ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ ПОТОЧЕЧНОЙ ЗАПИСИ БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТОК С ПОМОЩЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРА Текст научной статьи по специальности «Физика»

DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-268-269

ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ ПОТОЧЕЧНОЙ ЗАПИСИ БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТОК С ПОМОЩЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ ФЕМТОСЕУКУНДНОГО ЛАЗЕРА

Пржиялковский Д.В.*1, Пикалов А.М.1'2, Дорофеенко А.В.1'3'4, Бутов О.В.1

'Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Москва 2Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва 3Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН, г. Москва,

4Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова, г. Москва, '27030

E-mail: [email protected]

Введение

В настоящее время волоконные брэгговские решётки широко используются в телекоммуникации. Они являются неотъемлемой частью современных волоконных лазеров, служат чувствительным элементом в разного рода сенсорных системах и датчиках [1-3]. Благодаря своим уникальным свойствам приборы на основе ВБР могут использоваться там, где применение других приборов затруднено, а иногда и невозможно, к примеру, в условиях повышенного радиационного фона, в условиях агрессивных химических сред, на объектах с повышенной пожарной опасностью [4,5]. Особый интерес представляет технология записи брэгговских решеток с помощью фемтосекундного излучения благодаря возможности использования нефоточувствительных волоконных световодов и возможности создания датчиков, устойчивых к воздействию высоких температур и ионизирующего излучения [6,7].

В наших экспериментах исследовались особенности формирования ВБР с помощью сфокусированного фемтосекундного излучения методом поточечной записи [6,8]. Подобные изменения материала волокна, индуцированные субпикосекундными импульсами, имеют природу, отличную от той, что наблюдается при классической UV записи. Многие процессы имеют существенно нелинейный и комплексный характер, к примеру, многофотонное поглощение с образованием плазмы твёрдого тела [9]. В нашей работе предпринята попытка промоделировать динамику формирования точечных дефектов в кварцевом стекле при записи брэгговских решеток.

Эксперимент

Запись ВБР проводилась в стандартном телекоммуникационном волоконном световоде Corning SMF-28e методом поточечной записи с помощью фемтосекундного лазера Optosystems FL300 с длиной волны основной гармоники 1064 нм (532 нм, соответственно, для второй гармоники) и длительностью импульса порядка 320 фс. Выбор частоты второй гармоники для записи обусловлен в первую очередь снижением дифракционного предела фокусировки лазерного пучка, что позволяет повысить пространственное разрешение таких структур и при этом сохранить достаточно высокую энергию в импульсе. Все изготовленные решетки имели длину L=5 мм и длину волны отражения в первом порядке (брэгговскую длину волны XB) в диапазоне 1540-1547 нм.

Результаты и обсуждение

В нашем эксперименте исследовалась зависимость уровня отражения брэгговской решетки от энергии импульсов фемтосекундного лазера (рис. 1). Для удобства анализа измеряемый экспериментально коэффициент отражения R решетки пересчитывался в усредненную, эффективную величину модуляции показателя преломления nAnmod, исходя из соотношения

R = tanh2(>nAnmod L / Л ) (!)

где An^d - усредненная величина наведенного показателя преломления в области штриха решетки, П - интеграл перекрытия моды волокна с решеткой. В нашем случае эта величина не совпадает с долей энергии моды, распространяющейся по сердцевине волокна, как это имеет место в случае стандартных брэгговских решеток, а соотношение усредненной площади сечения фотоиндуцированного штриха решетки к эффективной площади поля моды.

0.0004

0.0003

■о о

0.0002

<1 Е-

00001

50 100 150 200

Мощность импульса, нДж

Рисунок 1. Зависимость модуляции показателя преломления при записи ВБР от энергии в импульсе записывающего излучения, полученная в эксперименте (точки) и в результате численного моделирования (кривая)

Как видно из рисунка 1, зависимость амплитуды модуляции показателя преломления от энергии импульса демонстрирует пороговое поведение: ниже пороговой энергии запись структур практически не наблюдается. Нами было проведено моделирование процесса записи решетки в предположении гауссовского распределения поля в сфокусированном пучке. Было показано, что пороговая зависимость изменения показателя преломления от локального электрического поля в импульсе дает хорошее согласие расчета с экспериментом.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 20-37-90141.

Литература

1. Kashyap R., Fiber Bragg Gratings, Academic Press, (1999) 458

2. Lee K.K. C et al, Opt. Express 21(20), 24076-24086 (2013)

3. Cusano A., Cutolo A. and Albert J., Fiber Bragg Grating Sensors: Recent Advancements, Industrial Applications and Market Exploitatio, Bentham Science Publishers, (2011), 322

4. Vasiliev S.A. et al IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, 45,NO 3 1580-1583, (1998)

5. Butov O.V. et al, Proc.SPIE 9157, 23rd International Conference on Optical Fibre Sensors Article 91570X; Code 105788 (2014)

6. Butov O. V. et al, Sensors, 19(19), 4228 (2019)

7. Бутов О.В Всероссийская конференция по волоконной оптике ВКВ0-2019, спецвыпуск Фотон-Экспресс-Наука, №6 (158), 26-27 (2019)

8. Достовалов А.В., Вольф А.А., Бабин С.А., Прикладная фотоника, №2 48-61 (2014)

9. Smelser C. W., Mihailov S.J., and Grobnic D., OPTICS EXPRESS 13 №14 5377-5386 (2005)