Спектроскопия оптических материалов на примере полимерных световодов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

од

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ 'РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРИЦИН ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЭТШПЗРСИТЕТ

Па прав:.:* ; у;: с г; ".¡си

Щ /ЛК 041.64 : 535.3

• 4 .

/ .и > /I

' í нлг;сков нзшшл ляексйилровйч

спеетроскснил опт:;«::с7.их млткриллсз

1тл причнре полияеркцх свет оболов

02.00.04 - Физическая хмния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата Физико-матснитипвскна наук

Тверь 1995

Работа выполнена в Игскенерном центре полимерного оптического волокна (ИЦ НОВ), г.Тверь

Научнке руководители: доктор химических наук,

профессор Пахомов П.М.

кандидат физико-математических. . наук Зубков' А,И.

С'Тициальшо оппоненты: доктор, физико-математических

наук, профессор Веттегрень В.И.

кандидат физкко-г/,атемат лческих наук Клшник Б.Н.

Идущая оргашзация: Физический факультет Московского

государственного университета иы.Яомоносова

садита состоится " О " ^ЛУ сг^Я 1595г. в на заседании диссертационного совета Д 063,97.02 Твергкого государственного университета по адресу: г.Тверь, Садовый'-пер., 05, 'УпзичоскиГ' факультет ТвКг,

С диссертацией ?.го;~ко ознакомиться в научно;" биб.глотеко

Автореферат разослан"" ^ " 1995г.

УчетгР секретарь дагссорта^онного

Щербакова Т.Л.

•ота, г.х.н., доцент ■■ (Ар/г^м-л^сл-- щербат

ОЕШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие современной оптики, оптоэ-лектроаики, лазерной техники невозможно бег применения полимерных оптических материалов.

Особенно перспективным является применение указанных материалов для изготовления световодов - полимерных оптических волокон (НОВ). ЛОВ используются в медицине, ядерной физике и технике,. коротких линиях связи, " качзстве датчиков-шд5и-:£.торов, для декоративное и рекламах целей. Они имеют бесспорное преимущество перед стеклянными световодам;; по »¡?ханичес;сш параметрам: гибкости, устойчивости к динамическим нагрузкам. Большие значения диаметра и числовой апертуры облегчает стыковку ПОВ между собой и с источниками излучения. ПОВ относительно дешевы и просты-в изготовлении.

Однако широкое применение ПОВ в значительной степени ограничивается высокими светспотсрш.от. Иехан*лс:~г потерь в стеклянных световодах изучены достаточно глубоко, однако этого нельзя сказать о ПОВ. Существенные отл:псет как хгсг.г-:-зского состава материала, так и геометрических п"р"метров ПОВ от стеклянных световодов не позволяют механически порсаести как~тлешпл- тоорзги-ческяй и 8кслерккзнт&'1ький штеркзд по ксслодо?*.-: л ев-в сте'-тяняых световодах ка ПОВ.

Из этого вытекает актуальность тесрзтпчоской и с:<спор:*ь.:-н-тальной разработки физико-хиыичеасих методов, позволяющих исследовать механизмы потерь энергии в НОВ и тем сэ.&гм целенаправленно совершенствовать технологию их изготовления.

Кроме того, в результате таких исследований аогут Сыть найдены новые области применения уже сущесть/щцх ПОВ.

Цель работы: Исследовать механизма ср.етопохер! в ПОВ и заметить пути улучззпия оптических харзктегг,ст:ас ПСВ.

В соответствии с этой цел- и кеобхо;;;:гс рс-^пь с.-,: г ."•:. задачи:

-теоретически обосновать методы рпалки;: потерь в ПОС на поглощение и рассеяние,оценки потерь на границе раздела сердцег -на - оболочка, неразрушающего измерения потерь в ПОВ;

-па основе разработанных мг-одов создать экспер5шентальную установку для исследования с этических характеристик ПОВ;

-провести сравнительное исследование спектров потерь на

■а £ л

поглощение к рассеяние в различных по химическому строения ГОВ;

"выявить взаимосвязь между параметрами технологического процесса получения ПОВ и оптическими свойства},!« ПОБ;

-исследовать влияние некоторых внешних факторов (УФ-облуче-ния,обработки гидростатическим-давлением,ориеитационной вытяжки и отжига) на светопотери ПОВ;

Объекты исследования. Основным объектом исследования являлись ПОВ, представляющие собой бикошюнентное волокно (сердцевина-оболочка) .. В качестве оптических материалов для сердцевины и оболочки использовались следующе полимеры: полистирол (ПС), полиметилметакршгат (ШМА), полифторакрилаты (ПФА), сополимер поливинилоденфторцда с тетрафторэтздшом, дейтерированные поли-метшшетакрллаты (МММ). ПОВ сформованы в Инженерном Центре ПОВ (ИЦ ПОВ), г.Тверь. Исходные полимеры синтезированы ИЦ ПОВ (г.Тверь), ОНПО Пластполимер (г.С.-Петербург), НИИ полимеров (г.Дзержинск), Шевченковском заводе пластмасс, Кусковском заводе пластмасс.

