CC BY
17вкво-2019 -- вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В ПОЛЫХ РЕВОЛЬВЕРНЫХ СВЕТОВОДАХ
Колядин А.Н.*, Косолапов А.Ф., Буфетов И.А.
Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва *E-mail: antonkolyadin@gmail.com
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16086
Распространение оптического разряда исследовано в различных волоконных световодах со стеклянной сердцевиной [1]. Но до настоящего времени в полых световодах данное явление не исследовалось. В данной работе рассмотрено распространение оптического разряда (ОР) в полом световоде револьверного типа. В световод с диаметром полой сердцевины 20 мкм вводилось излучение импульсного неодимового лазера. После инициирования наблюдалось движение ОР навстречу лазерному излучению. При этом обнаружено, что средняя скорость распространения зависит от того, покрыт ли световод полимером (~1 м/с) или зачищен (~3 м/с). Средняя мощность лазерного излучения в световоде при этом составляла 2 Вт.
Револьверные световоды представляют из себя воздушную сердцевину, окружённую одним рядом стеклянных капилляров, приваренных к внешней несущей трубе (рис. 1(г)). Излучение неодимового лазера вводилось в полую сердцевину световода с эффективностью порядка 80%. Лазер работал одновременно в режиме модуляции добротности и синхронизации мод. При этом пакеты импульсов длительностью 130 нс и частотой следования 1,2 кГц состояли из импульсов длительностью 100 пс и частотой 76 МГц (период 13 нс). Средняя мощность на выходе полого световода составляла 2 Вт, что соответствует пиковой мощности 1 МВт. ОР инициировался следующим образом: в отсутствие излучения к плоскости выходного торца световода прислонялась металлическая пластина, подавалось лазерное излучение, в результате чего инициированный таким образом ОР начинал движение от выходного торца навстречу лазерному излучению.
Рис.1. а-в) фотография одного и того же участка световода до (а), во время (б) и после (в) прохождения по нему ОР. Световод без полимерной оболочки находился в иммерсионной жидкости. Способы подсветки: а - подсветка снизу; б - собственное свечение ОР. Затвор фотоаппарата оставался открыт при прохождении ОР; в - подсветка сбоку. Лазерное излучение распространялось слева направо;
г) фотография поперечного сечения световода На рис. 1 (а-в) продемонстрирован один и тот же участок световода до, во время и после прохождения по нему ОР, соответственно. После прохождения по световоду ОР в сердцевине световода наблюдаются периодические белые области (рис. 1(в)). Было показано [2], что в светлых областях капилляры световода разрушены, а в темных - остаются целы. При этом опорная труба световода остаётся целой после прохождения ОР на всей длине световода. На рис. 1(б) и (в) видно, что области более интенсивного свечения плазмы соответствуют областям, где капилляры световода разрушены. Этот факт позволяет сделать вывод, что каждая светлая область на рис.1(в) является «следом» от 100 пс импульса, а плазма ОР не «затухает» между этими импульсами.
На рис. 2 показана зависимость расстояния, пройденного ОР, от времени для двух световодов. Один световод (рис.2 чёрные квадраты) покрыт полимером (акрилат) на всей длине, а у второго световода (рис.2 чёрные точки) полимер на небольшом участке снят (схематичные изображения световодов приведены в левой и правой части графика). Из графика видно, что в области, где полимер со световода удалён, скорость ОР возрастает в «3 раза. На фотографиях, аналогичных рис. 1 (а-в), но для участка световода без полимера и находящегося в воздухе (рис. 3(а-в)) было обнаружено, что в
172
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
этом случае между областями с периодически разрушенными капиллярами находятся области длиной
«1мм без видимых разрушений.
350
300
g 250 £
вГ 200
X
к 150 О
I-
ö 100 го О.
50 0
О 50 100 150 200 250 300 350 400 Время, мс
Рис.2. Зависимость координаты ОР от времени для световода покрытого полимером на всей рассматриваемой длине (черные квадраты) и для световода с зачищенным участком (чёрные точки). Слева и справа схематично изображены световоды (покрытый и с зачищенным участком). На рисунке указаны измеренные значения средней скорости движения ОР Характер свечения плазмы на рис. 1(б) и 3(б), а также характер разрушений на снимках 1(в) и 3(в) позволяют утверждать, что ОР распространялся именно по полой сердцевине световода. Период следования областей с разрушенными капиллярами и на рис. 1(в), и на рис. 3(в) ~ 200 мкм. Если принять, что каждая такая светлая область остаётся от 100 пс импульса, которые следуют с частотой 13 нс, то средняя скорость движения ОР во время излучения пакета импульсов 15 км/с. Подобная величина скорости говорит о детонационном режиме распространения ОР.
а)
б)
Рис.З.Один и тот же участок световода до (а), во время (б) и после (в) прохождения по нему ОР. Световод находился в воздухе без полимерного покрытия.(а)-подсветка снизу; (б)-собственное свечение плазмы. Фотоаппарат находился с открытым затвором на всем времени прохождения ОР; (в)-подсветка сбоку. Длина каждого снимка 9 мм. Лазерное излучение распространялось слева направо
Плазма ОР, как видно из рис. 3(б), затухает в конце пакета импульсов. Таким образом, в случае, если световод покрыт полимером или окружён иммерсионной жидкостью (картина разрушений в этих случаях одинакова), следующий ОР инициируется в области с разрушенными капиллярами, оставшимися от предыдущего импульса. В случае же, если полимер снят и световод находится в воздухе, то зона следующих разрушений располагается примерно в 1 мм от предыдущей (области 2 и 4 на рис. 3). Эксперименты показывают, что данное различие обусловлено свойствами среды, в которой находится световод. По нашему мнению, условия отражения упругой волны от внешней поверхности несущей трубы световода должны играть здесь существенную роль. Ударная волна, сформированная в сердцевине световода под действием пакета импульсов, частично проникает в опорную трубу, отражается от внешней её границы (в случае границы стекло-воздух коэффициент отражения близок к единице), достигает внутренней границы и отрывает лежащие на внутренней поверхности стекла мельчайшие осколки, которые смещаются по сердцевине вместе с потоком воздуха за фронтом ударной волны в течение интервалов между пакетами импульсов. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 18-02-00324.
Литература
1. Kashyap R. Optics Express, 21, 6422 (2013)
2. Колядин А.Н., и др., Квантовая электроника, 48(12) 1138-1142 (2018)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
www.fotonexpres.rufotonexpres@mail.ru 173
