CC BY
23
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 7 (16), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
87
Рисунок 3 показывает, что матрица композиции ПВД/ПНД с более высоким молекулярным весом вызывала более раннее возникновение перехода от нехрупкого к хрупкому разрушению композиции и достигла более высокого и раннего максимума кривой ударной вязкости по Шарпи с надрезом.
Когда молекулярный вес матрицы стал больше, сила взаимодействия между молекулярными цепочками возросла, и деформационно-индуцированные области или районы межфазного перехода стали шире, это значит, что слои сферического полимерного кристалла из вытянутых цепочек стали больше. Таким образом, более толстые слои сферического полимерного кристалла из вытянутых цепочек, соединились одна с другой при низком содержании СаСО3 и сформировали больше связей между собой. Следовательно, они смогли раньше сформировать сетевую структуру из вытянутых цепочек в смесях. Это ключевая причина того, что переход от нехрупкого разрушения к хрупкому и максимальная ударная вязкость смесей могла иметь место при низком содержании СаСО3, так как молекулярный вес матрицы вырос.
Кривая 4 на рис. 3 показывает отношение между ударной вязкостью композиции ПВД/ПНД с СаСО3 и содержанием СаСО3 в ней. Несмотря на то, что максимальная ударная вязкость была достигнута при низком содержании СаСО3, этот максимум был меньше, а эффективность действия частиц СаСО3 по увеличению жесткости была ниже.
На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы: в процессе смешения в расплаве композиции ПВД/ПНД и частиц СаСО3, ON330 реагирует с NDZ в компаундированное связующее вещество, что приводит к формированию слоя покрытия из мягких молекулярных цепочек ON330 на частицах СаСО3 и очевидно увеличивает их межфазную адгезию. В результате данного исследования ударная вязкость по Шарпи с надрезом смесей (60/40) была 62,0 кДж/м2, что в 2,3 раза выше чем у неулучшенной композиции ПВД/ПНД.
Произошло улучшение механических характеристик композиций и возник переход от хрупкого разрушения к нехрупкому благодаря эффекту кристаллизации, вызванному сдвиговой деформацией. Межфазная адгезия, размер частиц, распределение их размеров и содержание СаСО3, а также интенсивность охлаждения образцов, были ключевыми факторами, определяющими формирование структуры кристаллической решетки из вытянутых цепочек. Равномерность и кристалличность матричных молекулярных цепочек также были ключевыми факторами, влияющими на деформационно-индуцирующую кристаллизацию и определяющими эффективность увеличения жесткости.
Литература
1. Bucknall, C. B. Toughened Plastics; Applied Science:
London, 1977. - 359 р.
2. Wu S., Impact fracture mechanisms in polymer blends: Rubber-toughened nylon // J. Polym. Sci / Polym. Phys. Ed. 1983. - 699-716 p.
3. Hobbs S. Y., Bopp, R. C., Watkins V. H. Toughened nylon resins // Polym. Eng. Sci. 1983. - 380-389 p.
4. Wu S., Phase structure and adhesion in polymer blends: A criterion for rubber toughening // Polymer, 1985. -1855-1861 p.
5. Wu S., A general criterion for rubber toughening: The critical matrix ligament thickness // J. Appl. Polym. Sci. 1988. - 549-561 p.
6. Bartczak Z., Argon A. S., Cohen R. E., Weinberg M. Toughness mechanism in semi-crystalline polymer blends: I. High-density polyethylene toughened with rubbers // Polymer 1999. - 2331-2346 p.
7. Bartczak Z., Argon A. S., Cohen R. E., Weinberg M. Toughness mechanism in semi-crystalline polymer blends: II. High-density polyethylene toughened with calcium carbonate filler particles // Polymer 1999. -2347-2365 p.
8. Kurauchi T., Ohta T., Energy absorpition in blends of polycarbonate with ABS and SAN // J. Mater. Sci. 1984. - 1669-1709 p.
9. Koo K. K., Inoue T., Miyasaka K., Toughened plastics consisting of brittle particles and ductile matrix // Polym. Eng. Sci. 1985. - 741-746 p.
10. Angola J., Fujita Y., Sakai T., Inoue T. Compatibilizer-aided toughening in polymer blends consisting of brittle polymer particles dispersed in a ductile polymer matrix // J. Polym. Sci., (Part B) / Polym. Phys. 1988. -807-816 p.
11. Fu Q., Wang G., Polyethylene toughened by rigid inorganic particles // Polym. Eng. Sci. 1992. - 94-97 p.
12. Galeskl A., Piorkowska E., Koenczoel L., Baer E., Acoustic emission during crystallization of polymers //
J. Polym. Sci. (Part B) / Polym. Phys. 1990. - 1171 p.
13. Zhang Y., Chen R., Ошу jing gao ju wu de bo li hua zhuan bian wen du yu ошу jing can shu de guan xi // J. Polym. Mater. Sci. Eng. 1992. - 94 p.
