Одномодовые световоды из кристаллов галогенидов серебра для среднего инфракрасного диапазона

Актуальность. Оптические волокна из кристаллов галогенидов серебра AgClxBrl. x (0<х<1) долгое время являются объектом научных исследований, поскольку относительно просто могут быть изготовлены методом экструзии кристаллов галогенидов серебра ввиду их пластичности и способности к деформации при небольшой температуре (200°С). Эти волокна привлекательны для многих применений в оптической диагностике и передачи лазерного излучения, поскольку нетоксичны и имеют окно прозрачности во всем среднем инфракрасном спектральном диапазоне (3 — 20 мкм). Расчетные потери материала на пропускание низкие (~ 1 -1 ОдБ/км), однако фактические наблюдаемые потери в кристаллических световодах превышают теоретические на 3 — 4 порядка, что связано с рассеянием излучения в объеме волокна. В связи с этим кристаллические световоды изготовлялись только многомодовыми с потерями от 0,1 дБ/м (для 10.6 мкм), и их использовали в спектроскопических исследований для передачи излучения на расстояния 1−3 м.

Очень актуальной является проблема создания одномодовых световодов для среднего инфракрасного диапазона. Одномодовые световоды могут использоваться для передачи излучения лазеров (С02 и квантово-каскадных), а также для создания нелинейных волоконно-оптических приборов, работающих в этом диапазоне.

Получение одномодовых световодов для среднего инфракрасного диапазона из галогенидов серебра с низкими оптическими потерями затруднено из-за значительного рассеяния на неидеальной границе раздела сердцевины и оболочки волокна и образования поглощающих коллоидов серебра на границе раздела, а также отсутствия технологии выращивания кристаллов с гарантированной маленькой разницей в составах кристаллов AgClxBr1. x (меньше 5%), которые необходимы для создания сердцевины и оболочки при составлении заготовки одномодового волокна.

Получение одномодовых световодов со ступенчатым профилем показателя преломления и микроструктурированных световодов с низкими потерями (менее 2 дБ/м) открывает новые возможности для применения волокна в среднем инфракрасном диапазоне.

Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является поиск путей оптимизации параметров структуры, состава материалов и технологии получения одномодовых ступенчатых и микроструктурированных волокон на основе кристаллов твердых растворов галогенидов серебра и исследование их физических свойств с целью перспективного использования данных световодов для передачи лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона (3−15 мкм), в частности мощного излучения С02 лазера.

Для достижения заявленной цели было необходимо:

1. Численно промоделировать характеристики распространения излучения в микростуруктурированном волокне с различными параметрами его структуры. Выявить зависимости теоретических потерь первой и высших мод от параметров структуры волокна.

2. Создать экспериментальную установку и провести измерения характеристик режима распространения излучения С02 лазера в одномодовых ступенчатых и микроструктурированных кристаллических волокнах, в том числе распределения интенсивности излучения в ближней и дальней зонах, потерь на рассеяние и индуцированных потерь при изгибе волокна.

3. Проанализировать полученные результаты и дать предложения по использованию одномодового волокна из галогенидов серебра для создания оптических устройств, работающих в среднем инфракрасном диапазоне.

Научная новизна. В работе было впервые получено одномодовое ступенчатое волокно для длины волны 10.6 мкм с потерями 1.8 дБ/м, которые значительно ниже полученных ранее [1, 2] (15−30 дБ/м). В ходе работы были 4 численно промоделированы параметры распространения излучения с длиной волны 10.6 мкм (теоретические потери на вытекание, диаметр поля моды и дисперсия) в микроструктурированных волокнах на основе галогенидов серебра при различных параметрах структуры волокна (расстоянии между центрами вставок, диаметре вставок, разнице с составах материала для вставок и основного объема волокна). Моделирование было выполнено с использованием программы MatLab и Femlab 3.1 методом конечных элементов (FEM). Впервые получено одномодовое микроструктурировнное волокно для длины волны 10.6 мкм с потерями 2дБ/м, которые значительно ниже потерь, указанных ранее опубликованных работах [3]. В работе впервые промоделировано, получено и исследовано экспериментально микроструктурированное волокно, одномодовое при длине волны X = 10,6 мкм с площадью поля моды более 14 ООО мкм2.

