光纤的强度拉不断一根细细的玻璃丝？

　　光纤只有125微米直径，和头发丝差不多（光纤历史），不少人问光纤会不会断呢？答案是：一定会断，但是并不容易断。玻璃纤维的强度被发现 光纤中有各种力的交织 光纤的瑕疵影响
　　玻璃纤维的强度被发现
　　几千年来，人类一直在利用玻璃的美丽与透明，同时承认它总是易碎的。但是1887年，英国科学家波伊斯 （Sir Charles Vernon Boys）建造了一座石弩，随后又将烧熔的玻璃棒绑在箭矢上，粘附于石弩。把弩箭射出去的同时拉出一根纤细的玻璃丝。波伊斯的目的是使用玻璃丝作为扭力弹簧，这是他的精密仪器的一部分，后来波伊斯精准测量出万有引力常数G，优化了卡文迪许早期测试结果。
　　英国科学家波伊斯 （Sir Charles Vernon Boys）建造了一座石弩
　　本来就想做根针，但是波伊斯却做出来一根线，这根玻璃细线长达27米，出乎意料的是这根玻璃线的强度丝毫不逊色与同等规格的钢丝。石弓实验让脆弱的玻璃的故事出现了翻转，为这种材料之后的广泛用途打开了大门（我们可以利用玻璃的强度）。
　　早期的专利，利用弓弩制备玻璃丝
　　光纤的这几个机械力的概念
　　应力（stress） ：无论是块状玻璃，还是玻璃纤维，应力总是存在。在连续体力学中，应力是一种物理量，表示连续材料的相邻粒子彼此施加的内力。举个例子，竖直放置的锤子，当实心的垂直杆支撑着头顶重量时，杆中的每个颗粒都会推到其正下方的颗粒上。液体一样，当液体在压力下处于密闭容器中时，每个粒子都会被所有周围的粒子推压。这些宏观力实际上是大量分子间力的碰撞的最终结果。
　　定量地看，材料中某个点在任一方向上的应力等于沿该方向作用在该点上的力（或载荷）除以该力的作用面积。若我们设某点的应力为s，则有，
　　应力的概念
　　其中，P为载荷或力，而A是P的作用面积
　　再举个例子，如果砖头重5千克，绳子的横截面积为2平方毫米（mm2），那么绳子的应力就是：
　　应力的概念是：材料中某个点在一个方向上的应力等于沿该方向作用的在该点的理货在和除以改立的作用面积。应力是任意单位的力除以任意单位的横截面积，这样有个麻烦，应力的单位不太容易统一，需要换算。
　　l 兆牛顿/平方米（MN/m2）。这是一个国际单位制的单位…
　　l 1.0牛顿=0.102千克力=0.225磅力（差不多相当于一个苹果的重量）。1兆牛顿=100万牛顿，约等于100吨力。
　　l 磅（力）/平方英寸（psi）。这是一个传统的英制单位，仍被工程师广泛使用。
　　应变（deformation） 是描述材料形变的量度。
　　应变的概念
　　对于遵循胡克定律的材料，斜率（应力与应变之比）为定值。
　　杨氏模量： 有时也被称为＂弹性模量＂（Elastic modulus），记作E，在平常的技术交流中它往往会被说成是＂刚度＂。
　　杨氏模量
　　回想一下刚才绳子挂砖头的例子，砖头的重量产生的24.5 MN/m2或3 600 psi应力的作用下，绳子被拉长了，产生了0.5%或0.005的应变。所以，绳子的杨氏模量就表达成：
　　杨氏模量也是PSI？因为我们是用应力去除以一个无量纲的分数，所以杨氏模量与应力具有同样的量纲，即以应力的单位表示。
　　瑕疵造成应力线不均匀
　　玻璃能承受的立非常大，＂鲁伯特之泪＂ 是一个很有趣的例子。一块玻璃快速冷却而形成的水滴状玻璃。有一个非常强坚硬的头，但是尾部是薄弱点。
　　玻璃-鲁伯特之泪
　　鲁伯特之泪是通过热胀冷缩引入了应力，这很类似拱桥结构（比如赵州桥）提供的力，这个应力展示出玻璃坚硬的一面，因此现代人们用玻璃做防弹、玻璃栈道，汽车挡风板… ＂鲁伯特之泪＂玻璃块的尾巴是薄弱点，较容易夹碎。这也是玻璃的＂脆弱＂。
　　鲁伯特之泪的尾巴部位是薄弱点，尾部细长（是很容易在冷却的时候达到内外的热平衡，之后有机会再聊一聊＂鲁伯特之泪＂的制造原理）就不存在刚才说的＂拱桥＂一样的应力了。就很容易在这个位置破坏玻璃的应力分布结构。一旦应力分布有缺口，会集中于缺口的端点处，必然导致强度减弱。
　　切割应力线造成瑕疵
　　生活中很多地方利用了材料的瑕疵带来的方便。比如撕纸的时候要先裁一个小口。邮票会通过打孔，便于撕开。密封包装上会留一个小缝，这样便于打开。
　　生活中切割应力线的例子
