CC BY
7ВКВ0-2023- СТЕНДОВЫЕ
СОЗДАНИЕ ВНТУРИВОЛОКОННЫХ УСТРОЙСТВ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКИ
Луценко А.С. 12, Петров А.А. 3, Шухао Ц. 3, Конин Ю.А. 123*, Старикова В.А. 12,
Петухова А.Ю. 1,2
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь 2 Пермская научно-производственная приборостроительная компания, г. Пермь 3 Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург * E-mail: [email protected] DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-375-376
Эффект плавления сердцевины волокна позволяет создавать устройства в сердцевине оптического волокна без его повреждения. Впервые данный эффект был описан Кашьяпом и Блоу в 1987-1988 гг. [1- 3]. По типу действия эффекта на волокно можно условно разделить по следующей градации: тепловые, волновые и детонационные механизмы [4]. Данные механизмы действия на волокно также можно описать скоростью распространения эффекта.
При дозвуковых скоростях распространения оптического разряда по волокну успевает происходить тепловой прогрев волокна, при этом образуются микропустоты внутри волокна. После увеличения энергии импульса и, соответственно, скоростей распространения эффекта происходит переход к волновым механизмам, при этом не происходит образования микропустот, а образуются микродефекты показателя преломления [5]. Размеры микродефектов, в таком случае, сопоставимы с длиной волны излучения. При критических мощностях излучения может происходить детонационное разрушение волокна, при этом фронт трещинообразования достигает скоростей 1,2 км/с.
Формирование слабоотражающих распределенных дефектов в сердцевине волокна возможно осуществить в зоне пересечения встречных лазерных импульсов. Для этого лазерный импульс поступает в волоконный разветвитель и делится на две одинаковые составляющие с коэффициентом 50:50, к концам волоконного разветвителя прикрепляется образец исследуемого волокна. Импульсы, движущиеся навстречу друг к другу, будут пересекаться в середине исследуемого контура, при этом в области перекрытия энергия импульсов будет складываться. Ожидается, что в месте их пересечения возникнет нелинейное поглощение с быстрым нагревом локальной области материала. Нагрев приводит к диффузии материала сердцевины в оболочку, за счет чего изменяется показатель преломления - появляется центр рассеяния. Управляя временем взаимодействия импульсов, можно получать различные геометрии рассеивающих структур и их характеристики. Область волокна, занимаемая импульсом длительностью порядка 30 пс составляет ~ 6 мм.
Для экспериментальной установки был выбран Nd^AG-лазер, работающей на первой гармонике с длиной волны 1064 нм, частота следования импульсов составляла 10 Гц при их длительности 28 пс. Энергия в импульсе составляла от 0.2 до 8 мДж в зависимости от уставки на генераторе. Выбор данных характеристик обусловлен возможностью распространения данного типа излучения в одномодовых оптических волокнах. Экспериментальная установка также включала в себя оптическую скамью, пару зеркал, объектив, трехкоординатную систему позиционирования и фокусировки пучка, диафрагму, систему корректировки положения приемного волокна, волоконно-оптический разветвитель 50/50, приемное волокно 105/125 мкм.
¡JL m
10 s
б 4 2 О -2 -4 -б -8 -10 •12 -14
Рис. 1. Формирование микродефектов показателя преломления в сердцевине волоконного световода. Где
а - расчетное поле в области перекрытия импульсов, б - фотография микродефекта в исследуемом образце
Contour Electric field norm (Wm}
б
а
ВКВО-202 3 СТЕНДОВЫЕ
В результате были получены образцы таких дефектов, их размеры соответствуют длине волны лазерного импульса. Моделирование процесса позволило подтвердить картину распределения мощности в волокне.
Для создания рассеивателей методом эффекта плавления с одного конца оптического волокна заводится лазерное излучение определенной мощности, а другой конец волокна соприкасается с некоторой поглощающей поверхностью, например, загрязненным стеклом или металлом. В месте контакта возникает оптический пробой, в результате которого образуется плазменная искра, движущаяся по сердцевине волокна навстречу излучению [6,7].
Структуры микропузырьков, которые формируются в сердцевине волокна могут служить в качестве рассеивающей структуры или работать как чувствительный элемент датчика деформации или температуры [8,9]. Для изготовления рассеивателей длиной до 7 см могут использоваться градиентные волокна с диаметром сердцевины до 62,5 мкм. На рисунке 2 показан пример экспериментального образца волоконного рассеивателя.
Рис. 2. Фотография волоконного рассеивателя длиной 7 см, рассеиватель сформирован на волокне GIMM 62.5\125
Литература
1. R.Kashyap, "Self-propelled self-focusing damage in optical fibers, " Proc. Xth Inter. Conf. on Lasers, pp859-866, Lake Tahoe, Nevada, USA, 7-11 Dec.1987.113
2. R.Kashyap and K.J.Blow, "Observation of catastrophic self-propelled self-focusing in optical fibres, " Electron. Lett., Vol. 24, No. 1, pp. 47-49, 1988
3. R.Kashyap, A.Sayles, and G.F.Cornwell, "Heat flow modeling and visualization of catastrophic self-propagating damage in single-mode optical fibres at low powers, " Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng., Vol. 2966, pp. 586-591, 1996
4. Bufetov I.A. Optical discharge in fibre light guides /1. A. Bufetov, E. M. Dianov // Adv. of Physical Sciences. -2005. - Т. 175. - № 1. - С. 100-103
5. Shuto Yoshito. (2021). Fiber Fuse Phenomenon (3rd Edition)
6. Konin Y.A., Scherbakova V.A., Bulatov M.I., Malkov N.V., Lucenko A.S., Starikov S.S., Grachev N., Perminov A.V., Petrov A.A. Structural characteristics of internal microcavities produced in optical fiber via the fuse effect // Journal of Optical Technology - 2021, Vol. 88, No. 11, pp. 672-677
7. Yu.A.Konin, V.A.Scherbakova, A. V.Perminov, A. Yu.Petuhova, Study of micro-cavities formed by optical breakdown under the influence of a magnetic field, Optics Communications, Volume 517, 2022, 128242, https://doi. org/10.1016/j. optcom.2022.128242
8. Domingue, Fatima & Radwa, Ayman. (2017). Optical Fiber Sensors for loT and Smart Devices. 10.1007/978-3319-47349-9
9. M.F.Domingues, T.Paixao, E.Mesquita, N.Alberto, P.Antunes, H.Varum, P.S.André. Hydrostatic pressure sensor based on micro-cavities developed by the catastrophic fuse effect. Instituto de Telecomunicagoes - Aveiro, Campus de Santiago, 3810-193 Aveiro, Portugal. Proc. of SPIE Vol. 9634 96345M-4