14. Zhang Y., Chen R., Ошу jing gao ju wu de bo li hua zhuan bian wen du yu ошу jing can shu de guan xi // J. Polym. Mater. Sci. Eng. 1992. - 95 p.
15. Zhang Y., Cheng R., Zhang S., Fang lun xian wei xi shi xing wei de yan jiu // Acta Mater. Compos. Sinica, 2014. - 9 -12 p.
16. Zhang Y., Chen R., Hui Z., Effects of the interfacial stress-induced crystallization on the matrix crystalline morphology and the mechanical properties of glass fiber-reinforced high density polyethylene composites // J. Adhes. Sci. Technol. 2000. 1405-1421 p.
НОВАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ГЕНЕРАЦИИ МОДЫ ОАМ ФОТОНОВ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ
Кузяков Борис Алексеевич
Канд. физ.-матем. наук, доцент каф. Телекоммуникационных систем МИРЭА, г. Москва,
Тихонов Роман Валерьевич
аспирант МИРЭА, г. Москва
АННОТАЦИЯ
В работе рассматриваются методы реализации разнообразных состояний орбитальных угловых моментов (ОАМ) фотонов. В методе коррекции фазы (МКФ) с ОАМ используется поток фотонов с определенной модой углового
88
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 7 (16), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
орбитального момента, в приемном модуле выбираются фотоны с соответствующей модой ОАМ, что позволяет реализовать корректировку системы телекоммуникации. Методика с использованием одноосного кристалла, к которому прикладывается электрическое напряжение, позволяет создавать и выделять несколько состояний ОАМ. Приведен так же метод использования субволновой решетки на основе диэлектрических структур в виде массива нано -волосков. Проведен анализ нескольких методов реализации состояний ОАМ фотонов. Показано, что метод МКФ, при использовании ОАМ, имеет определенные преимущества.
Ключевые слова: фотон, орбитальный угловой момент, атмосфера, оптическая линия связи, коррекция фазы ABSTRACT
The paper deals with methods of the realization of the various states of the orbital angular momentum (OAM) ofphotons. In a method ofphase correction (MPC) with the OAM is used a stream ofphotons with a certain mode of orbital angular moment, in the reception by the module are selected photons with a corresponding fashion the OAM is that it allows for the adjustment of the system of telecommunications. A technique using a single-axis crystal, to which is applied an electric voltage, allows to you to create and highlight a few of the states the OAM. It is shown also the method of using sub-wavelength grating based on dielectric structures in the form of an array of nano - hairs. The analysis is made of several methods of implementation of the OAM states ofphotons. It is shown that the method of MPC, with using of OAM, has certain advantages.
Keywords: photon, orbital angular momentum, atmosphere, optical communication line, the correction phase
В наше время для реализации оптической связи между разнообразными объектами, в ряде случаев, необходимы комбинированные оптические системы (КОТС). Они могут содержать [1-3] несколько сегментов волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и атмосферных открытых линий связи (АОЛС).
Относительную устойчивость оптического телекоммуникационного канала, можно повысить на основе метода коррекции фазы (МКФ), при использовании орбитальных угловых моментов фотонов (ОАМ) [1, 2]. Среди методов создания ОАМ можно выделить несколько наиболее эффективных.
В МКФ с ОАМ используется поток фотонов с определенной модой углового орбитального момента, в приемном модуле выбираются фотоны с соответствующей модой ОАМ, что позволяет реализовать корректировку системы телекоммуникации. Для реализации методики с использованием мод ОАМ могут применяться несколько
вариантов схем. Например, в работе [2] в схеме формирования лазерного пучка используются отражательные голограммы или дифракционные решетки на входе и выходе оптической системы.
На рис. 1 (черный цвет - экспериментальные данные, белый - расчетные) наглядно представлен вариант зависимости интенсивности пучка от распределения мод ОАМ (параметр l). Например, видно (рис. 1), что при 0 = 0,6 (0 - нормированный угловой сектор полной расходимости лазерного пучка) контраст между первыми ближайшими модами ОАМ превышает 0,9, при 0 = 0,8, этот контраст оказывается порядка 0,3. При еще больших значениях 0 = 1,0, значимый контраст реализуется для отдельных мод: -1, - 0 и 2, - 3.
Наряду с этим, рассматриваются варианты выбора ОАМ с использованием внутренней конической дифракции. Находит так же применение магнитооптический эффект для настройки ОАМ потока фотонов.
