Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Квантовая электроника

Диссертационная работа:

Шевандин Виктор Сергеевич. Кварцевые волоконные световоды с особыми оптическими и механическими свойствами : диссертация... д-ра техн. наук : 05.11.07, 05.27.03 Санкт-Петербург, 2006 307 с. РГБ ОД, 71:07-5/425

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

Цель диссертационной работы 8

Методы исследований 9

Защищаемые положения 10

Научная новизна 12

Практическая значимость 14

Реализация результатов 14

Глава 1. Литературный обзор 17

Глава 2. Вспомогательные исследования - тенлофизическне и гидродинамические
аспекты вытягивании оптических волокон
47

  1. Физическое моделирование процесса охлаждения волокна при его прохождении от луковицы заготовки до аппликатора 49

  2. Моделирование процесса охлаждения волокна после нанесения металлической оболочки 54

  3. Экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи кварцевого волокна при его вытягивании 59

  4. Анализ условий нанесения полимерных покрытий на оптическое волокно 75

  5. Схема конструкции аппликатора для нанесения металлических покрытий 86

  6. Выбор материала для нанесения покрытия 90

  7. Зависимость гладкости оловянного покрытия от технологических условий его получения 92

  8. Анализ зависимости толщины покрытия от технологических факторов 98

  9. Исследование прочностных параметров металлизированных волоконных световодов 101

Глава 3. Металлизированные волоконные световоды 106

Введение 106

3.1.Связные оптические волокна с металлической оболочкой 112

3.2. Металлизированные световоды со ступенчатым профилем показателя
преломления 126

  1. Исследование теплостойкости световода «кварц-кварц» в металлическом покрытии 127

  2. Динамика адсорбции водяного пара кварцевым волокном при его металлизации 140

Глава 4. Низкодиспсрсионнос оптическое волокно для передачи импульсов
излучения в УФ области спектра
152

Введение 152

  1. Условия приготовления образцов 163

  2. Исследование прочности образцов низкодисперсионных световодов 175

Глава 5. Микроструктурированные оптические волокна 183

  1. Анализ условий вытягивания капилляров для получения дырчатых оптических волокон 183

  2. Основная схема получения микроструктурированных световодов 189

  3. Снижение величины оптических потерь при удалении механических загрязнений и уменьшения концентрации гидроксильных групп 198

  4. Исследование возможностей дырчатых световодов как среды с нелинейными оптическими свойствами ; 207

  5. Реализация и исследование свойств фотонно-кристаллического световода с полой сердцевиной 232

  6. Исследование фундаментальной границы евстоводных свойств микроструктурированных волокон с сердцевиной из кварцевого стекла 240

Заключение 254

Литература 259

Основные публикации автора но теме диссертации: 292

Приложение

Введение к работе:

К моменту постановки настоящей работы (начало 90-х годов) волоконная оптика уже получила становление как интенсивно развивающаяся отрасль науки и техники, а оптико-волоконные технологии нашли практическое применение в системах дальней и местной связи, приборостроении, научных исследованиях. Вместе с тем многие сведения в этой области науки оставались отрывочными, а технологические приемы -или закрытыми для исследователей и разработчиков, или недостаточно надежными и воспроизводимыми. В частности, были достигнуты рекордные результаты по снижению величины оптических потерь в волокнах для дальней связи до уровня, определяемого релеевским рассеянием, деполяризация излучения в поляризационно-поддерживающих волокнах составила не более 10" в образцах километровой длины, высокая механическая прочность кварцевых волоконных световодов гарантировала их закладку в кабель для трансатлантической связи. Однако указанные успехи зачастую были единичными и прогресс в области технологии оптических волокон не мог составить завершенной картины. Экспериментальные и серийные образцы волоконных световодов не обладали комплексом необходимых свойств. Например, уникально низкие оптические потери в связных оптических волокнах существенно возрастали при их использовании в системах управления нестационарными объектами, а способность сохранять заданное состояние поляризации падала при намотке волокон на малогабаритные бобины, что сдерживало развитие сенсорной техники. Изначально высокая прочность кварцевых волокон не могла быть гарантирована в широком диапазоне температур и в течение продолжительного периода работы, либо при эксплуатации в условиях повышенной агрессивности среды. При продолжительном использовании было отмечено увеличение затухания излучения в линиях дальней связи вследствие проникновения газообразного водорода в световедущую

сердцевину волокна, выделяемого при частичной деструкции полимерной оболочки.