Научная новизна. Разработан физико-химический подход к проблеме оценки оптических свойств ПОВ, при реализации которого впервые получены данные о потерях на поглощение и рассеяние в ШВ,установлена роль технологических условий формования и внешних воздействий,проведена оценка потерь на границе раздела сердцевина - оболочка,разработаны методы нерааруизщего контроля ПОВ, теоретически и экспериментально наследовано распределение рассеянного света вдоль ПОВ.

На защиту выносится;

1. Метод разделения полных потерь света в ПОВ на поглощение и рассеяние с помощью интегрирующей'сферы.

2.Метод .'оценки качества границы раздела сердцеЕкна - оболочка в ПОВ по зависимости светопотерь от углй ввода излучения в ПОВ.

3.Метод непрерывного намерения полных СЕетопотерь в процессе формования ПОВ.

4.Зависимость потерь, - вызванных релеевским рассеянием, от тй-яературы формования ПОВ из ПС/ГВ.?/А.

Б.Зявкамость потерь на рассояшге от двойного лучепреломления (ДЛП) в ПОВ из ПС/ПШ.А.

6.Спектральная зависимость избыточных потерь на поглощение

в области '500 - ООО ж в ВОВ с сердцевиной из ЕША и оболочки ив 1Ш, связанная о образованием сложной снеси нероксидпых групп при термоокисленпи.

• 7. йгаод о неэффективности применения дополнит ель коп вытяд-ки я отжига о целью улучшения оптическж свойств ПОВ.

3.Вывод о механизме фотолиза ПОВ с сердцевиной из ПША, связанном о образованием рздп;сзлоз алкнльиога типа на границе раздела сердцевина-оболочка при ^облучении ПС® (\-253,7ш).

Практическая ценность. Разработаны метода наследования механизмов свэхопотерь в ПОВ й создана универсальная экспериментальная установка, позволявшая измерять потери на рассеяние я поглощение з ПОВ, распределение рассеянного излучения по длине ПОВ, производить неразрушаэдее измерение потерь в ПОВ, оценивать" качество границы раздела сердцевина - оболочка.

Использование разработанных методов помогло усовершенствовать реднш синтеза полимеров и формования ПШ. . В результате светопотери ПОВ о сердцевиной из полистирола и оболочкой из по-дкмет&шетакрилата снжены с 1000 - 1500 до 300 - 500 дБ/км, ПОВ о сердцевиной из полиметшкетакрялата и оболочкой из полкф-торакрилата - с 1000 - 1200 до 200 - 200 дБ/км а ПОЗ с сердцевиной из . дейтерированного поликетилметакрилата и оболочкой из подифторакрилата - с 500 - 700 до 30 - 50 ДБ/км.

Апробация результатов работы. Теоретические пс одеяия и практические .выводы работы неоднократно обсуядались и были одобрены на семинарах во, ВНИИС8 (г.Тверь), Всесоюзной конференции по технологии волоконных световодов (г.Горький, 1983), 2 и 3 Воесыззкых семинарах по проблемам развития "омпонен'хяой базы СССПИ в Москве (1983,1936), 4 Международном симпозиуме по химическим волокнам (г.Калинин, 1986), В Всесоюзном координационном совещании по спектроскопии полимеров (Минск, 1939), Всесоюзной конференции "Волоконная оптика" (Москва, 1990), Научно-технической конференции "Химические волокна и материалы на их основе." (Ленинград,1990).

Публикации. Основные результаты исследований опублиюзваш в 23 работах,в которых автором изложены все осйовные экспериментальные результаты,выполнены соответствующие расчеты,проведена интерпретация экспериментальных данных.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация со-

стоит из введения, пяти глаз, приложения, выводов, описка литературы. Диссертация изложена на 160 страницах, содержит 6 таблиц и 45 рисунков. Библиография включает 120 наименований.

•

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи работы, основные положения, выносимые на гащи-ту.

Первая глава диссертации посвящена обзору литературы и постановке задачи исследования.В обзоре дана характеристика полимерных оптических материалов .используемых для изготовления световодов.

Приведены общие сведения о световодах.Подчеркнуты существенные отличия ПОВ от традиционных световодов из кварцевого и многокомпонентного стекла. Изложена лучевая теория распространения света в волоконных СЕетовс, ,зх со ступенчатым профилем показателя преломления.Рассмотрены основные механизмы потерь энергии в световодах и методы их исследования.

Кратко описана технология изготовления ПОВ.Обсуждены проблемы оптимизации синтеза полимерных оптических материалов и технологии изготовления ПОВ.

