Семенов Сергей Львович

Прочность и долговечность волоконных

световодов на основе кварцевого стекла

01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Москва - 2007

Работа выполнена в Научном центре волоконной оптики РАН.

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор, академик РАН

Дианов Евгений Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Мельников Леонид Аркадьевич

Саратовский государственный университет им. Н.Г.Чернышевского

доктор физико-математических наук, профессор

Шардаков Игорь Николаевич

Институт механики сплошных сред УрО РАН, г. Пермь

доктор технических наук

Шевандин Виктор Сергеевич

ФГУП НИТИОМ ВНЦ "ГОИ им. С.И.Вавилова", г. Санкт-Петербург

Ведущая организация – Институт радиотехники и электроники РАН

Защита состоится 7 апреля 2008 г. в 15 часов

на заседании Диссертационного совета Д 002.063.02 при Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва,

ул. Вавилова, д. 38, корп. 3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Автореферат разослан « » февраля 2008 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Макаров Вячеслав Петрович

тел. (499)503-83-94

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Лавинообразный рост применений волоконных световодов в линиях связи, датчиках физических величин и волоконно-оптических приборах вызывает повышенный интерес к их прочности и долговечности. При этом подавляющее большинство реально использующихся, а также разрабатываемых новых типов световодов используют в качестве основного материала кварцевое стекло. Существует ряд причин, приводящих к ухудшению работоспособности волоконных световодов, например, увеличение оптических потерь из-за микроизгибов при изменении температуры окружающей среды, рост потерь под действием ионизирующих излучений или из-за диффузии водорода в сердцевину световода в подводном кабеле. Однако наиболее катастрофические последствия для волоконно-оптических систем и устройств происходят при разрушении световода в процессе эксплуатации. Поэтому информация о возможности световодов разных типов выдерживать эксплуатационные нагрузки в течение всего периода эксплуатации всегда была критически важной, и часто ограничивающей потенциальные применения в новых областях.

Вместе с тем, к моменту начала работы над диссертацией представления о физических процессах, определяющих прочность волоконных световодов и ее долговременную стабильность, были крайне ограниченными:

Было известно, что прочность волоконных световодов ограничивается размером трещин внутри или на поверхности кварцевого стекла, а долговременная стабильность – ростом поверхностных трещин под нагрузкой (так называемой статической усталостью). Главным фактором, определяющим кинетику роста трещин в кварцевом стекле, является присутствие паров воды, однако количественные данные, приводимые разными исследователями, были неполны и противоречивы. Основной причиной было то, что при кажущейся простоте, методики измерения параметров усталости кварцевого стекла содержат некоторые тонкости, недостаточное знание которых приводит к искаженным результатам.

Основным методом исследований в подавляющем числе работ было испытание на разрыв коротких (~1 м) «бездефектных» отрезков световодов на стандартных разрывных машинах при различных скоростях растяжения («динамическая усталость»). Такие образцы по своей природе имели крайне узкий статистический разброс прочности. Поэтому с приемлемой точностью удавалось получать значения параметров статической усталости при разнице между максимальной и минимальной скоростями растяжения образцов всего 3 порядка (соответствующие длительности тестов – от десяти секунд до нескольких часов).

Также было немало работ, в которых такие же образцы подвергались действию постоянного растягивающего усилия, и измерялась зависимость времени до их разрушения от приложенной нагрузки (так называемая «статическая усталость»). Соответственно, длительность испытаний была в диапазоне от единиц минут до нескольких недель, а в редких случаях до нескольких месяцев.

Полученные зависимости экстраполировались как в область очень малых времен (10-1-10-5 сек), ответственную за оценки прочности реальных световодов с дефектами после контрольных тестов, так и на область больших периодов времени (~25-30 лет), соответствующих желательному сроку службы световодов. При этом для экстраполяций использовался простой степенной закон с показателем степени – параметром статической усталости n.

Кроме большого разброса литературных данных по статической усталости в различных условиях окружающей среды, неудовлетворенность ситуацией вызывали следующие соображения: размер исходного дефекта на поверхности высокопрочных образцов можно оценить приблизительно в 2 нм, но надежность волоконных световодов в реальных приборах или линиях связи определяется поведением дефектов размером порядка 1 мкм, соответствующих исходной прочности ~ 0,5-1,0 ГПа. Работ по свойствам световодов с дефектами таких размеров было крайне мало, и их результаты было затруднительно использовать из-за большого статистического разброса прочности образцов. В то же время, эксперименты по прямому наблюдению роста трещин миллиметровых размеров в массивных образцах (стеклянных пластинах) давали совсем другие зависимости скорости роста трещин от нагрузки, по сравнению с получаемыми на высокопрочных образцах. Таким образом, существовали большие сомнения относительно правомерности вообще использования данных, полученных на высокопрочных образцах с дефектами нанометрового размера для прогнозирования свойств реальных световодов с дефектами микронного размера.