В связи с этим представлялось актуальным сосредоточить усилия на разработке таких типов световодов, которые заполняли бы разрывы в номенклатуре изделий, уже имеющихся или возникающих по мере расширения фронта научных исследований в области волоконно-оптических технологий. Световоды следующего поколения должны были обладать набором различных оптических и механических свойств, представленных ранее в отдельных образцах, полученных по независимым технологическим схемам.

Заинтересованность лаборатории оптических волокон в технологии металлических покрытий была стимулирована необходимостью улучшения прочностных характеристик оптического волокна для управления нестационарными объектами, которое было ранее реализовано в виде одноволоконного полиамидного микрокабеля с армирующими полимерными нитями. Высокое значение модуля упругости этих нитей, превышающее аналогичный параметр кварцевого стекла, позволило разгрузить кварцевое волокно от всей прилагаемой к кабелю осевой нагрузки, но не сняло проблему однократного изгиба волокна по малому радиусу в процессе смотки с катушки. Одним из способов решения проблемы представлялось нанесение герметичного покрытия, которое увеличило бы прочность волокна на изгиб, поскольку в научной периодике к тому времени (1990 г.) появились сообщения о существенном увеличении прочности кварцевого волокна при его металлизации. Как показали позже проведенные нами исследования, а также разработки других авторов, металлизация длинномерных волокон не является технически и экономически оправданной вследствие того, что происходит с относительно малой скоростью. Однако технологические методы металлизации нашли себе применение в производстве «толстых» (200 мкм и более) волоконных световодов со ступенчатым профилем показателя преломления, в которых повышенная прочность на изгиб удачно

сочетается с термостойкостью, а относительно невысокая производительность процесса достаточна для получения отрезков волокна длиной в несколько десятков и сотен метров для систем дистанционного контроля.

Опыт нанесения оловянного покрытия на связные световоды методом намораживания из расплава с образованием герметичной токопроводящей оболочки, наличие которой в составе волоконного световода сочеталось с сохранением достигнутых к этому времени малых значений оптических потерь, сыграл свою положительную роль в успешной реализации связных световодов в комбинированном металл-полимерном покрытии в электротехнической компании AMP (США).

Стремление к расширению возможностей существующих типов оптических волокон для продвижения в УФ область спектра было реализовано в ГОИ в конце 80-х годов при получении образцов одномодовых световодов с сердцевиной из нелегированного кварцевого газофазного стекла и депрессированной фторсодержащей оболочкой - технологически наиболее простой структуры. Совокупность накопленных в лаборатории оптических волокон технических решений в технологии заготовок и вытяжке ориентированных на применение в широкой спектральной области световодов положительно сказалась при разработке низкодисперсионного прозрачного в УФ области спектра световода с градиентным профилем показателя преломления. Данное оптическое волокно будет использовано для доставки контрольных импульсов третьей гармоники неодимового лазера к измерительной аппаратуре установки управляемого термоядерного синтеза, инициируемого основным потоком лазерного излучения. Подбор легирующих элементов и прецизионное построение профиля показателя преломления обусловили уникальные дисперсионные свойства и близкий к релеевскому уровень оптических потерь в новой для MCVD-технологии УФ области спектра, а специальные меры при вытягивании волокна и новые

методы контроля его прочности - повышенную надежность разработанных волоконных световодов.

