Введение к работе
Актуальность темы. Интерес к взаимодействию водорода с оптическими волокнами на основе кварцевого стекла вызван, главным образом, экспериментальными данными о его влиянии на принципиально важные для многих применений характеристики световодов, такие как спектр затухания оптического сигнала, радиационно-наведенные потери и фоточувствительность (способность некоторых легированных кварцевых стекол перманентно изменять показатель преломления (1111) под действием лазерного излучения УФ диапазона).
Хорошо известно, что стекла газопроницаемы, особенно по отношению к водороду и гелию. При этом растворенный в стекле водород вызывает дополнительное резонансное поглощение света в ближнем ИК диапазоне. При повышенных температурах водород взаимодействует с атомами сетки стекла и встраивается в нее в виде гидроксиль-ных и гидридных групп. Обертон оптического резонансного поглощения ОН-групп на длине волны 1,39 мкм приходится на важный для телекоммуникаций спектральный диапазон, поэтому возрастание их концентрации ухудшает характеристики линии связи. С другой стороны, присутствие водорода в стекле позволяет существенно снизить наведенные потери под действием ионизирующего излучения, "залечивая" так называемые радиационные центры окраски - микродефекты, возникающие в процессе облучения.
В настоящее время основным материалом сердцевины волоконных световодов для телекоммуникационных применений является герма-носиликатное стекло (германосиликатные световоды). Именно в световодах этого типа впервые была обнаружена волоконная фоточувствительность. Благодаря этому эффекту стало возможным создание внутриволоконных брэгговских решеток (ВБР) - одного из ключевых типов устройств в современной волоконной оптике и оптоэлектронике, - выполняющего роль оптических фильтров, селекторов каналов в сетях со спектральным уплотнением каналов (WDM устройства), зеркал волоконных лазеров и чувствительных элементов датчиков физических величин. Интересной особенностью германосиликатных волокон является возможность повышения фоточувствительности путем насыщения молекулярным водородом, что многократно увеличивает эффективность записи ВБР.
Помимо германия, в волоконной оптике используются и другие легирующие элементы для формирования профиля 1111 и для придания волокну специальных свойств. Среди них следует выделить относительно новый и перспективный материал - кварцевое стекло, легированное азотом, световод на основе которого впервые был изготовлен в
Научном Центре Волоконной Оптики РАН с помощью технологии плазмохимического осаждения пониженного давления SPCVD. Такие световоды не уступают по ключевым параметрам германосиликатным аналогам, а по ряду характеристик превосходят их. В частности, волокна с сердцевиной из азотосиликатного стекла (азотосиликатные световоды) являются существенно более стойкими к воздействию ионизирующего излучения. Особенно стоит отметить термическую стойкость ВБР в этом типе световодов, в значительной степени расширяющую область применений таких решеток в качестве сенсорных элементов датчиков в сторону высоких температур. Воздействие быстрых нейтронов и у-облучения также оказывает меньшее влияние на параметры ВБР, записанных в азотосиликатных световодах. Следует отметить, что присутствие водорода в этом типе волокна не приводит к увеличению фоточувствительности, как в германосиликатном аналоге.
Несмотря на большое количество публикаций, к началу данной работы вопрос о механизмах взаимодействия водорода со стеклом, в частности, при облучении материала светом УФ диапазона, оставался открытым. Тем не менее, в настоящее время возникает все большая необходимость в практическом применении данного эффекта. Поэтому к началу данной работы возникла острая потребность в экспериментальном исследовании механизмов взаимодействия водорода с рассмотренными выше типами кварцевого стекла при различных условиях эксплуатации в процессе технологического облучения стекла лазерами УФ диапазона. Результаты работы позволят понять природу взаимодействия водорода с сеткой кварцевого стекла и оптимизировать технологические этапы производства ВБР.
Оба типа волокна, описанные выше и использованные в наших экспериментах, позволяли записать в них ВБР типа I и типа Па. Решетки типа Па как правило образуются в высоколегированных не насыщенных водородом волоконных световодах и формируются из решеток типа I при более продолжительной экспозиции ультрафиолетом. Их появление сопровождается падением амплитуды модуляции 1111 решетки типа I, записанной в волокне на первой стадии облучения. Отличительной особенностью ВБР типа Па с практической точки зрения является их более высокая температурная стойкость.
Вопросы последовательного, непротиворечивого физического описания явления фоточувствительности в оптических волокнах вообще и, в частности, эффекта, приводящего к решеткам типа Па, а так же влияние водорода на их формирование, продолжают оставаться предметом дискуссий. Вот почему сравнение поведения этих двух ти-
пов ВБР при нагреве в атмосфере водорода также составило задачу данного исследования. Причем молекулярный водород в данном случае выступает в роли удобного инструмента для исследования свойств ВБР.
Важным фактором при мотивации наших экспериментов послужила и практическая потребность в получении данных о поведении ВБР в атмосфере Н2. Такая потребность обусловлена стремительным продвижением решеток в волоконные сенсорные системы, предназначенные, в том числе, для эксплуатации в условиях нефтяных и газовых скважин, для контроля топливных резервуаров и систем. В них присутствие водорода и повышенные температуры являются неизбежным сочетанием факторов воздействия, которые помимо прочих следует учитывать при установке и эксплуатации сенсорных систем.