- Отмечено, что"область прозрачности ПОВ совпадает с видимой областью спектра электромагнитного излучения (400 - 800 нм).Основными источниками поглощения являются "хвост" УФ электронного поглощения и обертониое поглощения СН-группы.

Несмотря -на значительное количество работ,посвященных теоретическому и экспериментальному исследованию световодов из кварца и многокомпонентных стекол,ПОВ изучены недостаточна.

Нет разработанных методов разделения полны:-: потерь на поглощение к рассеяние,оценки качества границы раздела сердцевина - оболочкз,измерения потерь в процессе формования ШВ.неразру-ващего измерения потерь.Для улучшения оптических свойств ПОВ необходимо энать взаимосвязь между параметрами синтеза исходных полимеров,технологией формозания ПОВ и оптическими свойства.«! ПОВ. Практически отсутствуют в литературе данные о влиянии внешних воздействий на оптические свойства ПОВ, в частности, УФ-излучении.

Обзор литературы подтверждает актуальность проблемы, которой ясовпвдана диссертационная работа.

Во второй главе описаны особенности синтеза исходных полимеров, а таккз типы исследованных образцов ПОВ.

Химические формулы мономеров, из которых получены оптические полимерные материалы и световоды, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Исходные мономеры для получения ПОВ.

N Хггллоская фор>.^ла Название мономера (условное сокращение)

СН.2«С(СИз)С00СНз метилыетакрияат (ША)

2 СН2=0(СНз)СООСН2СРйСР2Н тетрафторпропшаютакридат (МН-1)

3 СУ2-С(СНз)ССЮСК2СР2СГз пентзфторпропилметакрилат (МЭ)

А снг°снсооснз метидакридат (¡/А)

5 СН2'СНС0С'СН2 (СРгСГй) гн сктафторамплакрилат (АН-2)

6 CHb--CFCOOCH.2CF2CF.2H тетра5торпропилфторакр1шат (<ВД-1)

7 СН2»СН-Сб!-?5 стирол

В настоящей главе также рассмотрены особенности синтеза оптически полимерных материалов.

Нине в таблице 2 приведены основные параметр* образцов ПОВ, исследованных в настоящей работе. Для краткости и упрощения псследуиш,его изложения - каждому типу образцов присвоено условное обозначение.

: -главе 2 рассмотрены также различные ваг'энты конструкции интегрирующей сферы и ее применение для исследования оптических свойств волоконных световодов.

Далее в гл.2 приводится описание методов измерения ДЛП и исследования ЭПР-УФ- и ИК- спектров пленок исходных полимеров.

В третьей главе дано теоретическое обоснование экспериментальных методов исследования оптических свойств ПОВ и описание экспериментальных установок.

Разраоотан комплекс, методов исследования ГОВ:

1)установка для спектрального, исследования потерь;

2) установка для исследования границы раздела световедущзя жила - оболочка;

Таблица 2. Основные типы исследованных образцов ГОВ.

N Полимер Показатель Числовая апертура, НА %.ini дБ/км, (\,нм) Усл. обозн.

световедущей шва оболочки ityejlUM. жилы Пс иенлн обол. По

1 2 3 4 5 6 7 8

1 Полистирол (ПС),гранулированный. . Полиметилме-такрилат (ШМ) марки "Дакрил-4Б" 1,59 1,49 0,55 800 (670) ПС1

2 ПС, цилиндрическая заготовка. 1ША марки "Parapet". 1,59 1,49 0,55 500 (670) ПС2

3 П(ША+5%МА) ШН-1, 1,49 1,42 0,45 200 (650) ПМ1

4 П(ЬМА+5ХМА), ПМН-1, 1,49 1,42 0,45 200 (650) ПМ2

5 " ЩША+гШ1), ПМН-1, 1, '35 1,42 0,43 200 (650) ПМЗ

6 ДПММА, ПМН-1, 1,49 1,42 0,45 70 (680)_ дом

7 ШН-1, Ш-1/Ш-2, 1,42 1,40 0,24 300 (650) El

8 ШЛА с разл. добавками. ШН-1, 1,49 1,42 0,45 300 (650) шп

9 Импортные ПОВ: ПММА Сополимер ВА с ТФЭ 1,495 1,402 0,50 120 (570) SK-40

Примечания: В графе 7 «min - минимальные потери у образцов данной серии, X - длина светрвой волны, на которой наблюдаются «шщ. ВА - винилацетат, ТФЭ - тетрафторэтилен. ; ПС для ПС1 изготовлен кусковским заводом пластмасс. ТШк для ЯМ1 изготовлен НИИ полимеров (г.Дзержинск). • Подшеры для ПМ2,ПМЗ,ДПЫ,Ф1,1М1 и ШН-1 для оболочки ГШ изготовлены в Щ ПОВ (г.Тверь).

