WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

Попов Сергей Михайлович

ВЛИЯНИЕ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

НА ОПТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ

С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ПОКРЫТИЯМИ

Специальность 01.04.21 – лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва - 2012 г.

Работа выполнена в Фрязинском филиале Федерального Государственного бюджетного учреждения науки Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук

Научный руководитель:        Чаморовский Юрий Константинович

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник,

ведущий научный сотрудник ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН

Официальные оппоненты:                               Семенов Сергей Львович

доктор физико-математических наук,

зав. лабораторией специальных волоконных световодов

Научный центр волоконной оптики РАН

  Бутов Олег Владиславович

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Ведущая организация: ОАО Центральный научно-исследовательский технологический институт "Техномаш"

Защита состоится 01 октября 2012 г. в 15 час на заседании диссертационного совета Д002.063.03 при ИОФ РАН по адресу г. Москва 119991, ул. Вавилова, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН

Автореферат разослан        «….» 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета                                                        /Т.Б. Воляк/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Последнее время появилась потребность в волоконно-оптических датчиках (ВОД) температуры и давления, которые должны функционировать в диапазоне от
–100 С до 1000 С, что необходимо для распределённых систем мониторинга температуры и жизнеобеспечения человека. Ключевым элементом таких ВОД являются оптические волокна (ОВ), которые способны работать при повышенных температурах. Хорошо известно, что «обычные» ОВ могут работать лишь при температурах до 85 С [1, 2] из-за деградации покрытия при повышенных температурах, что объясняется свойствами материалов (полимеров), покрывающих незащищенное ОВ. Поэтому обычные ОВ c покрытием из полимера не годятся для построения высокотемпературных ВОД. Решением этой проблемы является использование различных металлов (медь, алюминий и сплавы на их основе) [3, 4] в качестве внешнего покрытия ОВ. На данный момент работы по созданию металлизированных ОВ ведутся как в России (НЦВО РАН, ГОИ им. С.И. Вавилова, ФИРЭ им. В.А Котельникова РАН), так и за рубежом (Silicon Lightwave Techology, Moritex Optocom Company, Fiberguide Industry).

При высокотемпературном применении металлизированных ОВ в них происходят различные процессы, которые приводят к изменению спектрального пропускания таких ОВ. Изучение оптических свойств металлизированных ОВ и процессов, протекающих в них при нагреве, необходимо для выбора оптимальной конструкции металлизированного ОВ, которое сможет работать при высоких температурах с минимальными оптическими потерями. На момент начала работы над данной диссертацией уже были известны основные причины увеличения потерь излучения в металлизированных ОВ с покрытием из меди и алюминия. Оптические потери (на OH-группах, микроизгибные потери, УФ-поглощение) были исследованы достаточно подробно лишь в области температур от –60 до 300 С [4-6]. Однако, как зависит уровень микроизгибных оптических потерь при высоких температурах от параметров структуры (внешнего диаметра, состава покрытия, разности показателей преломления (ПП) сердцевина-оболочка, n), так и не было представлено. Кроме того, в работе [4, 6] прямо указывалось, что при температурах t > 300 С наблюдается необратимое увеличение оптических потерь, что требует дальнейших исследований.

В ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН освоена технология производства металлизированных ОВ длиной до нескольких километров с приемлемым уровнем оптических потерь (<3 дБ/км на  = 1300 и 1550 нм при t = 20 C). Данные ОВ являются перспективными и могут практически использоваться в распределённых системах мониторинга температуры и давления с рабочими длинами несколько километров. Такие длины определяют основную задачу исследования, а именно уменьшение величины оптических потерь в длинных металлизированных ОВ при высоких температурах. Известно, например, что оптические потери прямо влияют на рабочую длину и точность измерения температуры в системах распределённого измерения температуры.

В данной работе используются как многомодовые (MM) ОВ с градиентным профилем показателя преломления (ППП) световедущей сердцевиной, легированной GeO2+SiO2 (для измерительных систем на основе комбинационного рассеяния), так и одномодовые (SM) ОВ для измерительных систем на основе рассеяния Мандельштама–Бриллюэна. Для вытяжки металлизированных ОВ использованы заготовки, изготовленные методом MCVD с германо-силикатной (SiO2 + GeO2) и германо-силикатно-фосфатной (SiO2 + GeO2 + P2O5) сердцевиной с применением как кислородно-водородной горелки (технология MCVD), так и электропечи (технология FCVD). В качестве металлических покрытий ОВ использовались медь, алюминий и сплавы на их основе.