Научные результаты, выносимые на защиту.

1. Теоретически и экспериментально показана возможность получения одномодовых ступенчатых и микроструктурированных световодов из кристаллов галогенидов серебра с оптическими потерями менее 2дБ/м для длины волны 10.6 мкм.

2. Теоретически и экспериментально показана возможность получения одномодового микроструктурированного волокна из кристаллов галогенидов серебра с одним кольцом вставок с площадью поля моды более 14 ООО мкм2 для длины волны 10.6 мкм.

3. Установлено, что образование коллоидов серебра во вставках микроструктурированного волокна приводит к значительному возрастанию оптических потерь высших мод, что может привести к фактически одномодовому режиму распространения излучения.

Достоверность. Научные результаты, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы теоретическими решениями и воспроизводимыми экспериментальными данными, полученными в работе, не противоречат известным положениям науки.

Практическая ценность. Накопленный опыт численного моделирования и технологический опыт изготовления одномодового световода для среднего инфракрасного диапазона, в том числе с большой площадью поля моды, широким одномодовым диапазоном или сохранением поляризации, может быть применен при проектировании устройств для спектроскопических и интерференционных измерений в этом диапазоне. Результаты численного моделирования найдут применение при изготовлении микроструктурированных кристаллических волокон в дальнейшем.

Личный вклад автора. Автором лично выполнено численное моделирование микроструктурированных волокон, получены значения теоретических потерь фундаментальных и высших мод, численно исследовано влияние структуры волокна на изменение дисперсии, экспериментально установлено, что лабораторные образцы ступенчатых и микроструктурированных волокон являются одномодовыми при длине волны 10,6 мкм, и измерены их оптические потери.

Апробация работы.

Результаты исследований докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях:

1. «Singlemode step-index and microstructured fibers for the middle infrared» L.N. ButvinaO.V. SeredaE.M. DianovN.V. LichkovaV. N. Zagorodnev на симпозиуме «Defence and Security 2007», США, апрель 2007.

2. «Single-mode photonic crystal fiber for the middle infrared» L.N. ButvinaO. V. SeredaE. M. DianovN. V. LichkovaV. N. Zagorodnev на симпозиуме «Defence and Security 2007», США, апрель 2007.

3. «Singlemode crystalline fiber for C02 laser power delivery» L.N. Butvina, O. V. Sereda, E. M. Dianov, N. V. Lichkova, V. N. Zagorodnev на международной конференции ICONOYLAT 2007, май 2007.

4. «Singlemode photonic ciystal fiber for the middle infrared» L.N. Butvina, O. V. Sereda, E. M. Dianov, N. V. Lichkova, V. N. Zagorodnev на международной конференции ICONOYLAT 2007, май 2007 -приглашенный доклад.

5. «Инфракрасные кристаллические световоды для диапазона длин волн 320 мкм и их применения» JI.H. Бутвина, О. В. Середа, Е. М. Дианов, Всероссийская конференция по волоконной оптике, Пермь, октябрь 2007.

6. «Кристаллические световоды для среднего инфракрасного диапазона» Середа О. В., Бутвина Л. Н., Бутвина А. Л., 50-ая научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Москва, ноябрь 2007.

7. L. Butvina, О. V. Sereda, A. G. Okhrimchuk, A. L. Butvina, Е. M. Dianov, N. V. Lichkova, and V. N. Zagorodnev, «Singlemode Crystalline Fibers for the Middle Infrared,» in Conference on Lasers and Electro-Optics/Quantum Electronics and Laser Science Conference and Photonic Applications Systems Technologies, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2008).

