Метод формирования волоконных устройств на основе явления движущегося оптического разряда тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Конин Юрий Александрович

• Конин Юрий Александрович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Конин Юрий Александрович

Реферат

Заключение

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Методы микрообработки оптических волокон для создания рассеивателей и датчиков. Обзор литературы

1.1 Рассеиватели, наконечники, внутриволоконные устройства и их конструкции

1.2 Химическое травление волокон

1.3 Механическая микрообработка волокон

1.4 Физические методы микрообработки волокна

1.4.1 Лазерное сверление

1.4.2 Микрообработка импульсами фемтосекундной длительности

1.4.3 Метод лазер-индуцированной плазмы для микрообработки волокна

1.5 Явление движущегося оптического разряда

1.5.1 Распространение разряда

1.5.2 Применение эффекта

1.6 Выводы по главе

ГЛАВА 2. Изготовление рассеивателей излучения на основе явления движущегося оптического разряда

2.1 Конструкция волоконного рассеивателя

2.2 Структура микрополостей волоконного рассеивателя

2.3 Изготовление волоконного рассеивателя

2.4 Исследование профиля светимости

2.5 Исследование температурной чувствительности волоконного рассеивателя

2.6 Исследование прочностных свойств волокон со структурой микрополостей

2.7 Разработка лазерного прибора фотодинамической терапии с функцией измерения температуры

2.8 Выводы по главе

ГЛАВА 3. Исследование явления движущегося оптического разряда в оптическом

волокне

3.1 Исследование инициации движущегося оптического разряда

3.2 Расчет порогового значения мощности для инициации оптического разряда

3.3 Исследование процесса движения оптического разряда в волокне

3.3.1 Измерение скорости движения плазменной искры в одномодовом волокне

3.3.2 Измерение скорости движения плазменной искры в градиентном волокне

3.3.3 Микроскопическое исследование плазменной искры

3.4 Микроскопическое исследование размеров микрополостей

3.5 Исследование размеров микрополостей после воздействия магнитным полем на движущийся оптический разряд

3.6 Выводы по главе

ГЛАВА 4. Области применения устройств, полученных методом движущегося оптического разряда

4.1 Сенсорные свойства интерферометров Фабри-Перо

4.2 Исследование чувствительности к деформации

4.3 Исследование чувствительности к температуре

4.3.1 Исследование чувствительности при положительных температурах

4.3.2 Исследование чувствительности при отрицательных температурах

4.4 Измерение обратных отражений при отрицательных температурах

4.5 Разработка алгоритма обработки данных с чувствительного элемента

4.6 Выводы к главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Благодарности

Список литературы

Приложение А. Акты внедрения

Приложение Б. Результаты интеллектуальной деятельности

Приложение В. Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод формирования волоконных устройств на основе явления движущегося оптического разряда»

Актуальность темы.

Бурное развитие технологий волоконной оптики и лазеров привело к развитию телекоммуникационных технологий и покрытию земного шара высокоскоростными сетями связи. Рост отрасли начался 50 лет назад с открытия примесной природы оптических потерь в волокне. После этого волоконная оптика начала активно использоваться в других отраслях, что привело к появлению мощных волоконных лазеров, датчиков физических величин, медицинских зондов, систем навигации и т.п. Усовершенствование лазерных систем обработки материалов привело к тому, что стали появляться миниатюрные волоконные устройства, которые сочетают в себе свойства датчиков, рассеивателей, мультиплексоров. Такие устройства имеют компактные размеры, нечувствительны к внешним электромагнитным наводкам и радиации. Наиболее известными и популярными сенсорными устройствами являются волоконные брегговские решетки, интерферометры Маха-Цендера, Саньяка и Фабри-Перо. А в качестве волоконных рассеивающих устройств наиболее популярны цилиндрические рассеиватели, торцевые микролинзы, фоконы и аксиконы [1-14].

Все вышеперечисленные волоконно-оптические устройства изготавливаются различными методами [15-60]. К наиболее простым методам можно отнести механо-химическую микрообработку волокон. С помощью механической обработки волокна изготавливают рассеивающие структуры на оболочке, длиннопериодные решетки [27-30]. Химическим травлением формируют торцевые линзы аксиконы и интерферометры с открытой полостью на торце или боковой поверхности волокна [15-26]. К лазерным методам создания устройств можно отнести формирование решеток показателя преломления с помощью УФ лазера или фемтосекундного лазера [31-57]. Также, к ним можно отнести лазерное микросверление и обработку, с помощью которых можно формировать рассеиватели, волноводы и интерферометры.

Одним из потенциальных методов для создания волоконно-оптических устройств может служить метод, основанный на явлении движущегося оптического разряда. Явление движущегося оптического разряда, или как его называют в других источниках - плазменная искра, или эффект плавления волокна («fiber fuse effect»), это процесс возникновения лазерно-индуцированной плазменной искры в сердцевине оптического волокна, вследствие его загрязнения или нагрева, и дальнейшего распространения по волокну навстречу источнику лазерного излучения [58]. Впервые данное явление было представлено учеными Кашьяп и Блоу в 1987-1988 гг. применительно к оптическим волокнам [59, 60].

Механизм возникновения оптического разряда в волоконном световоде тесно связан с нелинейным поглощением кварцевого стекла [61-68]. Если плотность мощности излучения достаточна для поддержания оптического разряда, то возникающая в результате плазменная искра разгорается и начинает распространяться вдоль сердцевины волокна [64-68].

В результате прохождения плазменной искры вдоль сердцевины волокна появляется квазипериодическая структура в виде локализованных полостей, заполненных кислородом, которая может быть использована в дальнейшем как чувствительный элемент для оптического датчика или оптический рассеиватель излучения. Для датчиков и оптических рассеивателей излучения выдвигаются различные требования к геометрическим параметрам квазипериодической структуры. Это определяет необходимость создания методики для эффективного управления размерами, формой и скоростью движения плазменной искры. Одним из эффективных методов влияния на движущуюся по оптическому волокну плазму может стать воздействие магнитного поля.

