Fiber optik suya dayanıklı mı? | Fiber optikler suya veya neme karşı hassas mıdır?

OFSCN Global Teknik Merkezi OFSCN Teknik Bilgi Bankası
1

Fiber optik suya batırılırsa ışık geçebilir mi? Cam bozulur mu?

2

Optik fizik ve malzeme mühendisliği açısından bu, çok klasik ve mühendislik uygulamalarında titizlikle ele alınması gereken bir sorundur. İşte su altındaki fiber optiklerin ışık sinyali iletim yeteneği ve kuvars camın suda “bozulup bozulmayacağı” hakkındaki ayrıntılı akademik açıklama:

1. Suya batırılmış bir fiber optik içinde ışık iletilebilir mi?

Cevap: Evet, ışık normal şekilde iletilebilir.

Fiber optiklerin ışık iletiminin fiziksel prensibi Toplam İç Yansıma (Total Internal Reflection, TIR)'dir. Standart silika (kuvars) tek modlu veya çok modlu fiber optiklerde ışık, çekirdek içinde sınırlı kalır:

  • Çekirdek kırılma indisi genellikle n_1 \approx 1.46 civarındadır.
  • Kaplama kırılma indisi genellikle n_2 \approx 1.45 civarındadır.

Çekirdek kırılma indisi n_1 kaplama kırılma indisi n_2 'den büyük olduğu için, gelen ışığın açısı toplam iç yansıma koşulunu sağladığı sürece, ışık çekirdek ve kaplama arasındaki arayüzde toplam iç yansımaya uğrayacak ve ileri doğru yayılacaktır.

Fiber optiğin dışı tamamen su (kırılma indisi n_{water} \approx 1.33 ) ile çevrili olsa bile, toplam iç yansıma süreci kaplama ile dış ortam arasındaki arayüzde değil, çekirdek ve kaplama arasındaki arayüzde gerçekleştiği için, dışarıdaki su çekirdek içindeki toplam iç yansıma koşulunu bozmaz. Fiberin kaplama ve çekirdek yapısında fiziksel bir hasar olmadığı sürece, ışık sinyalinin iletim süreci anında etkilenmez.

2. Kuvars cam uzun süre suya maruz kaldığında “bozulur” mu?

Cevap: Fiziksel ve kimyasal özelliklerinde bozulma (genellikle camın “yaşlanması” veya “statik yorulması” olarak adlandırılır) meydana gelir.

Silika (silikat camı) oda sıcaklığı ve atmosfer basıncında nispeten kararlı kimyasal özelliklere sahip olsa da, uzun süre nemli veya doğrudan suya batırılmış ortamlarda kuvars cam aşağıdaki üç önemli bozulma mekanizmasına uğrar:

(1) Hidroksil ( \text{OH}^- ) iyonu difüzyonu ve su tepe absorpsiyonu

Su molekülleri ( \text{H}_2\text{O} ) kuvars cam matrisi içine son derece yavaş bir şekilde yayılır ve silikon dioksit ( \text{SiO}_2 ) matrisi ile reaksiyona girerek silikon hidroksil ( \text{Si-OH} ) oluşturur.
Yakın kızılötesi spektral bölgede, hidroksil, özellikle \lambda = 1383\text{nm} civarında (genellikle “su tepe” olarak adlandırılır) güçlü moleküler titreşim absorpsiyonuna neden olur. Bu durum, ıslatma süresi uzadıkça fiberin iletim kaybının (sinyal zayıflaması) artmasına ve sinyalin etkili iletim mesafesinin kısalmasına neden olur.

(2) Gerilim korozyonu ve statik yorulma (mikro çatlak yayılması)

Herhangi bir kuvars fiber yüzeyinde mikroskobik düzeyde submikron düzeyinde küçük çatlaklar bulunur. Fiber mekanik gerilime (eğilme veya çekme gerilimi gibi) maruz kaldığında ve neme maruz kaldığında, su molekülleri çatlak ucundaki yüksek gerilimli siloksan bağlarına ( \text{Si-O-Si} ) nükleofilik saldırı yaparak hidroliz reaksiyonuna girer:

\text{Si-O-Si} + \text{H}_2\text{O} \to 2\text{Si-OH}

Bu reaksiyon, kuvarsın ağ yapısını keserek, mikro çatlakların camın normal kırılma limitinin çok altındaki gerilimlerde sürekli olarak içe doğru yayılmasına neden olur. Bu olguya Statik Yorulma (Static Fatigue) veya Gerilim Korozyonu (Stress Corrosion) denir ve sonunda fiberin harici güçlü bir darbe almadan aniden gevrekleşerek kırılmasına yol açar.

(3) Kaplama arızası

Standart fiber optiklerin dışındaki poliakrilat gibi kaplamalar neme dayanıklı değildir; su molekülleri kolayca nüfuz eder ve cam kaplama ile kaplama arasındaki arayüzde birikir, bu da kaplamanın soyulmasına (delaminasyonuna) neden olur, kuvars camı doğrudan neme maruz bırakır ve yukarıdaki yorulma hasarı sürecini hızlandırır.

3. Mühendislikte su geçirmezlik ve hava geçirmezlik koruma çözümleri

Gerçek deniz iletişimi, yer altı petrol ve gaz arama, su altı algılama gibi zorlu nemli ortamlarda, fiber optiklerin uzun vadeli mekanik ömrünü ve iletim performansını sağlamak için özel fiber kaplama veya kapsülleme teknikleri kullanılmalıdır:

  1. Hava geçirmez metal/karbon kaplama: Cam yüzeyin doğrudan ince bir karbon veya metal (altın gibi) tabakası ile kaplanması, su moleküllerinin camla temasını engeller.
  2. Metal dikişsiz boru kapsüllemesi (Fiber in Metal Tube, FIMT): Bu, optik mühendisliğinde uzun vadeli su geçirmezlik için en etkili fiziksel bariyer olarak kabul edilir.

OFSCN® tarafından, çeşitli su basmış, nemli ve yüksek basınçlı ortamlar için, dikişsiz çelik boru kapsülleme teknolojisine sahip standart kablolar ve fiber Bragg Grating (FBG) sensörler tasarlanmış ve sunulmuştur. Bu teknolojiler, dikişsiz çelik boru aracılığıyla nem ve hidrojen gazının girişini tamamen engeller, sistemin yüksek güvenilirliğini garanti eder: