WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||

В противном случае образующиеся дефекты (вакансии, обрыв связи и т. п.) успеют релаксировать прежде, чем произойдет их слияние в пору. Энергия кванта УФсвета, излучаемого лазером с длиной волны 248 nm, который использовался в наших экспериментах, равна 5.01 eV. Энергия образования различных дефектов в стекле и соответственно энергия их релаксации по порядку величины может изменяться от значения Ev до 6.0 eV [10]. Энергия разрыва связи Ge–O по порядку величины, как было отмечено выше, может принимать как максимальное значение, равное 4.4 eV, так и более низкие, в зависимости от взаимодействия между дефектами. Таким образом, под воздействием УФ-света и образующихся при облучении напряжений зарождаются дефекты типа разрыва связи и другие виды вакансионных дефектов. Эти дефекты затем флуктуационным путем сливаются в поры. Поскольку в нашем случае Q K, релаксация этих дефектов не оказывает сколь-нибудь заметного влияния на процесс зарождения пор. В этом случае, согласно [17], зависимости напряжения (t), скорости нуклеации I(t), плотности пор N(t) и функции распределения пор по размерам g(R, t) от времени имеют следующий вид:

kBT (t) = 0 1 - u(y(t)/y0), (20) t I(t) =I0 exp -, (21) tt/tN(t) =I0t2 exp(-x4)dx, (22) I exp -u([y(t) - R]/y0), y R, g(R, t) = (23) y < R, где y0 =[4/ B]1/4, B = ()kBTI0/(200), y(t) = = 020t/(kBT ), t2 = y0kBT /(020) y и u = 4 (y - x)3 exp(-x4)dx.

0 Рис. 4. Зависимости нормальной компоненты механического напряжения (t) (a), скорости нуклеации I(t) (b) и плотности пор N(t) (c) на границе между сердцевиной и оболочкой Отметим, что уравнения, формально подобные уравнениям (20)-(23), впервые были получены в [25] при описании кристалли- волокна при облучении волокна импульсным УФ-светом с зации расплавов.

интенсивностью 6.5 · 1010 W · m-2.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Образование микропор в оптическом волокне под воздействием импульсного УФ-света... Rmax 4 · 10-6 m. Напряжение медленно спадает при- Таким образом, при воздействии на волокно мощных мерно за t 2 · 10-5 s. Из результатов следует, что за импульсов УФ-света в волокне происходит образование один импульс в волокне, в области, где происходит пор. Так, например, при интенсивности УФ-света в имзасветка, т. е. в объеме порядка V 10-11 m3, образуется пульсе, превышающей Q0 3 · 1010 W · m-2, уже за один примерно 100 пор, занимающих объем Vp 10-15 m3.

импульс в волокне могут образовываться поры. ОбразоРазделив этот объем на объем, приходящейся на од- вание пор, в свою очередь, ведет к увеличению объема ну вакансию, получим приближенное число вакансий, волокна и уменьшению его плотности. Всякое изменение участвующих в зарождении пор, 1014. С другой стороплотности волокна влечет за собой изменение поканы, при интенсивности импульса Q0 6.5 · 1010 W · m-2 зателя преломления n [10,11]. Причем с уменьшением и энергии 4.5 eV за импульс и времени t 40 ns на плотности стекла показатель преломления уменьшается, поверхность волокна падает примерно 5 · 1014 квантов что и наблюдается при образовании решеток данного света. Если принять, что только половина из этих типа II и II A.

квантов приводит к образованию дефектов (для более Облучение волокна с меньшей интенсивностью, чем точной оценки нужно вычислить сечение рассеяния), то Q0 < 1010 W · m-2, не приводит к образованию пор и в объеме волокна V 10-11 m3 как раз и образуется трещин в ненапряженном изначально волокне. Однако примерно 1014 вакансий. Таким образом, наши расчеты при растягивающем механическом напряжении, прилооказываются вполне разумными. Из них также следует, женном к волокну в процессе облучения УФ-светом, почто интенсивность Q0 6.5 · 1010W · m-2 является крирог образования пор может быть значительно ниже. Под тической для образования пор. При более низкой энервоздействием облучения импульсами УФ-света малой гии облучения поры не будут образовываться в „идеальинтенсивности возможно протекание иных процессов, в ном“ волокне. В любом реальном волокне изначально частности фотохимических превращений, приводящих к содержатся дефекты (выше мы указывали, что многие кристаллизации основы волокна и уплотнению структудефекты образуются уже в процессе его производства), и ры германий-силикатного стекла.

