Спектральное зондирование внутриволоконной квазипериодической полостной структуры
Спектральное зондирование внутриволоконной квазипериодической полостной структуры
Аннотация
В работе рассматриваются аспекты создания и применения внутриволоконных квазипериодических полостных структур, формирующихся за один этап при помощи торцевого ввода излучения без нарушения целостности защитно-упрочняющего покрытия. Впервые продемонстрировано, что спектральные компоненты отраженного и рассеянного излучения в одномодовом изотропном световоде зависят от количества элементов внутриволоконных квазипериодических полостных структур за счет различной глубины проникновения. Используемый метод спектрального зондирования демонстрирует потенциал применения оптических волокон с подобными структурами в качестве индикаторов или датчиков для систем контроля износа объектов с возможностью температурного контроля.
1. Введение
За последние десять лет был найден ряд прикладных применений внутриволоконным квазипериодическим полостным структурам (ВКПС), сформированным в сердцевине изотропных оптических волокон благодаря прохождению оптического разряда, инициированного лазерным излучением в режиме медленного горения. Примерами применений являются волоконно-оптические рассеиватели излучения , , созданные для фотодинамической терапии и лазерной кардиостимуляции, индикаторы и датчики для контроля температуры жидких, газообразных и твердых сред , , , а также сенсоры измерения деформации и давления .
Практически все волоконные элементы имеют существенные преимущества над их электрическими аналогами и вышеописанные структуры не являются исключением, поскольку также обладают электрической пассивностью, устойчивостью к электромагнитным помехам, химической инертностью, малым весом, гибкостью и множеством других свойств, делающих оптические волокна привлекательными для использования в задачах мониторинга среды и биомедицины.
Формирование ВКПС требует меньше технологических операций по сравнению с методами изготовления иных волоконно-оптических интерференционных чувствительных элементов, что обеспечивает технико-экономический выигрыш при их изготовлении.
В процессе формирования ВКПС задействовано излучение высокой мощности, вызывающее нелинейную концентрацию энергии, приводящую к локальному нагреву сердцевины до нескольких тысяч градусов из-за чего в материале образуется ионизированный газ — плазма. В процессе разогрева волокно локально расплавляется и заполняется газом, расширяющимся за счет внутреннего давления, однако этот участок волокна быстро застывает благодаря теплопроводности, лежащей в основе механизма распространения оптического разряда навстречу источнику.
Защитно-упрочняющее покрытие, сохраняемое при формировании ВКПС, определяет основные эксплуатационные характеристики устройств на основе ВКПС, а также существенно влияет на чувствительность к внешнему воздействию. Например, с целью увеличения рабочего температурного диапазона и чувствительности к температуре, по сравнению с акрилатными и полиимидными составами, имеет смысл использовать металлические покрытия на основе олова, меди, алюминия, золота и некоторых сплавов, однако при этом будет уменьшаться чувствительность к механическим воздействиям.
ВКПС в одномодовом изотропном оптическом волокне состоит из множества полостей, каждая из которых заполнена газообразными продуктами реакции температурной диссоциации молекул вследствие прохождения лазер-индуцированной плазмы. Так, например, автором работы обнаружены при помощи метода рамановской спектроскопии колебательные моды кислорода в образуемых полостях. Размеры элементов структуры в одномодовом волокне составляют порядка 3–6 мкм, при этом они расположены вдоль оптической оси световода с периодом 15±4 мкм. Каждый из элементов представляет собой интерферометр Фабри-Перо конфокального типа за счет наличия двух границ раздела сред.
Оптический сигнал отражения от ВКПС крайне мал и находится на среднем уровне -40 дБ для структур в одномодовых волокнах, что обусловливается рассеянием большей части попадающего излучения в оболочку. Это накладывает определенные требования к мощности вводимого излучения, поскольку оно может нагревать или разрушать защитно-упрочняющее покрытие . Сигнал отражения от ВКПС состоит из двух основных типов интерференции — внутриполостных и перекрестных, при этом интерференционный контраст может варьироваться в широких пределах.
