Экспериментальные характеристики планарно-волоконных преобразователей ультрафиолетовых сигналов для лазерных систем мониторинга наземных объектов

Бритвин Александр Викторович; Коломников Юрий Дмитриевич; Никитенко Никита Сергеевич; Плюснин Виктор Федорович; Поллер Борис Викторович; Поллер Андрей Борисович; Щетинин Юрий Иванович

УДК 535.3

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАНАРНО-ВОЛОКОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА НАЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ

Александр Викторович Бритвин

Институт лазерной физики СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15б, кандидат технических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-71-20, e-mail: [email protected]

Юрий Дмитриевич Коломников

Институт лазерной физики СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15б, кандидат физико-математических наук, инженер-технолог, тел. (383)330-71-20, e-mail: [email protected]

Никита Сергеевич Никитенко

Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, аспирант, тел. (383)330-71-20, e-mail: [email protected]

Виктор Федорович Плюснин

Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, 630090, Новосибирск, ул. Институтская, 3, доктор химических наук, зав. лабораторией, тел. (383)333-23-85, e-mail: [email protected]

Борис Викторович Поллер

Институт лазерной физики СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15б, доктор технических наук, зав. лабораторией, тел. (383)330-71-20, e-mail: [email protected]; ЗАО «СКБ», 630058, Новосибирск, пр. Плотинная, 8, директор, тел. (383)306-28-20, e-mail: [email protected]

Андрей Борисович Поллер

ЗАО «СКБ», 630058, Новосибирск, пр. Плотинная, 8, зам. директора, тел. (383)306-28-20, e-mail: [email protected]

Юрий Иванович Щетинин

Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, кандидат технических наук, доцент, тел. (383)346-08-46, e-mail: [email protected]

Приводятся некоторые характеристики полимерных планарных люминесцентных антенн. Показано влияние перепоглощения люминофора на спектр выходного сигнала.

Ключевые слова: планарно-волоконная антенна, система мониторинга.

EXPERIMENTAL CHARACTERISTICS OF A PLANAR-FIBER CONVERTERS OF UV SIGNALS FOR THE LASER MONITORING SYSTEMS OF GROUND OBJECTS

Alexander V. Britvin

Institute of Laser Physic SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 15б Аkademik Lavrentiev Prospect, Ph. D., researcher, tel. (383)330-71-20, e-mail: [email protected]

Yuri D. Kolomnikov

Institute of Laser Physic SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 156 Akademik Lavrentiev Prospect, Ph. D, process engineer, tel. (383)330-71-20, e-mail: [email protected]

Nikita S. Nikitenko

Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marx Prospect, graduate student, tel. (383)330-71-20, e-mail: [email protected]

Victor F. Plyusnin

Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya St., D. Sc., Head of Laboratory, tel. (383)333-23-85, e-mail: [email protected]

Boris V. Poller

Institute of Laser Physic SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 156 Akademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Head of Laboratory, tel. (383)330-71-20, e-mail: [email protected]; ZAO «SKB», 630058, Russia, Novosibirsk, 8 Plotinnaya St., Director, tel. (383)306-28-20, e-mail: [email protected]

Andrei B. Poller

ZAO «SKB», 630058, Russia, Novosibirsk, 8 Plotinnaya St., Deputy Director, tel. (383)306-28-20, e-mail: [email protected]

Yuri I. Shchetinin

Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marx Prospect, Ph. D., associate Professor, tel. (383)346-08-46, e-mail: [email protected]

Some characteristics of polymeric fluorescent planar antennas are presented. The effect of reabsorption phosphor on the spectrum of the output signal is shown.

Key words: planar fiber antenna, monitoring system.

Создание лазерных систем мониторинга наземных объектов с использованием ультрафиолетовых сигналов требует компактных помехоустойчивых приемных систем, которые могут располагаться в труднодоступных местах, размещаются на автономных воздушных аппаратах [1, 2]. Для этих целей нами исследуются свойства и экспериментальные характеристики преобразования ультрафиолетовых (УФ) сигналов в тонких полимерных пленках, в материал которых добавляются люминофоры, а излучение люминесценции (выходной сигнал) канализируется за счет эффекта полного внутреннего отражения к торцам пленки, где поступает на вход волоконных световодов [3-5].

