WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 8 05;07;12 Образование микропор в оптическом волокне под воздействием импульсного УФ-света высокой интенсивности © С.А. Кукушкин,1 А.В. Осипов,1 М.Г. Шлягин2 1 Институт проблем машиноведения РАН, 199178 Санкт-Петербург, Россия 2 CICESE, Энсенада, Мексика (Поступило в Редакцию 27 декабря 2005 г.) Предложен новый механизм формирования решеток индекса преломления (решеток Брэгга типа II A) в волокне при его облучении УФ-светом от мощного импульсного лазера. Механизм заключается в зарождении и росте микропор в областях волокна, где локализованы механические напряжения. Показано, что этими областями являются центральная часть сердцевины и граница раздела между сердцевиной и оболочкой волокна. Теоретически и экспериментально определена температура нагрева сердцевины волокна, легированной германием под воздействием мощных импульсов света. Рассчитаны термические механические напряжения, возникающие в волокне при нагреве от облучения. Построена теория зарождения пор и трещин в волокне при воздействии лазерных импульсов большой мощности. Вычислена функция распределения пор по размерам, скорость их зарождения, скорость роста и зависимость плотности пор от времени воздействия лазерных импульсов.

PACS: 42.81.-i Введение За последние десять лет был достигнут существенный технологический прогресс в технике изготовлеВпервые о явлении фоточувствительности и возмож- ния решеток для различного применения. Разработаны ности записи голографических решеток Брэгга в оп- и промышленно выпускаются специальные УФ-лазеры, тических волокнах на основе кварцевых стекол, до- оптимизированные для записи решеток Брэгга. Наибопированных германием, было сообщено более 20 лет лее часто используются мощные эксимеровые импульсназад [1]. Было обнаружено, что под действием ин- ные лазеры на длинах волн 248 и 193 nm, а также тенсивного света от аргонового лазера (длина волны непрерывные аргоновые лазеры с внутрирезонаторным 488 nm) в сердцевине волокна может индуцироваться удвоением оптической частоты (244 nm). Для записи пространственно-периодическая решетка индекса пре- высокоотражающих решеток необходим очень высокий ломления, которая сохраняется после выключения за- уровень аккумулированной энергии (экспозиции), порядписывающего света. Спустя десять лет с изобретением ка 102-104 kJ · m-2, поэтому более предпочтительно нового гибкого и чувствительного метода формирования использование мощных импульсных лазеров. Для упрорешеток, основанного на использовании бокового осве- щения записи решеток и повышения чувствительности щения волокна интерференционной картиной от мощно- к записывающему свету были разработаны специальго источника УФ-света [2], это направление исследова- ные волокна с увеличенным содержанием германия в ний стало быстро развиваться, благодаря возможности сердцевине волокна [4], а также волокна, дополнительно использования модифицированных волокон в области допированные бором, которые демонстрируют наиболее волоконно-оптических телекоммуникаций и различного высокую фоточувствительность. Кроме того, было оброда датчиков. В настоящее время такие решетки ши- наружено, что выдержка обычного волокна в водороде роко используются в оптических волокнах и планарных под давлением в несколько десятков атмосфер в течение световодах для уплотнения каналов по длине волны (так нескольких суток повышает фоточувствительность на называемая WDM-технология), оптической фильтрации несколько порядков [3].

сигналов, как резонаторные зеркала в волоконных и Несмотря на впечатляющие успехи в технологии полупроводниковых лазерах, сглаживающие фильтры в изготовления и практическом использовании волоконоптических усилителях, для компенсации дисперсии в ных решеток Брэгга, механизмы фоточувствительномагистральных каналах связи и т. д. [3]. Другой обла- сти в оптических волокнах до сих пор окончательно стью применения волоконных решеток Брэгга является не выяснены. Динамика формирования решеток имеет использование их в качестве датчиков. Простая решетка явно выраженный нелинейный характер. В некоторых Брэгга имеет оптический спектр отражения в форме типах волокон наблюдается даже немонотонный рост узкой резонансной линии, длина волны которой зависит амплитуды решетки с прохождением максимума (так от внешнего воздействия на волокно. Измеряя сдвиг называемая решетка типа I, характеризуемая уплотнерезонансной линии отражения, можно определить и нием материала), дальнейшим уменьшением отражения вариации внешнего воздействия, например, изменение решетки, спадающим почти до нуля, и новым ростом температуры или механического напряжения [3]. до насыщения (так называемые решетки типа II A). При 74 С.А. Кукушкин, А.В. Осипов, М.Г. Шлягин очень больших энергиях импульса света наблюдалась за- волокна с решетками, записанными импульсным лапись высокоотражающей решетки под воздействием оди- зером, как правило, обладают меньшей прочностью ночного светового импульса. Такие решетки наиболее на разрыв. Решетки, записанные мощными импульсами термостойки и могут выдерживать длительный нагрев света, обладают также значительно более высокими при температуре около 1000C. Различная динамика оптическими потерями из-за некогерентного рассеяния роста решеток, а также существенно различающаяся света в области записанной решетки. На динамику термостойкость разных типов решеток свидетельствуют формирования решеток в волокнах большое влияние о наличии нескольких механизмов, участвующих в изме- оказывают механические напряжения, приложенные к нении индекса преломления под действием интенсивно- волокну в процессе записи, и различные виды предобработки волокна непосредственно перед записью.