В работе предложен и обоснован метод спектрального зондирования ВКПС, позволяющий контролировать состояние элементов структуры.
2. Формирование внутриволоконных квазипериодических полостных структур
Лазерное излучение, распространяемое по сердцевине оптического волокна, из-за большой плотности мощности (порядка 5 МВт/см2), способно инициировать оптический пробой, приводящий к распространению оптического разряда, движущегося навстречу излучению и оставляющему после себя квазипериодические структуры в сердцевине , , .
В основе явления лежит лавинная ионизация, при этом затравочные электроны могут появляться как из материала оптического волокна, так и извне, в случае контакта с материалом, имеющим меньшую энергию ионизации. Процессу присуща следующая стадийность:
- ионизация материала и образование свободных электронов;
- электроны, ускоряемые в сильном световом поле, сталкиваются с атомами и развивают лавинообразный процесс увеличения концентрации свободных носителей заряда;
- образование плазмы, поглощающей и рассеивающей свет;
- поддержание излучением неравновесной плазмы;
- поддержание излучением равновесной плазмы.
В достаточной мере образование внутриволоконных полостей можно феноменологически объяснить явлением кавитации, однако с допущением, что газ появляться за счет разрыва связей SiO2 и (или) легирующих примесей. Для вышеуказанного кавитационно-подобного сравнения характерны высокие значения температуры и давления внутри полости, а также высокие скорости движения поверхности раздела сред. Создаваемая полость сначала расширяется и её радиус достигает максимального значения, после чего она начинает сжиматься за счет поверхностного натяжения и внешнего воздействия остывающего материала.
Рисунок 1 - Изображение внутриволоконных квазипериодических полостных структур:
а – фотография боковой поверхности образца в иммерсионной жидкости; б – СЭМ-изображение сколотого торца образца
3. Моделирование отражения и рассеяния на элементах структуры
Для оценки значений параметров отражения и рассеяния на ВКПС была построена математическая модель в среде численного моделирования Comsol Multiphysics. Постановка задачи осуществлялась в терминах волновой оптики.
Геометрия модели включала сердцевину (ø8 мкм), оболочку (ø125 мкм) и акрилатное защитно-упрочняющее покрытие (ø250 мкм), а также идеализированный вид элементов структуры — пять сфер (ø4 мкм), заполненных газообразным кислородом O2 с равномерным распределением. При этом ореол вокруг элементов, имеющий в реальности увеличенный показатель преломления вследствие отрыва кислорода от диоксидов кремния и германия, не рассматривался, что являлось принятым допущением. В модели отсутствовали температурные градиенты. Параметры материалов были взяты из .
Использовалась осесимметричная постановка задачи, при этом максимальный размер треугольных элементов сетки был менее 0,2 от длины волны, а расчет напряженности поля происходил в каждом её элементе. На внешние границы модели были установлены PML-слои (Perfectly Matched Layers, идеально согласованные слои), имитирующие полное поглощение и устраняющие вклад отражений от границ раздела сред. Плоская волна, распространяемая по сердцевине оптического волокна слева направо описывалась уравнением:
где
Вектор напряженности электрического поля в декартовой системе координат рассчитывался согласно следующему выражению:
где ∇ — оператор набла,
Задача рассчитывалась для трех основных длин волн, каждой из которых соответствовал гауссовый профиль поля моды. Первая длина волны выбиралась вблизи длины волны отсечки волокна, в дальнейшем используемого для экспериментов:
где dcore — диаметр сердцевины, V — нормированная частота фундаментальной моды, n1 — показатель преломления сердцевины, n2 — показатель преломления оболочки.
Вторая и третья длины волн были выбраны на границах оптического C-диапазона (λ2=1,530 мкм, λ3=1,565 мкм), в котором работает большинство волоконно-оптических компонентов и устройств, например циркуляторы и эрбиевые усилители.
