CC BY
22
УДК 53.084.855
УПРАВЛЕНИЕ НАНО НЕОДНОРОДНОСТЯМИ ОПТОВОЛОКНА СКРУЧИВАНИЕМ
1ВЕРЕЮТИНА К. Д., 1КОНЬКОВА Е. П., 1ПАНЮКОВ А. А., 2ШАНГАРЕЕВ Р. Х., 1 ШМАКОВ Г. С., 1ЮДИН В. А.
1Волгоградский государственный университет, 400062, Волгоград, пр-т Университетский, 100 АО «Производственный комплекс «Ахтуба», 400081, Волгоград, ул. Ангарская, 17
АННОТАЦИЯ. В работе рассматривается возможность управления интерференционной картиной на выходе оптоволокна путем изменения его пространственной геометрии. В отличие от известного дифракционного профилирования, предложен подход, основанный на управлении нано неоднородностями волокна путем его скручивания. На примере радиальной, треугольной и случайной укладки волокна демонстрируется возможность изменения распределения интенсивности излучения на выходе волокна путем изменения геометрии укладки. Изменение поляризации излучения на входе волокна приводит к изменению распределения интенсивности на выходе. В рамках работы зарегистрированы регулярные оптические поля, вихри и спеклы. Определены основные свойства этих интерференционных картин.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: оптическое волокно, нано неоднородности, оптические вихри, спеклы, поляризация.
ВВЕДЕНИЕ
Знание характера распределения интенсивности в лазерном пучке в плоскости, перпендикулярной направлению его распространения (профиль пучка), особо важно для всех промышленных применений лазеров [1]. Известно, что в изогнутом оптическом волокне распределение интенсивности излучения по поперечному сечению на выходе, длина пути и количество отражений отдельных лучей иные, чем для прямого волокна [2, 3]. Это явление, в частности, нашло применение в разработках датчиков физических величин [4 - 6]. В оптическом волокне неоднородности неизбежно появляются в процессе его изготовления, а плотность стекла в действительности не является однородной. Как правило, чем ниже температура вытяжки оптического волокна, тем меньше флуктуации плотности материала. Так как в оптическом волокне существуют неоднородности нано размеров, что существенно меньше длины волны распространяющегося света, то на них будет наблюдаться рассеяние. При когерентном освещении случайно-неоднородных объектов формируются спекл-структуры. Теоретически и экспериментально было установлено, что наноструктуры в оптических волокнах оказывают влияние на спекл-картины [7]. Аналогичные явления, наблюдаются и в жгуте, изготовленном из оптических волокон.
В кратком сообщении [8] нами была рассмотрена возможность управления модовой структурой оптического жгута путем варьирования его пространственной геометрии, изгибное профилирование. В отличие от известного дифракционного профилирования, основанного на использовании дифракционных элементов, предложенный нами подход основан на управлении оптическими неоднородностями волокна, вызванными принудительным изгибом волокна. На примере винтовой укладки жгута, используемой, в частности, в волоконно-оптическом гироскопе [9], была показана возможность изменения распределения интенсивности излучения на его выходе путем изменения параметров укладки: диаметра и шага намотки. Использовался жгут из регулярно уложенных оптических волокон, обычно являющийся частью оптической системы передачи изображения гибкого эндоскопа. Известно, что световые потери в результате многократного изгиба жгута с радиусом до пяти его диаметров, являются допустимыми. Поэтому был выбран существенно меньший радиус изгиба, при котором световые потери, в отличие от потерь, связанных с натяжением намотки, оказывают значительное влияние на оптические свойства поверхности волокна. Таким образом, в результате плотной (2 витка на 1 см) намотки жгута диаметром
3 мм и длиной 1,5 м вокруг сердечника длиной 30 см и диаметром 8 мм (радиус изгиба сопоставим с диаметром жгута) в материал волокна по всей длине с постоянным шагом принудительно вносились оптические неоднородности. Были зарегистрированы регулярные и спекл-поля. Обнаружено, что с увеличением радиуса и шага намотки увеличивается число мод в пучке. Также наблюдалось плавное изменение (как уменьшение, так и увеличение) интенсивности от центра пучка к краям. Таким образом, на примере винтовой укладки оптического жгута была продемонстрирована возможность формирования различной модовой структуры на его выходе. В качестве задач, требующих дальнейшего исследования, мы обозначили следующие: выявление геометрии оптического волокна, формирующей конкретный модовый состав излучения; определение апертурных углов, предельных для возбуждения регулярных и спекл-полей. В качестве отдельного направления необходимых исследований было отмечено исследование самих спекл-полей, чему и посвящена данная работа.