CC BY
9ВКВ0-2023- ДАТЧИКИ
ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛАБЫХ БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТОК, ЗАПИСАННЫХ ИЗЛУЧЕНИЕМ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРА
1 2* 12 12 2 Бутов О.В. ' , Пржиялковский Д.В. ' , Лопунов А.И. ' , Пнев А.Б.
1 Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Москва 2МГТУ им. Н. Э Баумана, г. Москва * E-mail: [email protected] DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-275-276
Распределенные волоконно-оптические сенсорные системы широко используются для контроля протяженных объектов, таких как трубопроводы, путепроводы, мосты и иные инженерные сооружения, а также для охраны периметров в качестве вибрационных и акустических сенсоров. Для повышения уровня рассеяния в ряде случаев используются искусственно создаваемые дефекты в виде специально создаваемый фотоиндуцированных штрихов или слабых брэгговских решеток [1,2]. Особенно актуальны световоды с такими отражателями для когерентных систем рефлектометрии. Одним из способов создания таких отражателей является их запись в волоконном световоде с помощью излучения фемтосекундного лазера. Такая метод позволяет производить запись необходимых структур без удаления защитного покрытия.
Следует отметить, что в реальных условиях эксплуатации сенсорных систем при наличии значительного перепада температур, а также в присутствии механических напряжений спектр брэгговской решетки может смещаться, выходя за границы лазерного источника рефлектометрической системы. Поэтому оптимальным является создание спектрально неселективных дефектов или коротких брэгговских решеток с широким (несколько нанометров) спектром отражения [3,4]. Данные ограничения приводят к необходимости использования относительно высоких интенсивностей записывающего лазерного излучения как при записи точечных дефектов, так и коротких брэгговских решеток, что может приводить к снижению прочности волокна - одного из ключевых параметров для создания и эксплуатации сенсорных кабелей.
В данной работе проводится исследование прочностных брэгговских решеток, записанных поточечным методом излучением фемтосекундного лазера в зависимости от параметров лазера. Также приводятся данные по прочности единичных спектрально неселективных отражателей в виде поперечного штриха, созданного излучением фемтосекундного лазера.
Запись брэгговских решеток и точечных дефектов производилась с помощью излучения второй гармоники иттербиевого фемтосекундного лазера Optosystems FL300 с минимальной длительностью импульса 320 фс и длиной волны излучения 532 нм. Решетки записывались методом поточечной записи, схема которой подробно описана в работах [42,43]. Для создания отражения с необходимым для уверенной работы сенсорной системы широким спектром записывались дефекты в виде поперечного штриха и слабые брэгговские решетки длиной 50 и 15 мкм с коэффициентом отражения от 0,035 до 0,35 % (-35 - -25 дБ) что лежит в верхнем диапазоне величины необходимой для уверенной работы большинства систем. В таблице 1 приведены параметры записи различных групп отражателей.
Таблица 1. Параметры записи искусственных дефектов
Образец Тип дефекта Средний уровень Ширина спектра Средняя энергия
отражения, % отражения на полувысоте (FWHM), нм в импульсе при записи, нДж
A Точечный дефект (штрих) 0,004 - -
B Решетка 5 мм 80 0,2 67
C Решетка 50 мкм ИЯ 0,35 15 140
D Решетка 50 мкм ЬЯ 0,035 15 110
E Решетка 15 мкм 0,035 40 145
Для анализа прочностных характеристик записанных дефектов была создана установка для разрыва световодов. Контроль предельной деформации при разрыве образцов осуществлялся с помощью брэгговского интеррогатора MicronOptics SM125-500. Для точного контроля степени удлинения при разрыве для точечных дефектов и решеток с широким спектром, рядом с ними записывалась длинная (5 мм) решетка при малой энергии импульсов, что заведомо обеспечивало ей более высокие прочностные характеристики по сравнению с исследуемым дефектом. Величина предельного удлинения пересчитывалась в усилие на разрыв световода. По результатам проведенных
ВКВО-2023- ДАТЧИКИ
измерения были построены графики Вейбулла в виде зависимости вероятности разрыва образца F от приложенного усилия Of [5].
Часто экспериментальная зависимость представляется в осях х=1п(о^ и ^=1п(-1п(1-Р)) и аппроксимируется выражением (1) в форме линейной зависимости:
1п (1п =та 1п ©=та 1п -та 1п (1)
где ключевые коэффициенты Вейбулла а0 и та - параметр масштаба и формы Вейбулла соответственно.
In(af [GPa])
Рис. 1. Графики Вейбулла для исследованных образцов
Таким образом, в работе было экспериментально показано, что механическая прочность записанных поточечным методом брэгговских решеток зависит от энергии в импульсе излучения фемтосекундного лазера, что следует учитывать при расчете и записи широкополосных брэгговских отражателей для распределенных сенсорных систем с когерентным опросом. При этом единичный дефект в виде поперечного штриха из-за своих низких прочностных характеристик не может быть использован в сенсорных системах ввиду высокой вероятности разрыва световода при изготовлении и установки оптического сенсорного кабеля.
Литература
1. Stepanov K. V., et al, Sensors, 20, 6431 (2020)
2. Yatseev V.A., et al, Results Phys., 19, 103485 (2020)
3. Przhiialkovskii D.V., et al, Results Phys., 30, 104902 (2021)
4. Butov O. V., Opt. Laser Technol., 162, 109271 (2023)
5. Kapron F.P., et al, Opt. Eng., 30 700-708 (1991)