поскольку волокно при облучении было растянуто, поры Однако рассмотрение этих превращений выходит за будут образовываться и при меньшем значении энеррамки данной статьи.

гии. Однако интенсивность, равная Q0 1010 W · m-достаточно низка для образования пор. Поэтому лоЗаключение гично считать, что граничной интенсивностью является Q0 3 · 1011 W · m-2.

1. Проведены экспериментальные и теоретические Мы рассмотрели образование пор только за один исследования формирования решеток индекса преломимпульс. Частота лазера была равна 10 GHz, поэтому ления (решеток Брэгга) в оптическом волокне при каждую 0.1 s этот процесс будет повторяться, но с облучении его импульсным УФ-светом.

некоторыми изменениями. Это связано с тем, что в 2. Показано, что при облучении импульсным лаволокне уже имеются поры. Во-первых, может начаться зером с длиной волны УФ-света 248 nm, продолжигетерогенное зарождение, т. е. поры могут зарождаться тельностью импульса 40 ns и с интенсивностью порядна поверхности уже зародившихся пор. Этот процесс будет протекать значительно интенсивнее, чем гомоген- ка 6.5 · 1010 W · m-2 температура в сердцевне волокна за один импульс достигает величины, примерно равное зарождение [21]. Во-вторых, сами поры будут расти, увеличиваясь в размерах. В-третьих, новые поры будут ной T 900 K. При интенсивности импульса порядка зарождаться на свободных участках волокна. В рабо- 1 · 1010 W · m-2 температура в сердцевине волокна подте [17] было показано, что скорость роста поры под нимается примерно до 390 K.

нагрузкой равна 3. За время t 3 · 10-4 s температура в сердцевине волокна опускается до комнатной, образуя медленно заdR 02[ (t) - R] тухающие хвосты, растянутые примерно на t 1s. Эти =, (24) dt kBT температурные хвосты, начиная с t 3 · 10-4 s, лишь незначительно, всего на несколько градусов, превышают где R = 2/R учитывает зависимость скорости роста комнатную температуру. Вдоль оси z образуется резкий поры от ее кривизны.

температурный фронт, по форме и ширине соответствуПодставляя в это выражение значения найденных ющий форме лазерного импульса.

констант, получим, что в начальный момент времени при 4. Каждый последующий импульс лазера, действуQ0 6.5 · 1010 W · m-2 скорость роста поры примерно ющий каждые 0.1 s, повторяет этот процесс. Средняя равна 10-2-10-1 m · s-1. Итак, за несколько десятков температура в волокне при этом такая, как и при одиподобных импульсов пора в среднем может вырасти от R 4 · 10-7 до 10-5-10-4 m, т. е. сравняться с разме- ночном импульсе, поскольку за t 10-1 s температура опускается до комнатной.

рами оболочки волокна, что, естественно, приведет к 5. При облучении УФ-светом импульсного лазера с его разрушению. При меньшей интенсивности, например при Q0 3 · 1010 W · m-2, необходимо облучать волокно интенсивностью 6.5 · 1010 W · m-2 значения радиальных большим количеством импульсов для образования в нем растягивающих механических напряжений на границе нужной плотности пор или микротрещин. между оболочкой и сердцевиной волокна достигают 6 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 84 С.А. Кукушкин, А.В. Осипов, М.Г. Шлягин величины rr 0.13 GPa. Время существования таких [11] Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. VII (Теория упругости). М.: Наука, 1965.

напряжений порядка 6 · 10-5 s. Затем напряжения [12] Соколов В.О., Сулимов В.Б. // Волоконно-оптические быстро спадают. Каждый последующий импульс снова технологии, материалы и устройства. 2000. № 3. C. 35.

„подбрасывает“ напряжения до этого значения.

[13] Неуструев В.Б. // Волоконно-оптические технологии, ма6. Показано, что такие механические напряжения териалы и устойства. 2000. № 3. C. 12.