Цель работы

Целью настоящей работы являлось изучение дополнительных оптических потерь в металлизированных ОВ при их нагреве, а также поиск путей их снижения. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

  1. Анализ дополнительных оптических потерь, обусловленных поглощением на гидроксильных OH-группах, потерь на микроизгибах и потерь, связанных с коротковолновым поглощением в металлизированных ОВ при их нагреве.
  2. Исследование влияния характеристик металлизированного ОВ (внешний диаметр, тип покрытия, материал световедущей сердцевины, разность ПП сердцевина–оболочка, влияние внешней среды) на прирост оптических потерь при нагреве.
  3. Определение предельной температуры, времени эксплуатации и величины оптических потерь, при которой ещё сохраняется работоспособность металлизированных ОВ.

Научная новизна

Впервые проведены исследования характера и причин увеличения оптических потерь в металлизированных ОВ при температурах выше 300 С на основе современных материалов (стекло Heraeus F-300) c применением MCVD и FCVD метода изготовления заготовок с низким начальным содержанием OH-групп. До этого времени основное внимание в работах уделялось лишь прочности металлизированных ОВ, а оптические потери изучались лишь при температурах до 300 С.

Показано, что на величину оптических потерь в металлизированных ОВ влияет как материал покрытия (медь или алюминий) и материал сердцевины (SiO2 + GeO2 или SiO2 + GeO2 + P2O5), так и среда, в которой происходит нагрев волокна.

Экспериментально получены температурные границы обратимости и необратимости величины дополнительных микроизгибных оптических потерь в металлизированных ОВ при высоких температурах. Дано объяснение такого поведения металлизированных ОВ с точки зрения упругой и неупругой деформации металлов.

Показано влияние различных параметров металлизированного ОВ: разницы ПП сердцевина–оболочка, диаметра ОВ, толщины металлического покрытия и состава покрытия на величину прироста микроизгибных потерь.

Впервые получены прямые экспериментальные данные увеличения сигнала рассеяния Рэлея при экстремально высоких температурах до 1000 C в металлизированных ОВ с покрытием из медно-алюминиевого сплава.

Экспериментально достигнут температурный предел (950 C) работоспособности металлизированных ОВ с покрытием из медно-алюминиевого сплава. При превышении этого предела ОВ механически разрушаются.

Практическая ценность

Получены экспериментальные зависимости влияния различных параметров ОВ (разность ПП сердцевина–оболочка, диаметр ОВ) на величину микроизгибных оптических потерь в металлизированных ОВ с покрытием из медно-алюминиевого сплава при температурах до 700 С.

На основе экспериментальных результатов даны практические рекомендации для создания металлизированных ОВ, способных работать при высоких температурах.

Экспериментально показана возможность долгосрочного использования металлизированных ОВ при температурах более 300 С с приемлемым уровнем оптических потерь (до 7 дБ/км на = 1550 нм).

Полученные экспериментальные результаты позволили создать металлизированное ОВ, которое после выдержки при температуре 700 С в течение 7 час имело оптические потери 2–3 дБ/км на = 1300 нм. В настоящее время по разработанной технологии данные металлизированные ОВ могут быть использованы в системах жизнеобеспечения для мониторинга пожаров.

Защищаемые положения

  • В ОВ с покрытием из алюминия при нагреве на воздухе до температур свыше 300 С наблюдается рост оптических потерь, связанных с поглощением света молекулами водорода на длине волны  = 1240 нм и гидроксильными ионами на длинах волн = 950, 1240, 1389 нм. В ОВ с покрытием из медно-алюминиевого сплава при тех же условиях подобное увеличение оптических потерь не наблюдается. При одинаковых условиях нагрева различие оптических потерь для указанных покрытий достигает величины 80–90 дБ/км на длине волны = 1389 нм.
  • Использование в качестве металлического покрытия ОВ медно-алюминиевого сплава вместо чистой меди в 5–10 раз уменьшает дополнительные потери, связанные с окислением покрытия, и приводит к сдвигу температурной области минимума дополнительных микроизгибных оптических потерь с t = 200–250 C до t = 600–700 С.
  • Добавление алюминия к медному покрытию ОВ приводит к увеличению уровня микроизгибных потерь на длине волны = 1300 нм с < 10 дБ/км до = 50–100 дБ/км при термоциклировании ОВ в интервале температур t = 20–400 С.
  • ОВ с германо-силикатной сердцевиной и с покрытием из медно-алюминиевого сплава сохраняют свою работоспособность до температуры t = 950 С в течение 10 мин с уровнем оптических потерь < 10 дБ/км в диапазоне длин волн = 800–1600 нм.

Апробация работы

Материалы диссертации были представлены в 11 публикациях, из них 5 входящих в перечень ВАК. Основные результаты диссертационной работа были представлены на Всероссийской конференции по волоконной оптике г. Пермь 2009 и 2011 гг. и на конференции молодых учёных им. И. В. Анисимкина г. Москва в 2008 и 2009 гг. Была получена грамота за лучший доклад на конференции молодых учёных г. Фрязино 2010 г. Работа апробировалась на конференции общества Попова в 2010 г. и на международной конференции “Квантовая электроника” г. Минск. В 2011 г. работа докладывалась на международной конференции “Лазеры измерения информация” г. Санкт-Петербург.