По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах и 3 доклада, представленных в трудах конференций.

Структура диссертации.

Диссертация изложена на 105 страницах машинописного текста и содержит 72 рисунка. Работа состоит из 4 глав, включая введение, заключения и списка цитированной литературы, включающего 46 библиографических ссылок, 1 приложения.

3.7 Выводы.

По результатам проведенных экспериментовбыло выявлено, что потери в одномодовых микроструктурированных волокнах и волокнах со ступенчатым профилем показателей преломления не отличаются существенно. При этом технология производства микроструктурированных световодов более трудоемкая и имеет более высокую вероятность получения брака, однако возможности различного дизайна расширяют область использования микроструктурированного волокна из кристаллов галогенидов серебра.

Применения одномодовых световодов из галогенидов серебра включают:

1. Передачу мощности одномодовых лазеров с длиной волны более 5 мкм без потери качества излучения, в том числе с сохранением поляризации.

2. Передачу излучения С02 лазера высокой мощности.

3. Генерация других длин волн среднего инфракрасного диапазона (за счет нелинейных эффектов в материале или при внедрении в сердцевину волокна редкоземельных ионов).

Для различных применений волокна должны обладать следующими свойствами:

Применения Требования к световодам.

Передача мощности одномодовых лазеров с длиной волны более 5 мкм без потери качества излучения — большая площадь поля моды (маленькая разница показателей преломления сердцевины и оболочки волокна) — широкий спектральный диапазон, в котором реализуется одномодовый режим — возможность сохранения поляризации — небольшие потери на изгиб.

Передача излучения С02 лазера высокой мощности — большая площадь поля моды (маленькая разница показателей преломления сердцевины и оболочки волокна) — минимальные потери на 10,6 мкм — небольшие потери на изгиб.

Генерация других длин волн среднего инфракрасного диапазона — маленькая площадь поля моды — большая разница показателей преломления сердцевины и оболочки волокна для ограничения мощности в сердцевине.

В таблице ниже приведен сравнительный анализ применений микроструктурированных световодов и световодов со ступенчатым профилем показателя преломления:

Требование Тип световода.

Световоды со ступенчатым профилем показателя преломления Микроструктурированные волокна большая площадь поля моды (маленькая разница показателей преломления сердцевины и оболочки волокна) Уменьшение разницы между показателями преломления сердцевины и облочки ограничено технологией роста + Разница в усредненных показателях преломления сердцевины и оболочки контролируется дополнительно расстоянием.

Требование Тип световода.

Световоды со ступенчатым профилем показателя преломления Микроструктурированные волокна кристаллов между вставками возможность сохранения поляризации Изменение геометрии сердцевины возможно только при возможности сделать несимметричный стержень для вставки и некруглое отверстие в заготовке. + Геометрия, обеспечивающая вырождение фундаментальной моды, достигается изменением размера вставок и их расположения небольшие потери на изгиб Как показано, микроструктурированное волокно имеет меньшие потери на изгиб при прочих равных параметрах. + маленькая площадь поля моды + + широкий спектральный диапазон, в котором реализуется одномодовый режим Вдали от отсечки эффективность ввода излучения низкая. + Существует возможность подбора структуры с бесконечно одономодвым режимом большая разница показателей преломления сердцевины и оболочки волокна для ограничения мощности в сердцевине + При одинаковых показателя преломления оболочки в ступенчатом световоде и вставок в микроструктурированном световоде усреденный показатель преломления.

Требование Тип световода.

Световоды со ступенчатым профилем показателя преломления Микроструктурированные волокна оболочки в последнем будет меньше простота изготовления +.