Таким образом, проведение исследований в области методов формирования структур в сердцевине оптического волокна для создания волоконных датчиков температуры и рассеивателей для медицины и других областей является актуальным.

Целью диссертационной работы является разработка метода изготовления медицинского волоконного рассеивателя с сенсорными свойствами движущимся

оптическим разрядом, для применения в составе с прибором лазерной фотодинамической терапии.

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

• Обзор и исследование существующих методов микрообработки оптических волокон для изготовления рассеивающих и сенсорных элементов.

• Разработка одноэтапного метода изготовления рассеивающих, сенсорных и комбинированных устройств на основе микрополостей, с помощью движущегося оптического разряда.

• Разработка и изготовление прототипов рассеивателей с сенсорными свойствами для медицины, исследование сенсорных и рассеивающих свойств прототипов и оптимизация их рассеивающих свойств.

• Исследование механизма движущегося оптического разряда в оптическом одномодовом и многомодовом волокне для создания микрополостей внутри сердцевины волокна.

• Исследование сенсорных свойств внтуриволоконных многорезонаторных интерферометров Фабри-перо на основе микрополостей, сформированных движущимся оптическим разрядом.

Методы исследования. В диссертации применялись теоретические, экспериментальные и численные методы исследования.

Из экспериментальных методов исследования можно привести в пример использование метода анализа отраженного спектра излучения с помощью разработанной системы опроса, в качестве анализатора спектра использовался прибор Yokogawa AQ6370. Также использовался метод оптической микроскопии для определения геометрических параметров микрополостей с помощью оптического микроскопа Olympus GX-51; и электронной микроскопии для определения состава переплавленного стекла вокруг микрополостей с помощью электронного микроскопа Mira. Кроме того, использовались методы высокоскоростной съемки на оборудовании Optronis CP70-1-M-1000.

Анализ полученных данных производился в программном обеспечении Excel, OriginPro. Для подтверждения экспериментальных данных использовались численные модели, созданные в Comsol Multyphisycs.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод прямого одноэтапного формирования рассеивающих структур, состоящих из цепи отражающих замкнутых микрополостей внутри оптического волокна, позволяет создавать медицинские рассеиватели излучения с заданной диаграммой направленности на одномодовых и многомодовых волокнах диаметром от 150 мкм до 530 мкм без повреждения внешней защитной оболочки с увеличением предела прочности на разрыв до 3 раз и уменьшением минимального радиуса изгиба до 2 раз, по сравнению с существующими методами, за счет использования управляемой модификации сердцевины оптического волокна движущимся оптическим разрядом.

2. Структура волоконно-оптического рассеивателя лазерного прибора для селективной фотодеструкции сосудистых образований содержащего замкнутые микрополости внутри оптического волокна, позволяет добавить функцию контроля температуры зоны операционного воздействия с достаточной для практического применения чувствительностью к температуре до 15 пм/°С в диапазоне 20-90 °С за счет одновременного использования цепи отражающих замкнутых микрополостей в качестве рассеивающих центров и в качестве внутриволоконного многорезонаторного интерферометра Фабри-Перо.

3. Метод стабилизации параметров датчика температуры на основе оптического волокна содержащего цепь отражающих замкнутых микрополостей внутри оптического волокна, при его изготовлении, позволяет не менее чем на 20% уменьшить среднеквадратичное отклонение диаметра замкнутых микрополостей внутри сердцевины волокна и уменьшить разброс рабочей длины волны датчика температуры до 20% за счет воздействия магнитного поля на плазму движущегося оптического разряда в оптическом волокне, которое приводит к возникновению радиального сжимающего воздействия, что в свою очередь стабилизирует объемный размер оптического разряда.

Научная новизна диссертации отражена в следующих пунктах:

1. Впервые предложен одноэтапный метод управляемого формирования волоконной структуры, состоящей из микрополостей заполненных молекулярным кислородом, на основе явления движущегося оптического разряда, который позволяет создавать рассеивающий волоконно-оптический элемент медицинского зонда с чувствительностью к температуре и деформации и равномерным цилиндрическим профилем светимости;

2. Впервые проведены исследования движущегося оптического разряда в сильных магнитных полях и доказано влияние магнитного поля на сжатую плазменную искру движущегося оптического разряда, что приводит к уменьшению разброса диаметров микрополостей волоконной структуры после прохождения магнитного поля, что позволяет более точно управлять геометрическими параметрами микрополостей при создании сенсорных структур.

Научно-техническая задача, решаемая в диссертации, заключается в создании одноэтапного метода формирования структур в сердцевине оптического волокна на основе движущегося оптического разряда, с целью формирования датчиков физических величин и рассеивателей.

Объектом исследования является волоконные устройства на основе структур на закрытой микрополости.

Предметом исследования являются модели и методы формирования волоконных микроструктур для создания оптических датчиков физических величин и рассеивателей.

Научная значимость результатов диссертационной работы состоит в том, что предложены методы формирования структуры волоконно-оптических датчиков физических величин и рассеивателей. Разработаны и получены патентоспособные технические решения для реализации систем температурного мониторинга для медицины, полученные оценки точности и механохимические свойства показывают их преимущество над используемыми в настоящее время системами.

Практическая значимость результатов диссертационной работы состоит в том, что предложенные усовершенствованные методы формирования волоконных микроструктур оптических датчиков и рассеивателей используются в перспективных разработках волоконных диффузоров ООО «ВОССН», ЦК НТИ «Фотоника» и ООО МИП «Пермские нанотехнологии», а именно:

1. Применение движущегося оптического разряда позволяет создавать структуру микрополостей в сердцевине волокна для изготовления цельноволоконных многорезонаторных интерферометров Фабри-Перо или рассеивающих структур за один этап.