Личный вклад автора

Диссертационная работа представляет собой обобщение работ автора, выполненных совместно с сотрудниками лаборатории №226 ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. В работах, включённых в диссертацию, автор участвовал в сборке экспериментальной установки, проводил основной объём экспериментов, осуществлял анализ, обобщал результаты и формулировал выводы на их основе. Все выносимые на защиту результаты и положения диссертационной работы получены и разработаны лично автором или при его непосредственном участии. Все экспериментальные образцы, которые исследовались в работе, изготавливались сотрудниками лаборатории.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 148 страниц печатного текста, содержит 56 рисунков, 46 формул, 5 таблиц. Список цитируемой литературы включает 131 ссылку.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и её научная новизна. Кратко изложено основное содержание диссертации по главам. Освещена апробация работы.

Первая глава диссертации посвящена истории создания металлизированных ОВ (рис. 1), а также в ней рассмотрены ранее известные механизмы оптических потерь в металлизированных ОВ при высоких температурах. На основании литературного обзора следует что:

  • В литературных источниках очень мало систематизированной информации об оптических потерях в металлизированных ОВ при температурах t > 300 C. Исследования в основном касались ОВ с покрытиями из полимеров. Однако, опираясь на литературный обзор, можно предположить, что основные механизмами поглощения излучения в металлизированных ОВ при высоких температурах (t > 300 C) следующие: микроизгибные оптические потери, поглощение на OH-группах, поглощение на молекулярном водороде.
  • Отсутствует информация о влиянии среды, в которой производится нагрев металлизированных ОВ, на величину оптических потерь при высоких температурах.
  • Отсутствует информация о влиянии параметров волноводной структуры ОВ (разность ПП сердцевина–оболочка, диаметр ОВ, толщина материала покрытия) на величину микроизгибных оптических потерь при высоких температурах в металлизированных ОВ.
  • В работе [4] утверждается, что в ОВ с покрытием из металла рост оптических потерь при температурах t>300 C имеет необратимый характер и нуждается в проверке.

Вторая глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию оптических потерь в металлизированных ОВ при температурах до t = 400 С. Для исследований была собрана установка, которая состояла из спектр-анализатора YORK S15 (600–1650 нм со встроенным источником излучения и синхроусилителем), оптического рефлектометра (OTDR) (850, 1300, 1550 нм) и электропечи с электронным управлением температурой tmax = 1100 C (точность ~0.2 C). Производился нагрев двух многомодовых металлизированных ОВ с различным металлом покрытия (покрытие из медно-алюминиевого сплава и чистого алюминия) при температурах до t = 400 С, с внешним диаметром 200 мкм, изготовленные MCVD методом с применением кислородно-водородной горелки.

Впервые обнаружено, что ОВ с покрытием из алюминия характеризуются большим ростом оптических потерь на OH-группах ( = 18 дБ/км на = 1.24 мкм и = 90 дБ/км на =1.39 мкм), чем в ОВ с покрытием из медно-алюминиевого сплава ( = 6 дБ/км на = 1.39 мкм) при t > 300 C в среде воздуха. Кроме того, в металлизированных ОВ с покрытием из алюминия наблюдается значительный рост оптических потерь, обусловленных поглощением на молекулярном водороде ( = 1.24 мкм) в сердцевине световода вследствие окисления алюминиевой оболочки согласно химической реакции

3Al + 3H2O→Al2O3 +3H2.                                        (2)

Данное явление было показано через соотношение

,                                        (3)

где – величина отклонения соотношений линий поглощения на = 1240 и 1389 нм, дБ/км; 1240 и 1389 – оптические потери на 1240 и 1389 нм. Тогда в случае поглощения только OH-группами получим ~ 0, а при наличии к тому же вклада молекулярного водорода  > 0. Результат расчётов приведён на рис. 2. Подобный эффект выделения молекулярного водорода наблюдается лишь в металлизированных ОВ с покрытием из алюминия. В металлизированных ОВ с покрытием из медно-алюминиевого сплава происходит лишь окисление металлического покрытия. Поэтому в качестве покрытий для металлизированных ОВ следует использовать медь и другие металлы, находящиеся в правой части электрохимического ряда напряжения материалов.

Также было обнаружено, что в металлизированных ОВ с покрытием из алюминия наблюдается рост оптических потерь в коротковолновой области (от 800 до 1100 нм), который отсутствует у волокон с покрытием из медно-алюминиевого сплава. Данное явление не объясняется ростом рассеяния Рэлея. Предполагается, что это вызвано образованием электронных переходов в сердцевине световода из-за наличия молекулярного водорода.