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Параметры использованного оптического волокна были следующие. Диаметр волокна был равен 400 мкм. Материалом сердцевины волокна являлся кварц, материалом оболочки -кварц, легированный фтором. Покрытием служило олово. В первой части эксперимента использовался дефектный отрезок волокна длиной 1 м. Данный отрезок был отбракован на производстве НПК «Волокно» ОАО НИТИОМ «ВНЦ ГОИ им. СИ. Вавилова». Для образования винтовой геометрии оптическое волокно максимально плотно в один слой наматывалось на сердечники диаметрами 10, 20 и 30 см. В качестве источника излучения использовался полупроводниковый лазер (лазерный InGaAIP диод) с длиной волны 650 нм, работающий в режиме непрерывной генерации. Излучение фокусировалось (диаметр фокального пятна 0,1 мм) линзой на входной торец оптоволокна. Выходной торец волокна закреплялся вплотную к цифровой фотокамере Nikon COOLPIX S32, производящей видео съемку.
Во второй части эксперимента использовалось волокно с теми же характеристиками, но успешно прошедшее контроль качества на производстве НПК «Волокно» ОАО НИТИОМ «ВНЦ ГОИ им. С.И. Вавилова». Для образования радиальной геометрии оптическое волокно скручивалось с радиусом 10 см (20 зафиксированных между собой витков намотки). Для образования случайной геометрии фиксация витков устранялась. Для образования треугольной геометрии оптическое волокно скручивалось в равносторонний треугольник со стороной 30 см (8 зафиксированных между собой витков намотки). Модулированное по поляризации (электрооптический модулятор на основе кристалла LiNbO3) излучение фокусировалось собирающей линзой на входной торец волокна (рис. 1). Линейно поляризованный свет, падая на кристалл ниобата лития, давал начало двум когерентным линейно поляризованным волнам (обыкновенной и необыкновенной с взаимно перпендикулярными направлениями колебаний вектора напряженности), распространявшимся с различной скоростью, и, приобретшим после прохождения кристалла разность фаз. Так как колебания вектора напряженности в этих волнах взаимно перпендикулярны, то они в общем случае вели к образованию эллиптически поляризованного света. В результате наложения электрического поля на кристалл менялась форма и ориентация эллипса, т. е. осуществлялась модуляция света по поляризации. Интенсивность оставалась неизменной. Наложение электрического поля на кристалл происходило следующим образом. На шкале обесточенного модулятора выставлялось требуемое значение напряжения. Затем включался его источник питания. Таким образом, наложение соответствующего электрического поля производилось с минимально возможной инерцией прибора. Напряжение менялось в интервале от 100 до 600 В с шагом 100 В и в интервале от 600 до 1200 В с шагом 300 В. Выходной торец волокна закреплялся вплотную к цифровой фотокамере Nikon COOLPIX S32, производящей видео съемку.
Рис. 1. Установка (вторая часть эксперимента)
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Опыт работы с оптическими волокнами, в частности для промышленных применений, показывает, что наличие дефекта в оптическом волокне приводит к снижению мощности передаваемого излучения на выходе дефектного отрезка волокна из-за дополнительного рассеяния по сравнению с мощностью на выходе бездефектного отрезка волокна той же длины, что позволяет исключить некачественный отрезок. Действительно, при дальнейшем использовании оптического волокна без изгибов, скрученностей, влияние оставшихся дефектов нано размера на распределение интенсивности излучения по поперечному сечению пучка может быть незаметным. Но при изгибании, скручивании [2, 3] неоднородности нано размеров могут проявляться в виде паразитных полей. Крайне важно, в частности в разработках датчиков физических величин [4 - 6] отделить паразитные поля от характерного для конкретной пространственной геометрии волокна распределения интенсивности излучения по поперечному сечению пучка, а также оценить степень их допустимого влияния на конечный результат использования оптоволокна в данной геометрии. В работе [10] на основе патентно-информационных исследований отражены результаты анализа методов и средств контроля качества стеклянного оптического волокна. Однако на практике, контроль качества оптического волокна на наличие нано неоднородностей в каждой пробной геометрии на существующих установках-дефектоскопах не всегда оказывается оправдан с точки зрения временных затрат и получаемого результата. С учетом вышесказанного целью первой части эксперимента являлась разработка основных принципов простого по содержанию и быстрого в исполнении, метода неразрушающего контроля качества оптического волокна - визуального определение наличия дефектов и оценки их значимости для дальнейшей работы в конкретной геометрии волокна.