го света.

Эти и некоторые другие экспериментальные резульБыло предложено несколько гипотез, объясняющих механизмы формирования решеток индекса преломле- таты не нашли своего объяснения в рамках опубликованных моделей фоточувствительности оптических ния в оптических волокнах. Их можно условно разделить волокон. Приведенные в литературе данные по мена два класса. К первому относятся микроскопические модели фоточувствительности, основанные на образова- ханизмам образования решеток часто противоречивы, немногочисленны и иногда относятся к разным типам нии и трансформации точечных дефектов в структуре волокон и используемых лазеров [3–8]. Это затрудняет волокна. Установлено, что германиевые кислороддефипостроение строгой теории, позволяющей объяснить все цитные центры (ГКДЦ) в германо-силикатных волокнаблюдаемые при эксперименте эффекты.

нах ответственны за наличие полосы поглощения в В настоящей работе предложен новый механизм форУФ-области спектра около 240 nm. Эти дефекты под мирования решеток Брэгга в волокне под воздействием воздействием света могут трансформироваться, образуя мощного импульсного облучения волокна УФ-светом, центры окраски и другие виды дефектов структуры а также приведено экспериментальное и теоретическое стекла [3,4], приводя к значительным изменениям в УФобоснование возможности этого механизма.

спектре поглощения материала сердцевины волокна. НаСогласно предлагаемому механизму поглощение сердведенные изменения спектра поглощения в УФ-области цевиной волокна мощного короткого импульса света проявляются соответственно соотношению Крамерса– приводит к локальному разогреву волокна в освещенных Кронига, в изменениях индекса преломления в ИКобластях и появлению на короткое время больших темдиапазоне [3]. Однако с помощью модели центров окраспературных градиентов. Это, в свою очередь, вызывает ки сложно объяснить даже качественно многие эксперивозникновение термоупругих механических напряжений ментальные результаты. Оценка амплитуды модуляции и возможность деформации в центральной части вокоэффициента преломления за счет образования центров локна. При этих условиях в материале волокна могут окраски более чем на порядок меньше величин, наблюзарождаться и расти микропоры, приводя к локальному даемых в экспериментах, поэтому их образование не уменьшению плотности стекла и соответственно локальможет служить в качестве основного механизма фотоному уменьшению его коэффициента преломления, т. е.

рефрактивного эффекта в германо-силикатных стеклах.

к появлению отрицательной решетки индекса преломКо второму классу относятся модели, которые базируления.

ются на макроскопических изменениях в стекле, таких В последующих разделах данной статьи мы приводим как уплотнение структуры стекла и релаксация упругих результаты экспериментального измерения нагрева вовнутренних напряжений, образовавшихся в волокне на локна импульсами света, а также теоретические расчеты этапе изготовления. Оба эффекта были эксперименнагрева волокна и пространственного распределения тально продемонстрированы [3] и могут служить для температуры внутри волокна, оцениваем механические объяснения процессов формирования решеток типа I.

термоупругие напряжения и приводим основы теории На данный момент модель, связанная с уплотнением зарождения пор и трещин в волокне при воздействии структуры стекла под действием УФ света, общепризналазерных импульсов большой мощности.