В дальнейшем было выполнено исследование влияния материала легирования сердцевины на оптические потери на OH-группах при t = 400 С (рис. 3) в металлизированных

ОВ с покрытием из алюминия диаметром 125 мкм с применением электропечи вместо кислородно-водородной горелки и использовании кварцевого стекла Heraeus F-300 [7].

Было обнаружено, что величина оптических потерь на OH-группах зависит от типа легирующей примеси сердцевины (у сердцевины легированной GeO2+P2О5 она больше, чем у сердцевины легированной GeО2), что объясняется большей скоростью образования OH-групп [8].

Было исследовано влияние среды (аргон или воздух), в которой производился нагрев металлизированного ОВ с покрытием из алюминия, на оптические потери на OH-группах при t > 300 C (рис. 4). Обнаружено, что в инертной среде рост оптических потерь значительно выше, чем при нагреве в воздушной среде, что объясняется образованием в среде воздуха герметичной плёнки Al2О3.

Кроме того, исследована стабильность величины оптических потерь в металлизированных ОВ с покрытием из медно-алюминиевого сплава и алюминия при выдерживании последних при комнатной температуре в течение продолжительного времени. Показано, что металлизированное ОВ с покрытием из медно-алюминиевого сплава при выдерживании в течение 15 месяцев при комнатной температуре характеризируется стабильностью оптических потерь на микроизгибах и OH-группах (рис. 5) в отличие от ОВ с покрытием из алюминия.

В ходе исследований было обнаружено, что зависимость микроизгибных потерь в металлизированных ОВ от температуры изменяется различным образом для ОВ с разным типом покрытия (медь или алюминий) и отличается от экспериментальных результатов, показанных в литературном обзоре, что потребовало исследований, выполненных в третьей главе.

Третья глава диссертации посвящена исследованию микроизгибных потерь. Показан общий характер изменения величины микроизгибных потерь в металлизированных ОВ с покрытием из медно-алюминиевого сплава и алюминия при их нагреве в зависимости от температуры. Показано, что изменение оптических потерь на микроизгибах происходит двумя механизмами (рис. 6). В областях 1, 2 происходит механическое изгибание покрытия вследствие неравенства коэффициентов линейного температурного расширения (КЛТР) кварцевого стекла и металлического покрытия. В области 1 (рис. 6 поз. 1) происходит компенсация начальной усадки металлического покрытия (после вытяжки) и снижение потерь. Затем происходит накопление механической энергии при деформации ОВ, его изгибе и росту потерь излучения (рис. 6 поз. 2) [4, 9]. При достижении критической температуры Tк и дальнейшем нагреве происходит процесс рекристаллизационного отжига покрытия [4, 9] (рис. 6 поз. 3), который приводит к высвобождению механической энергии деформации, накопленной в температурной области 2. Процесс отжига приводит к снижению концентрации избыточных точечных дефектов и искажений кристаллической решетки. Это приводит к выпрямлению металлизированного ОВ и снижению оптических потерь излучения за счёт микроизгибов. Величины температур отжига металлических покрытий ОВ показаны в таблице.

Таблица. Температура отжига металлических покрытий ОВ.

Материал покрытия

Температура отжига покрытия, 0С

НЦВО [4]

Данная работа

Алюминий

200–250

300–400, Tк=120 0С

Медно-алюминиевый сплав

200 (медь)

600–700, Tк=400 0С

Факторы, влияющие на процесс отжига (высвобождения энергии):

  • температура отжига,
  • чистота металла,
  • предварительная деформация.

Температура отжига влияет на скорость процесса и времени t, за которое напряжения снимаются полностью, которое определяется зависимостью

,                                        (4)

где A – некоторый коэффициент, сек-1; E – энергия активации данного процесса отжига, Дж·моль-1; R=8.31 Дж·К-1·моль-1 – универсальная газовая постоянная; T – термодинамическая температура, К; t – время процесса отжига, сек.

Известно [9], что у меди чистотой 99.999% температура отжига находится в области температур 200–250 С (против 600–700 С, полученных для покрытий из медно-алюминиевого сплава), что экспериментально было показано в работе [4]. Это говорит об исключительной чистоте используемых НЦВО РАН материалов, а не сплавов, как в данной работе. При снижении степени чистоты материала до величины 99.998% температура начала отжига увеличивается до величины 300 С. Предварительная деформация также влияет на процесс отжига.

Кроме того, были показаны закономерности в изменениях микроизгибных потерь при термоциклировании металлизированных ОВ с покрытием из медно-алюминиевого сплава (рис. 7): участок I (20–200 C), на котором микроизгибные потери уменьшаются при увеличении температуры; участок II (200–350 C), на котором микроизгибные потери увеличиваются при росте температуры; участок III (350–400 C), на котором микроизгибные потери уменьшаются (область отжига металла покрытия). Как видно из рис. 7, после вытяжки (t = 20 C) уровень оптических потерь в металлизированном ОВ имеет минимальную величину ~ 1.2 дБ/км на =1300 нм.