2. На основе изготовленного волоконного многорезонаторного интерферометра Фабри-Перо создан волоконный датчик температуры с чувствительностью ~15 пм/°С и датчик деформации с чувствительностью ~ 2 пм/^е.

3. На основе рассеивающей структуры создан волоконный рассеиватель излучения с отклонением от идеальной цилиндрической диаграммы направленности излучения по длине не более 20%.

Полученные прототипы волоконно-оптического рассеивателя предложенной конструкции были использованы в комплекте медицинского терапевтического лазера МАЛАХИТ.

Достоверность полученных результатов обеспечивается

воспроизводимостью экспериментальных результатов и согласованностью теоретических результатов с полученными экспериментальными данными. Полученные результаты не противоречат теоретическим положениям, известным из научных публикаций отечественных и зарубежных исследователей, и подтверждаются результатами апробации и внедрения предложенных в диссертации методов. Результаты были представлены на научных конференциях и опубликованы в рецензируемых научных журналах.

Внедрение результатов работы

Результаты работы были использованы в перспективных разработках волоконных диффузоров ООО «ВОССН», лазеров ЦК НТИ «Фотоника» и датчиков ООО МИП «Пермские нанотехнологии», что подтверждается актами внедрения № 1 от 20.08.2024 и № 115-3/483 от 26.08.2024, и №2 от 30.08.2024, соответственно.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical And Electronic Engineering (2020 ElConRus), January 27-28, 2020, St. Petersburg, Russia.

2. XII Международная конференция "Фундаментальные проблемы оптики" (ФПО 2020), October 19-23, 2020, St. Petersburg, Russia.

3. 2021 IEEE Конференция российских молодых исследователей в области электротехник и и электроники (2021 ElConRus), January 26-29, 2021, St. Petersburg, Russia.

4. X конгресс молодых ученых (КМУ), April 14-17, 2021, St. Petersburg, Russia.

5. Конференция Математика и междисциплинарные исследования - 2021, October 18-20, 2021, Perm, Russia.

6. OPTICS & PHOTONICS international congress - 2022 (OPIC 2022), April 1822, 2022, PACIFICO Yokohama, Japan.

7. Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics (APCOM-2022), October 2-6, 2022, Vladivostok, Russia.

8. INTERNATIONAL SYMPOSIUM Fundamentals of Laser Assisted Micro- & Nanotechnologies (FLAMN-22), June 27 - 30, 2022, St. Petersburg, Russia.

9. Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics (APCOM-2023), December 25-27, 2023, Hainan, China.

Личный вклад автора.

Приведенные в диссертации результаты исследований, составляющие её научную новизну и выносимые на защиту, получены автором лично, либо при его

непосредственном активном участии. Автором лично предложен метод формирования рассеивающих структур на основе явления движущегося оптического разряда, проведены исследования чувствительности к деформации и температуре, получены результаты воздействия магнитного поля на движущуюся плазму оптического разряда, подготовлены заявки на изобретения. Анализ, интерпретация и описание полученных данных проводились лично аспирантом при участии научного руководителя, а также совместно с соавторами публикаций по тематике диссертации

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, включающих в себя подпункты, заключения и списка литературы. Материал диссертации имеет общий объем 329 страниц, в том числе 144 страницы основного текста, 81 рисунок, 7 таблиц и список из 120 использованных источников.

Во введении представлена актуальность, научная новизна работы, практическая ценность, выделена цель и задачи, решаемые в ходе выполнения исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен литературный обзор необходимых для данной диссертации научных источников. В разделе 1.1 рассматриваются конструкции и виды устройств на основе волокна такие как: рассеиватели, наконечники, внутриволоконные устройства, а также сферы их применения. В разделе 1.2 описан следующий метод изготовления волоконных устройств - химическое травление. В разделе 1.3 описаны механические способы изготовления волоконных устройств и связанные с ними риски. В разделе 1.4 рассмотрены физические методы обработки волокна, такие как лазерные методы (1.4.1), метод микрообработки импульсами фемтосекундной длительности (1.4.2), метод лазер-индуцированной плазмы для микрообработки волокна и его отличие от других методов (1.4.3). В разделе 1.5 описано явление возникновения и распространения по волокну яркой плазменной вспышки называемое явлением движущего оптического разряда или «fiber fuse effect». Это явление представляет собой возникновение и распространение по волокну яркой плазменной вспышки, называемой оптической искрой или разрядом. Оптическая искра возникает в волокне при плотности мощности более 1 МВт/смА2 вследствие повреждения, нагрева или критического изгиба. Из-за катастрофической и быстрой ионизации вещества волновода возникает самоподдерживающаяся реакция ионизации сердцевины волокна, распространяющаяся со скоростями единиц и десятков метров в секунду. После прохождения плазменной искры в волокне формируются микрополости, заполненные кислородом, с характерными размерами в несколько микрометров.

Это явление привлекло внимание нескольких научных групп по всему миру и было детально изучено группой Кашьяпа, группой из НЦВО под руководством Дианова [64-68], а также группами под руководством Шуто [69-72] и Тодороки [7376].

Кроме того, был описан процесс распространения разряда в волокне и паттерны образования микрополостей (1.5.1), плазма оптического разряда начинает двигаться навстречу источнику излучения при условии достаточной плотности мощности. Было доказано, что температура плазменной искры может варьироваться в диапазоне от 6*103 до 11* 103 К [78,83]. Скорость движения оптического разряда зависит от плотности мощности и варьируется в пределах от 0,5 м/с до 1,1 м/с.