На рис. 2 представлено несколько полученных в первой части эксперимента картин распределения интенсивности излучения по поперечному сечению пучка. Из рис. 2, а видно наличие паразитного светового поля, пятна, слева от наблюдателя (показано стрелкой). Известно, что при засветке под разными апертурными углами картина распределения каждый раз меняется, преимущественно случайным образом. Однако, пятно наблюдается в одном месте при отсутствии и при наличии намотки на сердечники диаметрами 10, 20 и 30 см. Поэтому оно не является результатом случайных световых взаимодействий, что позволяет связать его с дефектом в материале оптоволокна, приведшем к отбраковке данного участка волокна.
а) б)
Рис. 2. Спекл-картины распределения интенсивности излучения по поперечному сечению пучка на выходе дефектного отрезка оптического волокна: в отсутствии намотки (а); при намотке вокруг сердечника диаметром 10 см (б)
Из рис. 2, б видно, что при наличии намотки, наблюдается появление второго паразитного светового поля справа от наблюдателя (показано стрелкой). Данное поле не является случайной засветкой, ибо присутствует в одном месте при намотках на сердечники диаметрами 10, 20 и 30 см. Появление паразитного светового поля справа от наблюдателя связано с тем, что принудительно внесенные периодические оптические неоднородности сердцевины волокна (намотка волокна по всей длине с постоянным шагом и радиусом) усилили световой сигнал от дефекта меньшего размера (нано размера), что позволило зафиксировать также и его. Данный результат подтверждается установленным [7] фактом, что при больших размерах неоднородностей в сердцевине оптического волокна интенсивность спекл-картины от нее больше. Выявлено также, что при дальнейшем последовательном (20 см, затем 30 см) увеличении диаметра сердечника последовательно снижается интенсивность паразитных полей. Это согласуется с тем, что оптические неоднородности произвольной природы проявляются сильнее с уменьшением диаметра намотки оптического волокна. Оптимальный (с точки зрения влияния на спекл-картины нано неоднородностей волокна в исследованных геометриях) радиус скрутки (10 см) во второй части эксперимента был выбран исходя из данного результата.
Вихревая пространственно-временная структура многих физических объектов и процессов отражает глубокие фундаментальные свойства материи. Еще великий французский ученый Рене Декарт, трехсотлетие со дня рождения которого отмечалось в 1996 году, считал, что законы вихревого движения во многом определили современный облик материального мира. Эта гениальная догадка Декарта нашла в дальнейшем многочисленные подтверждения. Сейчас установлено, что вихревые, а также близкие к ним по форме винтовые или спиралевидные структурные элементы проявляются как на молекулярном уровне, так и в глобальных процессах, происходящих в атмосфере, океане или космосе. Присущи они и ряду оптических явлений [11]. Последнее десятилетие не ослабевает внимание исследователей к световым полям с винтовыми возмущениями волнового фронта [12 - 18]. Такого рода возмущения обусловливают вихревой характер распространения световой энергии, что позволяет говорить о существовании оптических вихрей. В силу важных аспектов фундаментального и прикладного характера изучение оптических вихрей ведется у нас в стране и за рубежом. Сформировалась отдельная область, называемая оптикой винтовых полей или сингулярной оптикой, в рамках которой рассматриваются свойства оптических вихрей, а также физический механизм их образования [11]. Применяемые в настоящее время подходы к описанию распространения света в анизотропной среде основаны на рассмотрении интерференции волноводных мод с плоским волновым фронтом. Хотя известно, что в оптическом волокне могут распространяться оптические вихри. Поэтому можно ожидать, что наличие оптических вихрей повлияет на параметры излучения на выходе оптоволокна. Установлено, что спекл-структуры излучения выходящего из оптического волокна, формируемые оптическими
вихрями, отличаются от спекл-структур, формируемых обычными волноводными модами [13]. С учетом вышесказанного целью второй части эксперимента являлось исследование влияния модуляции лазерного излучения по поляризации на поперечный профиль интенсивности излучения на выходе оптоволокна в случайной, треугольной, радиальной и линейной геометрии.