3) установка для исследования однородности ПОВ но длине и перазругаащего намерения потерь;

4) установка для автоматического измерения потерь в процессе формования ПОВ.

- £

Основной частью установок 1) - 3) является интегрирующая сфера (ЙС) с внутренним диаметром 25см, с помощью которой измерялись сигналы, пропорциональные анергии рассеянного через боковую поверхность ПОВ света и света, проходящего через выходной торец ПОВ, что позволяло записывать спектр излучения, рассеянного Pstt) через боковую поверхность участка ПОВ длины L и спектры излучения PoutW и Рщ(>) с выходного и входного торцов этого участка соответственно.

Полные потери ас, . потери на рассеяние «s и поглощение «а (а-ЙА+ag) определялись по формулам:

«-(10/L) Iff (Pin/Pout) (1)

где «а - потери на поглощение, as - потери на рассеяние, и

' «jf-dPs/(Pin-Pout). tfa«ci-ct2, (2)

где

Pin»Poexp(-6Li), PoutePoexp(-5L2) (3)

мощности сигналов на входе и выходе измеряемого отрезка соответственно, Ро - мсщость введенного в световод излучения, Ь-Lg-Li, б»(п/10)1п10.

Существенным источником избыточных потерь в ПОВ .является потерн ча границе раздела световедушая жила - оболочка. В данной главе покззано, что при возбуждении ПОВ кодлимирозанным световым пучком с равномерным распределением энергия излучения по входному торцу ПОВ зависимость потерь в ПОВ от угла ввода излучения определяется качеством гранили и не вазисит от потерь самой световедущей жилы.

8 третьей главе также теоретически иссле. .озано распределение рассеянного света по длине ПОВ, и предложен не-эзрушащий метод измерения потерь. Впервые показано аномальнее распределение рассеянного света по длине ПОВ» при котором на отдельных участках 'ПОВ мояет наблюдаться возрастание иитеисизности рассеянного света при удалении от входного торца.

Далее в данной главе излажен предложенный автором метод измерена потерь в процессе формования ПОВ по рассеянии света через боковую.. поверхность ПС® при вводе излучения в формуемую световедупуи жилу через расплав полимера. Поскольку величина сигнала бокового рассеяния с короткого (1 - 2см) участка ПОВ испытывает резкие нерегулярные колебания, для измерения потерь

- т-

необходимо использовать сигналы, полученные от одного- я того зке участка ЛОВ при его последовательном прохождении через :?алибра~ ванные датчики в процессе формования. Если 1 - длина ПОВ между датчиками, а V - скорость движения сформованной нити ПОВ, то для расчета потерь надо использовать сигналы, поступающие от датчиков с периодом Т»1/у, тогда потери на участке длины 1 определяются по формуле:

а=(10/1)1в-(11/12), (4)

где II и - сигналы, поступившие от первого и второго датчиков соответственно.

В конце главы 3 описаны разработанные автором экспермен-тальные установки, позволяющие:

^Производить разделение полных потерь в ПОВ а на рассеяние о^ и поглощение «а,.

2)Получать угловые и спектральные зависимости сс(Х,8), ва(Х,8), где \ - длина световой волны, 8 - угол падения световой волны на еходной -орец ПОВ.

3)Йзмерять действующую апертуру ВОВ для отрезков ПОВ разной длины,

4)Исследовать однородность П08 по длине.

Б)Проводить неразрушащее измерение потерь света в ГОВ.

6)Прокзводить непрерывное измерение потерь в процессе формования ПОВ,

В этой же главе описано предложенное автором приспособление для обработки торцов ПОВ методом оплавления на стеклянной подложке.

Четвертая глава посвящена обсуждение результатов экспериментального исследования ПОВ методами, излаженными в гл.2 и 3.'

В ПОВ, различных по химическому составу, и технологии получения, проведено количественное измерение и^сопоставление потерь на рассеяние и поглощение.

Ка рис.1 показала спектры потерь на поглощение для различных образцов (обозначения в соответствии с табл.2).

Избыточнее потери в коротковолновой части видимой области спектра (Х<600нм) у образцов с сердцевиной из ПММА имеют вид широкой полосы с ышхишуюм при ЕЗОнм, что особенно зшетно для образцов типа Ш1. Появление этих дополнительных потерь связана с образованием сложной смеси пероксидных групп при термоокиоле-

o-l, 0-2 +-3 X-4

РисЛ. Спе:«ры потерь на поглой,:.':ле для ПСВ П'Г2(1), ГП-!1(Ч), RM2 (3) j SK-40(4).

нии в процессе формования ПОВ.