могут привести к образованию пор на границе между [14] Cеменов С.Л. // Волоконно-оптические технологии, мателегированной германием сердцевиной волокна и его риалы и устойства. 2002. № 3. C. 47.

оболочкой. Найдены все основные характеристики, опре[15] Cеменов С.Л. // Волоконно-оптические технологии, матеделяющие процесс зарождения пор, а именно скорость риалы и устойства. 1988. № 1. C. 25–45.

зарождения, плотность пор и распределение пор по [16] Пух В.П. Прочность и разрушение стекла. Л.: Наука, 1973.

размерам.

[17] Kukushkin S.A. // J. Appl. Phys. 2005. Vol. 98. P. 033 503–1.

7. Расчеты функции распределения пор по размерам [18] Кукушкин С.А., Вакуленко А.А. // ФТТ. 1998. Т. 40. № 7.

g(R, t) показали, что максимальный размер, которого C. 1.

они могут достичь за время действия одного импульса [19] Лодиз Р., Паркер Р. Рост монокристаллов. М.: Мир, 1974.

с интенсивностью Q0 6.5 · 1010 W · m-2, равен Rmax [20] Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. Х 3 · 10-6 m. В объеме волокна размером V 10-11 m3 (Физическая кинетика). М.: Наука, 1979.

[21] Кукушкин С.А., Осипов А.В. // УФН. 1998. Т. 68. № 10.

образуется примерно одна пора, занимающая объем C. 1083.

Vp 10-17 m3. Cкорость роста поры при этих значе[22] Cohen A. // Phys. Rev. 1957. Vol. 105. N 4. P. 1151.

ниях облучения 3 · 10-1 m · s-1. За десять подобных [23] Амосов А.В., Петровский Г.Т. // ДАН СССР. 1983. Т. 268.

импульсов такая пора может вырасти в среднем от № 1. C. 66.

размера R 3 · 10-6 до 10-5-10-4 m, т. е. может срав[24] Вакуленко А.А., Кукушкин С.А., Шапурко А.В. // ФТТ.

няться с размерами оболочки волокна, что приведет 2001. Т. 43. № 2. C. 261.

к его разрушению. При интенсивности энергии лазер[25] Осипов А.В. // ФТТ. 1994. Т. 36. № 5. C. 1213.

ного луча, например, если эта интенсивность равна Q0 3 · 1010 W · m-2, для образования в нем нужной плотности пор или микротрещин, необходимо облучать волокно большим количеством импульсов.

8. Показано, что образование пор ведет к уменьшению индекса преломления волокна.

Авторы признательны Д.А. Индейцеву за помощь при обсуждении вопросов, касающихся решения уравнения (11).

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (гранты № 03-01-00574, № 06-03-32467), государстственного контракта (НШ-4518.2006.01), гранта (N 35460-U „CONACYT“) правительства Мексики и инвестиционного проекта УК „Созвездие“ (проект „Датчик“).

Список литературы [1] Hill K.O. et al. // Appl. Phys. Lett. 1978. Vol. 32. P. 647.

[2] Meltz G., Morey W., Glenn W. // Opt. Lett. 1989. Vol. 14.

P. 823.

[3] Othonos A., Kalli K. Fiber Bragg gratings. Fundamentals and applications. Boston. London, Artech House, 1999.

[4] Nishii J. // Materials Science and Engineering: B. 1998.

Vol. 54. N1. P. 1.

[5] Ky N.H., Limberger H.G., Salathae R.P., Cochet F., Dong L. // Opt. Commun. 2003. N 225. P. 313.

[6] Verelas D. et al. // Electronics Lett. 1997. Vol. 33. P. 804.

[7] Janos M., Canning J., Sceats M. // Opt. Lett. 1996. Vol. 21.

P. 1827.

[8] Askins C.G. et al. // Electronics Lett. 1997. Vol. 33. P. 1333.

[9] Бирюков А.С., Дианов Е.М. // Волоконно-оптические технологии, материалы и устройства. 2000. № 3. C. 6.

[10] Леко В.К., Мазурин О.В. Свойства кварцевого стекла. Л.:

Наука, 1985.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||



© 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.