На рис. 3 - 4 представлено несколько полученных во второй части эксперимента картин распределения интенсивности излучения для исследованных геометрий оптоволокна.
Рис. 3. Момент начала (а) и окончания (б) формирования картины распределения интенсивности излучения по поперечному сечению пучка на выходе оптического волокна в случайной геометрии при напряжении на модуляторе 900 В (резкость и контрастность повышены на 50 %).
Картина распределения интенсивности излучения по поперечному сечению пучка на выходе оптического волокна в треугольной геометрии (в) при напряжении 400 В (резкость, яркость и контрастность повышены на 50 %)
Из полученных во второй части эксперимента картин распределения можно сделать следующие выводы. В случайной геометрии наблюдается формирование только регулярных полей независимо от величины приложенного напряжения. Присутствует значительное число мод. Для всех полей характерно наличие зернистости. Зёрна ориентированы в одном направлении по всему сечению пучка. Размер зерна постоянен по сечению пучка. Формирование картин сопровождается появлением оптических вихрей. Характерные этапы процесса формирования картины распределения интенсивности излучения по поперечному сечению пучка на выходе оптического волокна в случайной геометрии при напряжении на модуляторе 900 В представлены на рис. 3. Появление оптического вихря в процессе формирования картины распределения (рис. 3, б) иллюстрирует рис. 3, а. Регулярный характер и присутствие значительного (более десяти) числа мод отражено на рис. 3, б. О размере и взаимной ориентации зерен также можно судить по рис. 3, б. В треугольной геометрии наблюдается формирование только регулярных полей независимо от величины приложенного напряжения. Присутствует значительное (более десяти) число мод. Для всех полей характерно наличие зернистости. Зёрна ориентированы в одном направлении по всему сечению пучка. Размер зерна постоянен по сечению пучка. Для примера на рис. 3, в приведена картина распределения интенсивности излучения по поперечному сечению пучка на выходе оптического волокна в треугольной геометрии при напряжении на модуляторе
В радиальной геометрии наблюдается формирование только спекл-полей независимо от величины приложенного напряжения. Зёрна ориентированы в одном направлении по всему сечению пучка. Размер зерна постоянен по сечению пучка. В структуре спекл-поля при напряжении на модуляторе 400, 500 и 600 В присутствует У-образная компонента, наиболее четко выраженная при 400 В (рис. 4, б). Формирование картины при напряжении 100 В сопровождается появлением оптического вихря (рис. 4, а). В линейной геометрии наблюдается формирование только спекл-полей независимо от величины приложенного
400 В.
напряжения. Размер зерна постоянен по сечению пучка. Зёрна ориентированы в одном направлении по всему сечению пучка. В структуре всех зарегистрированных спекл-полей присутствует слабо выраженная У-образная компонента. Для примера на рис. 4, в приведена картина распределения интенсивности излучения по поперечному сечению пучка на выходе оптического волокна в линейной геометрии при напряжении на модуляторе 200 В.
