Модель учёных ПНИПУ поможет в прогнозировании и управлении процессом оптического пробоя волокна
31.08.2023
Оптическое волокно всё чаще используют в самых разных отраслях: в машиностроении, в авиа- и ракетостроении, медицине и других областях. Применение высокотехнологичных оптоволокон позволяет отправлять большие объёмы информации на дальние расстояния и устанавливать быстрое и стабильное интернет-соединение. Также их применяют в качестве датчиков для определения температуры, давления и других параметров. Но на сегодня малоизученным остается эффект оптического пробоя волокна, который заключается в возникновении внутри него плазменной искры. Она возникает при различных дефектах внутри оптоволокна, выжигая его сердцевину, после чего волокно становится не пригодным, а устройство, в котором оно находилось, выходит из строя.
Однако, если научиться управлять процессом оптического пробоя и точно знать условия его возникновения, то можно избежать данного явления в тех случаях, когда оно нежелательно, или, напротив, создавать структуры, которые обладают полезными свойствами. Учёные Пермского Политеха создали математическую модель возникновения эффекта оптического пробоя в сердцевине волокна, которая описывает начальную стадию появления плазменной искры. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-21-00169, а также в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Статья с результатами исследования опубликована в журнале «Algorithms». В исследовании также принимали участие учёные из Санкт-Петербуржского института ИТМО и Московского Научно-исследовательского центра волоконной оптики имени А.И. Дианова.
Оптоволокно – это тончайшие нити из стекла или пластика, которые позволяют передавать сигналы в виде света. Их сердцевину и оболочку производят из материалов, прозрачных для оптического излучения. По словам политехников, перспективным методом создания оптоволоконных устройств, таких, как датчики, фильтры и рассеиватели, является эффект оптического пробоя волокон. Этот способ позволяет создавать структуры в сердцевине оптоволокна для различных целей, например, для определения температуры двигателя самолёта. Однако необходимо точно знать, когда возникает плазменная искра, каких размеров она достигает и как зависит от внешних параметров, таких, как мощность и длина волны излучения, то есть понимать весь процесс возникновения и эволюции плазменной искры. Начальная стадия оптического пробоя и операции, протекающие при движении плазменной искры, очень быстрые, а также сложны для экспериментального исследования. Поэтому численное моделирование этих процессов на основе математических моделей — весьма актуальная задача.
— Развитие вычислительных методов позволяет усовершенствовать процессы вытяжки волокна, оптимизировать параметры работы и определить стабильные режимы. Лучшее понимание оптического пробоя в оптоволокне позволит создавать более совершенные внутриволоконные устройства, например, датчики с достаточно хорошей повторяемостью характеристик, — говорит заведующий кафедрой общей физики ПНИПУ, доктор физико-математических наук, доцент Анатолий Перминов.
— Эффект плавления волокна представляет собой сложный процесс, который условно можно разделить на несколько стадий. Первая – это инициирование оптического пробоя в сердцевине, которое может быть вызвано различными внешними факторами, например, нагревом, электрическим разрядом или загрязнением. Вторая – возникновение и распространение искры вдоль сердцевины волокна. Для стабильного наблюдения эффекта плавления плотность мощности лазерного излучения на обеих стадиях процесса должна быть достаточной для создания и поддержания необходимой температуры в плазменной искре, а её размер должен быть сопоставим с диаметром сердцевины, — рассказывает младший научный сотрудник кафедры общей физики ПНИПУ Юрий Конин.
Для понимания, как происходит пробой в оптическом волокне, учёные ПНИПУ создали математическую модель. Она была реализована в программе Comsol Multiphysics, которая использует метод конечных элементов для решения различных физических и инженерных задач. Благодаря моделированию политехникам удалось получить важную информацию о распределении температурного поля в оптоволокне, на основе которой для различных длин волн вводимого в волокно излучения были оценены время начала пробоя, то есть момент возникновения искры, минимальная мощность, необходимая для появления плазменной искры, а также её радиальные и продольные размеры.
Благодаря созданной учёными ПНИПУ математической модели эффекта оптического пробоя в сердцевине волокна становятся понятными механизмы возникновения плазменной искры. Это даёт возможность прогнозировать последствия данного процесса и создавать более совершенные оптоволоконные устройства (датчики, фильтры и другие) для самолётов, космических ракет, медицинских приборов и других целей.
