CC BY
7DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-61 -62
РАССЕИВАЮЩИЕ СВОЙСТВА МНОГОМОДОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН СО СВЕТООТРАЖАЮЩИМИ ФТОРПОЛИМЕРНЫМИ ОБОЛОЧКАМИ: ВЛИЯНИЕ
ГЕОМЕТРИИ ВОЛОКНА, МОДОВОГО СОСТАВА ИЗЛУЧЕНИЯ И РЕЖИМОВ НАНЕСЕНИЯ ОБОЛОЧКИ
Маковецкий А.А. , Замятин А.А., Ряховский Д.В., Шилов И.П.
Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН,
г. Фрязино Московской обл. E-mail: maz226@ms.ire.rssi.ru
Кварц-полимерные (КП) оптические волокна (ОВ) со светоотражающими оболочками из фторполимеров являются специальным видом КП-ОВ, у которых светоотражающая оболочка одновременно является и защитной оболочкой. Фторполимеры является кристаллизующимися полимерами. Они имеют в объеме материала как аморфную фазу, так и кристаллическую фазу, состоящую из анизотропных кристаллов различных размеров и морфологии (кристаллитов, фибрилл, ламелей, сферолитов). Кристалличность светоотражающей оболочки приводит к рассеянию проходящего по ОВ света, видному под любым углом наблюдения (рис. 1). При этом рассеянию подвержено не все распространяющееся по ОВ излучение, а только та ее часть, которая распространяется по оболочке ОВ.
Рис.1. Фотография бухты светящегося КП-ОВ/Tefzel/200 мкм длиной 50 м (диаметр бухты -190 мм) при его засветке излучением лазера LG Laser 303 (длина волны излучения - 532 нм). Ввод излучения в волокно - через объектив *10, 0.4
В данной работе для исследований были изготовлены КП-ОВ со светоотражающими оболочками из сополимеров тетрафторэтилена с этиленом марки Tefzel и тетрафторэтилена с гексафторпропиленом марки Ф-4МД, нанесенными из расплавов сополимеров фильерным способом. Температуры расплавов составили 260 оС и 320 оС соответственно. Скорость нанесения покрытия составляла: 0.5 м/мин - для Ф-4МД и 1 - 6 м/мин - для Tefzel. При этом гладкое покрытие Tefzel наносилось при скоростях нанесения до 2 м/мин. Диаметр сердцевин ОВ составлял 200 и 400 мкм, толщина светоотражающей оболочки - 50-80 мкм, длина - до 50 м. Номинальная числовая апертура КЛ ОВ имела значения 0.425 (TefzeГ) и 0.52 (Ф-4МБ).
Интенсивность рассеянного излучения Js в многомодовом ОВ с рассеивающей светоотражающей оболочкой зависит от кристалличности материала оболочки, геометрии поперечного сечения ОВ (диаметр сердцевины и толщина светоотражающей оболочки), скорости нанесения оболочки, а также модового состава введенного излучения. Кристалличность оболочки формируется при ее нанесении на волокно из аморфного расплава полимера и последующей ее кристаллизации при остывании. Неустойчивый режим нанесения оболочки (при относительно высоких скоростях) может привести к увеличению рассеяния.
На рис. 2 для сравнения приведены измеренные зависимости Js (5) для двух образцов ОВ - КП-Tefze/400 мкм и Ф4-МБ/400 мкм; здесь 5 - поперечный сдвиг лазерного луча относительно оси объектива. Измеряемый сигнал снимался с участка ОВ длиной 25 мм и регистрировался ФЭУ - 51. Способ ввода излучения с поперечным сдвигом лазерного луча позволяет возбуждать в ОВ косые лучи (оптические вихри). При этом чем больше величина 5, тем больше азимутальное число т у возбуждаемых мод и тем интенсивнее они рассеивались. Заметим, что при любых 5 из интервала (0,5) рассеяние в ОВ с оболочкой Ф-4МБ на порядок ниже, чем в ОВ с оболочкой Tefzel. Это можно объяснить большей кристалличностью последней [1]. На рис. 3 приведены кривые распределения
рассеянного излучения по длинам ОВ. Видно, что чем интенсивнее было рассеяние у входного торца ОВ, тем быстрее оно ослабевало с увеличением расстояния до него.
Предположим, что субмолекулярная структура полимерной оболочки фиксирована. В этом случае интенсивность рассеяния распространяющейся по ОВ моды определялась долей ее энергии %, распространяющейся по оболочке [2]:
■О^ш^И гйг+^'^Е^г,^ гйг где (г, ф) - поперечный профиль моды с азимутальным числом т и радиальным числом 8, задаваемый через Бесселевы функции. Рассчитанные значения % для гибридных мод КП- TefZel/400 мкм приведены на рис. 4.
Из рис. 4 следует, что чем больше азимутальное число моды т (чем больше 5), тем интенсивнее она рассеивается, что качественно подтверждает экспериментальные результаты.
Заметим также, что чем меньше диаметр световедущей сердцевины, тем эффективнее рассеивается свет: измерения в КП- Tefzel/ 200 мкм и КП- Tefzel/400 мкм это подтверждают.
Работа выполнена в рамках государственного задания ФИРЭ им. В.А, Котельникова РАН.
fue. ¿. Измеренные зависимости интенсивностей рассеянного излучения Js у входного торца ОВ от величины 8: 1 - КП- Tefze/400 мкм, 1.5 м/мин; 2 - КП- Ф4-МБ/400 мкм, 0.5 м/мин.
Рис. 3. Распределение интенсивности рассеянного излучения Js по длине ОВ x:
1 - КП- Tefzel/400 мкм, 1.5 м/мин;
2 - КП-Ф-4МБ/400 мкм, 0.5 м/мин.
ó = 5 мм, 1 = 532 нм
Литература
1. Энциклопедия полимеров. Том 3. М: Советская энциклопедия, 1977, 1152 с.
2. Маковецкий А.А. Влияние геометрии и модового состава излучения кварц-полимерного оптического волокна со светоотражающей оболочкой Tefzel на его рассеивающие свойства //Оптика и спектроскопия. Принята к публикации в апреле 2021 г.