Спектральная зависимость потерь на рассеянна, кзк правило, хорошо аппроксимируется выражением

as(\)"A\~^B, (5)

где первое слагаемое связано с рассеянием F лея (рассеяние на неоднородноотях с размером а«\), а второе - с рас лянием на крупных дефектах (В не зависит от X).

Каш установлено, что в ПОЗ типа ПС1 ге-ташта порам*. А существенно зависит от температуры формования: при уЕел;г^.:,П1 температуры от 180 до 210°С величина А уменьшается в 2-3 рз?л (до значения SO-40 (дБ/км)мкм4) при всех скоростях формования, что дает величину потерь АХ_4= 150 - 200 дБ/т при Х=870 нм. Однако, это существенно превосходит величину А»8.8 (дБ/км)мкм4 (44 дБ/км при Х-670нм) для чистого ПС. Следовательно, уровень релеевских потерь на посторонних примесях или дефектах структуры в ПОВ типа ПС1 порядка 100 дБ/км при А=б70 нм.

Потери на ыакродефектах Б не обнаруживают четкой зависимости от условий формования, т.е. в рассматриваемой диапазоне температур расплава и скоростей вытяхки изменения зтих параметров оказывают пренебрежимо малое воздействие на концентрацию макродефектов: пузырей, трещин и т.д. Поэтому концентрация таких дефектов испытывает случайные колебания. В исследованных образцах ПС1 величина В меняется в пределах 200 - 600 дБ/км.

Образцы типа ПС1 и ПС2 отличаются большими потерями на границе раздела .сердцевина - оболочка. Избыточные потери наблюдаются в ввде потерь на рассеяние, что указывает на плохую совместимость ПС и ПММА. ЮВ типа Ш1,Ш2,ШЗ имеют меньшие потери на границе раздела. Особенно хорошее качество границы наблюдается у ПОВ SK-40.

Измерение двойного лучепреломления (ДЛП) в ПС® ПС1 и ПС2 и его связь со светопотерями обнаружило его линейную зависимость от потерь на рассеяние ocs. Величина ДЛП непосредственно связана со степень» ориентации ПОВ, определяющей его механические характеристики (гибкость,, разрывное удлинение). Поэтому в реальных образцах ПОВ можно уменьшать ДЛП лишь до какого-то определенного уровня, т.к. о уменьшением ДЛП увеличивается .хрупкость 1ЮВ.

Проведенные исследования позволили подобрать оптимальную величину коэффициента фильерной вытяжки для данного типа НОВ.

В гл.4 приводятся также, результаты оценки размеров структурных неоднородностей в 'ПОВ на основе теории Дебая. Показано, что информацию о размере рассеивающих неоднородностей модно получить из спектральной зависимости o¡s(X). Преимущества этого метода оценки размеров рассеивателей в ПОВ по сравнению о традиционным, опйсанным в гл.1: ; - легкость его применения при исследовании ПОВ, т.к. наличие свтоотражающей оболочки и сравнительно малый диаметр затрудняет проведение измерений индикатрисы рассеяния; .- полученные результаты дают усредненный эффективный размер рассеивателей <Ь> по всему измеряемому образцу, а не его локальные значения, которые могут испытывать случайные колебания, при этом длину участка ПОВ, на котором измеряется а3(\), иакно менять в широких пределах (от нескольких сантиметров до десятков метров).

Для образцов типа ПИ и HOZ значения <Ь> лежат в интервале 50 - IOOhm, у 1ЮВ с сердцевиной из ПША <Ь> существенно больше: от 100 и-> ЗЭДнм и всегда увеличивается, если ПОВ подвергается дополнительной вытяжке. Фотографии, получение с помощью электронного микроскопа, дают те же размеры неоднородностей.

Однако, прямой корреляции между размерами неоднородностей. а потерями на рассеяние или поглощение не выявлено. Видимо, это связано с тем, что рассеяние по модели Дебая - лишь одгш мэ механизмов рассеяния, действующе в пов.

Глава 5 посвящена исследованию влияния внешних воздействий на светопотери ПОВ.

Исследование влияния УЗЬ облучения на светопотери производилось на образцах ГОВ типа SK-40. ,

Нами впервые установлено, что УФ облучение ПС® о сердцевиной из ПММА вызывает его пожелтение и увеличение светопотерь. На рис.2 показано спектральное распределение светопотерь ШВ а ©го рабочей области 500 - 800 нм. Из рисунка видно, что с ростом дозы (времени) облучения существенно увеличиваются светопотери за счет поглощения (кривые 1 - 4), особенно в коротковолновой области спектра; именно из-за этого образец приобретает яелтую окраску. В то же время светопотери за счет рассеяния (кривая 5) после облучения не изменились. Интересно отметить, что спектр поглощения r-облучеяного образца ПОВ идентичен представленному на рис.2.