Характеристики выходного сигнала зависят от ряда факторов: от квантового выхода люминофора; от показателя преломления материала волновода; типа и концентрации применяемого люминофора; от спектральных характеристик пропускания и чистоты полимера; качества полировки поверхностей; формы волноводов и их размеров; потерь света в материале планарного волновода (ПВ).

Мощность оптического сигнала с элемента торца ПВ на приемный фотодиод Рфд описывается выражением:

Рфд = JEex(Л)- Тф(Л)(1 - ) J JBncdsdA,

SBnc

где Евх -энергетическая облученность волновода; Бвпс - площадь планарного волновода; С - концентрация люминофора; в - коэффициент экстинкции люминофора; п - квантовая эффективность люминофора; Ad - толщина планарного волновода; Звпс - передаточная характеристика волновода от облученного элемента до фотоприемника; Тф(1) - пропускание фильтра.

Передаточная характеристика определяется коэффициентом сбора (увеличения концентрации) фотонов на выходе ПВ пропорционально отношению площади ПВ- Апр к площади торцов - Тпр.

В ПВ имеют место следующие потери: френелевское отражение от поверхности; поглощение падающего излучения и излучения люминесценции материалом волновода; поглощение излучения люминесценции люминофором за счет перекрытия спектров поглощения и люминесценции; потери при сборе излучения люминесценции волноводом.

Критический угол скольжения внутри волновода 6с=arсcos(no/nв), где пв и по - показатели преломления материалов волновода и оболочки. Оболочка необходима для защиты ПВ от механических повреждений и внешних факторов, приводящих к потерям в волноводе (например, конденсации влаги на его поверхности). При увеличении вс эффективность сбора излучения люминесценции волноводом увеличивается, однако при этом ухудшаются временные характеристики и возникают потери при выходе излучения люминесценции из ПВ в последующие устройства. Потери невелики, если вс < 900 - arсcos(nпу/nв), при ппу<пв, или вс<дгоХ%(пгу/пв), при ппу>пв , где ппу - показатель преломления последующего устройства, пв - показатель преломления волновода. В противном случае, часть излучения люминесценции (скользящие моды волновода) отражается от поверхности приемного устройства.

Поглощение в современных чистых оптических полимерах может быть менее 0,1 дБ/м, а размеры ПВ ограничены несколькими сантиметрами, поэтому потери на поглощение материалами волновода и оболочки могут быть незначительными при соответствующем выборе материалов.

Однако могут быть существенны потери, связанные с поглощением излучения люминесценции самим люминофором за счет перекрытия его спектров поглощения и люминесценции.

Расчеты показывают, что наибольшее поглощение люминофором излучение люминесценции испытывает на первых сантиметрах пути в ПВ. Потери сильно зависят от степени перекрытия спектров поглощения и люминесценции люминофора и могут достигать 10 дБ при I = 1 м. Поэтому для построения ПВ с большой площадью целесообразно выбирать люминофор с наименьшим перекрытием спектров поглощения и люминесценции.

Для оптимизации оптических характеристик полимерных планарных волноводов исследовались экспериментальные образцы пленок различной толщины от 50 до 500 мкм с добавлением различных люминофоров и чистых пленок без люминофоров для оценки уровней собственной люминесценции полимеров. Исследования проводились в соответствии с развиваемой аналитической моде-

лью переизлучения фотонов параллельными нанослями в полимере содержащими молекулы люминофоров. Для оценки эффективности люминофоров исследовалась их кинетика в полимерных матрицах.

Образцы облучались п/п излучателем с длиной волны 385 нм и интенсивностью в пятне около 0,8 Вт/м2. Эксперименты с образцами волноводов без люминофоров показали, что паразитное боковое излучение в волноводе имеет сравнительно малую величину и быстро затухает.

На Рис.1 представлены спектральные распределения мощности принимаемого сигнала на торцах планарных приемников с люминофором Родамин 6g. При нормализации спектров выходного сигнала во верхней границе спектра мы наблюдаем значительное изменение формы спектра для ПВ с люминофором Родамин 6^ Данный эффект вызван значительным перекрытием спектров поглощения и люминесценции Родамин 6^

Таким образом, для увеличения эффективной протяженности планарного приемника необходим подбор люминофора с минимальным перекрытием спектра поглощения и люминесценции.

