Fibras ópticas de vidrio: Propiedades, aplicaciones, fabricación
Tipos de vidrio utilizados
Hay varios tipos de vidrio utilizados en la fibra óptica:
- Sílice de alta pureza: Este vidrio proporciona una claridad óptica excepcional y una baja atenuación. Tiene una apertura numérica de aproximadamente 0,2. Por lo tanto, es especialmente adecuado para aplicaciones como las telecomunicaciones.
- Sílice dopada: En comparación con la silicia de alta pureza, mejora el índice de refracción para aplicaciones especializadas. La apertura numérica suele estar entre 0,37 y 0,39. Las aplicaciones típicas incluyen sistemas de medición de fibra óptica.
- Vidrio multicomponente como el vidrio de borosilicato: Este tipo tiene la apertura numérica más alta de los tres. Las guías de luz de vidrio multicomponente ofrecen un ángulo de aceptación de hasta 120 grados, mientras que las guías de imagen pueden alcanzar ángulos de aceptación de hasta 180 grados y una apertura numérica de 1. Es personalizable para requisitos específicos de rendimiento y costo y se utiliza principalmente para aplicaciones de iluminación e imagen.
Comprender las propiedades y aplicaciones de las fibras ópticas de vidrio
Las fibras de vidrio son muy flexibles y no se ven afectadas por una serie de factores ambientales, como la exposición a productos químicos, las altas y bajas temperaturas o la presión. Además, no ofrecen ningún riesgo de interferencia eléctrica. Las características únicas de estas fibras las hacen esenciales para desarrollar sistemas fiables y eficientes en entornos difíciles, por ejemplo, para desacoplar dispositivos electrónicos como fuentes de luz, sensores o cámaras del área de aplicación real.¿Cómo funcionan las fibras ópticas de vidrio?
Principio de funcionamiento de la fibra óptica
Núcleo y revestimiento de fibras ópticas de vidrio
Transmisión de la luz
Las guías de luz transportan la luz de un extremo al otro. La disposición de las fibras de SCHOTT se puede aleatorizar para crear una iluminación muy homogénea.
Transmisión de imágenes
Las guías de imagen son capaces de transportar imágenes a larga distancia y ampliarlas, reducirlas o invertirlas. Cada fibra en la guía de imagen se puede ver como un solo píxel de imagen, lo que hace que la disposición de las fibras sea crítica.
Fibras monomodo vs. multimodo
Fibra monomodo
Las fibras monomodo tiene un núcleo reducido (< 10 µm) y un gran revestimiento. Como resultado, sólo un rayo de luz que se transmite, lo que conduce a una baja pérdida y sólo menor dispersión. Esas fibras generalmente se prefieren para datos com de larga distancia.
Fibra multimodo
Las fibras multimodo tienen un núcleo grande (> 10 μm) y un revestimiento pequeño. El núcleo grande permite que todos los rayos de luz en todos los ángeles por debajo del ángulo crítico viajen a lo largo de la fibra. Esto lo hace ideal para aplicaciones de iluminación e imagen.
Propiedades y ventajas clave de las fibras ópticas de vidrio
Gracias a sus propiedades técnicas, las fibras ópticas de vidrio ofrecen numerosas ventajas sobre otros materiales. Esto hace que las fibras ópticas de vidrio sean indispensables en las aplicaciones tecnológicas modernas.
¿Por qué las fibras ópticas de vidrio son flexibles?
Al calentar varillas de vidrio, es posible extraer fibras de vidrio que son tan delgadas como un cabello humano. La velocidad del proceso de estirado determina el grosor de la fibra, que a su vez determina la flexibilidad de la fibra. Cuanto menor sea el diámetro de la fibra, menor será el radio de curvatura. En este sentido, las fibras hechas de vidrio especial son incluso más flexibles y flexibles que las fibras de plástico.
La prueba de bucle de rotura se utiliza para probar la flexibilidad de las fibras de vidrio. Esto se realiza colocando una fibra de vidrio flexible en un bucle, que se aprieta más hasta que la fibra se rompe. Esta prueba ha demostrado que, por ejemplo, las fibras de vidrio con un grosor de 50 micrómetros pueden soportar un radio de curvatura de unos cinco milímetros.
Tipos de guías de fibra óptica
Las fibras ópticas de vidrio se pueden convertir en productos flexibles y rígidos, generalmente denominados guías o cables. Los cables de fibra óptica flexibles suelen ser más largos que los rígidos y normalmente se utilizan cuando el objetivo de inspección se encuentra a la vuelta de una esquina o en un espacio estrecho y de difícil acceso. Esto exige un alto nivel de flexibilidad y movimiento, requerido, por ejemplo, en endoscopios flexibles.