Установлены закономерности фотопревращений при малых и больших дозах.облучения. При малых дозах облучения (до 1ч) увеличение светопотерь обратимо, и после прекращения облучения происходит практически полное восстановление исходных светопотерь. Время восстановления составляет примерно 200 ч при комнатной температуре Зим). Ппи больших дозах облучения (нес-.колько часов) происходят необратимые изменения: желтая окраска и значительные светопотери сохранялись после длительного отды-С ростом дозы облучения необратимая часть светопотерь нарастает. Так, например, при длительности облучения G ч необратимая доля светопотерь достигала(2000 дБ/км, т.е. того предела, когда ПСВ ухе с трудом можно использовать дате в качестве декоративного световода.

Установлено, что УФ облучение ГОВ о сердцевиной из IMÍA

о-1, 0-2 8-3 .-5

Рис.2. Спектры потерь на поглощение ЛОВ БК-40, облученных УФ-лэмпой БУВ-15 (Х=253,7нм). 1- - исходные потери, 2- 4 - потери на поглощение после облучения в течение 20, 30 и 60 минут соответственно, 5 - потери на рассеяние.

сопровождается образованием и стабилизацией концевых алкидъных мзкрорадикалов -СНг-С*(СНз)СОООНз, регистрируемых методом ЗПР. Увеличение Бремени облучещ® приводит к монотонному росту концентрации радикалов. При продолжительной облучении (более 1ч) происходит "скопление хромофорных групп С=С и 0=0, интенсивно поглон^гсщих световое излучение в УФ и видимом диапазонах.

Установлены также закономерности изменения свелопотерь при циклическом УФ облучении и исследована кинетика восстановления светопропускания в области температур от 29Я до 363К. Эффективная энергия активации процесса с; тгаЕляет кДк/моль.

В результате УФ-облучения резко меняется харзктро зависимости потерь от угла ввода излучения в П0В. На рио.З показаны соответствующие кривив для одного и того же образца до (кривые

- я» -

2023

1588

1820

V

У

sea-

a S&e&a-B?2- ,

Q

15 20 25 30 0

об, р- t,2»3) и поело (кривые

дВл&г ц/ 4,В,6) облучения. Время

в' облучения 0,5ч. Быстрый

рост I: • герь на поглощение с увеличением утла свидетельствует о том, что. поглшзщие новообразования (радикалы алкигоногз типа) концентрируется на границе раздела сордцеви-на - оболочка. При этом сердцеЕина П0В остается практически неповрежденной (потери на поглощение резко уменьшаются с уменьшением числа отражений) . Изменения в резуль-

тате УФ-облучешга нз молекулярном уровне не затрагивают макроструктуры полимера: резкое увеличение поглощения не сопровождается изменением рассеяния (рис.2,3). Однако апертура ИОВ несколько уменьшается: быстрый реет рассеяния эа счет мод излучения наступает у облученного ГОВ раньше (рис.3,кривые 5 и 2). Это вызвано увеличением ПП материала оболочки в результате.УФ-облучеиия.

Далее в главе 5 описаны эксперименты по обработке П08 типа ПС2 и ДГОЛ1 гидростатическим делением Pi-4>107H/m2 к Р2=-1,3-Ю8Н/ы2 в глицерине, силиконовом эластомера TFC7710(A) фирмы "Toshiba Silicone" или силиконовом масле о одновременным нагреванием, до температуры 110°С.

Во всех случаях, независимо от. используемой жидкости и

Рис.3. Зависимость потерь от угла падения 8 плоской световой волны на входной торец П0В БК-40 (угол 8 отсчитывается от продольной оси ПОВ). 1, 2, 3 - полные потери, потери на рассеяние и поглощение до облучения; 4, 5, 6 - соответственно после облучения. Все потери измерены на длине волны А=622.8 нм. Время облучения 30 мин.

способа воздействия (нагревание под давлением, приложение давления после нагрева и т.д.), наблюдались следующие изменения исследуемых образцов: потери на рассеяние «s не увеличивались (в большинстве случаев уменьшались, иногда оставались без изменения). Максимальное уменьшение efe составило 150дБ/км. При атом на всех образцах наблюдалось уменьшение ДЛП, что согласуется с результатами, описанными выше. Уменьшение потерь на рассеяние связано с уменьшением рассеяния Релея (до обработки коэффициент А в формуле (5) имел значения от 20 до 40дБч-мкм4/км, после обработки от 10 до 20ДБ'МКМ4/КМ).

Оценка размеров структурных неоднородностей на основе теории Дебая показага увеличение аффективного размера рассеивателей после обработки с 70 - 80 до 100 - 120 км.

Однако потери на поглощение «а резко возросли на всех образцах, что привело к возрастанию полных потерь. При этом не появляется новых пиков поглощения, вся кривая сса(Х) поднимается вверх без изменения формы на 30 - 200 ДБ/км, что объяснено диффузией поглощающих примесей из светоотражающей оболочки в сердцевину ПОВ. ...

