CC BY
10
УДК 535.92
РАДИАЦИОННО НАВЕДЕННОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ
В СВЕТОВОДАХ С СЕРДЦЕВИНОЙ ИЗ НЕЛЕГИРОВАННОГО КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА В БЛИЖНЕМ ИК-ДИАПАЗОНЕ: ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ
ВЫТЯЖКИ
П.Ф. Кашайкин1, А. Л. Томашук1, М.Ю. Салганский2'1, Н. Н. Вечканов2, А. Н. Гурьянов2, А. Ф. Косолапов, С. Л. Семенов1
Из восьми аналогичных преформ волоконных световодов с сердцевиной из нелегированного кварцевого стекла и фторсиликатной светоотражающей оболочкой вытягиваются световоды при различных режимах вытяжки (температуре T, натяжении и скорости). Затем световоды подвергаются y-облучению, и при дозе 2.5 кГр (7.4-7.6 Гр/с) измеряется радиационно наведенное поглощение (РНП) света на длине волны А = 1.55 мкм. Установлено, что РНП резко увеличивается с увеличением T, которая, как оказалось, и является основным параметром вытяжки, определяющим радиационную стойкость световода. Установлено, что зависимость РНП от T-1 носит экспоненциальный характер.
Ключевые слова: волоконный световод из нелегированного кварцевого стекла, радиационно наведенное поглощение света, температура вытяжки волоконного световода.
Введение. Применение волоконных световодов (ВС) в условиях повышенного уровня радиации приводит к возникновению в их сетке стекла точечных дефектов (радиационных центров окраски, РЦО), поглощающих световой сигнал, распространяющийся по ВС. Это явление известно, как радиационно наведенное поглощение (РНП) света. Для применений ВС в радиационных полях (атомная энергетика, космос, военная техника)
1 НЦВО РАН, 119333 Россия, Москва, ул. Вавилова, 38; e-mail: tomashuk@fo.gpi.ru.
2 Институт химии высокочистых веществ им. Г. Г. Девятых РАН, 603951 Россия, Нижний Новгород, ул. Тропинина, 49.
эффект РНП должен быть минимизирован до уровня, который существенно не сказывался бы на функционировании волоконно-оптической системы: т.е. ВС должны быть радиационно стойкими.
Известно, что ВС с сердцевиной из нелегированного кварцевого стекла и фторсили-катной светоотражающей оболочкой являются одними из наиболее радиационно стойких типов ВС в ближнем ИК-диапазоне.
Основными РЦО, ограничивающими их радиационную стойкость, являются автоло-кализованные дырки на немостиковых р-орбиталях сетки стекла [1]. Их предшественниками могут быть деформации сетки стекла световода, которые вмораживаются в сетку в процессе вытяжки ВС из преформы из-за разности физико-химических свойств сердцевины и оболочки (КТР, температуры стеклования, вязкости), а также в силу закалочных условий при вытяжке (быстрое охлаждение ВС от температуры Т ~ 2000 °С до комнатной).
В литературе приведены достаточно противоречивые данные о зависимости РНП ВС с нелегированной сердцевиной из кварцевого стекла от параметров вытяжки [2-4]. В работе [2] было показано, что основным параметром, влияющим на РНП, является натяжение при вытяжке. Однако, в работах [3, 4] не было установлено однозначной корреляции между условиями вытяжки и радиационной стойкостью ВС.
Рис. 1: Профиль показателя преломления преформы ^ 1 [7].
Таблица 1
Исследуемые ВС и основные параметры их вытяжки
Название Преформы Номер режима Температура, °С Натяжение, г Скорость, м/мин
И М1 1880 38 35
М2 1900 26 33
М3 1920 21 33
Е2 М1 1840 43 36
М2 1860 38 38
М3 1890 28 38
Е3 М1 1815 30 13
М2 50 26
М3 70 42
Е4 М1 1805 19 10
М2 27 14
М3 50 30
Е5 М1 1780 85 35
М2 1800 30 20
Е6 М1 1790 60 40
Е7 М1 1790 51 37
Е8 М1 1700 100 12
В предыдущих исследованиях [5, 6] путем оптимизации расходов реагентов в парогазовой смеси при синтезе сердцевины преформы в МСУВ-процессе нам удалось добиться значительного снижения РНП в ВС с нелегированной сердцевиной из кварцевого стекла. Следующим шагом увеличения радиационной стойкости должна быть оптимизация условий самой вытяжки ВС.
Таким образом, целью данной работы было исследование зависимости РНП ВС с сердцевиной из нелегированного кварцевого стекла от условий вытяжки: температуры, натяжения и скорости - с целью максимального снижения РНП.