Несмотря на всестороннее изучение, германосиликатное стекло и воздействие на него УФ излучения оставляют множество вопросов, а собственные и фотоиндуцированные дефекты в азотосиликатном стекле изучены достаточно слабо. Таким образом, использование молекулярного водорода в качестве инструмента для изучения структуры сетки стекла рассмотренных типов световодов и дефектов, образующихся в ней под действием УФ излучения, является фундаментальной и практической целью данной диссертации. При этом особое внимание планировалось уделить именно азотосиликатному стеклу, как наименее изученному и перспективному материалу.
Достижение указанной цели предполагало решение следующих основных задач:
изучение кинетики взаимодействия молекулярного водорода при
комнатных и повышенных температурах с оптическими волокнами на основе кварцевого стекла с различным составом и уровнем легирования;
выявление влияния насыщения молекулярным водородом и после-
дующей термической обработки в атмосфере Н2 на облученное лазерным излучением УФ диапазона легированное кварцевое стекло сердцевины волоконных световодов;
изучение изменения спектров поглощения в УФ диапазоне кварце-
вого стекла, легированного азотом, в результате комплексного воздействия облучения лазерным излучение с длиной волны 193 нм, последующего термического отжига и насыщения молекулярным водородом.
Научная новизна обуславливается следующими впервые полученными результатами:
1. Экспериментально продемонстрирована зависимость растворимо-
сти молекулярного водорода в кварцевом стекле от уровня легирования, от типа легирующей добавки и от дозы УФ облучения.
2. Показано принципиальное отличие поведения спектров поглоще-
ния в ИК диапазоне при нагреве в атмосфере водорода волокон с германосиликатной сердцевиной от волокон с азотосиликатной сердцевиной.
3. В процессе насыщения молекулярным водородом при комнатной
температуре обнаружено аномальное поведение параметров ВБР, записанных в азотосиликатном волокне. Эффект заключается в уменьшении эффективного 1111 в момент начала поступления молекул водорода в область сердцевины волокна. Предложен механизм, описывающий данное явление, и оценена верхняя граница концентрации фотоиндуцированных дефектов, ответственных за аномальное поведение параметров решеток.
4. Выявлено увеличение амплитуды модуляции 1111 в записанных в
германосиликатном волокне решетках типа I при их изохронном отжиге в атмосфере водорода. Одновременно с этим явлением происходит деградация отражения решетки типа Па. Такое поведение параметров ВБР существенно отличается от изменений, происходящих при отжиге на воздухе. Предложена модель, описывающая изменения амплитуды модуляции 1111 германосиликат-ных решеток в процессе их изохронного отжига в атмосфере водорода.
5. Обнаружено существенное различие как самих УФ спектров по-
глощения волоконных и объемных образцов азотосиликатного стекла, так и их реакции на лазерное облучение.
6. Установлено значительное влияние насыщения молекулярным во-
дородом на УФ спектры облученных волоконных и объемных образов. Предложено объяснение снижения фоточувствительности азотосиликатных волоконных световодов в результате их насыщения молекулярным водородом.
Практическая ценность работы заключается в создании новой экспериментальной установки для насыщения волоконных световодов молекулярным водородом, которая позволила методами оптической спектроскопии непосредственно в ходе эксперимента (in-situ) наблюдать за динамикой вхождения и взаимодействия водорода с атомами сетки стекла при комнатной и повышенных (до 800 С) температурах в широком диапазоне давлений (до 15 МПа).
Анализ полученных данных позволил оптимизировать технологию записи внутриволоконных брэгговских решеток для различных облас-
тей применения. В частности, результаты данной работы использованы для создания чувствительного элемента датчика физических величин для нефтяной и газовой промышленности.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты исследования растворимости молекулярного водорода в
германосиликатных и азотосиликатных стеклах.
2. Результаты исследования динамики изменения оптических потерь
при нагреве германосиликатных и азотосиликатных световодов, насыщенных молекулярным водородом.
3. Результаты исследования и феноменологическое описание влияния
растворенного молекулярного водорода на оптические свойства ВБР при комнатной и повышенных температурах.
4. Результаты исследования комплексного воздействия лазерного об-
лучения излучением ArF эксимерного лазера, последующего термического отжига и насыщения молекулярным водородом на спектры поглощения в УФ диапазоне кварцевого стекла, легированного азотом.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 11 печатных работ: 4 статьи в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах (все журналы входят в список рекомендованных ВАК), тезисы 6 докладов на российских и международных конференциях и 1 препринт.
Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на Научной сессии МИФИ (Москва, Россия, 2004), на XX Международном конгрессе по стеклу ICG (Киото, Япония, 2004), Европейской конференции по оптической связи ЕСОС (Глазго, Шотландия, 2005), на 18-ой Конференции по волоконно-оптическим датчикам OFS (Канкун, Мексика, 2006), на 3-м Европейском симпозиуме по волоконно-оптическим датчикам EWOFS (Неаполь, Италия, 2007) и на 7-м Симпозиуме SiO2-2008 (Сент-Этьен, Франция, 2008), а также неоднократно на научных семинарах и конкурсах работ молодых ученых НЦВО РАН.
Личный вклад автора. Все выносимые на защиту результаты и положения диссертационной работы получены и разработаны лично автором или при непосредственном его участии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем работы составляет 112 страниц, включая 28 рисунков, 6 таблиц и список цитируемой литературы из 141 наименования.