По мере прохождения оптического разряда по волокну происходит переплавление сердцевины волокна с образованием микрополостей заполненных кислородом. Кислород в этом случае образуется через реакцию разложения диоксида кремния на монооксид кремния и кислород. Микрополости образуют квазипериодическую или периодическую структуру в виде сферических, пулевидных или веретенообразных полостей в сердцевине волокна.

Одно из последних объяснений образования микрополостей оптического разряда было предложено Й. Шуто [69], которое было названо моделью нелинейных колебаний. В такой модели оптический разряд представляется как осциллятор Ван дер Поля, и позволяет качественно объяснить, как изменение плотности кварцевого стекла, так и механизм образования полостей. Плазма оптического разряда представляется как низкочастотная плазменная неустойчивость, колеблющаяся с собственной частотой ю0.

Данные колебания плазмы могут формировать следующие варианты распределения микрополостей в сердцевине оптического волокна. Формы микрополостей, образующихся после прохождения оптического разряда в одномодовом волокне, можно разделить на три паттерна образования, показанные на рисунке 1, где критериями оценки форм будут выступать 1 - длина микрополости и Л - период микрополостей.

Рисунок 1. Паттерны образования микрополостей в одномодовом оптическом

волокне [71].

Было показано, что низкочастотная плазменная неустойчивость стремится к термодинамически стабильному состоянию при 1/Л~0.5 и формирует при этом периодическую структуру микрополостей. То есть процесс образования полостей является самостабилизирующимся. Но в процессе могут наблюдаться нарушения стабильности плазменной неустойчивости при инициации явления, при гашении явления, а также при резком изменении внешней температуры, оптической мощности или на сварном соединении волокон. При этом наблюдаются нарушения периодичности микрополостей. Таким образом, при распространении оптического разряда в волокне образуется квазипериодическая структура микрополостей. Процесс формирования является самостабилизирующимся и на его основе возможно формировать методы создания волоконных устройств.

Поэтому различные группы ученых использовали явление движущегося оптического разряда для разработки различных методов изготовления волоконных устройств (1.5.2). Одним из применений явления движущегося оптического разряда является создание различных оптических датчиков и устройств освещения, которые могут работать в опасных или враждебных средах. Группа ученых их Авейрусского университета [92-102], Португалия с 2013 года работает над применением сенсорных структур, полученных при воздействии движущегося оптического разряда. Они разработали методики создания точечного датчика на основе интерферометра Фабри-Перо. Разработанные датчики могут измерять показатель преломления, деформацию, температуру, давление, влажность.

Методика изготовления полостей использует предварительно поврежденное волокно в результате прохождения оптического разряда. Затем часть этого волокна отсекается и приваривается к целому волокну SMF-28, при этом микрополости во время сварки сливаются в одну и раздуваются под давлением кислорода, содержащегося в них (рисунок 2). Для измерения гидростатического давления, показателя преломления или влажности чувствительная часть датчика должна соприкасаться с измеряемой средой, поэтому излишняя часть волокна отсекается и формируется датчик на открытой микрополости. Для формирования микрофона или датчика давления воздуха эту отрытую микрополость закрывают мембраной [92-102].

а) Ь) с) (1)

Рисунок 2. Метод изготовления волоконно-оптического датчика, а - сварка целого и поврежденного волокна, Ь - полость, образующаяся в процессе сварки, с

- сколотая микрополость, ё - заполнение полости ди-уреазилом [92-102].

Микрополость в таком датчике работает как конфокальный интерферометр Фабри-Перо, состоящий из двух сферических зеркал с промежуточным зазором, что позволяет формировать несколько мод.

Другим применением может служить создание рассеивающих структур в волокне. Автором данной диссертации ведутся работы по созданию методов записи рассеивающих структур в волокне.

В разделе 1.6 представлены выводы к главе.

Во второй главе представлен метод записи рассеивающих структур, полученных на основе явления движущегося оптического разряда. В разделе 2.1 рассматривается оптическое устройство: волоконный рассеиватель или по-другому волоконно-оптический диффузор. Он используется для доставки света к

обрабатываемой области при медицинских операциях фотодинамической терапии. Он имеет цилиндрическую диаграмму рассеяния светового потока к центральной оси оптического волокна и может быть использован для распространения света в цилиндрической геометрии на пораженные участки тела. Другими словами, рассеиватель - это волоконное устройство, которое отклоняет распространяющийся по сердцевине волокна световой поток в оболочку и образует равномерный профиль бокового свечения. Рассеиватель формируется с помощью эффекта движущегося оптического разряда, благодаря которому в сердцевине оптического волокна образуется рассеивающая структура. Рассеивающая структура состоит из серии микрополостей, расположенных на равном расстоянии друг от друга.

Прототипы рассеивателей представляют собой волоконные зонды - отрезки волокна длиной 3-5 метров, оконцованные с одной стороны оптическим разъемом и имеющие рассеивающую часть с другой стороны (рисунок 3).

Рисунок 3. Чертеж волоконно-оптического зонда с рассеивающей частью на дистальном конце, 1 - оптический разъем, 2 - оптическое волокно, 3 - полимерная оболочка оптического волокна, 4 - кварцевая жила волокна, 5 -кварцевая оболочка волокна, 6 - рассеивающая часть зонда (увеличенный фрагмент приведен на

следующем рисунке 4).

в

5_

I

Рассеивающая структура представляет собой структуры микропузырьков или микрокапилляров. Для изготовления рассеивателей длиной до 7 см

используются градиентные волокна с диаметром сердцевины до 62,5 мкм и со структурой микрокапилляров, см. рисунок 4.

Рисунок 4. Чертеж рассеивающей структуры волоконно-оптического зонда, 1 -микрокапилляр, 2 - сердцевина волокна, 3 - кварцевая оболочка волокна, 4 -

полимерная оболочка волокна.

