ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ИСКРЫ ПРИ ОПТИЧЕСКОМ ПРОБОЕ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА Текст научной статьи по специальности «Физика»

ВКВО-202 3 СТЕНДОВЫЕ

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ИСКРЫ ПРИ ОПТИЧЕСКОМ ПРОБОЕ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА

12 12 123 1

Старикова В.А. ' , Петухова А.Ю. ' , Конин Ю.А. ' ' , Перминов А.В.

1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь 2ПАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания», г. Пермь 3 Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург * E-mail: [email protected] DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-396-397

В работе представлены результаты математического моделирования начального этапа оптического пробоя оптического волокна и инициации плазменной искры [1 - 2]. В результате пробоя внутри сердцевины оптического волокна образуется плазменная искра, которая впоследствии движется вдоль волокна. Источник тепла в модели определяется длиной волны излучения и показателями преломления сердцевины и оболочки. Получены распределения температурных полей в оптических волокнах. На основе расчетов можно оценить время возникновения различных фазовых состояний внутри волокна, в частности, время образования плазменной искры, скорость ее распространения в продольном и радиальном направлениях. Исследование может быть полезно для построения модели управления оптическим пробоем при последующей разработке компактных и прочных оптических устройств на основе оптического волокна.

Расчетная область, представленная на рисунке 1, состоит из четырех элементов, обладающих различными теплофизическими свойствами, на границах которых выполняются условия сопряжения

Рис. 1. Схема расчетной области, состоящая из сердцевины (1), оболочки (2), защитного покрытия оптического волокна (3) и металлической пластины (4)

Исследуемый отрезок волокна SMF-28e, состоящий, оболочки и защитного покрытия вплотную прижат к металлической пластине.

Распределение температурного поля Т (г, г, 0 описывается уравнением теплопроводности [3]:

дТ , д2Т 1 дТ дТ „

= + --Г + Т2) + Q д дг г дг дг

где р - плотность кварцевого стекла; ср - удельная теплоемкость кварцевого стекла; к - теплопроводность кварцевого стекла.

Последнее слагаемое уравнения теплопроводности Q описывает тепловыделение, которое возникает из-за взаимодействия оптического излучения, распространяющегося по волокну, с границей контакта торца волокна и металлической пластиной. После отражения в сердцевине образуется стоячая волна, энергия которой нелинейно поглощается веществом вблизи границы контакта. Интенсивность данного источника тепла зависит от оптической мощности и длины волны излучения, заводимого в оптическое волокно, и рассчитывается по формуле:

ВКВО-2023- СТЕНДОВЫЕ

Q =

aP At

где а - коэффициент поглощения излучения, Р - вводимая мощность излучения, Ае-ц- -эффективная площадь модового пятна.

Эффективная площадь моды зависит от длины волны излучения, рассчитанные значения представлены в таблице 1.

Таблица 1

Л, мкм 1,08 1,31 1,55 2,05

Aef, мкм2 13,24 15,28 17,26 23,49

В ходе тестовых расчетов исследована сходимость результатов при увеличении количества сеточных элементов. Для этого была построена зависимость максимальной температуры Ттах, которая достигается в волокне через 1 физическую милисекунду, от количества сеточных элементов в расчетной области. решение стабилизируется при общем количестве элементов расчетной сетки более, чем 15 000. При этом минимальный размер ячейки сетки составил 0,03 мкм, что позволяет проводить вычисления в рамках приближения сплошной среды.

В ходе математического моделирования было рассчитано температурное поле в оптическом волокне. Пример температурного поля приведен на рисунке 2.

Рис. 2. Распределение температурного поля в области сердцевины волокна: общий вид и вид вблизи источника тепла

На основании расчетов удалось оценить время возникновения различных фазовых состояний внутри волокна, в частности, плавление кварца - 1440 К, парообразование - 2706 К и плазмообразование - 5000 К. Были оценены радиальная, и осевая скорости распространения температурного фронта плазмообразования, время возникновения плазменного очага - при достижении фронта плазмообразования границы сердцевина-оболочка волокна и минимальная необходимая мощность для возникновения оптического пробоя.

Расчеты показали, что уменьшение длины волны излучения, подаваемого в волокно, ведет к уменьшению времени инициации плазменной искры в волокне. Полученные в расчетах времена инициации плазменной искры согласуются с экспериментальными данными [4].

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-21-00169, https://rscf.ru/project/23-21-00169/, рук. Перминов А.В.

Литература

1. Konin Yu.A et al, Optics Communications. 517, (2022)

2. Scherbakova V.A. et al. Journal of Optical Technology. 88, 672-677 (2021)

3. Konin YuA. et al. InstrumExpTech. 63, 511-515 (2020)

4. Yoshito Shuto. Fiber Fuse Phenomenon (3rd Edition). Design Egg, Inc. 2021. 193