Предложенный в конце 90-х годов новый тип световодов -
микроструктурированные (дырчатые, фотонно-кристаллические) оптические
волокна - обладают уникальными дисперсионными свойствами, что может
быть использовано как в линиях дальней связи для расширения полосы
пропускания информационного сигнала, так и в тех областях оптического
приборостроения, где существенны динамические характеристики
передающих систем. Возможность достижения высокой числовой апертуры
без легирования кварцевого стекла обуславливает и повышенную
радиационную стойкость этих световодов. Элементы технологии
микроструктурированных волокон, в которых светоотражающая оболочка
может быть образована регулярным набором капилляров, ранее
использовались в лаборатории оптических волокон при производстве
монокапилляров или поликапиллярных структур. Это обстоятельство и
определило наш интерес к разработке микроструктурированных волокон, а
перспективы их использования в лазерной технике, нелинейной оптике,
импульсной спектроскопии, оптической томографии также оказались
адекватны сложившейся номенклатуре выпускаемых волоконных

световодов.

В свете вышеизложенного работа автора была активизирована в следующих направлениях:

разработка одно- и многомодовых световодов связного типа с токопроводящим покрытием и в тоже время сохраняющих достигнутый в технологии газофазного осаждения кварцевого стекла минимум оптических потерь;

разработка широкополосного многомодового световода для передачи импульсного излучения в УФ области спектра;

разработка многомодовых кварцевых световодов со ступенчатым профилем показателя преломления в герметичной металлической

оболочке с условием из работы при повышенной температуре

среды и сохранением или увеличением присущей аналогам

высокой механической прочности и надежности;

разработка нового типа микроструктурированных волоконных

световодов с дырчатой светоотражающей оболочкой,

отличающихся уникальными дисперсионными свойствами,

повышенной числовой апертурой, высокой радиационной

стойкостью с перспективой их использования в лазерной

технике, нелинейной оптике, импульсной спектроскопии,

оптической томографии.

В диссертации прослеживается, что перечисленные выше направления

работ в аспекте технологии вытяжки оптического волокна предусматривают,

в основном, разработку технологии его защитного покрытия (за

исключением последнего из указанных пунктов). Известно, что основные

оптические и механические характеристики световодов определяются

структурой и качеством материала исходной заготовки, в то время как

защитное покрытие, предназначенное для сохранения высокой начальной

прочности кварцевого волокна, способно оказывать существенное влияние и

на его оптические свойства.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы являлась разработка технологии нескольких типов кварцевых волоконных световодов, которая обеспечила бы соответствие параметров изделий комплексу специфических требований, отличающих их от аналогов по ряду оптических и механических свойств, а также возможностью эксплуатации в экстремальных условиях и повышенной долговечностью. В процессе выполнения работы решались следующие основные задачи:

исследование процессов образования различных типов волоконных покрытий, определяющих совокупность особых свойств (малые потери излучения, высокая прочность, долговечность, сохраняемость исходных параметров в экстремальных условиях эксплуатации) световодов для дистанционного контроля и внутриобъектовой связи;

исследование влияния структуры светоотражающей оболочки, состава исходных материалов, технологии сборки преформы и вытяжки волокна на процессы распространения излучения по микроструктурированным световодам в линейном и нелинейном режимах.

Методы исследований

Основным методом исследования было изменение условий вытяжки оптического волокна (таких, как скорость вытяжки, температура разогрева заготовки, величина натяжения волокна), его геометрических параметров (диаметр волокна, структура дырчатой светоотражающей оболочки, толщина покрытия, концентричность), физико-механических свойств и вида материала защитного покрытия, повышенной температуры и влажности среды для определения степени влияния указанных факторов на оптические и механические характеристики получаемых волоконных световодов. В качестве частных методов привлекались: метод обрыва для контроля оптических потерь, методика Вейбулла и тестовая перемотка по всей длине для оценки механической прочности оптических волокон.

Защищаемые положения

1. Световоды для систем дистанционного контроля и внутриобъектовой связи

1.1. Получение на волоконном световоде металлической защитной
оболочки, не вносящей дополнительных потерь передаваемого
излучения и отличающейся жаростойкостью, герметичностью,
временной стабильностью механических свойств, возможно при её
намораживании из расплава в процессе вытяжки световода, если его
числовая апертура и внешний диаметр превышают значения в 0.15 и
200 мкм, соответственно.

