CC BY
93
ВЛИЯНИЕ ТИПА И КОНЦЕНТРАЦИИ КРАСИТЕЛЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТА НА ТОРЦЕ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА А.С. Березкина
Научный руководитель - ассистент кафедры оптики квантоворазмерных систем
М.И. Фокина
Рассматривается процесс формирования микролинз на торце оптического волокна путем фотополимеризации мономера. Исследуется влияние красителя, введенного в состав полимера, на образование микроэлементов различных форм.
Введение
Актуальным вопросом сейчас является проблема ввода оптического излучения в волокно. При этом необходимо минимизировать потери связи оптоволокно-источник/приемник. В настоящее время для этого применяются различные согласующие линзовые устройства, диэлектрические конусы, сферическое оплавление световода и т.д. Сферические линзы увеличивают коэффициент связи за счет увеличения апер-турного угла, поскольку коэффициент связи пропорционален квадрату числовой апертуры. Эффективность ввода в таком случае может быть увеличена примерно в три раза [1]. Иногда применяются отражательные и гиперболические линзы, дифракционные линзы, фоконы. Однако применяемые линзовые устройства вносят большие потери в систему источник-линза-волокно [2] - так называемые конструктивные потери. К тому же такие системы требуют очень точной оптической юстировки, что не всегда является удобным.
Для того чтобы сделать ввод излучения наиболее эффективным, необходимо, чтобы элемент, фокусирующий оптическое излучение, был идеально согласован с волокном. В последнее время эта проблема решается формированием фокусирующей линзы непосредственно на торце оптоволокна.
Известен целый ряд методов, позволяющих формировать микролинзы на торцах оптических волокон: непосредственный расплав материала волокна [3], формирование дифракционных микроэлементов на торце волокна с помощью электронного луча из фоторезиста [4], создание фоконов в самом волокне за счет распределения показателя преломления [5], формирование микроэлементов с использованием излучения выходящего непосредственно из оптического волокна из [6, 7]. Использование излучения, выходящего из торца оптического волокна, позволяет получать широкий спектр форм элементов - от цилиндрических (являющихся, по сути, продолжением оптической жилы волокна) [8] до квазисферических и фоконных [6, 7]. При этом форма элемента в основном определяется составом полимерной композиции и фотоактивными добавками.
В данной работе рассматривается влияние фотоактивных добавок (Родамина В и Кумарина 120) в составе полимерной композиции на форму и скорость развития микроэлемента на торце оптического волокна.
Формирование микроэлементов на торце оптоволокна
Для формирования микролинз на торце волокна была использована схема установки, изображенная на рис. 1. В волокно вводилось излучение азотного лазера, генерирующего излучение с длиной волны X = 337 нм, со средней выходной мощностью 3,2 мВт, длительностью импульса излучения 10 нс и частотой следования импульса 100 Гц.
Кинетика процесса регистрировалась ПЗС-камерой, работающей в режиме видеозаписи с частотой 50 кадров в секунду. Волокно - кварцевое, многомодовое, ступенчатое, диаметром 435 мкм.
Рис. 1. Фотография и принципиальная схема установки
Свободный торец волокна с выходящим из него светом опускался в УФ-отверждаемую мономерную композицию. Под действием УФ-излучения, генерируемого лазером, происходит фотополимеризация состава, вследствие чего формируется микроэлемент на центральной жиле оптоволокна. Время экспозиции для каждого образца было строго зафиксировано и составляло 10 секунд.
Формирование микроэлемента на торце волокна с использованием чистого полимера (в отсутствии красителей)
При времени облучения порядка 10 секунд происходит формирование оптической полимерной структуры. На рис. 2 показана фотография микроструктуры, полученной данным способом. Диаметр ее совпадает с диаметром световодной жилы волокна -435 мкм, длина микроструктуры порядка 3 мм.
Рис. 2. Микроэлемент, полученный на торце волокна с использованием чистой мономерной композиции
Полимеризующийся материал, имеющий показатель преломления выше окружающего неполимеризованного мономера примерно на 0,4, играет роль своеобразного волновода для света, выходящего из торца оптоволокна. В результате на торце оптоволокна быстро растет цилиндр из полимеризованного материала, по диаметру равный центральной жиле оптоволокна. Данный процесс роста неограничен и, при отсутствии поглощения света в полимеризованном материале, мог бы идти бесконечно с образованием длинного цилиндра.
Зависимость формы микроэлемента на волокне от концентрации красителя в полимере
Эксперимент с родамином В. Введение в мономерную композицию компонента, обеспечивающего абсорбцию света, позволяет получать микроэлементы различной формы, такие как цилиндры, конуса, микролинзы в зависимости от концентрации фотоактивного компонента в полимере. В качестве такого компонента мы взяли краситель родамин В. Для исследования были получены мономерные композиции с содержанием родамина В 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5 и 0,6 весовых процентов.
Композицию экспонировали строго определенное время - 10 секунд. Постоянство времени экспозиции позволило четко проследить зависимость скорости роста элемента от концентрации красителя в составе полимера. Фотографии полученных микроэлементов представлены на рис. 3.
Рис. 3. Прохождение света через микроэлементы полученные при разных концентрациях Родамина В (концентрация родамина В: а - 0,1 wt; б - 0,2wt; в - 0,3 wt;
г - 0,4 wt; д - 0,5 wt; е - 0,6 wt)
Для определения более четкой зависимости формы линзы от концентрации красителя были проведены измерения размеров полученных микроэлементов. По полученным данным построен график зависимости размера микроэлемента вдоль оптической оси на оптоволокне от концентрации родамина В (рис. 4).
