CC BY
31вкво-2019 -- вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
ОЦЕНКА МОЩНОСТИ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ СЕРДЦЕВИНЫ ЗАГОТОВКИ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АКТИВНЫХ ИОНОВ
1 2* 12 1 2 Латкин К. П. ' , Бурдин В.В. ' , Константинов Ю.А. , Первадчук В. П.
1 Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук, г. Пермь 2Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь
* E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16085
Заготовка активных волоконных световодов как первоначальный продукт производства определяет качество конечного: геометрические характеристики, оптические, состав стекла. Последнее важно тем, что концентрация, в том числе и легирующих примесей, будет в волокне таким же, как в заготовке.
Таким образом, встаёт вопрос о важности промежуточного контроля, в рамках которого будет выявляться некондиция. Учитывая высокую стоимость производства активных волоконных световодов, что связано с дороговизной редкоземельных металлов как основных примесей для создания активной среды в стекле, данный вопрос становится еще более существенным.
В качестве реализации такого контроля была предложена автоматизированная система ErGO, основной задачей которой является измерение однородности концентрации активных ионов (иттербий, эрбий) вдоль длины заготовки. Измерение происходит посредством освещения заготовки с боковой стороны излучением на длине волны 980 нм (линия накачки ионов эрбия и иттербия). Измерением мощности также с боковой стороны широкополосным фотоприёмником позволяет оценить мощность люминесценции в указанном пространственном угле (определяется свойствами коллиматора или волокна как собирающего устройства). Для эрбия это диапазон длин волн 1500-1600 нм, для иттербия — 1000-1100 нм. Расчётное отношение между концентрацией и мощностью люминесценции даёт возможность оценить распределение ионов в сердцевине вдоль длины заготовки.
Сама система автоматически настраивается на максимум мощности с помощью системы управления механической частью, целью этого является достижение повторяемости результатов.
В рамках данной работы было проведено математическое моделирование процесса, где, во-первых, была рассмотрена задача прохождения пучка накачки через поверхность заготовки с использованием геометрической оптики как теоретической базы (матричная оптика), а также закона Ламберта-Бугера-Бера. Данные вычисления показали, что потери на отражениях Френеля и на сердцевине не превышают по отдельности 5%, а дифракционное уширение гауссова пучка незначительно. Главным выводом здесь можно считать то, что потери незначительны, а мощность накачки в хорошем приближении можно считать постоянной по всей сердцевине.
Более значимые расчёты касаются процесса накачки и его характеристик: процесс накачки-люминесценции в какой-то момент становится стационарным и подчиняется стохастическим законам, определяющим вероятности излучения и поглощения. Если считать, что в трехуровневой схеме скорость изменения концентрации ионов эрбия в метастабильном состоянии равна сумме скоростей двух процессов: возбуждения 1^3 и распада 2^1, решение дифференциального уравнения имеет вид:
П°( kk+lP7 '(V exp( - (kVi+k-2 'pump)f»
( k 31 + k12 'pump'
где n3 — концентрация ионов находящихся в данный момент в возбуждённом состоянии (1/м3), n0 — общая концентрация ионов в стекле, Ipump — интенсивность пучка накачки, k12, k'31 — стохастические коэффициенты для электронных переходов (накачка и спонтанное излучение соответственно), t — время. Учитывая параметр, входящий в экспоненту, можно рассчитать время установления стационарного режима. Согласно расчётам, он составляет 0.0119 с, что достаточно незначительно по сравнению со временем измерения мощности. А значит, стационарный режим накачки-люминесценции в условиях прибора наступает мгновенно. Дополнительно проведены расчёты доли ионов в возбуждённом состоянии: система далека от насыщения, что значительно упрощает моделирование процесса (насыщение может быть достигнуто с использованием накачки мощностью порядка сотен ватт, реальная мощность накачки составляла 3 Вт).
170 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
Используя формулу, приведенную выше, можно оценить интенсивность люминесценции сердцевины и как конечный результат мощность, попадающую на фотоприёмник. Интенсивность люминесценции примерно в 4000 раз меньше интенсивности накачки, а для концентрации ионов эрбия 6.66-1024 1/м3 мощность, попадающая на линзу коллиматора радиусом 1.5 мм, составляет величину 450 нВт. Наличие прямой пропорциональности между концентрацией и мощностью люминесценции позволяет проводить измерения концентрации активных ионов вдоль длины заготовки. Коэффициент пропорциональности можно скорректировать эмпирическим путём (калибровка на образце с известной концентрацией).
Данные расчёты в полном объёме используются в специальном программном обеспечении для расчётов параметров измерения установки, а также в программном обеспечении, обеспечивающем управление автоматизированной системой как режим калибровки. Само моделирование позволяет значительно уменьшить погрешность измерений, обеспечить более глубокую настройку с учётом всех физических процессов, осуществить перевод из относительных единиц в абсолютные, более удобные для дальнейшего анализа в рамках производства.
Литература
1. Курков А.С, Дианов Е.М., Квантовая Электроника, 34 № 10, 881-900 (2004)
2. Латкин К.П. и др., Спецвыпуск «Фотон-экспресс-наука 2015», №6, 157-158 (2015)
3. МелькумовМА. и др., Неорганические материалы, 46№3, 1-6 (2010)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