а) б) в)
Рис. 4. Вихрь (а) при формировании картины распределения интенсивности излучения по поперечному сечению пучка на выходе оптического волокна в радиальной геометрии при напряжении на модуляторе
100 В (резкость повышена на 100 %, яркость и контрастность повышены на 50 %). Картина распределения интенсивности излучения по поперечному сечению пучка на выходе оптического волокна
в радиальной геометрии (б) при напряжении 400 В (резкость повышена на 100 %, яркость и контрастность повышены на 50 %). Картина распределения интенсивности излучения по поперечному сечению пучка на выходе оптического волокна в линейной геометрии (в) при напряжении 200 В (резкость понижена на 50 %, контрастность повышена на 100 %)
На рис. 5 - 8 для исследованных геометрий оптоволокна приведены следующие полученные после покадрового анализа видеозаписей зависимости времени от приложенного к кристаллу напряжения. Зависимости времени, прошедшеого с момента наложения электирического поля до начала формирования соответствующих спекл-картин (нижние). И зависимости времени, потребовавшегося на окончательное формирование данных спекл-картин (верхние). Также там представлены полиномиальные (второй степени) аппроксимации данных зависимостей. Из сравнения рис. 5 - 8 видно, что время, прошедшее с момента наложения электрического поля до начала формирования спекл-картины на выходе волокна в радиальной геометрии, превысило (в среднем в два раза) это же время для случайной и треугольной геометрий. Минимальное соответствующее время характерно для линейной геометрии.
Из рис. 5 видно, что для волокна в радиальной геометрии при напряжении 100 В формирование спекл-картины начиналось через 2 секунды после наложения на кристалл электрического поля с появления оптического вихря (рис. 4, а) и завершалось через 7 секунд. На окончательное формирование спекл-картины с У-образной компонентой (рис. 4, б) при 400, 500 и 600 В потребовалось около 1 секунды. Из рис. 6 видно, что при напряжении 900В формирование спекл-картины начиналось через 1 секунду после наложения на кристалл электрического поля с появления оптического вихря (рис. 3, а) и завершалось через 8 секунд (рис. 3, б). Видно, что время окончательного формирования спекл-картины в случайной геометрии в среднем почти на порядок превышает время, прошедшее с момента наложения электрического поля до начала формирования спекл-картины. Из рис. 7 видно, что при напряжении 400 В формирование спекл-картины начиналось через 1 секунду после наложения на кристалл электрического поля и завершалось через 1 секунду (рис. 3, в). Видно, что время окончательного формирования спекл-картины в треугольной геометрии в среднем имеет тот же порядок, что и время, прошедшее с момента наложения электрического поля до начала формирования спекл-картины.
10
о
и л и
радиальная
\
3 д • :
• *................... ___ ----------±—
1
200 400 600 800
напряжение, В
1000
1200
1400
Рис. 5. Зависимость от приложенного к кристаллу напряжения времени: прошедшеого с момента наложения электирического поля до начала формирования спекл-картины на выходе волокна в радиальной геометрии (нижняя); потребовавшегося на её окончательное формирование (верхняя)
8
6
4
2
0
0
10 8
о 6
и
и 4
2 0
I случайная
I —
I
I I -
—т— -Г
р—Т 1 --
200
400
600 800 напряжение, В
1000
1200
1400
0
Рис. 6. Зависимость от приложенного к кристаллу напряжения времени: прошедшеого с момента наложения электирического поля до начала формирования спекл-картины на выходе волокна в случайной геометрии (нижняя); потребовавшегося на её окончательное формирование (верхняя)
10
«и л и
8
6
4
треугольная
=—: •—1 — ---------------- ---------1 ------- --------------------
" : I
200 400 600 800
напряжение, В
1000
1200
1400
2
0
0
Рис. 7. Зависимость от приложенного к кристаллу напряжения времени: прошедшеого с момента наложения электирического поля до начала формирования спекл-картины на выходе волокна в треугольной геометрии (нижняя); потребовавшегося на её окончательное формирование (верхняя)
10
линеиная
8
о
и а
и 4
♦
I ..... -г :
200 400 600 800
напряжение,В
1000 1200
1400
6
2
0
0
Рис. 8 Зависимость от приложенного к кристаллу напряжения времени: прошедшеого с момента наложения электирического поля до начала формирования спекл-картины на выходе волокна в линейной геометрии (нижняя); потребовавшегося на её окончательное формирование (верхняя)
Из рис. 8 видно, что при напряжении 200 В формирование спекл-картины начиналось через 1 секунду после наложения на кристалл электрического поля и завершалось через 2 секунды (рис. 4, в). Видно, что время окончательного формирования спекл-картины в линейной геометрии в среднем составляет 2 секунды.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ картин распределения интенсивности лазерного излучения по поперечному сечению пучка на выходе оптоволокна в радиальной и случайной геометриях при модуляции по поляризации излучения на входе может быть полезен для исследования свойств оптических вихрей, а также физического механизма их образования. Регистрация на выходе оптоволокна в треугольной намотке паразитных спекл-пятен, не характерных (как оказалось) для данной геометрии при модуляции по поляризации излучения на входе, может найти применение в качестве метода неразрушающего контроля качества, а также оптимизации параметров оптических волокон.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Турунен Я. Дифракционное профилирование распределения интенсивности частично пространственно когерентного светового пучка // Патент РФ № 2343516, 2009.