Для изготовления более длинных рассеивателей необходимо более полноценно рассеивать лазерное излучение, а для этого необходимо создать структуру с экспоненциально меняющейся периодичностью, кроме того использовать механизм смешения мод, который реализован в конструкции волокон с двойной оболочкой. Для изготовления таких рассеивателей с длиной до 20 см используется волокно DC 10/130 или DC 25/400. Сформированные структуры, выводящие распространяющееся излучение из сердцевины в оболочку, представлены на рисунке 5. На рисунке обозначены зоны микрокапилляра, зона эллипсоидно-подобных структур, зона микропузырей, кроме того, имеется зона датчика температуры, в которой сформированы 5 или 6 микропузырей с диаметром меньше 3 мкм. Такие микрополости практически не рассеивают проходящее излучение в радиальном направлении, зато вносят отражение в обратном направлении. Кроме того, имеют сенсорные свойства и реагируют на изменение температуры или деформацию. На таких микропузырях может происходить рассеяние Ми.

Рисунок 5. Чертеж рассеивающей структуры волоконно-оптического зонда с меняющейся периодичностью, 1 - рассеивающая структура, 2 - сердцевина волокна, 3 - кварцевая оболочка волокна, 4 - полимерная оболочка волокна.

Также конструкция рассеивателя может иметь дополнительные конструктивные элементы и оболочки, например, металлические радиометки, см. рисунок 6. Радиометка должна выполнять следующие функции: обозначение рассеивающей части, визуализация волокна на рентгене или при МРТ, а также торцевое зеркало-терминатор, которое выравнивает профиль излучения и гасит выход света с торца волокна.

Волокно в ЗУП Радиометка 1 Радиометка 2

Рисунок 6. Схема нанесения радиометок на рассеивающую часть волоконного

зонда.

Радиометка из алюминия наносится с помощью магнетронного напыления и затем покрывается полимером. Также возможно клеевое нанесение радиометок и торцевого зеркала из тонкого фольгированного металла. Дополнительные оболочки могут наноситься с помощью восстановителя покрытия и выполнять защитные функции или функции преобразования частоты.

Раздел 2.2 посвящен структуре микрополостей волоконного рассеивателя. В нем анализируется зависимость формы микрополостей от мощности излучения, типа волокна и внешних условий.

Прохождение плазмы через сердцевину оптического волокна создает квазипериодическую структуру микрополостей, заполненных кислородом. Их форма и размеры зависят от мощности излучения, типа волокна и внешних условий. Перед изготовлением рассеивателей на новом волокне проводится картирование микрополостей при определенной мощности излучения. Для этого записывается структура волокна, затем проводится микроскопическое исследование, анализируя микрополости с боковой и торцевой поверхностей. Диаметр микрополости, измеренный с торцевой поверхности, считается более достоверным из-за искажений волнового фронта.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Конин Юрий Александрович, 2024 год

Литература

1. Wang R., Qiao X. Hybrid optical fiber Fabry-Perot interferometer for simultaneous measurement of gas refractive index and temperature // Applied Optics. 2014. V. 53. N 32. P. 7724-7728. doi: 10.13 64/AO.5 3.007724

2. Domingues M.D.F., Paixao T.D., Mesquita E.F.T., Alberto N., Frias A.R., Fcrrcira R.A.S., Varum H., Antuncs P.F.D., Andre P.S.D. Liquid hydrostatic pressure optical sensor based on micro-cavity produced by the catastrophic fuse effect // IEEE Sensors Journal.

2015. V. 15. N 10. P. 5654-5658. doi: 10.1109/JSEN.2015.2446534

3. Alberto N., Tavares C., Domingues M.F., Corrcia S.F.H., Marques C., Antuncs P., Pinto J.L., Ferreira R.A.S., Andre P.S. Relative humidity sensing using micro-cavities produced by the catastrophic fuse effect // Optical and Quantum Electronics. 2016. V. 48. N 3. P. 216. doi: 10.1007/sll082-016-0491-4

4. Domingues M.F., Antuncs P., Alberto N., Frias R., Fcrrcira R.A.S., Andre P. Cost effective refractive index sensor based on optical fiber micro cavities produced by the catastrophic fuse effect // Measurement.

2016. V. 77. P. 265-268. doi: 10.1016/j.measurement.2015.07.031

5. Rychnovsky S.J., Shinn M.G. Fiber optic diffuser and method of manufacture. Patent WO 1999023041 Al. 1999.

6. Артюшснко В.Г., Даниелян Г.Л., Мазайшвили КВ., Меерович Г.А. Устройство для облучения сосудов и полых органов. Патент RU 2571322. Бюл. 2015. №35.

7. Brown D.C. Diffuser fiber incident energy concentrator and method of using same. Patent US 4733929 A. 1986.

8. Gu X., Tam R.C.H. Optical fiber diffuser. Patent US 6398778 В1. 1999.

9. Тома А.И., Аниснмова E.A. Вариантная анатомия отверстий позвонков в зависимости от уровня позвоночного столба // Травматология и ортопедия России. 2008. № 3(49). С. 115-116.

10. Schcrbakova V.A., Starikov S.S., Garanin АЛ., Tokareva I.D., Bochkova S.D. Research of the tensioning sensitivity of a fiber optic sensor created with the catastrophic fuse effect // Proc. of the IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus 2020). 2020. P. 1126-1128. doi: 10.1109/ElConRus49466.2020.9039429

11. Конин Ю.А., Булатов М.И., Щербакова В.А., Гаранин А.И., Токарева Я.Д., Мошева Е.В. Исследование свойств цсльноволо-конного датчика температуры, созданного при помощи эффекта плавления // Приборы и техника эксперимента. 2020. № 4. С. 7882. doi: 10.31857/S003281622004028Х

12. Конин Ю.А., Гаранин А.И., Токарева Я.Д., Бочкова С.Д. Исследование цельноволоконного датчика температуры // Высокие технологии и инновации в науке: сборник статей международной научной конференции (СПб., 28 июля 2019 г.). 2019. С. 205-209.