Зависимость размера линзы от концентрации родамина Б в полимерной
композиции
л
н
о «
<в ^
£
щ
и к
4 О
5 ° и ад со о
£ «
а о
И <и
К Р
2 «
св X X
к «
2,5
2
1,5
0,5
0 ]-------,
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Концентрация родамина В, %
Рис. 4. График зависимости длины микроэлемента вдоль оптической оси от концентрации родамина В в мономерной композиции
Как видно из графика, чем выше концентрация красителя родамина В в составе мономерной композиции, тем меньше размер линзы вдоль оптической оси, сформированной на торце оптоволокна в результате фотополимеризации. В процессе фотополимеризации излучение, выходящее из световода, начинает поглощаться красителем. Таким образом, процесс роста начинает замедляться, поэтому при максимальной в данной
работе концентрации родамина В, мы наблюдаем минимальный размер линзы и специфическую форму. При минимальной концентрации поглощение минимально, следовательно, свет достаточно легко проникает в полимер, и образуется конусообразная микролинза.
Эксперимент с кумарином 120. Также были проведены эксперименты по выращиванию элементов на торце оптоволокна с использованием идентичной мономерной композиции, но с другой фотоактивной добавкой - кумарином 120. Время экспозиции осталось тем же - 10 секунд. Кумарин 120 имеет большее поглощение на длине волны 337 нм, поэтому концентрации кумарина 120, которые использовались в наших исследованиях, на порядок ниже, чем концентрации родамина В.
Рис. 5. Микроэлементы, полученные на торце оптоволокна при различных концентрациях красителя кумарина в составе полимера (концентрация кумарина 120: а - 0,03 wt, б - 0,05 wt, в - 0,08 wt, г - 0,1 wt, соответственно)
Как можно заметить, в данном случае происходит формирование микроструктуры, с одной стороны являющейся продолжением оптической жилы волокна, а с другой стороны с явным округлым завершением (рис. 5).
Обсуждение полученных результатов
Б
- Кумарин 120 ■ Родамин В
X = 337 нм Поглощение Кумарин 120 - 0,939 Родамин В - 0,295
300
400
500 Х т
2
1
Рис. 6. Спектры поглощения фотоактивных добавок родамина В и кумарина 120 в изопропаноле в концентрациях 0,1 wt и 0,05 wt, соответственно, распределение излучения при выходе из волокна в среду с родамином В (справа вверху) и в среду с
кумарином 120 (справа внизу)
На рис. 6 приведены спектры поглощения кумарина 120 и родамина В. Из спектров видно, что в первую очередь данные фотоактивные добавки различаются расположением максимумов поглощения. Если основной максимум поглощения родамина В
расположен в районе 500-600 нм, и на рабочей длине волны 337 нм он имеет относительно небольшое, хотя и ощутимое поглощение, то кумарин 120 имеет максимум поглощения как раз в районе 300-400 нм и на рабочей длине волны имеет огромное поглощение - это объясняет необходимость значительного уменьшения его концентрации (на порядок меньшее относительно родамина В). Еще одно существенное различие хорошо видно на фотографиях (рис. 6) распределения излучения, выходящего из волокна в среду с родамином В и кумарином 120.
Данное распределение излучения хорошо согласуется с полученными микроэлементами. В случае с родамином В мы видим очертания четкого конуса максимальной интенсивности, который впоследствии повторяется полученным микроэлементом (рис. 2, а). Распределение же интенсивности света, выходящего в раствор кумарина 120, близко к распределению излучения, выходящего из волокна в среду, не имеющую специфического поглощения. И, соответственно, образующиеся микроэлементы близки по форме к микроструктурам, получаемым из полимерной композиции при отсутствии фотоактивной добавки, но значительно меньше их по размеру, что объясняется значительным поглощением кумарина 120 в области рабочей длины волны, т.е. проявляется эффект торможения процесса.
Данная работа выполнена при поддержке по проекту Рособразование РНП.2.1.1.1403 «Исследование процессов формирования микрооптических поверхностей в поле световой волны при фотоотверждении мономерных композиций».
Литература
1. Иволгин В., Коханенко А., Мягков А. Волоконно-оптические линии связи: эффк-тивность ввода оптического излучения в волокно, Электронная версия учебного пособия. Томский государственный университет, кафедра КЭиФ, 2002.
2. Окоси Т. Волоконно-оптические датчики. Л.: Энергоатомиздат, 1991. 108 с.
3. Вейко В.П., Березин Ю.Д. и др. Лазерные технологии формирования волоконно-оптических инструментов. // Известия РАН. Серия физическая. 1997. Т. 61. № 8. С. 1627-1631.
4. F. Schiappelli a, R. Kumar et al. Efficient fiber-to-waveguide coupling by a lens on the end of the optical fiber fabricated by focused ion beam milling. // Microelectronic En-gieering. 2004. Р.73-74. 397-404.
5. Yi Yang, Jon Lee, Karl Reichard, et al. Fabrication and implementation of a multi-to-single mode converter based on tapered multimode fiber. // Optics Communication. 2005. 249. Р.129-137.
6. Hocine M., Bachelot R. et al. End-of-fiber polymer tip: manufacturing and model-ing.//.Synthetic Metals. 2002. 127. Р.313-318.
7. Плеханов А.И., Шелковников В.В. Оптические волокна с концевыми полимерными микролинзами. // Российские нанотехнологии. 2006. №1.
8. K. Yamashita, T. Kuro, K. Oe Fabrication of self-writing wavrguide in photosensitive polyimide resin by controlling photochemical reaction of photosensitizer. // App. Phys. Lett. 2004. V. 85. № 18. Р.3962-3964.