Изучение влияния ориентационной вытяжки и отжига на свето-потери ПОВ показало, что в результате такого воздействия происходит возрастание потерь 'в ПОВ'с низки,« начальными потерями и уменьшение потерь в ПОВ с высокими потерями, что позволило сделать следующий вывод: дополнительная вытядаа может привести к-уменьшении потерь в ПОВ только в том Случае, когда, вследствие неоптимаяьных условий формования волокна или синтеза исходных полимеров, ПОВ имеет большие избыточные потери. Поэтому предпочтительным является путь оптимизации самих процессов синтеза исходных поди!,¡еров и формования ПОВ. Дополнительная Еытяжка щя отжиг могу* ограниченно использоваться для уменьшения потерь и улучшения механических свойств ШВ с избыточными потерями.

В приложении приведен теоретический расчет условий равномерного свечения боковой поверхности ПС®.

Как было показано в гл. 3 и 4, распределение вдоль отрезка волокна света, рассеиваемого чгоез боковую поверхность ПОВ, Р3(х), может быть различным. Свечение боковой поверхности ПОВ мелко использовать для подсветки приборов, изготовления датчиков, указателей, в игрушках, рекламе, в декоративных целях.

Получить нужное распределение Ра(х) можно, например, введением специальных рассеивающих добавок в сердцевину ПОВ в процессе формозани...

В приложении рассчитана зависимость сг3(х^, при которой отрезок световода длшш х»1т будет излучать свет равномерно через боковую поверхность,-т.е. с!Р3,^х=соп51. Показано, что модно получить достаточно длинные для практических применении равномерно светящиеся отрезки световодов.

Выводы

1. Разработан комплексный физико-химический подход к исследовании оптических свойств ПОВ, позволяющий исследовать их эксплуатационные характеристики и определить причины избыточных потерь энергии. •......

2.На основе разработанного подхода создана принципиально новая экспериментальная установка,позволяющая производить разделение полных потерь на поглощение и рассеяние,исследовать спектры поглощения и рассеяния,производить оценку потерь на границе раздела,измерять потери в ПОВ неразрушающим методом.

3. Разработан метод непрерывного измерения потерь в процессе формования ГОВ. Создан опытный образец установки., .

4.Проведено сравнительное исследование спектров поглощения к рассеяния в ПОВ, различных по химическому строению и по технологии получения или модификации, что позволило оптимизировать условия получения ПОВ и синтеза исходных полимеров.

5.Объяснен механизм воздействия жесткого УФ-излучения на ПОВ, связанный с образе штием и оекомбинацией радикалов алкиль-. ного типа. Впервые экспериментально установлено, что в результате УФ-облучеши ПОВ образуются поглощающие дефекты, сконцентрированные на границе "раздела сердцевина - оболочка.

Основные положения диссертационной работы опубликованы: 1. Зубков А.И., Мзршов М.А..Мзслов В.А., Тарасова Т.Д., Левин В.М. Рассеяние света в полимерных светопроводящих волокнах. //Материалы. Всесоюзной конференции по технологии волоконных

световодов, г.Горький, 1982.

2. Зубков А.И..Марюков М.А., Каменцева Л,А., Иванова A.B.,. Тарасова Т.Д..Мзолов В.А.,Левин В.М. Об особенностях оптических свойств полимерных светопроводящих волокон. //Материалы 2 Всесоюзного семинара по проблемам развития компонентной базы СССПИ. МО СССР, 1933.

3. Марюков М.А. .Зубков А.И., Иванова Е.А. Приспособление к оптическому тестеру "Электроника ОТ-6" для измерения потерь в оптических Еолокпах, не заделанных в разъёмы'.//Приборы я техника эксперимента, 1985. No.5. С.216.

4. Зубков А.И.,Марюков М.А., Коломне« С.Н., Тарасова Т.Д. .Грибанов С.А., Дьячков А.Н., Скошшцева В.Н., Левин В.М. Влияние технологических параметров на оптические и физико-механические свойотва полимерных волокон. //Материалы 3 Всесоюзного семинара по проблемам развития компонентной базы СССПИ. МО СССР, 1985.

5. Вубков А.И. .Марюков М.А.,Тихонова Т.И. .Гончарова В. А. .Каминская Л.А., Коломиец С.Н., Тарасова Т.Д..Иванова Е. А. .Иванова A.B. .Левин В.М. Исследование влияния тепла, света и механических нагрузок па свойства полимерных оптических волокон.//Материалы 3 Всесоюзного семинара по проблема;-,! развития компонентной базы СССПИ. МО СССР, 1986.