13. Shchcrbakova V.A., Starikov S.S., Konin Y.A., Garanin АЛ., Nurmuhametov D.l. Fuse effect investigation in optical fiber for creation optical sensor structure // Proc. of the IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus 2019). 2019. P. 914-916. doi: 10.1109/ElConRus.2019.8657220

14. Konin Y.A., Garanin A.I., Nurmuhametov D.l., Turin S.F., Shcherbakova V.A. Research the thermal sensitivity of a fiber optic sensor created with the catastrophic fuse // Proc. of the IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus 2019). 2019. P. 897-900. doi: 10.1109/ElConRus.2019.8656714

15. Nurmuhametov D.I., Konin Y.A. Evaluation of parameters of an optical trap built based on tapered fiber for blood cells // Proc. of the IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus 2019). 2019. P. 901-902. doi: 10.1109/ElConRus.2019.865 7321

16. Конин Ю.А., Щербакова В.А., Стариков C.C., Гаранин А.И., Токарева Я.Д. Исследование чувствительности датчика темпера-

References

1. Wang R., Qiao X. Hybrid optical fiber Fabry-Pcrot interferometer for simultaneous measurement of gas refractive index and temperature. Applied Optics, 2014. vol.53, no. 32, pp.7724 7728. doi: 10.13 64/AO.5 3.007724

2. Domingues M.D.F., Paixao T.D., Mesquita E.F.T., Alberto N., Frias A.R., Fcrrcira R.A.S., Vanim H., Antuncs P.F.D., Andrc P.S.D. Liquid hydrostatic pressure optical sensor based on micro-cavity produced by the catastrophic fuse effect. IEEE Sensors Journal, 2015, vol. 15, no. 10, pp. 5654-5658. doi: 10.1109/JSEN.2015.2446534

3. Alberto N., Tavares C., Domingues M.F., Corrcia S.F.H., Marques C., Antuncs P., Pinto J.L., Fcrrcira R.A.S., Andre P.S. Relative humidity sensing using micro-cavities produced by the catastrophic fuse effect. Optical and Quantum Electronics, 2016, vol. 48, no. 3, pp. 216. doi: 10.1007/s 11082-016-0491 -4

4. Domingues M.F., Antuncs P., Alberto N., Frias R., Fcrrcira R.A.S., Andrc P. Cost effective refractive index sensor based on optical fiber micro cavities produced by the catastrophic fuse effect. Measurement, 2016, vol. 77, pp. 265-268. doi: 10.1016/j.mcasurcment.2015.07.031

5. Rychnovsky S.J., Shinn M.G. Fiber optic diffuser and method of manufacture. Patent WO 1999023041 Al. 1999.

6. Artjushcnko V.G., Danicljan G.L., Mazajshvili K.V., Mccrovich G.A. Vessel and hollow organ radiation device. Patent RU 2571322, 2015. (in Russian)

7. Brown D.C. Diffuser fiber incident energy concentrator and method of using same. Patent US 4733929 A, 1986.

8. Gu X., Tam R.C.H. Optical fiber diffuser. Patent US 6398778 Bl, 1999.

9. Toma A.I., Anisimova E.A. Vertebral foramen variant anatomy depending on column level. Traumatology and Orthopedics of Russia, 2008, no. 3(49), pp. 115-116. (in Russian)

10. Schcrbakova V.A., Starikov S.S., Garanin A.I., Tokareva I.D., Bochkova S.D. Research of the tensioning sensitivity of a fiber optic sensor created with the catastrophic fuse effect. Proc. of the IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus 2020), 2020, pp. 1126-1128. doi: 10.1109/ElConRus49466.2020.9039429

11. Konin lu.A., Bulatov M.I., Shchcrbakova V.A., Garanin A.I., Tokareva Ia.D., Mosheva E.V. Features of single continuous fiber temperature sensor created by melting effect. Pribory i tehnika jeksperimenta, 2020, no. 4, pp. 78-82. (in Russian), doi: 10.31857/S003281622004028X

12. Konin Y.A., Garanin A.I., Tokareva I.D., Bochkova S.D. Study the full-fiber temperature sensor. Proc. of the International Scientific Conference High Technologies and Innovations in Science, 2019, pp. 205-209. (in Russian)

13. Shcherbakova V.A., Starikov S.S., Konin Y.A., Garanin A.I., Nurmuhametov D.I. Fuse effect investigation in optical fiber for creation optical sensor structure. Proc. of the IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus 2019), 2019, pp. 914-916. doi: 10.1109/EIConRus.2019.8657220

14. Konin Y.A., Garanin A.I., Nurmuhametov D.L, Turin S.F., Shcherbakova V.A. Research the thermal sensitivity of a fiber optic sensor created with the catastrophic fuse. Proc. of the IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus 2019), 2019, pp. 897-900. doi: 10.1109/E IConRus .2019.8656714

15. Nurmuhametov D.L, Konin Y.A. Evaluation of parameters of an optical trap built based on tapered fiber for blood cells. Proc. of the IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus 2019), 2019, pp. 901-902. doi: 10.1109/EIConRus.2019.8657321

16. Konin Yu.A., Scherbakova V.A., Starikov S.S., Garanin A.I., Tokareva Ia.D. Research the thennal sensityvity of a fiber optic sensor created with the catastrophic fuse. PNRPU Bulletin. Electro technics,

Я.Д. Токарева, Ю.А. Конин, К.А. Коннов, C.B. Варжель, A.A. Дмитриев, С.Д. Бочкова

туры, созданного при эффекте плавления сердцевины // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2019. №32. С. 90-104. doi: 10.15593/2224-9397/2019.4.06 17. Shin-ichi Т. Fiber fuse propagation behavior // Selected Topics on Optical Fiber Technology. 2012. P. 551-570. doi: 10.5772/26390