Кроме того, видно различное поведение величины микроизгибных оптических потерь в металлизированном ОВ при первом и последующих циклах нагрев–охлаждение. Данные различия объясняются через расчёты областей упругой и неупругой деформации.

Для изучения микроизгибных потерь ОВ с покрытием из металла была выбрана модель деформации покрытия (рис. 8). После вытяжки металлизированное ОВ не испытывает изгиба, т.е. R радиус изгиба бесконечен. При нагреве металлизированное ОВ испытывает удлинение L, которое приводит к изгибу металлизированного ОВ и деформации покрытия. Механические напряжения в поперечном направлении на границе металл–кварц должны быть уравновешены и удовлетворять уравнению

,                                 (5)

где кв – напряжения расширения кварцевого стекла, Па; покр – напряжения расширения покрытия, Па; дефпокр – напряжения расширения кварцевого стекла, Па; дефкв – напряжения расширения покрытия, Па.

Напряжения расширения кварцевого стекла и покрытия при изменении температуры t, С определим как

,                                        (6)

где кв – КЛТР кварцевого стекла, [10]; Eкв – модуль Юнга кварцевого стекла, [11];

,                                         (7)

где покр – КЛТР покрытия, [12]; Eпокр – модуль Юнга покрытия, 1011 Па[12];

При этом пренебрегаем деформацией кварцевого стекла из-за её малой величины 10–20 МПа [10]. Считаем, что деформация металлизированного ОВ происходит лишь за счёт деформации металлического покрытия . Металлическое покрытие ОВ будет находиться в пределах упругой деформации лишь при условии . При превышении этого предела наблюдается пластическая деформация покрытия. Предел упругости металлического покрытия для покрытий из медно-алюминиевого сплава, которые используются в данной работе, составляет величину σупр = 0.3 ГПа [12]. Подставим формулы (6, 7) в (5) и определим изменение температуры t, при котором покрытие из медно-алюминиевого сплава будет находиться в области упругой деформации:

                                               (8)

Подставив данные в формулу (8), получим, что для того, чтобы преодолеть предел упругости металлического покрытия, необходимо металлизированное ОВ нагреть на t=1810С, т.е. до величины порядка 200 С. Для подтверждения этого был проведён эксперимент (см. рис. 9). Были выполнены температурные испытания путём термоциклирования многомодового металлизированного ОВ диаметром 230 мкм (см. рис. 5) с покрытием из медно-алюминиевого сплава в области температур от 20 до 250 С. Оптические потери контролировались на =1300 нм c помощью рефлектометра. На рис. 9 видно, что при температуре нагрева более 200 С у данного металлизированного ОВ отсутствует обратимость оптических потерь при термоциклировании. Это происходит по тому, что при охлаждении оптические потери в ОВ не вернулись к “нулевому уровню” вследствие преодоления предела упругой деформации металлического покрытия и появлению остаточных микроизгибных оптических потерь . При дальнейшем нагревании (при температуре t = 100 С) будет наблюдаться минимум микроизгибных оптических потерь. Для исследования того, как влияет конструкция металлизированного ОВ на величину микроизгибных оптических потерь, было оценено влияние различных параметров металлизированного ОВ (разницы ПП, внешнего диаметра, состава покрытия) на величину прироста микроизгибных потерь при нагреве.

Экспериментально показано, что:

  • Увеличение внешнего диаметра ОВ решает проблему микроизгибных потерь лишь в нормальных условиях t = 20 С.

  • Величина микроизгибных потерь в металлизированных ОВ при t=20 С зависит степенным образом от диаметра ОВ: . Напротив, при t=100–400 С (рис. 10) диаметр ОВ незначительно влияет на величину микроизгибных потерь. Это прямо противоречит ранее полученным результатам для ОВ с полимерным покрытием и может быть объяснено близостью значений модулей Юнга для кварцевого стекла и металлического покрытия.
  • Основной параметр, влияющий на рост микроизгибных потерь при нагреве ОВ, – разность ПП сердцевина–оболочка (рис. 11). Величина микроизгибных оптических потерь зависит от разности ПП степенным образом с эмпирическим параметром p: . Эмпирический параметр p для многомодовых ОВ составляет величину ~3. Для одномодовых ОВ параметр p~2 на =1300 нм и p~2.5 на =1550 нм. Это укладывается в ранее полученные данные для ОВ с полимерным покрытием.

  • Покрытия из медно-алюминиевого сплава оказывают сильное влияние на микроизгибные оптические потери ОВ. Для уменьшения величины микроизгибных оптических потерь медно-алюминиевое покрытие металлизированного ОВ должно содержать небольшую концентрацию легирующей примеси алюминия. Увеличение концентрации легирующей примеси алюминия увеличивает уровень микроизгибных оптических потерь с менее 10 до 50–100 дБ/км на =1300 нм в области температур t=100–400 С (см. рис. 12).