6. Марюков М.А., Зубков А.И., Езрзн А.М., Левин В.М., Язботино-юш М.Е. Механизмы потерь энергии в полимерных световодах и методы их выявления.//Материалы 4 Международного симпозиума по-химическим волокнам. Г.Калинин, 1985. t.5. С.248-253.

7. Зубков А.И., Марюков М.А., Колошец С.Н. .Дьячков А.Н., Скошшцева в.Ii., Левин В.М. Влияние отруктуры материаля ядра ШВ на его оптические характеристики.//В сб. "Полимеры и оптические волоки" на их основе", г.Калинин, 1988. С.24 - 34. ,

8. Марюков М.А., Зубков А.И., Левин В.М. Об измерении потерь в полимерных ок.ических волокнах.//В сб."Полимеры и оптические волокна на их основе", г.Калинин, 1S88. С.83 - 91.

9. Марюксв М.А. Рассеяние света i полимерных световодах.//Квзн-товая электроника, 1988. Т.15. Ыо.5. С.1080 - 1083.

10. Зубков А.И.,Марюков М.А., Коломиец С.Н., Тарасова Т.Д. .Дьячков А.Н., Скопиацеиа В.Н. .Грибанов С.А. Влияние структуры материала ядра ШВ на его оптические свойства //В ^."материалы для полимерных оптических волокон.г.Дзержинск, 1988.С.28 - 39.

11. Мзркков М.А. Рассеиващаще свойства световодов из полимерных материалов.//В сб. "Материалы для полизлернш-; оптических ЮЛОКС".", Г.Дзержинск, 1988. C.2S6 - 289.

12. Марюков М.А. .Зубков А.И., .Иванова Е.А. Лриспособлеттэ для обработки торцов полимерного оптического волокла. //'Приборы и техника эксперимента, 1989. Но.З. С. 219.

J3. Пахонов . П.М., Марюков М.А., Каминская Л. А., Фентг В.А., Зубков k.M., Левин В.М. Влияние жесткого УФ-облучения па спектральные характеристики полимерных световодов.//Тезисы докладов 8 Всесоюзного координационного совещания по спектроскопии полимеров. Минск, 1989. С.91.

14. Марюков М.А. .Зубков А. И., Смирнов С. А., Пиккин М.П. Нераз-рушзкпцБ! метод измерений потерь в полимерных оптических волок-' нах.//Химические волокна, 1990. No.l. С.22 -24.

15. Марюков М.А.,Зубков А.И., Левин В.М. Механизмы потерь энергии з полимерных световодах и методы их выявления.//Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Волоконная оптика", Ы., 1990. С.444 - 445.

16. Пахомов П.М., Марюков М.А., Каминская Л. А., Левин В.М. Устойчивость полимерных световодов к воздействию жесткого У£>-излучения.//Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Волоконная оптика", М., 1990. С.442 - 443.

17. Зубков А.И.,Марюков М. А., Пиккин М.П., Тарасова Т.Д., Баран А.М., Лаврова З.Н., Скопинцевз В.Н., Левин В.М. Неоднородности структуры. оптических полимеров и их влияние на оптические характеристики полимерных световодов.//Тезисы докладов научно-технической конференции "Химические волокна и материалы на их основе." Л., 1990. С.67 - 68.

18. Марюков М.А.,Зубков А.И., Левин В.М. Экспериментальные методы исследования мехе::.:, мов по. --рь в полимерных оптических волокнах.//Тезисы докладов научно-технической конференции "Химические волокна и материалы на их основе." Л., 1990. С.70 - 71.

19. Зубков А.И.,Марюков М.А., Левин В.М., Иванова A.B., Каминская Л. А., Баран А.М., Коломиец с.Н., Скошшцева В.Н. Устойчивость оптических полимерных волркон к УФ-излучения.//В сб. "Радиационная стойкость органических материалов в'условиях космоса". М., НИИТЭХИМ, 1990. С.75 - 81.

20. Марюков H.A. Этеперименталькый метод оценки качества границы раздела сердцевина - оболочка в полимерных оветоводах.//Химические волокна, 1991. No.l. С.40 - 41.

21. Пахомов U.M., Марюков М.А., Левин В.М., Чеголя A.C. Влияние УФ излучения на светопропускание полимерного оптического волокна. //Журнал прикладкой спектроскопии, 1993. Т.59. No.1-2. С.92 - 95.

22. Пахомов П.М., Хикняк С.Д., Марюков М.А., Зубков АЛ1. Влзш-ние внешних факторов на . светопропускание поЬмерного оптического волокна.//В сб. "Физкко-хишш полимеров: синтез, свойства, применение". г.Тверь, 1995. С.4 - 1?.

23. Марюков М.А. Полимерные оптические Еолокна в декоративном светильнике: расчет оптимальной формы на основе теории упругос-ти..//В cö. "Физшсо-химия полимеров: синтез, свойства, применение": г. Тверь, 1.995.. С. 18 - 23.