Las guías rígidas de luz o de imagen están formadas por haces de fibras fusionadas. Las aplicaciones típicas de iluminación incluyen guías de luz para equipos de odontología o endoscopios rígidos. Para aplicaciones de imagen, se utilizan para hacer una amplia gama de conos y placas frontales, que pueden transmitir imágenes ampliadas, reducidas o invertidas desde una superficie de entrada a una superficie de salida. Para dar un ejemplo del campo de la medicina: las placas frontales se utilizan en imágenes de rayos X. También hay disponibles variantes híbridas.
Cables de fibra óptica de vidrio: cómo se fabrican
Trefilado en fibra
Empaquetado y extrusión de precisión
a) Empaquetado de precisión
Varios haces primarios se reúnen para formar un haz de fibras final, con la disposición de fibras dentro de haces flexibles generalmente arbitraria. Para ciertas aplicaciones, puede ser necesario disponer las fibras en un patrón aleatorio (guía de luz) o un patrón específico (guía de imagen).
b) Extrusión
El haz de fibra final tiene la opción de revestirse con polímero en una línea de extrusión para formar un cable. En los procesos de montaje posteriores, los haces de fibra y los cables se cortan a medida según los requisitos del cliente y se equipan con manguitos finales.
Fin de la rescisión
Redibujar y remodelar
Esmerilado y pulido
Inspección de calidad
¿Por qué las fibras ópticas están hechas de vidrio?
Las fibras ópticas están hechas de vidrio debido a sus excepcionales propiedades ópticas, que incluyen alta claridad y baja atenuación. Las fibras de vidrio proporcionan una transmisión de luz fiable y eficiente, esencial para aplicaciones críticas en medicina, industria, aviación, automoción y defensa. Además, el vidrio ofrece propiedades mecánicas, térmicas y químicas excepcionales, lo que lo hace muy adecuado para su uso en entornos hostiles.
Vidrio vs. plástico en fibras ópticas
Si bien ambos materiales tienen usos específicos, las fibras ópticas de vidrio son superiores para aplicaciones de alto rendimiento. Ofrecen una menor atenuación, un mayor ancho de banda y una mejor resistencia ambiental en comparación con la fibra óptica de plástico.
1. Rendimiento lumínico superior
Las fibras ópticas de vidrio, fundamentales para las guías de luz flexibles y rígidas, ofrecen un rendimiento de transmisión de luz muy alto. El alto índice de reproducción cromática del vidrio garantiza una alteración mínima de la longitud de onda de la luz que entra y sale de la fibra. Las fibras de vidrio también cuentan con una gran apertura numérica de hasta 1, lo que permite que pase más luz e ilumine áreas más grandes con haces de fibras más pequeños. Por el contrario, las fibras ópticas de polímero están limitadas por restricciones de material a una apertura máxima de 0,5.
2. Fuerza y flexibilidad
Las fibras de vidrio combinan una resistencia excepcional con flexibilidad cuando se reducen a diámetros muy finos. Esta combinación única permite que las fibras de vidrio se fabriquen tan delgadas como 30 micras, lo que permite radios de curvatura estrechos. Por el contrario, las fibras poliméricas suelen tener diámetros a partir de 500 micras, que a menudo superan 1 mm. Para aplicaciones de imagen, las fibras de vidrio individuales pueden ser tan pequeñas como 4 micras de diámetro, lo que proporciona una alta resolución de píxeles e imágenes detalladas y claras.
3. Estabilidad térmica
El vidrio mantiene la estabilidad a temperaturas de hasta 350 °C, lo que hace que los haces de fibra de vidrio o las guías de luz rígidas sean adecuadas para aplicaciones a alta temperatura como la esterilización en autoclave en aplicaciones médicas o entornos industriales hostiles. Sin embargo, las fibras poliméricas generalmente soportan temperaturas de hasta 80 °C, lo que las hace inadecuadas para procesos de alta temperatura.
4. Flexibilidad de diseño
Los diámetros extremadamente pequeños de las fibras de vidrio permiten que un gran número de fibras individuales quepan en un haz compacto, lo que facilita geometrías complejas en espacios pequeños. Los haces de fibra de vidrio también pueden distribuir la luz de una sola fuente a múltiples ubicaciones de manera eficiente, mezclando luz LED roja, verde y azul para producir luz blanca homogénea. El mayor número de fibras de vidrio en un haz da como resultado una salida de luz más uniforme en comparación con las fibras de polímero más gruesas.
5. Resistencia química
La alta resistencia química del vidrio garantiza que permanezca inerte cuando se expone a agentes de limpieza, detergentes, ácidos, bases, solventes o pegamentos, lo que hace que los componentes de vidrio sean duraderos y fáciles de limpiar. Por el contrario, los polímeros pueden reaccionar con diversos productos químicos.Aplicaciones de las fibras ópticas de vidrio
¿Por qué SCHOTT?
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