Однако, если научиться управлять процессом оптического пробоя и точно знать условия его возникновения, то можно избежать данного явления в тех случаях, когда оно нежелательно, или, напротив, создавать структуры, которые обладают полезными свойствами. Учёные Пермского Политеха создали математическую модель возникновения эффекта оптического пробоя в сердцевине волокна, которая описывает начальную стадию появления плазменной искры. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-21-00169, а также в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Статья с результатами исследования опубликована в журнале «Algorithms». В исследовании также принимали участие учёные из Санкт-Петербуржского института ИТМО и Московского Научно-исследовательского центра волоконной оптики имени А.И. Дианова.
Оптоволокно – это тончайшие нити из стекла или пластика, которые позволяют передавать сигналы в виде света. Их сердцевину и оболочку производят из материалов, прозрачных для оптического излучения. По словам политехников, перспективным методом создания оптоволоконных устройств, таких, как датчики, фильтры и рассеиватели, является эффект оптического пробоя волокон. Этот способ позволяет создавать структуры в сердцевине оптоволокна для различных целей, например, для определения температуры двигателя самолёта. Однако необходимо точно знать, когда возникает плазменная искра, каких размеров она достигает и как зависит от внешних параметров, таких, как мощность и длина волны излучения, то есть понимать весь процесс возникновения и эволюции плазменной искры. Начальная стадия оптического пробоя и операции, протекающие при движении плазменной искры, очень быстрые, а также сложны для экспериментального исследования. Поэтому численное моделирование этих процессов на основе математических моделей — весьма актуальная задача.
— Развитие вычислительных методов позволяет усовершенствовать процессы вытяжки волокна, оптимизировать параметры работы и определить стабильные режимы. Лучшее понимание оптического пробоя в оптоволокне позволит создавать более совершенные внутриволоконные устройства, например, датчики с достаточно хорошей повторяемостью характеристик, — говорит заведующий кафедрой общей физики ПНИПУ, доктор физико-математических наук, доцент Анатолий Перминов.
— Эффект плавления волокна представляет собой сложный процесс, который условно можно разделить на несколько стадий. Первая – это инициирование оптического пробоя в сердцевине, которое может быть вызвано различными внешними факторами, например, нагревом, электрическим разрядом или загрязнением. Вторая – возникновение и распространение искры вдоль сердцевины волокна. Для стабильного наблюдения эффекта плавления плотность мощности лазерного излучения на обеих стадиях процесса должна быть достаточной для создания и поддержания необходимой температуры в плазменной искре, а её размер должен быть сопоставим с диаметром сердцевины, — рассказывает младший научный сотрудник кафедры общей физики ПНИПУ Юрий Конин.
Для понимания, как происходит пробой в оптическом волокне, учёные ПНИПУ создали математическую модель. Она была реализована в программе Comsol Multiphysics, которая использует метод конечных элементов для решения различных физических и инженерных задач. Благодаря моделированию политехникам удалось получить важную информацию о распределении температурного поля в оптоволокне, на основе которой для различных длин волн вводимого в волокно излучения были оценены время начала пробоя, то есть момент возникновения искры, минимальная мощность, необходимая для появления плазменной искры, а также её радиальные и продольные размеры.
Благодаря созданной учёными ПНИПУ математической модели эффекта оптического пробоя в сердцевине волокна становятся понятными механизмы возникновения плазменной искры. Это даёт возможность прогнозировать последствия данного процесса и создавать более совершенные оптоволоконные устройства (датчики, фильтры и другие) для самолётов, космических ракет, медицинских приборов и других целей.
Марина Осипова © Вечерние ведомости
Читать этот материал в источнике
Читать этот материал в источнике
Свердловские пожарные за сутки потушили 14 техногенных пожаров
Среда, 27 ноября, 21.04
Более 10 тысяч нарушений ПДД пресекли свердловские автоинспектора на прошлой неделе
Среда, 27 ноября, 20.40
Новый этап благоустройства ждёт Парк Маяковского
Среда, 27 ноября, 20.07