Могут ли оптические волокна передавать инфракрасное тепловизионное изображение?

Глобальный технический центр OFSCN Техническая база знаний OFSCN
1

Почему обычное волокно не может передавать тепловизионный свет? Какой специальный материал для этого нужен?

2

Обычные оптические волокна не могут передавать световые волны от тепловизоров. Основная причина заключается в собственных механизмах поглощения инфракрасного излучения материалами и ограничениях оптической структуры для формирования изображений. Ниже представлен систематический анализ с точки зрения физики твердого тела, материаловедения оптических материалов и принципов формирования изображений:

I. Физический механизм: Почему обычное кварцевое волокно не может передавать тепловизионный свет?

1. Физические различия в целевых диапазонах длин волн

  • Рабочий диапазон тепловизоров:
    Согласно закону излучения Планка и закону смещения Вина (\\lambda_{\\max} T = b), тепловое излучение объектов, находящихся при температуре от комнатной до нескольких сотен градусов Цельсия, в основном сосредоточено в следующих диапазонах:
    • Средний инфракрасный (MWIR): 3\\ \mu\\text{m} \sim 5\\ \mu\\text{m} ;
    • Дальний инфракрасный (LWIR): 8\\ \mu\\text{m} \sim 14\\ \mu\\text{m} .
  • Диапазоны связи и датчиков обычных оптических волокон:
    В основном работают в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR/SWIR), таком как 850\\text{ nm}, 1310\\text{ nm}, 1550\\text{ nm} (1.55\\ \mu\\text{m}) и простирается примерно до 2\\ \mu\\text{m}.

2. Предел многофононного поглощения диоксида кремния (\\text{SiO}_2) (Инфракрасный срез)

Обычные оптические волокна изготавливаются из плавленого диоксида кремния (высокочистое кварцевое стекло). В инфракрасном диапазоне затухание света в основном определяется многофононным поглощением (Multiphonon Absorption), обусловленным колебаниями кристаллической решетки:

  • Связь \\text{Si}-\\text{O} в молекуле диоксида кремния имеет относительно сильную силу связи и малую массу атомов, а длина волны основной частоты ее собственных колебаний находится в районе 9\\ \mu\\text{m} \sim 10\\ \mu\\text{m}.
  • Благодаря действию обертонов и комбинационных частот, при длинах волн более 2\\ \mu\\text{m} потери на поглощение света кварцевой подложкой начинают резко возрастать; после 2.4\\ \mu\\text{m} \sim 2.5\\ \mu\\text{m} кварцевое стекло становится практически непрозрачным для инфракрасного света, а потери могут достигать сотен или тысяч \\text{dB/m}, что приводит к полному затуханию сигналов теплового излучения в диапазонах MWIR и LWIR на расстоянии от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.

II. Какие специальные материалы необходимы для передачи света тепловизора?

Чтобы сдвинуть окно пропускания оптического волокна в средне- и дальний инфракрасный диапазоны, необходимо использовать материалы, состоящие из более тяжелых атомов с меньшей силой связи химических связей, чтобы снизить частоту основных колебаний решетки (красный сдвиг края поглощения). Основные материалы инфракрасных оптических волокон, используемые в настоящее время в инженерии и научных исследованиях, включают:

  1. Волокна из халькогенидных стекол (Chalcogenide Glass Fibers)

    • Химический состав:
      В основном это аморфные стекла, состоящие из халькогенных элементов (\\text{S}, \\text{Se}, \\text{Te}) и тяжелых атомов, таких как германий ( \\text{Ge} ), мышьяк ( \\text{As} ), сурьма ( \\text{Sb} ) (например, системы \\text{As}_2\\text{S}_3, \\text{As}_2\\text{Se}_3, \\text{Ge-As-Se-Te}).
    • Оптическое окно:
      Диапазон пропускания обычно охватывает 1.5\\ \mu\\text{m} \sim 12\\ \mu\\text{m}, являясь основным гибким оптическим проводящим диэлектриком, охватывающим MWIR (3\\ \mu\\text{m} \sim 5\\ \mu\\text{m}) и часть LWIR (8\\ \mu\\text{m} \sim 12\\ \mu\\text{m}).

  2. Многокристаллические галогенидные инфракрасные волокна (Polycrystalline Halide Fibers, PIR)

    • Химический состав:
      В основном твердые растворы кристаллов галогенидов серебра (например, \\text{AgCl}_x\\text{Br}_{1-x}).
    • Оптическое окно:
      Диапазон передачи может достигать 3\\ \mu\\text{m} \sim 18\\ \mu\\text{m}, полностью охватывая атмосферное окно 8\\ \mu\\text{m} \sim 14\\ \mu\\text{m}, в котором работают тепловизоры дальнего инфракрасного диапазона.

  3. Волокна из фторидных стекол (Fluoride Glass Fibers)

    • Химический состав:
      В основном состоят из фторидов тяжелых металлов, наиболее распространенным является \\text{ZBLAN} (\\text{ZrF}_4\text{-BaF}_2\text{-LaF}_3\text{-AlF}_3\text{-NaF}).
    • Оптическое окно:
      Диапазон пропускания составляет 0.3\\ \mu\\text{m} \sim 4.5\\ \mu\\text{m}, имеет чрезвычайно низкие потери в первой половине средне-инфракрасного диапазона, но не подходит для тепловизоров дальнего инфракрасного диапазона.

  4. Полостные микроструктурные оптические волокна (Hollow-Core Photonic Bandgap / Anti-Resonant Fibers)

    • Принцип структуры:
      Свет удерживается в полом сердечнике благодаря эффекту антирезонанса или фотонно-кристаллического запрещенного диапазона в микроструктурной оболочке. Поскольку большая часть светового поля распространяется в воздухе или инертном газе, это позволяет избежать инфракрасного поглощения твердотельного материала матрицы, и теоретически возможно также наведение средне-инфракрасных диапазонов.

III. Инженерные различия между передачей “света” и “изображения”

  • Одиночное оптическое волокно:
    Может служить только направляющим элементом точечного детектора (то есть передавать сигнал энергии одной интенсивности или спектральный сигнал, используемый для одноточечного измерения температуры или спектрального анализа).
  • Тепловизионная съемка (передача изображения):
    Требуется когерентный инфракрасный пучок оптических волокон (Coherent Infrared Fiber Image Bundle). Этот пучок состоит из десятков тысяч до сотен тысяч инфракрасных оптических волокон микронного класса. Положение сердечников в пучке должно быть строго пространственно выверено один к одному (упорядоченно), чтобы обеспечить полную передачу и восстановление теплового изображения.

IV. Пояснение технологических границ продукта

Серия специальных оптических волокон Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) (например, высокотемпературные волокна с полиимидным покрытием, волокна с большим сердечником и позолоченные волокна) в основном изготавливается на основе плавленого кварца (\\text{SiO}_2). Их окно пропускания обычно составляет 200\\text{ nm} \sim 2400\\text{ nm} (0.2\\ \mu\\text{m} \sim 2.4\\ \mu\\text{m}) и в основном применяется для оптоволоконной дифракционной решетки (FBG), промышленной связи в ближнем инфракрасном диапазоне и мониторинга в суровых условиях.

Волокна для передачи света в средне-дальнем инфракрасном диапазоне (халькогенидные стекла, многокристаллические галогениды серебра) и пучки волокон для передачи инфракрасных изображений не входят в основную линейку продукции Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®). Для создания комплексной системы гибкой передачи изображений тепловизоров рекомендуется использовать специализированные когерентные пучки волокон из халькогенидных стекол или галогенидов серебра.