Длина волны, нм Длина волны, нм

а) б)

Рис. 1. Спектральное распределение мощности принимаемого сигнала

с торца ПВ с люминофором Родамин 6g: а) нормированный на максимум; б) нормированный по верхней границе спектра

Эффективность сбора фотонов зависит от длины поперечного пути фотонов, который тем больше, чем толще пленка. При применении зеркального отражающего слоя на внутренней стороне пленки (на подложке) длина пути падающего излучения увеличивается в два раза. В связи с нелинейным поглощением излучения в среде эффективность применения зеркальной поверхности уменьшается в зависимости от толщины волновода.

Расчет показывает, что зеркальное покрытие боковой поверхности повышает уровень поглощенной мощности для тонких пленок (менее 100 мкм) более чем на 50 %, однако для более толстых пленок (толщина более 300 мкм) при-

менение зеркальной поверхности малоэффективно так как к зеркальному слою подходит незначительная часть падающего излучения.

Анализ теоретических кривых показывает эффективность применения зеркальной поверхности на дальнем торце волновода более чем в 1,5 раза для волновода длинной менее 30 мм и малоэффективно при длине волновода более 70 мм.

Основные выводы:

1. Теоретико-экспериментальные исследования характеристик УФ люминофоров в пленках толщиной 100-350 мкм из поливинилового спирта, полиме-тилметакрилата показали, что наблюдается низкий квантовый выход, а быстрая кинетика свидетельствуют о том, что для молекул люминофоров реализуются большие константы скорости без излучательных процессов.

2. Исследования показывают, что наибольшее поглощение люминофором излучение люминесценции испытывает на первых сантиметрах пути в ПВ. Потери сильно зависят от степени перекрытия спектров поглощения и люминесценции люминофора и могут достигать 10 дБ при I = 1 м.

3. Использование зеркальных слоев на ПВ может существенно повысить эффективность сбора рассеянных фотонов за счет увеличения вероятности переизлучения фотонов люминофором на трассе распространения. Эффективность выше для пленок толщиной менее 300 мкм.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Структура и функциональные возможности лазерной информационно-сенсорной системы для дистанционного контроля объектов в труднодопустимых зонах / А. В. Бритвин, Б. В. Поллер, А. Б. Поллер, Ю. И. Щетинин // Радиолокация, навигация, связь : сб. докл. 19-й Междунар. науч.-техн. конф., Воронеж, 16-18 апр. 2013 г. - Воронеж : САКВОЕЕ, 2013. - Т. 1. - С. 178-184.

2. Вопросы построения и результаты экспериментальных исследований средств лазер-но-радиоволновой наземно-космической связи и мониторинга / А. В. Бритвин, Г. С. Глуш-ков, Н. С. Никитенко, А. В. Поважаев, Б. В. Поллер, А. Б. Поллер, Ю. И. Щетинин // III всероссийская научно-техническая конференциюя «Системы связи и радионавигации» г. Красноярск, 22-23 сентября, 2016.

3. Поллер Б. В., Коломников Ю. Д., Трушенко Д. Е. Исследование планарных полимерных антенн с люминофорами для лазерных информационных систем // ГЕО-Сибирь-2006. Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 24-28 апреля 2006 г.). -Новосибирск : СГГА, 2006. Т. 4. - С. 176-180.

4. О свойствах полимерных планарных и волоконных оптических волноводов с микрочастицами и перетяжками / Б. В. Поллер, С. Г. Орлов, Д. Е. Трушенко, А. В. Бритвин, Д. В. Алексеев // ГЕ0-Сибирь-2008. IV Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 5 т. (Новосибирск, 22-24 апреля 2008 г.). - Новосибирск : СГГА, 2008. Т. 4, ч. 2. - С. 22-26.

5. Характеристики пленочно-волоконных модулей для антенн наземно-космической лазерной связи / Б. В. Поллер, А. В. Бритвин, Б. Д. Борисов, В.Ф. Плюснин // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2013». Дифракционные и интерференционные системы и приборы : сб. материалов (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. - С. 77-80.