Из таблицы видно, что микроструктурирвоанные волокна больше, чем ступенчатые, подходят для передачи лазерной мощности в среднем инфракрасном диапазоне. Микроструктурированные кристаллические световоды имеют большой потенциал для доставки излучения мощных лазеров, так как площадь поля моды в них может быть значительно больше, чем в обычных одномодовых кристаллических волокнах. Микроструктурированное кристаллическое волокно является важным шагом в развитии инфракрасных световодов, так как дает возможность сочетать фактически одномодовый режим с большой площадью поля моды. с.

Световоды со ступенчатым профилем показателя преломления, с другой стороны, более перспективны для получения волокон с маленькой сердцевиной для излучения нелинейных эффектов в инфракрасных световодах. Световод для среднего ИК с маленькой сердцевиной и контролируемым значение дисперсии может быть использован для создания нелинейных волоконно-оптический устройств в этом диапазоне.

В результате проведения численных расчетов и экспериментальных исследований, описанных в данной главе:

— Были численно промоделированы характеристики распространения излучения в микроструктурированных волокнах на основе галогенидов серебра с различными параметрами структуры, и определены зависимости теоретических потерь первой и высших мод от параметров структуры волокна (расстояния между вставками А, диаметра вставок Б, разницы в составах материалов сердцевины и оболочки Ас).

— Была экспериментально показана возможность получения одномодового микроструктурированного волокна для длины волны 10,6 мкм с потерями 2 дБ/м.

— Было впервые получено микроструктурированное волокно из кристаллов твердых растворов галогенидов серебра А§ С10.25 Вг0.75 с одним кольцом вставок с пониженным показателем преломления AgClo.5 Вго.5, расположенных в гексагональном порядке, которое является одномодовым с площадью поля моды более 14 ООО мкм (диаметр сердцевины 170 мкм) при длине волны X = 10,6 мкм.

— Установлено, что образование коллоидов серебра во вставках микроструктурированного волокна приводит к значительному возрастанию оптических потерь высших мод, что может привести к фактически одномодовому режиму распространения излучения.

— Были оценены значения материальной и волноводной дисперсии в одномодовом микроструктурированном волокне из кристаллов галогенидов серебра.

Заключение

.

В результате выполнения работы:

1. Впервые были получены одномодовые ступенчатые световоды из галогенидов серебра (AgCl0.5 Вг0.5 — сердцевина, AgClo.55 Вго.45 -оболочка) с диаметром сердцевины 40 мкм и числовой апертурой 0,2 с потерями менее 2дБ/м для длины волны 10,6 мкм.

2. Впервые получено микроструктурированное волокно из кристаллов твердых растворов галогенидов серебра AgCl0.5 Вг0.5 с двумя кольцами вставок с пониженным показателем преломления из AgClo.55 Вго.45, расположенных в гексагональном порядке, которое является одномодовым с потерями 2 дБ/м на 10,6 мкм. Впервые получено и экспериментально исследовано микроструктурированное волокно из кристаллов твердых растворов галогенидов серебра AgClo.25 Вго.75 с одним кольцом вставок с пониженным показателем преломления AgClo.5 Вг0.5, расположенных в гексагональном порядке, которое является одномодовым с площадью поля моды более 14 ООО мкм2 (диаметр сердцевины 170 мкм) при длине волны X = 10,6 мкм.

3. Были численно промоделированы характеристики распространения излучения в микростуруктурированных волокнах на основе галогенидов серебра с различными параметрами структуры и определены зависимости теоретических потерь первой и высших мод от параметров структуры волокна (расстояния между вставками А, диаметра вставок D, разницы в составах материалов сердцевины и оболочки Ас).

4. Создана экспериментальная установка для измерения характеристик режима распространения излучения С02 лазера одномодовых кристаллических волокнах, в том числе распределения интенсивности излучения в ближней и дальней зонах, измерения потерь и индуцированных потерь при изгибе микроструктурированного волокна.

5. Установлено, что кристаллические микроструктурированные волокна более применимы для передачи лазерной мощности в среднем инфракрасном диапазоне, чем ступенчатые.