Рисунок 1. Пример распределения потоков фотонов с модами УОМ
Электрический контроль ОАМ при фокусировке лазерного пучка на безосный кристалл предложен в работе [4]. В методе электроконтроля состояний УОМ используют четвертьволновые пластины и одноосный кристалл стронций-барий-ниобат (СБН), к которому прикладывается электрическое напряжение E* [4]. Возможности метода хорошо иллюстрирует рис. 2, на котором приведена зависимость состояний ОАМ, от приложенного напряжения на кристалл СБН, при размере сфокусированного Бессель - Гауссового пучка w0 = 10
мкм. Из рис. 2 видно, что в рассматриваемой оптической системе могут формироваться разные состояния ОАМ: от 0 до 1,8 при изменении напряжения Е0 в диапазоне: -1,6883 - + 4 кВ/мм.
В одном из методов генерации выбранных состояний ОАМ, используют нелинейное кольцевое кварцевое волокно и параметрическую конверсию «вниз» [5]. При создании термической нелинейности в кольцевом волокне с длиной ~ 1 м, реализована высокая квантовая эффективность процесса.
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 7 (16), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
89
В работе [6] приведены результаты многомодовой интерференции между Гауссовым пучком и пучком с модами ОАМ различного порядка в диэлектрическом квадратном волноводе. При многомодовой интерференции в волноводе реализуется эффект самоизображения выбранных мод. В некотором входном сечении волновода поле
моды можно представить в виде: f0 (x, y) = fs (x) fA (y) -симметричная вдоль горизонтальной оси и антисимметрична по вертикальной оси; а для поля четной моды: fе (x, y) = fs (у) fA (х) эти направления симметрии изменяются.
Рисунок 2. Зависимость состояний ОАМ от E*
После прохождения вдоль (по горизонтальной оси) новода, при условии многомодовой интерференции, рас-волновода расстояния L=3Lc /2 от входного сечения вол- пределения полей мод изменяются и принимают следующий вид:
fA1/3(x, 3Lc/2)=(1/C)[fA1/3(x)exp(jn/2)+fA1/3(W-x)], (1)
fs1/3(x, 3Lc/2)=(1/C)[fs1/3(x)exp(jn/2)+fs1/3(W-x)exp(jn)] (2)
Анализ выражений (1) и (2) показывает, что фазы сигналов значительно отличаются. Т.е. на расстоянии L=3Lc /2 от входного сечения волновода установились выбранные моды ОАМ. При этом в этом методе, вариации длины волновода позволяют реализовывать в выходном сечении выбранные моды ОАМ.
В работе [7] предложено использовать субволновые решетки на основе диэлектрических структур в виде массива нано - волосков. Они позволяют успешно генерировать ОАМ состояния на длине волны Х0 = 1.55 мкм с
высокой эффективностью дифракции. На рис. 3 (а) показан выходной вихревой луч топологического заряда m = + 1, сгенерированный в массиве нано - волосков. На вход массива, перпендикулярно его подложке, поступает Г аус-сов пучок с обычным пространственным распределением интенсивности. На этом же рис. 3, показаны профили интенсивности в дальней зоне и фазы вихревого пучка. Вектор Пойнтинга, генерируемого пучка, обертывается вокруг оси распространения, создавая спиральную волну с нулем интенсивности в центре.
Рисунок 3. а) Вихревой луч топологического заряда m = + 1; (б) “бублик” - образный профиль интенсивности, (с) фазовый профиль луча, сгенерированного в нано-волосковой структуре
Применение массива нано-волосков для формирования оптического элемента при транспортировке цилиндрического пучка был предложено в [8]. Для изготовления этих вихревых элементов, использовались способы конформного осаждения оксидов металлов и травления для достижения высокой плотности решеток в кварце.
Фаза передаваемого луча, проходящего через наноструктуру волосков, зависит от их ширины и пространственной плотности. Причем фаза модулируется в двух разных областях этой структуры (выше и ниже подложки), обеспечивая тем самым дополнительную степень свободы в реализации [8, 9]. Кроме того, была создана градуиро-
90
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 7 (16), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ванная система показателя преломления в пределах каждого нано-волоска субмикронных размеров, что способствует ослаблению требований на геометрические соотношения элементов устройства и одновременно обеспечивает высокую эффективность передачи.
Таким образом, в рассмотренных методах могут быть реализованы различные состояния ОАМ для многообразных оптических комбинированных линий телекоммуникаций. Можно отметить, что относительная устойчивость телекоммуникационного канала, содержащего сегменты ВОЛС и АОЛС, связанная с дисперсией флуктуации интенсивности на оси лазерного пучка в турбулентной атмосфере, возрастает при использовании методов коррекции.
Проведенный анализ показал, что метод коррекции фазы (МКФ), при использовании орбитальных угловых моментов фотонов (ОАМ) в схеме с отражательными дифракционными решетками, имеет определенные преимущества. Этот вывод подтверждается так же недавними экспериментами работы [10], в которой была реализована устойчивая оптическая связь с использованием ОАМ состояний потока фотонов на расстоянии свыше 3 км в г. Вена.
