностью стекол сердцевины и оболочки.
На Фиг. 2 показан электронно-микроскопический снимок поперечного сечения ВОЭ, изготовленного по предлагаемому способу. Микроструктура ВОЭ характеризуется случайным распределением высокопреломляющих и низкопреломляющих волокон по поперечному сечению. Размер поперечного сечения единичного волокна меньше длины волны света, проходящего через ВОЭ, что определяет повышенное светорассеяние элемента.
На Фиг. 3 представлена фотография элементов ВОЭ, иллюстрирующая светорассеяние световодов по всей поверхности элементов.
На Фиг. 4 представлена фотография светорассеивающего световода, иллюстрирующая сохранение светорассеяния световода при изгибах по всей его боковой поверхности.
Конкретный пример реализации способа: из штабиков круглого сечения из силикатных стекол с показателем преломления 1,82 и 1,49 вытяжкой получены стержни диаметром сечения 0,6 мм. Из стержней, полученных из высокопреломляющего и низкопреломляющего силикатных стекол, в количественном соотношении 1:1 набран пакет шестиугольного сечения с двойной апофемой 30 мм, из которого вытяжкой были получены многожильные световоды шестиугольного сечения с двойной апофемой 1 мм. Из многожильных световодов был вновь набран пакет шестиугольного сечения с двойной апофемой 30 мм и перетянут в сверхмногожильные световоды шестиугольного сечения с двойной апофемой 1 мм. Из сверхмногожильных световодов был вновь набран пакет с двойной апофемой 20 мм и перетянут в сверхсверхмногожильные световоды с двойными апофемами: 12 мм, 5 мм и 1 мм. Каждый из полученных таким образом сверхмногожильных и сверхсверхмногожильных световодов обладал способностью передавать изображение с одного торца на другой и имел высокое светорассеяние через боковую поверхность. Для сверхсверхмногожильных световодов потери на рассеяние составляли около 30 дБ/м.
По заявленному методу были получены многожильные, сверхмногожильные и сверхсверхмногожильные светорассеивающие световоды при различном количественном соотношении высокопреломляющих и низкопреломляющих волокон. При отклонении соотношения от значения 1:1 как в одну, так и другую сторону уровень светорассеяния снижался. Для соотношения 10:1 или 1:10 светопотери на рассеивание составляли 2-3 дБ/м. На Фиг. 3, 4 показаны светорассеивающие элементы, полученные по заявляемому способу.
Приведенный пример показывает, что светорассеивающие, световедущие волоконно-оптические элементы могут быть получены заявленным методом, использование которого упрощает процесс изготовления, снижает трудоемкость и повышает экономичность процесса за счет замены кварцевого стекла силикатными стеклами, упрощения процесса создания оптически неоднородной среды и замены пакета со строгой упорядоченностью единичных стержней из высокопреломляющего и низкопреломляющего стекол пакетом со случайным распределением стержней по сечению пакета.
Из МЖС, СМЖС и ССМЖС были изготовлены осветительные системы, формы и размеры которых определяются конкретным применением.