CC BY
5ВКВ0-2023- ВОЛОКНО
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОЛИНЗ НА ТОРЦЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН ПРИ ЖИДКОСТНОМ ТРАВЛЕНИИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ, ГЕНЕРИРУЕМОГО ИНФРАКРАСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
Нурмухаметов Д.И.*, Шмырова А.И., Корнилицын А.Р., Пономарёв Р.С., Паньков А.С.
Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь * E-mail: [email protected] DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-184-185
Линзованные волокна, представляющие собой волоконные световоды с микролинзами на торце, широко применяются в интегральной и волоконной оптике [1-5]. Использование таких волокон позволяет сфокусировать излучение в пятно размером порядка 1-2 мкм [6], что дает возможность проводить стыковку между оптическим волокном и интегральной схемой через воздушную среду, без контакта с клеем в области распространения света [7-13]. Одним из наиболее распространенных методов производства линзованных волокон является метод объемного травления [14], в котором процесс протекает в объеме водного раствора фтороводорода на границе раздела с газовой фазой или несмешивающимся с раствором верхним реагентом. Распространены также методы травление в капле [15, 16], двухэтапное капельное травление [17], травление в защитно-упрочняющем покрытии [18]. Не смотря на распространенность метода до сих пор открыт вопрос о влиянии гидродинамических течений, которые могут возникнуть в системе случайным образом или же быть навязанными другими внешними факторами, на скорость травления и форму изготавливаемых микролинз. В работе [19] было показано, что, используя диэлектрофоретический эффект и термогравитационную конвекцию и пропуская оптическое излучение через исследуемое волокно, можно получить контроль над движением жидкости, а, следовательно, дает возможность управлять технологическим процессом.
Настоящая работа была направлена на визуализацию гидродинамических течений, возникающих на межфазной поверхности и вблизи световода в процессе объемного химического травления. Эксперименты проводились в ячейке Хеле-Шоу размером 60х50х3 мм, заполненной на 2/3 40% водным раствором фтороводорода и 1/3 олеиновой кислотой. Травление протекало на 1) торце прямосколотого волокна, зачищенного от акрилатного покрытия и буфера на 1 см; 2) зачищенного только от буферного покрытия и сколотого до уровня защитно-упрочняющего покрытия; 3) и 4) аналогично первым двум случаям, но под влиянием гидродинамического течения, которое генерируется инфракрасным излучением, проходящим через исследуемое волокно. Течение визуализировалось путем добавления в жидкие среды частиц нейтральной плавучести размером 5 - 20 мкм. Съемка течения осуществлять с помощью скоростной видеокамеры в рассеянном свете. Для формирования вокруг волокна гидродинамического течения, волокно подключалось к лазерному диоду (^=980 нм). Изменение мощности позволяло управлять скоростью движения жидкости в кислотной среде.
Эксперименты показали, что в отсутствие излучения вблизи волокна формируется опускное течение (рис. 1а), вызванное разностью плотности продукта травления - раствора диоксида кремния в кремнефтористоводородной кислоте, и водного раствора фтороводорода. Продуктом пассивного травления являлись линзы подобные той, что приведена на рис. 1б. Пропускание инфракрасного излучения через оптическое волокно позволило подавить опускное течение подъемным потоком. При этом в зависимости от мощности излучения в системе реализовывались такие структуры как: пара конвективных валов (рис. 1в), множество валов со «слепой» зоной в точке фокуса (рис. 1г), а также течения, растекающиеся под межфазной поверхностью (рис. 1д). Последнее реализуется при условии, когда торец волокна расположен непосредственно на границе раздела или выше неё. При этом на торце волокна формировались микролинзы неправильной формы (рис. 1е).
На рис. 1ж и рис. 1з приведены линзы, формы которых характерны для случая травления без снятия защитно-упрочняющего покрытия в отсутствие и при пропускании через волокно излучения соответственно. Из фото видно, что под действием излучения процесс травления интенсифицируется. За одинаковое время воздействия размер линзованной части отличается более чем в два раза. Сравнение формы и структуры поверхности линз, полученных при травлении с зачищенным буфером и защитно-упрочняющем покрытием (рис. 1б,е), с линзами, изготовленными при травлении в защитно-упрочняющем покрытии, показало, что независимо от наличия омывающего течения покрытие обеспечивает формирование линзы более правильной формы с гладкой поверхностью.
ВКВО-2023- ВОЛОКНО
б г е з
Рис. 1. Структуры течения вблизи волокна и фото микролинз, полученных при мощности излучения, проходящего через волокно Р, мВт: а) и б) 0; в) 65; г) 95; д) и е) 195; ж) 0 - травление прямосколотого волокна без защитно-упрочняющего покрытия з) 195 - травление в защитно-упрочняющем покрытии
Обобщая полученные результаты, можно сделать вывод о том, что наличие конвективных потоков влияет на скорость производства и форму микролинз в процессе жидкостного травления. Показать, что нисходящий поток раствора фторида кремния может быть инвертирован с помощью инфракрасного излучения, пропускаемого через исследуемое волокно, что в свою очередь приводит к интенсификации процесса. Вариация мощности лазера позволяет управлять структурой результирующих течений и влиять на геометрическую форму конечного продукта.
Работа поддержана Министерством науки и высшего образования РФ (тема № 121101300016-2).
Литература
1. Piccirillo F., et al. Results in Optics 6, 100203 (2022)
2. Ghenuche P., Rigneault H., Wenger J. Optics express 20(27), 28379-28387 (2012)
3. Zelgowski J., et al. Optics Letters 41(9), 2073-2076 (2016)
4. Bouaziz D, et al. Photonics 8(9), 373 (2021)
5. Xiong Y., Xu F. Advanced Photonics 2(6), 064001 (2020)
6. Datasheet. Tapered and lensed fibers, OZ Optics. URL: https://www.ozoptics.com/ALLNEW_PDF/DTS0080.pdf.
7. Pawar D., Kale S.N. Microchimica Acta 186(4), 1-34 (2019)
8. Islam M., Ali M.M., Lai Sensors 14(4), 7451-7488 (2014)
9. Zhang Y., Peng H., Qian X. Sensors and Actuators B: Chemical 244, 393-416 (2017)
10. Shao J., et al. Sensors 17(9), 2144 (2017)
11. Yan H., et al. Optics Communications 359, 157-161 (2016)
12. Yu C., et al. Photonic Sensors 5(2), 142-145 (2015)
13. Li Y., et al. Optics Communications 414, 166-171 (2018)
14. Gangopadhyay Т.К., et al. SPIE 8173, 500-509 (2011)
15. Zhang E. J., Sacher W. D., Poon J. K. S. Optics express 18(21), 22593-8 (2010)
16. Son G., Jung Y., Yu K. IEEE Photonics Journal 9(5), 7105208 (2017)
17. Chenari Z., et al. Optics & Laser Technology 76, 91-95 (2016)
18. Stockle R., et al. Article in Applied Physics Letters 75(2), 160-162 (1999)
19. Gao S. A., et al. Langmuir 37(29), 8677-8686 (2021)
