Исследование кварцевого оптического волокна с рассеивающей светоотражающей оболочкой из термопластичного полимера Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВКВО-2019- Стендовые

ИССЛЕДОВАНИЕ КВАРЦЕВОГО ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА С РАССЕИВАЮЩЕЙ СВЕТООТРАЖАЮЩЕЙ ОБОЛОЧКОЙ ИЗ ТЕРМОПЛАСТИЧНОГО ПОЛИМЕРА

Маковецкий А.А.*, Замятин А.А., Ряховский Д.В.

Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН,

г. Фрязино Московской обл. *E-mail: maz226@ms.ire.rssi.ru

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16188

Многомодовые оптические волокна (ОВ) со световедущей сердцевиной из чистого кварцевого стекла диаметром 200-600 мкм и светоотражающей оболочкой из кремнийорганического полимера широко используются в лазерной медицине [1]. Поверх отражающей оболочки на волокно наносят защитное покрытие, как правило, из термопластичного полимера.

Фильерный способ нанесения покрытий из расплавов термопластичных полимеров позволяет наносить покрытия на вытягиваемое "голое" (без буферного слоя) кварцевое волокно непосредственно во время вытяжки [2]. Если в качестве термопласта использовать фторированные термопластичные полимеры (т. е полимеры с высоким содержанием фтора), имеющие показатель преломления меньший, чем у кварцевого стекла, то указанным способом можно изготовить многомодовые кварц-полимерные ОВ, в которых отражающая оболочка одновременно является и защитной.

Целью данной работы является исследование оптических свойств одного из представителей таких ОВ - кварц-полимерного оптического волокна с отражающей оболочкой из сополимера тетрафторэтилена с этиленом марки Тв/гв1.

Для исследований были изготовлены образцы ОВ с диаметром световедущей сердцевины 400 мкм, толщиной отражающей оболочки 70-80 мкм и длиной до 50 м. Оптические потери в них составили 75-150 дБ/км (рис. 1)), числовая апертура - от 0.425 до 0.25 (в зависимости от длины ОВ и апертуры возбуждающего излучения).

а, с1ЬАи]

Рис. 1. Спектральная зависимость оптических потерь в кварц-полимерном ОВ с покрытием Те[ге1, диаметр световедущей сердцевины - 400 мкм, толщина покрытия - 70 мкм

Пр и распространении света по исследованным ОВ наблюдалось сильное его рассеяние светоотражающей оболочкой Тв/гв1, видное под любым углом наблюдения к оси ОВ (рис.2). Оно связано с кристалличностью полимера, т. е. наличием в материале кристаллической и аморфной фаз, имеющих различные значения показателя преломления (для Тв/гв1 степень кристалличности составляет 40 - 60 % [3]). Рассеиваются эванесцентные части мод ОВ, распространяющихся в светоотражающей оболочке на глубине порядка длины волны от границы раздела сердцевина-оболочка.

Рис.2. Фотография бухты ОВ длиной 20 м (диаметр бухты — 220 мм) при его засветке поляризованным излучением лазера LG Laser 303 (длина волны излучения — 532 нм). Ввод излучения в волокно — чепез объектив 10*. 0.4

360

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru

ВКВ0-2019 Стендовые

Результаты измерения индикатрисы рассеяния излучения (X = 0.63 мкм) участком оболочки ОВ длиной I = 10 мм приведены на рис. 3.

I г. щ.

Рис. 3. Схема измерения индикатрисы рассеяния (а) и измеренная индикатриса рассеяния (б). На схеме обозначено: 1 - Нв-^в лазер, 2 - объектив 10*, 0.4, 3 - исследуемое ОВ, 4 - открытый участок ОВ длиной 10 мм, 5 - экранирующие трубочки на ОВ, 6 - гониометр, 7 - ФЭУ-51

Для выявления относительных вкладов поглощения и рассеяния в суммарные оптические потери ОВ были проведены измерения интенсивностей коллинеарно (в пределах малого телесного угла) прошедшего через пленку Тв/2в1 толщиной к = 1 мм излучения Ие-Ые-лазера I ~ /с exp(-(aa+ а)й) и суммарного рассеянного ею излучения /2 ~ /о(1- ехр(- а$И)); здесь /о - падающее излучение, аа и ах - показатели поглощения и рассеяния соответственно. Величина /1 была измерена непосредственно, величина /2 - интегрированием (суммированием) индикатрисы рассеяния пленки в пределах телесного угла, дополнительного к коллинеарному углу. Эти величины связаны соотношением:

ехр( -агК) =1 - (/2/ /1) ехр( -(аа +аг )К) (1)

Подставив в (1) ехр(-(аа+ а.,)И) = 0,27 и /1//2 ~ 2,48, получим ехр(-а^й) = 0,33. Для показателей поглощения аа и рассеяния ац отсюда следуют значения аа = 0,20 мм-1 и а$ = 1,11 мм-1, т. е. главным вкладом отражающей оболочки Tefzel в оптические потери ОВ являются потери на рассеяние в ней.

В работе также было проведено сравнение коэффициентов рассеяния покрытий Tefzel и кремнийорганического эластомера марки СИЭЛ-159-305, широко используемого в качестве светоотражающей оболочки в кварц-полимерных ОВ. Зафиксировав угол наблюдения ф = 900 в схеме рис. 3, измеряли интенсивность рассеянного оболочками Tefzel и СИЭЛ-159-305 излучения X = 0.63 мкм для ОВ с диаметром кварцевой сердцевины 400 мкм. Рассеяние СИЭЛ-159-305 было в 3 - 5 раз меньше, чем Tefzel.

Несмотря на наличие дополнительных оптических потерь за счет рассеяния света светоотражающей оболочкой, образцы исследованных ОВ с покрытием Tefzel длиной 3 - 5 м вполне пригодны к использованию в лазерной медицине.

Работа выполнена в рамках государственного задания.

Литература

1. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. М: Физматлит, 2010, 488 с.

2. Замятин А.А., Г.А. Иванов, Маковецкий А.А., Шилов И.П. Патент РФ № 2402497. 2010

3. Энциклопедия полимеров. Том 3. М: Советская энциклопедия, 1977, 1152 с.

4. Маковецкий А.А., Замятин А.А., Аксёнов В.А. Технология изготовления и оптические свойства кварцевых оптических волокон с отражающей оболочкой из термопластичного полимера // Оптический журнал, 2019, Т. 86, № 3, С. 78-83

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 361