Граничные условия задавались на основе непрерывности тангенциальных компонент поля. Результатом моделирования являлось распределение электрического поля, суммарной мощность 50 мВт, демонстрирующее отражение и рассеяние на элементах ВКПС (см. рис. 2).
Рисунок 2 - Результаты численного моделирования напряженности электрического поля в оптическом волокне с полостными структурами:
а – длина волны 1380 нм (217,2409 ТГц); б – длина волны 1530 нм (195,9428 ТГц)
Таблица 1 - Значения отраженного и прошедшего излучения
Длина волны, нм | Отраженное излучение, В/м | Прошедшее излучение, В/м |
1380 | 0,00197 | 0,04532 |
1530 | 0,00256 | 0,03713 |
1565 | 0,00349 | 0,03399 |
Примечание: усреднение выполнено в диапазоне ± 5 нм с шагом 1 нм с целью сглаживания формируемой интерференционной картины излучения
Рисунок 3 - Напряженность электрического поля на расстоянии 60 мкм от оптической оси
4. Метод обработки сигнала
Был поставлен эксперимент, нацеленный на изучение влияния длины ВКПС на её спектральные характеристики. Для чего были сформированы полостные структуры путем формирования оптического разряда на заданную длину в сердцевине одномодового изотропного оптического волокна со следующими характеристиками: диаметры сердцевины dcore=8 мкм, оболочки dshell=125 мкм и акрилатного защитно-упрочняющего покрытия dcoat=250 мкм, числовая апертура NA=0,13.
Рисунок 4 - Схема лабораторной установки
Рисунок 5 - Процесс стачивания полостной структуры
Рисунок 6 - Оптический спектр отражения от структуры различной длины
Таблица 2 - Спектральные характеристики
Длина структуры, мм | FSR, нм | Контраст, дБ | Мощность, отн. ед. |
4,0 | 3,703 | 12.192 | 1,553 |
2,0 | 3,704 | 12.714 | 1,563 |
1,0 | 4,992 | 8.566 | 1,298 |
0,5 | 16,664 | 13.561 | 1,862 |
0,2 | 24,996 | 8.287 | 3,313 |
Заметно, что при стачивании структуры увеличивается свободный спектральный диапазон, при этом мощность отражения возрастает, что связано с уменьшением количества взаимодействующих внутриволоконных полостей и влиянием отражения от торца структуры оболочечных мод. Интерференционный контраст слабо зависит от длины структуры.
Для полученных в эксперименте структур с продольными размерами от 4 до 1 мм возможен температурный контроль , , поскольку на получаемые спектральные характеристики будут влиять термооптический и термоупругий эффекты. При этом величина свободного спектрального диапазона определяет масштаб фазовой чувствительности — чем он меньше, тем быстрее накапливается фаза при приложении теплового поля, и тем точнее определяется температура.
5. Заключение
В работе рассмотрен процесс структурного изменения сердцевины оптического волокна под действием излучения большой мощности с целью создания чувствительных элементов для волоконно-оптических индикаторов и датчиков. В результате моделирования продемонстрировано, что наибольшее рассеяние и отражение происходит на первом элементе структуры. Последующие элементы ВКПС играют роль для коротковолнового оптического диапазона в меньшей степени, при этом общую глубину взаимодействия со всей структурой ограничивает рассеяние Ми, доминирующее для длинноволновой части спектра.
Показано, что при изменении продольных размеров ВКПС существенно изменяется усредненный свободный спектральный диапазон и мощность отражаемого излучения, при этом зависимость величины контраста интерференционной картины от длины структуры не установлена. Полученные результаты могут быть применены при разработке простых в изготовлении интерферометрических устройств для систем измерения износа объектов с возможностью температурного контроля.
В дальнейшем планируется исследовать формирование ВКПС в оптических волокнах с металлическим покрытием, при этом в схему опроса будет включен волоконно-оптический эрбиевый усилитель для повышения соотношения сигнал/шум, а также апробирован фазо-частотный алгоритм обработки спектров при температурных испытаниях.