2. Morshnev S. K., Gubin V. P., Isaev V. A., Starostin N. I., Sazonov A. I., Chamorovsky Yu. K., Korotkov N. M. Concerning the question about physical model of birefringent fiber // Optical Memory and Neural Networks, 2008, vol. 17, pp. 258-262. doi:10.3103/S1060992X08040036
3. Morshnev S. K., Ryabko M. V., Chamorovsky Yu. K. Measuring of an embedded linear birefringence in spun optical fibers // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2007, vol. 6594. DOI: 10.1117/12.725616
4. Кизеветтер Д. В. Поляризационные и интерференционные эффекты в многомодовых волоконных световодах: Автореф. дис. докт. физ.-мат. наук. СПб., 2008. 36 с.
5. Trufanov A. N., Smetannikov O. Yu., Trufanov N. A. Numerical analysis of residual stresses in preform of stress applying part for PANDA-type polarization maintaining optical fibers // Optical Fiber Technology, 2010, vol. 16, iss. 3, pp. 156-161. http://doi.org/10.1016/j.yofte.2010.02.001
6. Моршнев С. К. Оптические свойства изогнутых волоконных световодов: Автореф. дис. докт. физ.-мат. наук. М., 2009. 35 с.
7. Международный кабельный портал. Влияние наноструктур в оптических волокнах на спекл-картины. http://www.cabel.ru/news/109 (дата обращения 16.03.2017).
8. Конькова Е. П. Управление модовым составом излучения на выходе оптического жгута // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2014. № 6(94). С. 185-187.
9. Шрамко О. А., Рупасов А. В., Новиков Р. Л., Аксарин С. М. Метод исследования зависимости h-параметра анизотропного световода от радиуса изгиба // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2014. № 1(89). С. 26-30.
10. Борисов А. Б. Лазерно-оптический метод и средства контроля качества стеклянных оптических волокон: Автореф. дис. канд. техн. наук. СПб., 2002. 128 с.
11. Короленко П. В. Оптические вихри // Соросовский образовательный журнал. 1998. № 6. С. 94-99. http://window.edu.ru/resource/040/21040/files/9806_094.pdf (дата обращения 16.03.2017).
12. Рыбась А. Ф. Конверсия оптических вихрей в сингулярных пучках, распространяющихся под углом к оптической оси в анизотропной среде: дис. канд. физ.-мат. наук. Симферополь, 2010. 143 с.
13. Кизеветтер Д. В. Численное моделирование спекл-структуры, образованной излучением оптических вихрей многомодового волоконного световода // Квантовая электроника. 2008. Т. 38, № 2. С. 172-180.
14. Воляр А. В., Фадеева Т. А. Оптические вихри в кристаллах: рождение, уничтожение и распад поляризационных омбилик // Письма в Журнал технической физики. 2003. Т. 29, Вып. 3. С. 58-64.
15. Воляр А. В., Егоров Ю. А., Рыбась А. Ф., Фадеева Т. А. Тонкая структура оптических вихрей в кристалле: монохроматический сингулярный пучок // Журнал технической физики. 2004. Т. 74. Вып. 12. С. 90-93.
16. Соколенко Б. В. Эволюция поляризационных сингулярностей в параксиальных пучках, распространяющихся ортогонально оптической оси одноосного кристалла: дис. канд. физ.-мат. наук. Симферополь, 2014. 137 с.