Список литературы
1. Sanchez D.J., Oesch D.W. // Optics Express. - 2011. -v. 19. - Is. 25. - p. 25388-25396.
2. Gibson G., Courtial J., Padgett M. et al. // Optics Express. - 2004. - v. 12, - Is. 22. - p. 5448 - 5456.
3. Кузяков Б.А., Тихонов Р.В. // Труды III-й Всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике. М.: НИЯУ МИФИ. 2014, с. 23 - 24.
4. Zhu Cr. W., She W. // Optics Express. - 2012. - V. 20,
- Is. 23. - p. 25876 - 25883.
5. Javurek D., Svozilik J., Perina Jr. J. // Optics Express. -2014. - v. 22. -No. 19. - p. 23743 - 23748.
6. Ma Z., Chen H., Wu K., Zhang Y., Chen Y., Yu S. // Optics Express. - 2015. - v. 23. - No. 4. - p. 5014-5026.
7. Srimathi I.R., Li Y., Delaney W.F., Johnson E.G. Subwavelength grating based metal-oxide nano-hair structures for optical vortex generation. // Opt. Express.
- 2015. - v. 23, - N.15. - p. 19056 - 19065.
8. Srimathi I.R., Pung A.J., Li Y., Rumpf R.C., Johnson
E.G. Fabrication of metal-oxide nano-hairs for effective index optical elements. //Opt. Express. - 2013.
- 21. - No.16. - p. 18733 - 18741.
9. Kleemann B.H., Seesselberg M., Ruoff J. Design concepts for broadband high-efficiency DOEs. // J. Eur. Opt. Soc. - 2008. - v. 3. - p. 08015.
10. Krenn M., Fickler R., Fink M., Handsteiner J., Malik M., Scheidl T., Ursin R. A.Z., arXiv:1402.2602; Ученые впервые осуществили передачу информации на большое расстояние при помощи «закрученного» света. //Лазер - Информ. - 2014. - N° 22 (541). - с. 12.
ВИРТУАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СХЕМЫ ЧЕТЫРЕХЧАСТОТНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В СРЕДЕ OPTISYSTEM 7.0
Малых Дмитрий Вячеславович, Файзуллин Ренат Илдусович, Галин Артем Викторович
Студ. 4-ого курса КНИТУ-КАИ, ИРЭТ, г. Казань
АННОТАЦИЯ
В данном докладе рассматривается виртуальное проектирование, моделирование схемы четырехчастотного метода измерения параметров физических полей в среде Optisystem 7.0, выявлены основные особенности.
ABSTRACT
This report examines the virtual design, simulation of the entire scheme of the method of measurement ofparameters of physical fields in the environment Optisystem 7.0, identified the main _ features.
Ключевые слова: Волоконно-оптический датчик, датчик на основе оптоволоконной решётки Брегга, длина
волны.
Keywords: Fiber-optic sensor, a sensor based on fiber Bragg grating, wavelength.
дальних участках оптического кабеля. Параметры функциональных моделируемых блоков подбираются исходя из следующих условий: Возможность программной и практической реализации, максимальное соответствие реальным параметрам, обеспечивающие оптимальную эффективность моделирования, для обеспечения выполнения данных условий выбираем программное обеспечение Optisystem 7.0 фирмы Optiwave.
Схема моделируемого четырехчастотного метода с треугольной формой ВРБ представлена на рисунке 1.
В качестве источника сигнала используем DFB - лазер мощностью 1 мВт работающий на частоте 193.1 ТГц (1552.5 нм) соответствующей средней частоте спектра ВРБ используемой в схеме.
Для получения четырехчастотного сигнала используем два последовательно включенных электро-оптиче-ских модулятора Маха-Цендера совместно с двумя генераторами синусоидального напряжения настроенных на частоты 30 ГГц и 5ГГц соответственно.
В настоящее время виртуальное проектирование схем с использованием волоконно-оптических датчиков (ВОД) совместно с волоконной решёткой Брэгга (ВРБ) в различных сферах деятельности человека, очень распространены.
Исследование датчика на основе ВРБ производится моделированием. Для изучения отклонений решетки в зависимости от температуры используется принцип прохождения электрического сигнала через колебательный контур как настроенный, так и с расстройкой частоты. Спектральная характеристика решетки подбирается таким образом, чтобы обеспечить эффективное определение величин интенсивностей симметричных гармоник поступающего сигнала.
Наименьшая величина затухания 0,22 дБ/км наблюдается на длине волны 1550 нм. Исследования в данном диапазоне длин волн позволяют проектировать волоконно-оптические датчики с меньшей погрешностью на
