#оптоволокно

На границе возможностей оптоволокна лазерный пучок самоорганизовывается в мощный, сфокусированный луч-иглу. Параметры этого излучения таковы, что позволяют в реальном времени без дополнительных ухищрений рассматривать клеточные процессы.

Современный интернет, цифровая связь и медицина сильно зависят от качества оптоволоконных кабелей. Однако их производство — сложный процесс, где ошибка в доле миллиметра или градуса ведет к порче всей заготовки. Основная сложность заключается в том, что промышленные станки запрограммированы для обработки деталей строго определенных, эталонных размеров. Однако реальное сырье в силу технологических особенностей всегда имеет небольшие отклонения. В этом случае технологи вынуждены подбирать настройки оборудования «на глаз», что резко увеличивает долю брака и снижает эффективность производства оптического волокна. Ученые Пермского Политеха создали инженерный инструмент, который рассчитывает идеальные параметры для любой заготовки. Внедрение метода позволит в два раза ускорить обработку и на 75% снизить долю бракованной продукции.

Коллектив российских и индийских ученых исследовал характеристики двух видов микроструктурированных оптических волокон. Эта работа показывает новые возможности для повышения эффективности передачи данных.

Сегодня мировую связь, от интернета до телевидения, обеспечивают оптоволоконные кабели на основе сверхчистого кварцевого стекла. Этот прочный и термостойкий материал незаменим в космической индустрии и микроэлектронике, а его современное производство по золь-гель технологии требует энергоемкой термообработки свыше 1000 градусов Цельсия, что увеличивает себестоимость. Ученые Пермского Политеха разработали методику, сокращающую время этой стадии в шесть раз и снижающую энергозатраты примерно на 80%, что ускорит производство и повысит его эффективность.

С 2020 по 2024 год количество хирургических операций в России выросло на 34% (с 13,5 до 18,1 миллиона). В современных операциях вместо ламп все чаще используют оптоволокно, но неравномерное распределение света ухудшает видимость и повышает риски для пациентов. Ученые Пермского Политеха разработали математическую модель, которая оптимизирует светораспределение в волокне, повышая эффективность освещения в два раза. Это сделает операции точнее и безопаснее.

Во время военных действий все чаще применяют оптоволоконные БЛПА. Оптоволокно обеспечивает защиту от радиоэлектронного подавления и перехвата данных, что критически важно для спецприменений дронов в зоне СВО и на индустриальных объектах. По статистике только один из шести таких БЛПА достигает цели, а остальные рвут волокно, преодолевая всего 1-2 километра. Эксперименты исследователей ПНИПУ показали, что проблема в катушке, на которую наматывается оптоволоконный кабель. Из-за ее неправильного строения возникают микроизгибы и обрывы оптического волокна. Ученые разработали отечественную систему управления оптоволоконными БПЛА, которая не только минимизирует изгибы и предотвращает обрывание кабеля, но и способна передавать сигнал на 25 километров.

Оптическое волокно способно воспринимать звуки и вибрации различной частоты. Благодаря этому на его основе создаются распределенные акустические датчики — DAS-системы. Это делает их полезным инструментом в разведке, транспортировке и переработке нефти и газа, а также в отслеживании состояния конструкций и охране периметров. Последние исследования открывают новые перспективы этой технологии в области сельского хозяйства и биологии для мониторинга растений и локализации вредителей. Так, науке уже известна способность DAS-систем находить признаки заражения деревьев личинками насекомых на ранних стадиях развития. Ученые Пермского Политеха и ПФИЦ УрО РАН впервые успешно записали акустические сигналы и определили местонахождение одного отдельного насекомого — мадагаскарского шипящего таракана.

Оптоэлектронные устройства преобразовывают электрическую энергию в световую и обратно. Это возможно благодаря оптическому модулятору, который находится внутри — прибору, регулирующему световой сигнал. В нем есть волновод («трубка» для света) и металлический электрод, который им управляет. Из-за контакта этих двух компонентов друг с другом возникает потеря сигнала вплоть до 100 децибелов для некоторых типов волн. Это означает почти полное затухание — так появляются сбои в телевизоре и неполадки с интернетом, а если оптическая связь используется для навигации дронов, — и вовсе потеря управления. Ученые Пермского Политеха и ПНППК разработали метод, который позволяет уменьшить затухание света в оптических системах в сотни раз и за счет этого сократить количество технических неполадок.

Распределенные акустические датчики (DAS) на основе оптического волокна применяются для мониторинга конструкций, трубопроводов и охраны периметра. Они фиксируют звуки, вибрации и деформации, обнаруживая утечки нефти, движение транспорта и даже землетрясения. Однако их высокая стоимость и ограниченная чувствительность остаются проблемой. Ученые Пермского Политеха и ПФИЦ УрО РАН исследовали новые типы оптоволокна с разными покрытиями, определив их реакцию на звуковые волны. Это поможет точнее подбирать волокно под конкретные задачи и расширить применение технологии — от промышленности до экологического мониторинга.

Стартап «Фистех», созданный на базе Сколтеха, впервые в России сконструировал и успешно протестировал фотонные интегральные схемы (ФИС) для работы с высокочастотными сигналами с шириной полосы до 22 гигагерца. Разработка нацелена на обеспечение российских производителей телекоммуникационными решениями на базе отечественных ФИС.

Современные оптоэлектронные устройства используют активные оптические волокна, легированные редкоземельными металлами. Их производство начинается с создания стеклянных заготовок с добавками, требующих точного контроля формы, светопропускания и распределения примесей. Традиционные методы предполагают последовательные измерения на разных приборах, что дорого и трудоемко. Ученые ПФИЦ УрО РАН и Пермского Политеха разработали автоматизированный стенд для одновременной оценки всех ключевых параметров. Новый метод ускоряет производство на десятки процентов, повышая качество продукции.