17. Романов О. Г., Горбач Д. В., Толстик А. Л. Частотное преобразование оптических вихрей при невырожденном многоволновом взаимодействии в растворах красителей // Оптика и спектроскопия. 2010. Т. 108, № 5. С. 812-817.
18. Скиданов Р. В. Оптический захват и вращение диэлектрических микрообъектов вихревыми лазерными пучками, сформированными дифракционными оптическими элементами: Автореф. дис. докт. физ.-мат. наук. Самара, 2007. 32 с.
CONTROL OF OPTICAL FIBER NANO-DISCONTINUITIES BY FIBER TWIST
1Vereyutina K. D., 1Kon,kova E.P., 1Panyukov A. A., 2Shangareev R. H., 1Shmakov G. S., :Yudin V. A.
1Volgograd State University, Volgograd, Russia 2AO «PK «Ahtuba», Volgograd, Russia
SUMMARY. The paper deals with possibility of interference pattern control for light scattering in an optical fiber by variation of its space geometry. Unlike the known diffraction profiling, an approach is proposed based on control of fiber nano-discontinuities by fiber twist. This paper considers the optical vortices propagating in a quartz fiber with periodic inhomogeneous inserts. The experimental installation includes: an optical fiber, a laser, collecting lens and LiNbO3-modulator with voltage varying across its crystal according to predetermined spacing. Light polarization alteration in proximity to the input end of fiber leads to the alteration for the light intensity distribution in proximity to the output end of fiber. The radiation was recorded with Nikon COOLPIX S32 camera. We showed the possibility of distribution changing for light scattering intensity at its output by changing of piling geometry on the example of radial, triangular and random piling of a fiber. We studied experimentally the evolution of the interference pattern for light interacting with optical inhomogeneities of the optical fiber in case of the light polarization alteration in proximity to the input end of a fiber. With the use of the frame analysis the time representations were obtained for the interference patterns in case of the radial, triangular and random piling of an optical fiber. The main properties of those interference patterns were determined. The dependence of pattern formation time on the piling parameters was calculated. Regular optical fields and speckles were registered within this work. It was found that for all polarizations the main properties of those interference patterns are preserved during the propagation of the laser beam in a twist fiber. Optical vortices were identified. The main circumstance of this phenomenon identification was the light circulation. The obtained results can find application in optical telecommunication elements and in the fabrication of optical sensors.
KEY WORDS: optical fiber, nano-discontinuities, optical vortices, speckles, polarization.
REFERENCES
1. Turunen Ya. Difraktsionnoe profilirovanie raspredeleniya intensivnosti chastichno prostranstvenno kogerentnogo svetovogo puchka [Diffraction profiling of partially spatially coherent light beam intensity distribution]. PatentRU, no. 2343516, 2009.
2. Morshnev S. K., Gubin V. P., Isaev V. A., Starostin N. I., Sazonov A. I., Chamorovsky Yu. K., Korotkov N. M. Concerning the question about physical model of birefringent fiber. Optical Memory and Neural Networks, 2008, vol. 17, pp. 258-262. doi: 10.3103/S1060992X08040036
3. Morshnev S. K., Ryabko M. V., Chamorovsky Yu. K. Measuring of an embedded linear birefringence in spun optical fibers. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2007, vol. 6594. doi: 10.1117/12.725616
4. Kizevetter D. V. Polyarizatsionnye i interferentsionnye effekty v mnogomodovykh volokonnykh svetovodakh [Polarization and interference effects in multimode optical fibers]. St. Petersburg, 2008. 36 p.
5. Trufanov A. N., Smetannikov O. Yu., Trufanov N. A. Numerical analysis of residual stresses in preform of stress applying part for PANDA-type polarization maintaining optical fibers. Optical Fiber Technology, 2010, vol. 16, iss. 3, pp. 156-161. http://doi.org/10.1016/j.yofte.2010.02.001
6. Morshnev S. K. Opticheskie svoystva izognutykh volokonnykh svetovodov [Optical properties of bent optical fibers]. Moscow, 2009. 35 p.
7. Mezhdunarodnyy kabel'nyy portal. Vliyanie nanostruktur v opticheskikh voloknakh na spekl-kartiny [International cable portal. Effect of nanostructures in optical fibers on speckle patterns]. http://www.cabel.ru/news/109 (accessed March 16, 2017).