Для того, чтобы связные волокна диаметром в 125 мкм удовлетворяли комплексу указанных требований (исключая жаростойкость), необходимо дополнить металлическую оболочку полимерным защитным покрытием с буферными свойствами.

  1. Оптические потери в связных волокнах, индуцированные наличием металлической оболочки, минимальны в условиях, когда диаметр оловянного покрытия находится в пределах 142-145 мкм, среднеквадратичное отклонение от номинального значения менее 0.7 мкм и составляют не более 0.1 дБ/км в многомодовых и одномодовых световодах с числовой апертурой ~ 0.2 и не более 0.3 дБ/км в одномодовых световодах с числовой апертурой ~ 0.1.

  2. В условиях ускоренного старения при погружении в воду связные световоды:

в традиционном полимерном покрытии испытывают обратимую (при воздействии воды) и остаточную (после высушивания) деградацию прочности;

в комбинированном металл-полимерном покрытии не обнаруживают деградацию механической прочности по меньшей мере в течение полугода.

В световодах типа «кварц-кварц» с диаметром сердцевины более 200 мкм:

оловянное покрытие за счет способности сохранять форму, механические параметры и адгезионные свойства при повышенных температурах обеспечивает устойчивость параметров затухания излучения и повышенной механической прочности вплоть до температуры 180-200С,

герметичные свойства металлической оболочки способствуют, в основном, миграции адсорбированных в процессе вытягивания волокна молекул воды вглубь кварцевого стекла, что сопровождается увеличением прочности световода во времени.

Является правомочным прогнозирование надежности световодов, основанное на получении статистических данных о длинах отрезков волокон, прошедших испытание на перемотку при фиксированном уровне нагрузки:

при этом статистика распределения дефектов по длине волокна, вызывающих его разрушение при определенном уровне нагрузки, подчиняется статистике Вейбулла;

для повышения надежности результатов испытаний следует производить двукратную перемотку образцов: при этом значения нагрузки различаются в 2-3 раза, а контролируемые длины, соответственно, не менее, чем на порядок.

кроструктурированные волоконные световоды

Преобразование фемтосекундных лазерных импульсов в суперконтинуум с максимальной энергетической эффективностью (более 50%) и спектральной шириной (примерно две октавы) происходит в многомодовых микроструктурированных волокнах с оптимизированными дисперсионными характеристиками: при

направленном выборе размеров сердцевины и воздушных отверстий реализуется спектральное уширение основной моды за счет самомодуляции фазы, а в высших модах достигается фазовый синхронизм для процесса четырехволнового смешения.

  1. Существует предельное значение шага гексагональной структуры микроструктурированного оптического волокна, превышение которого сопровождается потерей волноводных свойств структуры, по меньшей мере, в видимом диапазоне спектра.

  2. В фотонно-кристаллическом волокне с полой сердцевиной расстояние между максимумами в спектре пропускания обратно пропорционально шагу гексагональной структуры брэгговской светоотражающей оболочки, который, таким образом, определяет положение рабочей длины волны передаваемого излучения.

  3. Основными факторами, влияющими на интенсивность поглощения излучения ОН-группами в микроструктурированном световоде и индуцированными процессом его вытяжки, являются:

высокотемпературная диссоциация водяного пара во внутри- и межкапиллярном пространстве исходной для получения световода сборки из безгидроксильного кварцевого стекла;

диффузия водорода из внешней опорной кварцевой трубы.