　　光纤中如果存在瑕疵，其实是一个道理，瑕疵点都是薄弱点。造成瑕疵的原因也比较多，有些是工艺过程中光纤外部受损，有些是材料中存在杂质，也有冷却过程中的不均匀。瑕疵改变了纤维的应力曲线，光纤强度就差了（其实光学性能也差了）。所以光纤生产条件一般比较苛刻；光纤生产之后，一定要经过张力筛选。
　　光纤的主要成分是二氧化硅，理论上具有极高的机械强度，其断裂应力可表示为：
　　其中，E为杨氏模量，其值为72.2GPa=7367kg/mm2；r为物质表面能，其值为7*10-5kg/mm2；a为原子间键长，其值为2*10-7mm。
　　代入方程可计算得到光纤的理论断裂应力约为1684kg/mm2。如果以常规的单模光纤为对象，其直径为125um，对应横截面积A=1.23*10-2mm2，由此得到σtheory=20.7kg。而在实际中，由于瑕疵的存在，光纤的拉伸强度一般在0.6kg ~ 7.36kg。
　　当光纤表面的瑕疵为裂缝时，可以用如下公式来表征理论断裂应力σtheory同实际断裂应力σ的关系：
　　这里，2c为裂缝长度，ρ为裂缝尖端曲率半径。如果以最恶劣的裂缝形状来计算，即裂缝尖端曲率半径取10-3um（原子间距数量级），当裂缝长度为5um时，计算得到断裂应力σ =0.21kg，降低为理论断裂应力的百分之一。
　　正因为瑕疵的存在，当光纤生产出来后，必须经过张力筛选，以确保光纤强度满足使用的要求。
　　张力筛选有多种方式，如恒定应力筛选、恒定轴向应变筛选、恒定弯曲应变筛选等。其中应用较为广泛的是恒定应力筛选，目前国际上对普通单模光纤（G652）的恒定应力筛选水平是0.69GPa（约102kg/mm2），也就是通常所说的1％筛选应变。通过这样的筛选可以保证所使用的光纤在正常使用情况下25年内不会发生断裂。
　　光纤需要张力筛选
　　恒定应力筛选装置工作原理和实际设备见上图，A、C是驱动轮，B是自由运动轮，重物W加载在B轮上，提供恒定应力T。光纤与A、B、C三轮之间应有较高的摩擦系数，使滑动减少到最低的程度，一般采用加压皮带的方式来实现。放线张力Tin和收线张力Tout不应超过恒定应力T的10%。
　　张力筛选只是光纤经受考验的第一步，仅仅是筛除掉强度不够的光纤，对于光纤的实际应用来说，还需要进一步考察其性能和可靠性。
　　熊猫保偏光纤相较于普通单模光纤，虽然结构上只是在纤芯周围多了两个应力区，但其制作工艺要复杂很多，尤其是在打孔、取棒等加工过程中，势必会对棒体造成损伤，虽然在工序的后处理和拉丝过程中，会消除部分裂纹，但依然会有残留瑕疵留存于棒体中，这些都会影响保偏光纤的强度。
　　保偏光纤的张力筛选方式同普通单模光纤并没有区别，但在完成1%应变的张力筛选后，通常还会继续对其静态疲劳因子进行测试，以评估其在通常情况下的使用寿命。
　　此外，用过保偏光纤的朋友有经验，切割或者端面磨抛时候容易开裂。光纤本身需要有一定的应力，这其实增强了光纤的强度。但在保偏光纤应力区这个特殊位置，磨抛和切割，是在创造＂瑕疵点＂，所以非常容易开裂（甚至炸裂）。特别是那些掺杂浓度较高，加之拉丝时冷却速度较快的保偏光纤，其切割就成难题了。
　　光纤切割
　　普通单模光纤切割时，沿光纤轴向施加拉力，然后用切割刀片对光纤擦划，拉力导致划痕在光纤垂直于拉力方向的平面上传播，使光纤断开。而对保偏光纤，为防止应力区开裂，通常采用斜切的方式，即切割前同时对光纤施加微小的拉力和扭力，在切割刀片对光纤擦划后，缓慢增大拉力，使划痕在光纤上以垂直于拉力和扭力的合力方向传播，从而完成切割。
　　块状玻璃也一样，平时生活中就有经验，块状玻璃炸裂情况还是比较常见。这也通常是因为玻璃表面存在划痕或微小瑕疵导致强度下降引起的。玻璃表面的缺陷，大多数是同固体摩擦产生，典型例子就是在制造过程中同另一块玻璃的摩擦。
　　生活中玻璃碎裂的例子
　　小结
　　通讯行业利用光纤时候，最重要性能是光学方面的指标，衰减、色散等等；然而机械性能也是应用过程中非常关键的，非常容易断裂并不适用常规的操作，成熟的产品必然是方方面面的性能（光纤到户，常常因为因为网线真的断了，运营公司要忙死）。
　　玻璃材料其实是一个很庞大的家族，比如硫系玻璃材料的机械性能并不好，但是由于在红外波长段的优秀光学表现，超高的非线性系数，也易于实现稀土掺杂等等的特点，在很多特殊场景一定需要使用（这个时候也是忽略机械性能的）。