Четвёртая глава диссертации посвящена исследованию работоспособности металлизированных ОВ с покрытием из медно-алюминиевого сплава при экстремально высоких температурах (более 600 С). Исследовано влияние механизмов оптических потерь, которые наблюдаются лишь при экстремально высоких температурах. Для этого исследовались многомодовые металлизированные ОВ с покрытием из медно-алюминиевого сплава и диаметром кварцевой оболочки 200–300 мкм.

Было показано, что при температурах t > 600 С значительно ускоряется процесс диффузии OH-групп из светоотражающей оболочки (рис. 13). По этой причине в качестве опорной трубы следует использовать стекла с низким начальным содержанием OH-групп (Heraeus F-300), а также производить жакетирование заготовок с использованием электропечи.

  В металлизированных ОВ при высоких температурах наблюдался прирост сигнала обратного рассеяния [5, 13] (рис. 14). Величина прироста сигнала обратного рассеяния в металлизированном ОВ зависит как от температуры, так и концентрации легирующей примеси в сердцевине световода. Так, в металлизированном ОВ с n=0.026 в области нагрева при температуре t=950 С наблюдается увеличение сигнала обратного рассеяния величиной P=0.45 дБ на =1300 нм по сравнению с областью, которая не подвергается нагреву. Обнаружено, что у оптических волокон с покрытием из металла при их нагреве до 700 С наблюдается рост потерь в области спектра < 800 нм, потери на микроизгибах, а также увеличение оптических потерь на OH-группах (см. рис. 15).

Показано, что рост потерь в области спектра <800 нм частично вызван ростом оптических потерь излучения на рассеянии Рэлея. Это подтверждается увеличением сигнала обратного рассеяния в металлизированном ОВ при его нагреве. Экспериментально показано, что металлизированные ОВ с покрытием из медно-алюминиевого сплава могут эксплуатироваться при температурах t = 700–800 С. При этом продолжительность эксплуатации ограничивается скоростью окисления металлического покрытия, которое вызывает увеличение покрытия в размерах и приводит к увеличению микроизгибных оптических потерь. На работоспособность металлизированных ОВ при высоких температурах влияет как диаметр, так и температура, при которой эксплуатируется металлизированное ОВ (см. рис. 16, 17). Дальнейшее охлаждение металлизированных ОВ, которые исследовались в данной работе, с t=700–800 С до t=400 С в течение одного часа приводят к катастрофическому увеличению микроизгибных оптических потерь до >40 дБ/км на =1300 нм, а также разрушению металлизированных ОВ диаметром менее 300 мкм.

Фотография отрезка металлизированного ОВ диаметром 300 мкм и толщиной покрытия 40 мкм, после выдерживания в течение 6.5 час при температуре 700 С представлена на рис. 18. Данное ОВ после термического

испытания не разрушилось в отличие от ОВ диаметром 230 мкм и толщиной металлического покрытия 25 мкм и в этом ОВ сохранился углеродный подслой толщиной 20 нм (рис. 18, поз. 1).

Кроме того, было обнаружено, что в металлизированных ОВ при температурах t>800 С отсутствует значительное увеличение оптических потерь на OH-группах (см. рис. 17). Установлено, что при t > 800 С уровень дополнительных оптических потерь на Si-OH составлял ~20 дБ/км на =1389 нм, хотя при t=700 С, уровень оптических потерь составлял величину ~120 дБ/км на =1389 нм за то же время экспозиции. Предполагается, что это происходит вследствие химической реакции удаления OH-групп [14]:

                       (9)

Реакция (9) может протекать лишь при достаточно высоком количестве E′-центров, которые образуются при высокой температуре. Для E′-центров (связи ) характерно поглощение на длинах волн = 212 и 450 нм. Об образовании E′-центров может свидетельствовать рост оптических потерь в металлизированных ОВ при температурах t>700 С в области длин волн < 800 нм, который был показан на рис. 15, о чём прямо указывается в работе [5].

Также выполнялся нагрев многомодового металлизированного диаметром 230 мкм с 700 до 950 С (рис. 19). Шаг нагрева 50 С, время шага нагрева 10 мин, время выдержки при заданной температуре 10 мин. Начальные потери для данного ОВ при t=20 С показаны на рис. 5. В данных условиях металлизированное ОВ выстояло при температуре 950 С в течение 10 мин. При этом уровень оптических потерь составлял величину < 10 дБ/км в области =800–1600 нм. Кроме того при t>700 С не наблюдается увеличение оптических потерь на OH-группах. При дальнейшем нагреве металлизированное ОВ разрушилось.