Научная новизна

Получены впервые следующие результаты:

Показано, что оптические потери в связных волокнах, индуцированные оловянной оболочкой, могут быть минимизированы до значений менее 0.1 дБ/км в многомодовых и одномодовых световодах с числовой

апертурой ~ 0.2 и не более 0.3 дБ/км в одномодовых световодах с числовой апертурой -0.1;

Установлено, что в условиях ускоренного старения при погружении в воду связные световоды в комбинированном металл-полимерном покрытии не обнаруживают деградацию механической прочности по меньшей мере в течение полугода;

Экспериментально подтверждено, что параметры затухания излучения и повышенной механической прочности в металлизированных световодах типа «кварц-кварц» с диаметром сердцевины более 200 мкм сохраняются вплоть до температуры 180-200С;

Обнаружено увеличение прочности волокна с герметичной металлической оболочкой во времени, отнесенное, в основном, за счет миграции адсорбированных во время вытяжки волокна молекул воды вглубь кварцевого световода;

Экспериментально установлено, что статистика распределения дефектов по длине волокна, вызывающих его разрушение при тестовой нагрузке, подчиняется статистике Вейбулла;

Предложен новый метод двукратного контроля прочности волоконных световодов по всей длине, повышающий достоверность результатов испытаний;

Экспериментально показано, что преобразование фемтосекундных лазерных импульсов в суперконтинуум с максимальной спектральной шириной происходит в многомодовых микроструктурированных волокнах при условии развития процессов четырёхволнового смешения в высших пространственных модах, а самомодуляции фазы - в основной моде;

Обнаружена обратно пропорциональная зависимость между шагом гексагональной структуры брэгговской светоотражающей оболочки фотонно-кристаллического световода с полой сердцевиной и расстоянием между максимумами в спектре пропускания;

Обнаружено существование предельного значения шага гексагональной структуры микроструктурированного оптического волокна, превышение которого сопровождается потерей волноводных свойств структуры, по меньшей мере, в видимом диапазоне спектра.

Практическая значимость

  1. Технология металлического покрытия позволила реализовать пятижильный кабель, содержащий одно- и многомодовые световоды для внутриобъектовой связи с токопроводящим герметичным покрытием и малыми оптическими потерями.

  2. С использованием технологии низкодисперсионных кварцевых световодов для УФ области спектра выпущена партия световодов с уникальными значениями оптических параметров и повышенной надёжностью для дистанционного контроля лазерных импульсов, инициирующих реакцию управляемого термоядерного синтеза.

  3. На основе технологии световодов типа «кварц-кварц» в металлическом покрытии осуществляется их выпуск в опытно-промышленном масштабе в соответствии с ТУ АБ.60.98 для применения в медицине, системах пожарной сигнализации, лазерной технике, космической технике.

  1. С использованием технологии дырчатых световодов на основе кварцевого стекла получены экспериментальные образцы, в которых осуществлена эффективная генерация спектрального суперконтинуума при накачке излучением Ті-сапфирового лазера.

Реализация результатов

  1. Образцы пятижильного оптоволоконного кабеля, соответствующие требованиям ТЗ и содержащие связные волокна с токопроводящей оболочкой, переданы в 1994 году заказчику - концерну AMP, США.

  2. Образцы соответствующих требованиям ТЗ низкодисперсионных световодов для УФ области спектра поставлялись в 1997-2003 г.г. в Ливерморскую национальную лабораторию и Рочестерский университет, США, а также в СЕА, Франция.

  3. Регулярные поставки световодов типа «кварц-кварц» в оловянном покрытии осуществлялись следующим предприятиям:

  1. Получены акты внедрения и использования результатов диссертационной работы от ООО «Спектрон», ООО «КБ ПРИБОР», ФГУП НИИПП.

  2. Реализация кварцевых световодов с поликапиллярной оболочкой создает условия для расширения смежной отрасли оптической технологии - элементной базы нелинейной оптики.

Характеристики упомянутых выше типов кварцевых волоконных световодов также нашли свое отражение на интернет-сайте лаборатории

волоконной оптики ФГУП ВНЦ ТОЙ им. СИ. Вавилова" по адресу: www, .

Диссертация состоит из Введения, литературного обзора, четырех оригинальных глав, Заключения и Приложения, изложена на 301 странице текста, содержит 58 рисунков, список цитированной литературы представлен 327 публикациями.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net