Россия занимает третье место в мире по количеству неутилизированного пластика. Такие отходы оседают в водоемах или на незаконных стихийных свалках. Среди них есть остатки оптоволокна, состоящие из стекла и пластика, которые будут загрязнять почву и водные ресурсы. При разложении под воздействием ультрафиолетовых лучей материалы выделяют токсичные вещества: свинец, мышьяк и кадмий. Попадая в пищевую цепочку, они наносят вред здоровью человека, например, замедляют интеллектуальное развитие, провоцируют новообразования, сердечно-сосудистые болезни и анемию, поражение центральной нервной системы и другие болезни. Ученые Пермского Политеха нашли эффективный способ утилизации остаточных продуктов оптоволокна, используя его в строительстве автодорог, мостов и аэродромов. Это позволит сократить негативное воздействие на окружающую среду и при этом повысить прочность строительного материала.

В нефтегазовой и химической промышленности, металлургии, электроэнергетике, медицине и машиностроении используют оптоволоконные технологии как современный способ передачи информации на дальние расстояния. Прочность и долговечность волоконных световодов во многом зависят от защитного покрытия, в качестве которого используют акрилат, полиимид и металлы. Например, оптоволокно в алюминиевом покрытии позволяет работать в жестких промышленных условиях при высоких температурах и давлении. Однако применение алюминия эффективно лишь до 350 градусов. Альтернативой может стать использование меди. Ученые Пермского Политеха, ПАО «Пермской научно-производственной приборостроительной компании» и Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН впервые детально исследовали термическую стойкость волоконных световодов в медном покрытии и определили их срок службы в зависимости от температуры эксплуатации. Полученные результаты дают возможность прогнозировать стабильность работы оптоволокна в отечественной промышленности.

Международная коллаборация ученых нашла способ влиять на колебания в фотонном кристалле с помощью временных дефектов кристаллической решетки. Они показали, как можно точечно создавать дефекты с помощью света.

В аэрокосмической сфере применяют сенсорную технику для оценки внешних силовых воздействий на аэродинамическую поверхность. Это могут быть удары града, бетонной крошки из-под переднего колеса при взлете самолета, частицы космического мусора и так далее. Научное сообщество стремится усовершенствовать индикаторные и тактильные полимерные покрытия. Ученые Пермского Политеха исследовали закономерности реакции тактильной поверхности сенсорной техники на внешнее воздействие. Это позволит улучшить систему мониторинга и снизить риски возникновения аварийных ситуаций из-за нестабильной работы датчиков.

При малотравматичных терапевтических операциях, лечении сосудистых патологий и рака в качестве источника излучения или тепла применяют волоконно-оптические рассеиватели. Для их эффективной работы необходимо обеспечить равномерное распределение излучения вдоль волокна. Для этого ученые Пермского Политеха разработали математическую модель, которая поможет правильно рассчитать необходимые параметры.

Волоконная оптика — одна из перспективных и быстроразвивающихся наукоемких отраслей промышленности. Кварцевые волокна, передающие световые сигналы на большие расстояния, активно применяются в сферах коммуникации, навигации, медицины и приборостроения. Но их изготовление — очень сложный и дорогостоящий процесс. Особенно это касается нового типа оптоволокна, сердцевина которого окружена множеством воздушных отверстий. Такие дырчатые микроструктуры расширяют и улучшают функциональные возможности оптических технологий. Их основу составляют капилляры, полученные путем вытягивания из кварцевых заготовок. При этом для получения качественного продукта важно сохранить все геометрические пропорции и формы волокна, чтобы не допустить дефектов. Ученые Пермского Политеха разработали модель, которая обеспечивает постоянный контроль параметров и на 10 процентов снижает нарушения в процессе вытяжки капилляров. Подход повышает качество и стабильность изготовления оптоволокна.

Одна из основных причин, по которым автомобильные дороги приходится часто ремонтировать, — образование поверхностных дефектов. Общий вес только одного большого грузовика может достигать 40 тонн. Во время эксплуатации асфальтобетона происходит его сжатие и растяжение, это усложняет задачу повышения прочности всего дорожного слоя. Существующие методы сегодня недостаточно эффективны, поэтому поиск новых материалов и технологий для улучшения долговечности дорог остается актуальным. Ученые Пермского Политеха предложили укрепить асфальтобетон отходами оптического волокна. Стабильные размеры и химический состав позволяют использовать их в качестве сырья для получения армирующего компонента, способного повысить устойчивость дорожного покрытия к сжимающим и растягивающим нагрузкам.

В коммуникационных технологиях, навигации, медицине, нефтегазовой промышленности и даже в космосе для передачи больших объемов информации на дальние расстояния используют оптоволокно. Качество передаваемого сигнала напрямую зависит от наконечника, который механически выравнивает и соединяет концы кварцевых волокон между собой. Оптоволокно должно быть хорошо зафиксировано в наконечнике, чтобы не допустить затухания сигнала и потери информации. Ученые ПНИПУ разработали эффективный способ его крепления в нужном положении с помощью гидрогеля из плавленого кварца и щелочи. Технология обеспечит надежное соединение волоконных линий и лучшую передачу светового сигнала.

Для безопасности, экономии ресурсов и улучшения производительности необходим постоянный мониторинг состояния зданий, мостов и рабочих механизмов конструкций. Для этого используют различные датчики, а в последнее время активно развивается направление, в котором оптоволокно применяют в качестве линии передачи данных и чувствительного элемента — части датчика, которая преобразует информацию извне в электрические сигналы. Ученые Пермского Политеха выяснили, как сделать более тонкое покрытие оптоволокна, чтобы минимизировать габариты изделий и при этом сохранить качественную защиту от внешних агрессивных условий.