  В заключение было показано, что применение металлизированных ОВ типа кварц-кварц при высоких температурах ограничивается фоновым тепловым излучением [15], которое может влиять на измерение полезного сигнала и должно учитываться при измерениях. Этот эффект наиболее заметен при температурах t>800 С в металлизированных ОВ с большой площадью сердцевины. Однако этот эффект может быть применено для высокотемпературных ВОД антенного типа, которые позволяют измерять температуру в области t=300–1200 С с точностью 1% [16].

ВЫВОДЫ

  1. Впервые показано, что в металлизированных ОВ с покрытием из алюминия при нагреве в воздухе при t > 300 С происходит заметное увеличение потерь на OH-группах (90 дБ/км на =1.389 мкм) и молекулярном водороде (18 дБ/км на =1.24 мкм). Напротив, в ОВ с покрытием из медно-алюминиевого сплава уровень дополнительных потерь при тех же условиях составляет величину 6 дБ/км на =1.389 мкм. Причина такого отличия — генерация молекулярного водорода в процессе окисления алюминиевого покрытия в парах воды из воздушной среды с последующей диффузией молекулярного водорода в световедущую сердцевину ОВ. В случае использования ОВ c покрытием из алюминия при высоких температурах (t > 250 С) следует выбирать рабочую длину волны излучения, лежащую вне спектра OH-групп, или использовать металлизированные ОВ с покрытием из медно-алюминиевого сплава.
  2. Показано, что при изготовлении металлизированных ОВ с покрытием из алюминия следует отказаться от использования примеси P2O5 для легирования световедущей сердцевины ОВ.
  3. Установлено, что для минимизации микроизгибных потерь в металлизированных ОВ из-за окисления металлического покрытия ОВ при его нагреве в качестве покрытий ОВ необходимо использовать медно-алюминиевый сплав вместо чистой меди. Кроме того, разность ПП сердцевина-оболочка (n) должна составлять величину n0.03, а толщина ОВ должна находиться в диапазоне значений 230–300 мкм.
  4. Показано, что для создания металлизированных ОВ следует использовать современные кварцевые стекла с низким начальным уровнем концентрации примесей OH-групп (Heraeus F-300, -500), а также использовать электропечь вместо кислородно-водородной горелки для жакетирования исходной кварцевой заготовки.
  5. Экспериментально установлено, что металлизированные ОВ с покрытием из медно-алюминиевого сплава и германо-силикатной сердцевиной могут эксплуатироваться при температурах 700–800 С до 8 час с уровнем оптических потерь  < 10 дБ/км на =1300 нм. Данные ОВ пригодны для практического применения в системах жизнеобеспечения.

Автор благодарит коллектив лаборатории №226 ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН и лично зав. лаборатории №226 д.х.н. Г.А. Иванова и с.н.с. И.Л. Воробьева за изготовленные и предоставленные для исследования образцы металлизированных оптических волокон, а также Borut Lenardic из OptaCore d.o.o., Любляна, Словения за изготовление ряда экспериментальных заготовок.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

  1. А.В. Листвин, В.Н. Листвин. Оптические световоды для линий связи. М.: Лесарарт, 2003, 288с.
  2. В.Д. Бурков, Г.А. Иванов. Физико-технологические основы волоконно-оптической техники. М.: МГУЛ, 2007.
  3. Robert W. Filas. Metallization of silica optical fibers. Materials Research Society Symposium Proceedings, 1998, vol. 531, pp. 263-272.
  4. Alexis Mendez, T.F.Morse. Specialty Optical Fibres Handbook. Academic Press, 2007, 841 p.
  5. Takao Shiota, Hiroshi Hidaka, Osamu Fukuda, Koichi Inada. High Temperature Effects of Aluminum-Coated Fibers. J. Lightwave Techn., 1986, Vol. 4, No. 8., pp. 1151-1156.
  6. V.A. Bogatyrjov, E.M.Dianov, A.S. Biriukov, A.S. Sysoliatin, A.A. Voronov, V.V. Khitun, A.G. Mun Hyun Do, Jin Han Kim. Performance of high-strength Cu-coated fibers at high temperatures. Opt. Fiber Commun. OFC 97. 16-21 Feb 1997, pp. 182-183.
  7. Б. Ленардич, В.А. Исаев. О параметрах современных световодов, изготовленных по технологии МСVD. Фотон-Экспресс, 2005, т.48, №8, стр. 30.
  8. А.Ф. Косолапов, С.Л. Семенов. Работоспособность волоконных световодов в экстремальных условиях эксплуатации. Препринт НЦВО РАН, 2006, №12.
  9. Р. Хоникомб. Пластическая деформация металлов. М.: Мир, 1972, 408 с.
  10. Леко В.К. Мазурин О.В. Свойства кварцевого стекла. Л.: Наука, 1985, 166 с.
  11. Б.С. Лунин, C.Н. Торбин. О температурной зависимости модуля Юнга чистых кварцевых стекол. Вестник Моск. университета, Сер. 2. Химия. 2000. Т. 41. № 3, стр. 172-173.
  12. Смирягин А.П. Промышленные цветные металлы и сплавы. М.: Металургиздат, 1956, 561 с.
  13. Фабелинский И.Л. Молекулярное рассеяние света. М.: Наука, 1965.
  14. Богданова О.Ю., Ероньян М.А., Кондратьев Ю.Н. Влияние водородсодержащих примесей в исходных материалах на оптическое поглощение кварцевых световодов. Физика и химия стекла, 1989, т.15, № 6, с. 895.
  15. Матвеев А.Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1985. 351 с.
  16. Окоси Т., Окамото К., Оцу М., Нисихара Х., Кюма К., Хататэ К. Волоконно-оптические датчики. Пер. с япон.- Л: Энергоатомиздат, 1990, 256 стр.