8. Kon'kova E. P. Upravlenie modovym sostavom izlucheniya na vykhode opticheskogo zhguta [Mode composition Control on optical twisted strip output]. Nauchno-tekhnicheskiy vestnik informatsionnykh tekhnologiy, mekhaniki i optiki [Scientific and Technical Herald of Information Technologies, Mechanics and Optics], 2014, no. 6(94), pp. 185-187.
9. Shramko O. A., Rupasov A. V., Novikov R. L., Aksarin S. M. Metod issledovaniya zavisimosti h-parametra anizotropnogo svetovoda ot radiusa izgiba [Analysis method of anisotropic lightguide h-parameter dependence on its
bending]. Nauchno-tekhnicheskiy vestnik informatsionnykh tekhnologiy, mekhaniki i optiki [Scientific and Technical Herald of Information Technologies, Mechanics and Optics], 2014, no. 1(89), pp. 26-30.
10. Borisov A. B. Lazerno-opticheskiy metod i sredstva kontrolya kachestva steklyannykh opticheskikh volokon [Laser-optical method and quality control means for glass optical fibers]. St. Petersburg, 2002. 128 p.
11. Korolenko P. V. Opticheskie vikhri [Optical eddies]. Sorosovskiy obrazovatel'nyy zhurnal [Soros's educational journal], 1998, no. 6, pp. 94-99. http://window.edu.ru/resource/040/21040/files/9806_094.pdf (accessed March 16, 2017).
12. Rybas' A. F. Konversiya opticheskikh vikhrey v singulyarnykh puchkakh, rasprostranyayushchikhsya pod uglom k opticheskoy osi v anizotropnoy srede [Conversion of optical vortices in singular beams propagating at an angle to the optical axis in an anisotropic medium]. Simferopol, 2010. 143 p.
13. Kiesewetter D. V. Numerical simulation of a speckle pattern formed by radiation of optical vortices in a multimode optical fibre. Quantum Electronics, 2008, vol. 38, no. 2, pp. 172-180. http://dx.doi.org/10.1070/QE2008v038n02ABEH013581
14. Volyar A. V., Fadeeva T. A. Optical vortices in crystals: formation, annihilation, and decay of polarization ombilics. Soviet Technical Physics Letters, 2003, vol. 29, no. 2, pp. 111-114 http://dx.doi.org/10.1134/L1558741
15. Volyar A. V., Egorov Y. A., Rybas' A. F., Fadeeva T. A. Fine structure of optical vortices in a crystal: A monochromatic singular beam. Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics, 2004, vol. 49. no. 12, pp. 1627-1630. http://dx.doi.org/10.1134/L1841415
16. Sokolenko B. V. Evolyutsiya polyarizatsionnykh singulyarnostey v paraksial'nykh puchkakh, rasprostranyayushchikhsya ortogonal'no opticheskoy osi odnoosnogo kristalla [Evolution of polarization singularities in paraxial beams propagating orthogonally to the optical axis of a uniaxial crystal]. Simferopol, 2014. 137 p.
17. Romanov O. G., Gorbach D. V., Tolstik A. L. Frequency transformation of optical vortices upon nondegenerate multiwave interaction in dye solutions. Optics and Spectroscopy, 2010, vol. 108, no. 5, pp. 768-773. http://dx.doi.org/10.1134/S0030400X10050152
18. Skidanov R. V. Opticheskiy zakhvat i vrashchenie dielektricheskikh mikroob"ektov vikhrevymi lazernymi puchkami, sformirovannymi difraktsionnymi opticheskimi elementami [Optical capture and rotation of dielectric microobjects by vortex laser beams formed by diffractive optical elements]. Samara, 2007. 32 p.
Вереютина Ксения Дмитриевна, студент ВолГУ
Конькова Елена Петровна, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель, кафедра лазерной физики ВолГУ, е-mail: [email protected]
Панюков Андрей Андреевич, студент ВолГУ
Шангареев Ринат Хайдарович, руководитель конструкторского бюро АО «ПК« Ахтуба» Шмаков Геннадий Сергеевич, студент ВолГУ Юдин Владислав Андреевич, студент ВолГУ