Informational Technologies, Control Systems, 2019, no. 32, pp. 90104. (in Russian), doi: 10.15593/2224-9397/2019.4.06 17. Shin-ichi T. Fiber fuse propagation behavior. Selected Topics on Optical Fiber Technology, 2012, pp. 551-570. doi: 10.5772/26390

Авторы

Токарева Янина Дмитриевна инженер, Университет 11TMO, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, Scopus ID: 57214998978, ORC'ID ID: 0000-0002-1624-2659, [e-mail] Конин Юрий Александрович инженер-исследователь, Публичное акционерное общество «Пермская научно-производственная прибо ростроитсльная компания», Пермь. 614990, Российская Федерация Scopus ID: 5719-8798-064, ORCID ID: 0000-0002-6058-3872 [e-mail]

Коннов Кирилл Александрович — кандидат физико-математиче ских наук, паучпый сотрудник. Университет IFTMO, Санкт-Петербург 197101, Российская Федерация, Scopus ID: 56032492300, ORCID ID 0000-0002-8888-3 527, kirillkonnov 1991 @gmail.com Варжель Сергей Владимирович кандидат физнко-матема тических наук, доцент. Университет ИТМО, Санкт-Петербург 197101, Российская Федерация, Scopus ID: 55247304200, ORCID ID 0000-0002-3120-8109, [e-mail]

Дмитриев Андрей Анатольевич — инженер-исследователь Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Феде рация, ORCID ID: 0000-0002-0674-8381, [e-mail] Волкова Софья Дмитриевна — инженер-исследователь, Универ ситет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация Scopus ID: 57209362819, ORCID ID: 0000-0001-6614-3790 [e-mail]

Authors

lanina D. Tokareva Engineer, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, Scopus ID: 57214998978, ORCID ID: 0000-0002-1624-2659, [e-mail]

Yuri A. konin - Research Engineer. Perm Scientific-Industrial Instrument Making Company (PNPPK P1SC), Perm, 614990, Russian Federation, Scopus ID: 5719-8798-064, ORCID ID: 0000-0002-6058-3872, [e-mail]

Kirill A. Konnov PhD, Scientific Researcher, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, Scopus ID: 56032492300, ORCID ID: 0000-0002-8888-3527, [e-mail]

Sergey V. Varzhel PhD, Associate Professor, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, Scopus ID: 55247304200, ORCID ID: 0000-0002-3120-8109, Vsvl [e-mail]

Audrey A. Dinitriev — Research Engineer, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, ORCID ID: 0000-0002-0674-8381, [e-mail] Sofva D. Boehkova — Research Engineer, ITMO University, Saint Petersburg. 197101, Russian Federation, Scopus ID: 57209362819, ORCID ID: 0000-0001-6614-3790, [e-mail]

ВКВО-202 3 СТЕВДОВЫЕ

1

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАССЕЯНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ В ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ НА КВАЗИПЕРИОДИЧЕСКОЙ МИКРОСТРУКТУРЕ

Петухов а А.Ю.1 Старикова В.А.12, Конин Ю.А.12 3, Перминов A.B.1

' Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия ' ПАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания», Пермь, Россия Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия *E-mail: umalia.ookami.98@mailru DOI 10.24412/2308-69:0-2023-6-394-395

Квазнпериодичеекая рассеивающая микроструктура формируется в сердцевине волокна с помощью эффекта плавления сердцевины (оптического пробоя) и представляет собой цепочку микропузырьков или мпкрокапилляров [1-3]. Важную роль в распределении интенсивности рассеянного излучения играет первый дефект квазипериодической структуры, на котором происходит выход за пределы волокна большей части энергии рассеянного излучения. Данное обстоятельство приводит к быстрому затуханию распространяющегося по волокну излучения и неравномерному рассеянию. На рисунке 1 можно заметить, что самое яркое свечение наблюдается в квазипериодическои рассеивающей структуры [4,5].

Для практических приложений, например в медицине, необходимо создавать оптоволоконные рассеиватели на основе квазипериодических микроструктур с максимально равномерной индикатрисой рассеяния вдоль волокна. Наиболее оптимальным и эффективным способом понять, какие структуры н формы дефектов (особенно первого) обеспечивают относительно равномерное распределение интенсивности рассеянного квазипериодическон структуры, является математическое моделирование.

Для моделирования рассеяния излучения на первом дефекте и квазнпериодической структуре определенной длины был выбран отрезок одномодового оптического волокна (OB) с воздушными микрополостямн в сердцевине. Все параметры задавались согласно спецнфикащш волокна SMF-28. Длина участка волокна 200 мкм. На рис.2 изображена геометрия математической модели.

При построении математической модели были использованы следующие материалы для разных областей расчетной области:

• Для оболочки OB - расплавленный кварц SiOy,

• Для сердцевины OB - GeO + Si Of,

• Для мнкрополостей - данные для воздуха Air. Для моделирования задачи рассеяния в волокне SMF-28

использовалась постановка задачи в терминах волновой оптики, блок Electromagnetic Waves в COMSOL Multiphysics, включаюпцш электромагнитные взаимодействия.

Рис.2. Геометрия модели диффузора

Уравнение для вектора напряженности электрического поля ff, описывающее распространение плоской электромагнитной волны в веществе в декартовой системе координат, имеет вид:

VX(H71VXE)-{^)2E = 0 (1)

где V- оператор набла, ц, = 1 - магнитная проницаемость среды, е, -диэлектрическая проницаемость среды, с0 — скорость света в вакууме, со - частота электромагнитных колебашш, е0 - электрическая постоянная, /¿о - магнитная постоянная.

Представим решение уравнения (1) в виде плоской периодической вдоль осп г волны:

Ё(х, у, z, t) = Е(х, y)eik*ze~i(at (2)

где kz - волновое число.