ПУБЛИКАЦИИ

  1. В.В. Волошин, И.Л. Воробьев, Г.А. Иванов, В.А. Исаев, А.О. Колосовский, С.М. Попов, Ю.К. Чаморовский. Влияние металлического покрытия на оптические потери при отжиге волоконных световодов. Письма в ЖТФ, 2009, том 35, вып. №8 стр. 41-47.
  2. Попов С.М. Влияние металлического покрытия на оптические потери при отжиге волоконных световодов. Нелинейный мир, 2009, том 7, вып. №7, стр. 184-185.
  3. Попов С.М. Оптические потери световодов с покрытием из меди или алюминия при высоких температурах. Нелинейный мир, 2010, том 8, вып. №2, стр. 87-88
  4. В.В. Волошин, И.Л. Воробьев, Г.А. Иванов, В.А. Исаев, Б. Ленардич, А.О. Колосовский, С.М. Попов, Ю.К. Чаморовский. Потери на поглощении света при высоких температурах в оптических волокнах с покрытием из алюминия или меди. Радиотехника и электроника, 2011, том 56, вып. №1, стр. 103-110.
  5. S.M. Popov, V.V. Voloshin, I.L. Vorobyov, G.A. Ivanov, A.O. Kolosovskii, V.A. Isaev, Y.K. Chamorovskii. Optical loss of metal coated optical fibers at temperatures up to 800 С. Optical Memory and Neural Networks (Information Optics), 2012, Vol. 21, No. 1, pp. 45–51
  6. В.В. Волошин, И.Л. Воробьев, Г.А. Иванов, В.А. Исаев, Б. Ленардич, А.О. Колосовский, С.М. Попов, Ю.К. Чаморовский. Потери на поглощения света при высоких температурах в оптических волокнах. Спецвыпуск “Фотон-экспресс” Наука. Тезисы докладов Всероссийской конференции по волоконной оптике, г. Пермь, 8-9 октября 2009 г, стр. 15-16
  7. В.В. Волошин, И.Л. Воробьев, Г.А. Иванов, В.А. Исаев, Б. Ленардич, А.О. Колосовский, С.М. Попов, Ю.К. Чаморовский. Высокотемпературное металлизированное оптическое волокно. Москва: Труды РНТОРЭС им. А.С. Попова, 2010, стр. 152-154.
  8. С.М. Попов, И.Л. Воробьев, Г.А. Иванов, В.А. Исаев, Ю.К. Чаморовский. Высокотемпературные оптические волокна с покрытием из металла. Минск: Материалы VIII Международной научно-технической конференции «Квантовая элекятроника», 2010, стр. 122-124
  9. С.М. Попов, И.Л. Воробьев, Г.А. Иванов, В.А. Исаев, Ю.К. Чаморовский. Оптические потери металлизированных оптических волокон при температурах до 800 С. Санкт-Петербург: Тезисы докладов конференции «Лазеры, измерения, информация». 7-9 июня 2011 г., 2011, стр. 15-16.
  10. С.М. Попов, И.Л. Воробьев, Г.А. Иванов, В.А. Исаев, Ю.К. Чаморовский. Оптические потери металлизированных оптических волокон при температурах до 800 С. Сборник докладов 21 Международной конференции «Лазеры, измерения, информация». Санкт-Петербург, 7-9 июня 2011 г., 2011, том 2, стр. 235-249.
  11. В.В. Волошин, И.Л. Воробьев, Г.А. Иванов, В.А. Исаев, Б. Ленардич, А.О. Колосовский, С.М. Попов, Ю.К. Чаморовский. Высокотемпературные оптические волокна с покрытием из меди. Спецвыпуск «Фотон-экспресс» Наука. Тезисы докладов Всероссийской конференции по волоконной оптике. г. Пермь 12-14 октября 2011 г, стр. 191-192.
 



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.