CC BY
8ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОАПЕРТУРНЫХ КВАРЦЕВЫХ ВОЛОКОН С ОБОЛОЧКОЙ ИЗ АМОРФНЫХ ПЕРФТОРИРОВАННЫХ
СОПОЛИМЕРОВ
112 2 2 Соколов В.И. , Горячук И.О. , Замятин А.А. , Маковецкий А.А. , Ряховский Д.В.
1 Федеральный научно-исследовательский центр «Кристаллография и фотоника» РАН, г. Москва 2 Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова,
г. Фрязино Московской обл.
E-mail: [email protected] DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-162-163
Фторсодержащие полимерные материалы, обладающие высокой оптической прозрачностью и низким показателем преломления в видимом и ближнем ИК диапазонах длин волн, востребованы во многих областях фотоники. Они используются, например, для создания полимерных оптических волокон (ОВ) в системах внутриобъектовой передачи данных, в микропроцессорных вычислительных устройствах на печатных платах при формировании массивов планарных волноводов для высокоскоростной передачи данных. Поскольку фторсодержащие полимеры являются биосовместимыми материалами, на их основе возможно также создание высокоапертурных волоконно-оптических зондов для лазерной медицины.
В настоящее время считается, что наилучшими материалами для создания таких устройств являются аморфные полностью фторированные (т.н. перфторированные) полимеры [1, 2]. Помимо сверхнизкого показателя преломления и высокой оптической прозрачности в видимом диапазоне спектра, они обладают еще одним важным достоинством - более низким поглощением в ближней ИК-области, в том числе в телекоммуникационном диапазоне длин волн вблизи 1550 нм. Это следствие замены легких атомов водорода в молекуле полимера на более тяжелые атомы фтора, которая приводит к смещению колебательных обертонов v; (i = 0, 1, 2 ...) колебаний связи C - F в сторону больших длин волн по сравнению с обертонами колебаний C - H - связи.
В данной работе для использования в качестве светоотражающей оболочки ОВ был осуществлен синтез перфторированных сополимеров перфтор-2,2-диметил-1,3-диоксола (D1) и перфторпропилвинилового эфира (E1). Для синтеза использовались мономеры D1 и E1, которые представляют собой бесцветные прозрачные жидкости. Синтез проводился путем радикальной сополимеризации этих мономеров без использования каких-либо инициаторов в тефлоновой ампуле объемом 5 см3 при температуре 60 0С и давлении 15 тыс. атм. Длительность синтеза составляла 14°суток. Были получены сополимеры D1i_xE1x с молярной концентрацией перфторпропилвинилового эфира Е1 ж = 0.1-0.9.
образцов ОВ - по 50 см
Исследование структуры сополимеров В11_ХЕ1Х было проведено методом широкоуглового рентгеновского рассеяния [3]. Оно показано, что данные сополимеры являются аморфными. Измеренные значения показателя преломления в видимом и ближнем ИК диапазонах длин волн составили п = 1.293 - 1.314 [3].
Светоотражающее покрытие из аморфного перфторированного сополимера наносили на вытягиваемую кварцевую сердцевину диаметром df = 200 мкм фильерным способом из расплава непосредственно на вытяжной установке. Фильера представляла собой кварцевую трубку 10.5/8.0°мм/мм с диаметром выходного отверстия da = 440 - 460 мкм. Порошок сополимера Б11_ХЕ1Х засыпался в фильеру, которая затем устанавливалась в печь плавления термопласта. Вес начальной засыпки порошка в фильеру составлял 1,5 - 2.0 г (1.3 - 1.8 см3). Плавление порошка проводили под вакуумом 50 мБар с целью обезгаживания расплава фторполимера в течение 20 - 30 мин при температуре 140 - 250 0С, в зависимости от соотношения компонент сополимера. Вязкость расплава при этом составляла 103 - 102 Пас. Конструкция печи позволяла визуально наблюдать за процессом плавления порошка в фильере. Вытяжки ОВ проводили при скоростях 1.2 - 1.8 м/мин. При толщине нанесенного покрытия hc = 50 - 60 мкм длина вытянутых образцов ОВ составляла 8 - 10 м.
В работе были оценены числовая апертура, оптические потери, исследовано боковое рассеяние сформированных ОВ. Проведено их сравнение с соответствующими параметрами ОВ с отражающей оболочкой из органического зластомера СИЭЛ-159-315.
Номинальную числовую апертуру NA оценивали по наибольшей (для данного ОВ) угловой расходимости меридиональных лучей. Для возбуждения меридиональных лучей в исследованном ОВ использовался объектив Б - 6.16 - 0.65 с апертурой 0.65 большей, чем расчетное значение NA (0.6). При этом падающее на объектив излучение от лазера Ь0-303 (X = 532 нм) должно полностью заполнить его входную диафрагму. Выходящее из ОВ излечение проектировалось на экран, расположенный на расстоянии h = 50 мм от выходного торца ОВ. Оценка числовой апертуры
поводилась по формуле:
NA
зт\Arctg , где D - диаметр пятна излучения. Из
приведенных на Рис.2 фото следует, что у ОВ с покрытием В10.71Е10.29 номинальная числовая N4°« 0.6 существенно большая, чем у ОВ с покрытием из кремний органического зластомера СИЭЛ-159-315 (N4 к 0.4).
Рис. 2. Фотографии пятен излучения меридиональных лучей в дальнем поле: (а) - для КП-ОВ/200 мкм с покрытием СИЭЛ-159-315/200 мкм; (б)
- КП-ОВ/200°мкм с покрытием D10.71E1029. Расстояние от торцов ОВ до экрана h = 50 мм, цена деления масштабной линейки -1 мм, длины
На Рис. 3 приведены измеренные распределения интенсивностей бокового рассеяния света для трех образцов ОВ. Видно, что рассеяние аморфным фторполимером на ~ два порядка меньше, чем линейным кристаллизирующимся сополимером Tefzel, и только «в 1.5 раза больше, чем СИЭЛ-159-315. Следовательно, ОВ с покрытием Б11_ХЕ1Х из аморфных перфторированных сополимеров можно использовать для создания высоапертурных волоконно-оптических зондов.
Рис. 3. Распределения интенсивностей бокового рассеяния света Js(x) вдоль оси x волокна: (а) для
КП-ОВ/200°мкм с покрытием СИЭЛ-159-315 (кривая 1) и для КП-ОВ/200 мкм с покрытием D10.71E1029 (кривая 2); (б) для КП-ОВ/200 мкм с покрытием Tefzel (кривая 1) и для КП-ОВ/200 мкм с покрытием D1a71E1a29. (кривая 2). Все измерения проведены при одинаковых условиях
возбуждения; А = 532 нм
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственных заданий ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН (синтез аморфных перфторированных сополимеров) и Фрязинского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН (изготовление и исследование кварцевых ОВ с отражающей оболочкой из синтезированных сополимеров).
Литература
1. Tanio N., Koike Y.Poym. What is the most transparent polymer? Journal Polymer 32, 43-50 (2000)
2. Соколов В.И., Ахманов А.С., Игумнов и др. Вестник РФФИ3( 83), 78-86 (2014)
3. Соколов В.И., ГорячукИ.О\ Замятин А.А и др. Квантовая электроника 52(7),78-86 (2022)
б
а
а
б