На вертикальных границах расчетной области ставились условия типа Port. Левая граница объявлялась входным портом (Porti) с мощностью входного излучения 1 Вт, правая - выходным

Рис.1. Диффузор со свечением от первого дефекта

излучения вдоль

(Р0112), кроме того, левой границе присваивались дополнительные свойства выходного порта (РоПЗ), для анализа отраженного от дефектов излучения.

Тип портов - численный, т.е. распределение электрического поля на границе модели задаётся на основе численного решения системы уравнешш для каждого порта для случая фундаментальной моды излучения, распространяющейся по исследуемому волокну:

п х V хЕ = О (3)

где п - вектор нормали, Е - вектор электрического поля фундаментальной моды.

Расчет напряженности электрического поля на входном порте производился через следующую систему уравнешш:

ЕУ

Р = SAeff = —А,

eff 1 =

_ "у _

Е =

Г^Гг

мощность входного излучения,

nd2

(4)

заданная

где 5 - модуль вектора Умова-Пойнтинга, Р = 1 Вт

распределением Гаусса на площади модового пятна, = ^ - площадь модового пятна, диаметр

модового пятна </=10,2 мкм, т] = 6400 0м - волновое сопротивление среды, Е- напряженность электрического поля фундаментальной моды.

Излучение, задаваемое с входного порта (Porti) распространялось по волокну слева - направо и имело диапазон длин волн Х0 = 1540-1560 нм, с шагом Лк = 0,5 нм. Для каждого значения длины волны л о решалась краевая задача по определению электрического поля фундаментальной моды для исследуемого волновода (Boundary Mode Analysis) для каждого порта. Поиск решения происходил для каждого значения длины волны лд, рассчитывалась напряженность электрического поля в каждом узле расчетной сетки.

1

(я) (б)

Рис. 3 Распределение модуля напряженности электрического поля световой волны вблизи первой микрополости (а) и около квазипериодической структуры (б) для длины волны ¿о = 1550 нм

На рисунке 3 показаны результаты расчетов, выполненные в осесимметричной постановке, где наглядно показано рассеяние излучения от первого дефекта (а) и последующих микрополостей (б) в квазипернодпческой структуре. В расчетах использовалась одна из наиболее часто встречающихся в эксперименте пулеобразная форма микрополости. Планируется исследовать различные формы дефектов и размеры квазнпериодических структур. Подробно результаты этих исследований будут представлены в докладе.

Исследование выполнено за счет средств гранта Россшгского научного фонда № 23-21-00169, https://rscf.rn/project/23-21-00169/, рук. Перминов A.B.

Литература

1.

2, 3.

Bufetov I.A., etal, Adv. of Physical Sciences, 175,100-103 (2005) SliuTo Yoshito, Fiber Fuse Phenomenon (3rd Edition), Design Egg, Inc., (2021) Hitz. B., How to save fiberfrom 'the fuse', Photonics Spectra, 38, (2004) Konin Y.A., et al, Journal of Optica! Technology, 88, 672-677 (2021) Yu.A.Konin, et al, Optics Communications, 517, (2022)

СОЗДАНИЕ ВНТУРИВОЛОКОННЫХ УСТРОЙСТВ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКИ

Луценко A.C.12, Петров A.A. \ Шухао Ц.3 Конин Ю.А.123*, Старикова В.А.12,

Петухова А.Ю.12

1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь ' Пермская научно-производственная приборостроительная компания, г. Пермь 3 Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург 'E-mail: [e-mail] 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 градащш: 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 мнкропустоты 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 трещинообразовання достигает скоростей 1,2 км/с.

Формирование слабоотражаюгцнх 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 ШУАО-лазер. работающей на первой гармонике с длиной волны 1064 им, 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.

Contour: Electric field norm (V/m)

Рис. 1. Формирование микродефектов показателя преломления в сердцевине волоконного световода. Где а - расчетное паче в области перекрытия импульсов, б - фотография микродефекта в исследуемом образце

ВКВО-202 3 СТЕВДОВЫЕ

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ИСКРЫ ПРИ ОПТИЧЕСКОМ ПРОБОЕ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА

Старикова В.А.12, Петухова А.Ю.12, Конин Ю.А.12 Перминов A.B.1

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

В работе представлены результаты математического моделнроваши 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 распределен™ температурных полей в оптпческнх 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 оппиеским 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 теплофизическимн свойствами, на границах которых выполняются условия сопряжения

Z. Ilm

4

Su Sx Sl4

х S/2 2 Su 3 S

1 = 0 r. Ilm

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

Исследуемый отрезок волокна 8МР-28е, состоящий, оболочки и защитного покрытия вплотную прижат к металлической пластине.

Распределение температурного поля Т(г.г) описывается уравнением теплопроводности [3]:

дТ ,,д2Т 1 дТ 82ТХ „ с! дг г ог о:

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

Последнее слагаемое уравнения теплопроводности Q описывает тепловыделение, которое возникает нз-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:

Q =

аР

где а - коэффициент поглощения излучения. Р - вводимая мощность излучения. А^ -эффективная площадь модового пятна.

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

Таблица 1

À, мкм 1,08 1,31 1,55 2,05

Аф мкм" 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 Т,„ах, 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 ООО. 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.

Contour: Temperature (К)

Contour; Temperature (К)

290 ▼ 290

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

На основашш расчетов удалось оценить время возникновения различных фазовых состояшш внутри волокна, в частности, плавление кварца - 1440 К, парообразование - 2706 К и плазмообразованпе - 5000 К. Были оценены радиальная, и осевая скорости распространения температурного фронта плазмообразовання. время возникновения плазменного очага - при достижении фронта плазмообразовання 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.ni/project/23-21-00169/, рук. Пермннов A.B.

Литература

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

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

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

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