на и является основной, хотя микроскопический механизм самого эффекта все еще до конца не выяснен. Тем не менее формирование решеток типа II A не нашло своМетодика эксперимента его объяснения в рамках упомянутых моделей. Недавно было предложено [5], что решетка типа II A может В настоящей работе мы поставили эксперимент по быть связана с локальным растяжением волокна таким измерению степени нагрева волокна под действием образом, что решетки I и II A в освещенных частях одиночного лазерного импульса УФ-света с длиной волокна имеют разные знаки и поэтому в определенный волны 248 nm. Плотность энергии лазерного импульса момент могут компенсировать друг друга. Однако какой- варьировалась от 5 · 102 до 104 J · m-2 при продоллибо микроскопической модели, приводящей к такому жительности импульса 40 ns. Для экспериментальнолокальному растягиванию сердцевины волокна, предло- го измерения скачка температуры волокна под дейжено не было. ствием мощных импульсов УФ-света мы использоваПри одинаковой отражательной способности решеток, ли интерферометрическую методику. В сердцевине обзаписанных непрерывным и импульсным УФ светом, разца фоточувствительного волокна был сформирован Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Образование микропор в оптическом волокне под воздействием импульсного УФ-света... интерферометр при помощи двух разнесенных решеток Брэгга, имеющих малый коэффициент отражения.

В отраженном свете наблюдалась интерференция двух оптических волн, отраженных от соответствующих решеток. Расстояние между ними было около 10 mm, длина каждой решетки составляла 1 mm. Спектр отражения такого „внутриволоконного“ интерферометра содержит спектральные интерферометрические полосы, расстояние между которыми определяется длиной интерферометра, а их спектральное положение зависит от эффективного коэффициента преломления сердцевины волокна на участке между решетками. При нагреве волокна коэффициент преломления сердцевины волокна будет изменяться за счет термооптического эффекта, то вызовет движение интерференционных полос. В наРис. 1. Сигнал от „внутриволоконного интерферометра“ при шем эксперименте мы использовали когерентный полуостывании волокна после воздействия импульса УФ-света.

проводниковый лазер для измерения отражения света с фиксированной длиной волны от сформированного интерферометра. Центральная часть волокна (с длиной света и остывать почти до комнатной температуры за около 6 mm) между решетками освещалась импульсами время около 10-2 s.

УФ-света от эксимерного лазера. За счет разогрева Таким образом, в центре волокна под воздействием волокна и сдвига спектра отражения интерферометра облучения температура может скачкообразно повышатьфотодетектор регистрировал периодические колебания ся на сотни градусов за время действия импульса света.

интенсивности отраженного света. Сигнал с фотодетекУФ-свет поглощается в основном в допированной герматора регистрировался на скоростном запоминающем оснием сердцевине волокна диаметром около 10 µm. Такая циллографе. На рис. 1 показана типичная осциллограмма сердцевина волокна имеет коэффициент термического при остывании волокна после одиночного импульса расширения Si–Ge = 1.2 · 10-6 degr-1, отличный от косвета, одна интерференционная полоса соответствует эффициента термического расширения оболочки волокизменению температуры сердцевины волокна на 30C.

на Si = 5.5 · 10-7 degr-1. При этом в волокне возникают Результаты экспериментов показали, что при плотности термические механические напряжения. Высокая темэнергии в импульсе около 5 · 103 J · m-2 (типичная пература и напряжения могут привести к протеканию плотность энергии при записи решеток) максимальный в волокне различных фазовых превращений. Показаразогрев сердцевины волокна составлял около 300C тель преломления волокна вследствие этого изменится.

за импульс. На рис. 1 можно видеть эффект остываРассмотрим эти процессы количественно. Для начала ния волокна, разогретого под воздействием светового вычислим степень нагрева сердцевины волокна при импульса. Сигнал, соответствующий нагреву за время воздействии на него мощного импульсного УФ-света.

действия импульса, равного 40 ns, не виден вследствие слишком медленной развертки осциллографа, однако хорошо видны интерферометрические полосы в отражении Температура внутри волокна интерферометра из-за остывания волокна.

Следует отметить, что приведенные значения плотно- Стационарная задача о распределении температуры в сти энергии импульса света были измерены в плоскости, оптическом волокне при распространении в нем излученаходящейся непосредственно перед волокном. Для по- ния рассматривалась в работе [9], отмечено, что основлучения высокой плотности энергии мы использовали ной нагрев волокна связан с возбуждением в нем под цилиндрическую линзу с фокальным расстоянием око- действием излучения вынужденного комбинационного ло 300 mm и помещали волокно в области, близкой рассеяния (ВКР). В этой работе исследовался процесс к фокальной плоскости. Волокно само также функци- нагрева волокна, покрытого полимерной оболочкой, при онирует как короткофокусная цилиндрическая линза. распространении света вдоль оси волокна.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |



© 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.