Эксперимент. Были изготовлены восемь аналогичных преформ с сердцевиной из нелегированного кварцевого стекла и фторсиликатной оболочкой (разница показателей преломления сердцевины и фторсиликатной оболочки Дп ~ 0.01). Профиль показателя преломления одной из преформ приведен на рис. 1. Из преформ были вытянуты
световоды с внешним диаметром 125 мкм при различных режимах вытяжки. Варьировались температура, скорость и натяжение (табл. 1). Изменение параметров вытяжки по длине ВС (изменение скорости и натяжения) в качестве примера показано для двух ВС на рис. 2. Для обозначения световода, вытянутого в определенном режиме, далее по тексту используется обозначение 'ТуМх", где у - номер преформы, х - номер режима при вытяжке.
Рис. 2: Изменение параметров вытяжки по длине ВС, вытянутых из преформ (а) F1 и (б) F3 [7].
Все ВС были облучены в НИЦ "Курчатовский институт" на установке ГУТ-200М с активным источником 60 Со со средней энергией гамма-квантов 1.2 МэВ. В процессе (180 мин) Y-облучения происходила регистрация спектров РНП в спектральном диапазоне 900-1700 нм при помощи спектрометра на линейке диодов InGaAs NIR512 фирмы "Ocean Optics". Максимальная поглощенная доза составила 82 кГр (SiO2) при мощности дозы 7.6 Гр/с. Облучение проводилось при комнатной температуре.
Результаты и их обсуждение. На рис. 3 представлена зависимость РНП при поглощенной дозе 2.5 кГр и мощности дозы 7.4-7.6 Гр/с на длине волны А = 1550 нм от обратной температуры (а) и от натяжения при вытяжке (б). При этой дозе, как оказалось, достигает максимума РНП, связанное с автолокализованными дырками. Видно, что зависимость РНП от обратной температуры на рис. 3(а) близка к экспоненциальной в температурном интервале 1780-1880 °С, отклонение от которой можно связать с различными натяжением и скоростью, которые также влияют на РНП, однако в гораздо меньшей степени. При увеличении натяжения и скорости при фиксированной температуре (световоды F4Mx и F3Mx, рис. 3(б)) происходит увеличение РНП всего на 15-20%,
1950 1900
1855 1810 1770 1725 °С
мз
(а)
100-
?2
М2в
►
(N=100 г)
(б)
10 20 тт 40 60
20
Натяжение, г
60
0.45 0.46 0.47 0.48 0.49 0.50 0.51
т/т, к-'
Рис. 3: Зависимость РНП при поглощенной дозе 2.5 кГр (мощности дозы 7.4-7.6 Гр/с) на длине волны Л = 1550 нм от обратной температуры (а) и от натяжения при вытяжке (б).
а уменьшение температуры вытяжки с 1890 до 1780 °С приводит к снижению РНП более чем на порядок величины. Дальнейшее понижение температуры до Т = 1700 °С вызывает рост РНП, что, по-видимому, связано уже с большим натяжением - 100 г (табл. 1).
Понятен физический смысл резкой зависимости РНП от температуры: чем она больше, тем больше степень деформированности сетки расплавленного стекла, которая практически не меняется при быстром остывании ВС. Напомним, что именно деформации сетки стекла являются предшественниками автолокализованных дырок.
Отметим зависимость РНП от температуры при вытяжке для световода ИМх, которая располагается ниже, чем для ВС Е2Мх, несмотря на то, что температура вытяжки для ИМ2 и ИМ3 больше, чем для Е2М3 (рис. 3(а)). Очевидно, что это связано с большим содержанием ОН-групп в ВС ИМх (3-4 ррт), что, как известно, способствует подавлению поглощения автолокализованых дырок.
Выводы. Основным параметром вытяжки, влияющим на РНП в световодах с сердцевиной из нелегированного кварцевого стекла и фторсиликатной светоотражающей оболочкой является температура. Так, при уменьшении температуры печи на ~ 100 °С
происходит уменьшение РНП на длине волны Л = 1.55 мкм, определяющееся, в основном, автолокализованными дырками на немостикивых р-орбиталях атомов кислорода сетки, более чем на порядок величины. Натяжение и скорость также влияют на РНП, но в гораздо меньшей степени. Наличие даже малой добавки OH-групп (порядка единиц вес. %) ослабляет зависимость РНП от температуры вытяжки, а уровень РНП при этом уменьшается.
Работа поддержана Министерством образования и науки Российской Федерации. Проект № RFMEFI60417X0183.
ЛИТЕРАТУРА
[1] D. L. Griscom, J. Non. Cryst. Solids 149, 137 (1992).
[2] K. Aikawa et al., US Patent 7440673 B2, 21.10.2008.
[3] S. Girard et al., J. Non. Cryst. Solids 352, 2637 (2006).
[4] A. Alessi et al., J. Lightwave Technol. 30, 1726 (2012).
[5] A. L. Tomashuk et al., J. Lightwave Technol. 32, 213 (2014).
[6] P. F. Kashaykin et al., J. Lightwave Technol. 33, 1788 (2015).
[7] P. F. Kashaykin et al., Proc. SPIE 10681, 1068110 (2018).
Поступила в редакцию 7 октября 2019 г.
После доработки 7 октября 2019 г.
Принята к публикации 14 ноября 2019 г.
