Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Механическая надежность и влияние внешних воздействий на параметры волоконных световодов 10
1.1. Механические свойства волоконных световодов 10
1.2. Радиационная стойкость волоконных световодов 15
1.3. Воздействие водорода на оптические свойства волоконных световодов 19
Глава II. Механические свойства микроструктурированных световодов 26
2.1. Исследуемые образцы и методика эксперимента 26
2.2. Влияние технологических режимов изготовления на механическую прочность МС-световодов 30
2.3. Воздействие различных веществ заполняющих отверстия МС- световодов на их механическую прочность и статическую усталость 33
2.4. Деградация незащищенных сколов МС-световодов 41
Глава III. Воздействие ионизирующего излучения на микроструктурированные волоконные световоды 44
3.1. Начальные оптические потери МС-световодов с сердцевиной из кварцевого стекла КУ-1 45
3.2. Радиационно-наведенные оптические потери МС-световодов с сердцевиной из кварцевого стекла КУ-1 49
3.3. Повышение радиационной стойкости МС-световодов 51
Глава IV. Воздействие водорода на оптические свойства волоконных световодов различных типов 60
4.1. Диффузия водорода сквозь углеродное покрытие при повышенных температурах 60
4.2. Влияние со-легирования оксидом фосфора на оптические потери в световодах в атмосфере водорода 69
4.3. Воздействие водорода на оптические потери волоконных световодов с различным составом сердцевины при температурах -300 С 72
Заключение 81
- Радиационная стойкость волоконных световодов
- Влияние технологических режимов изготовления на механическую прочность МС-световодов
- Радиационно-наведенные оптические потери МС-световодов с сердцевиной из кварцевого стекла КУ-1
- Влияние со-легирования оксидом фосфора на оптические потери в световодах в атмосфере водорода
Введение к работе
Микроструктурированные (МС) световоды это волоконные световоды новой архитектуры, которые активно разрабатываются и исследуются в последнее десятилетие. Все возрастающий интерес к этому типу световодов вызван рядом уникальных свойств последних [1, 2]. Это возможность управлять хроматической дисперсией в широких пределах [3, 4], возможность создания световода с высокой степенью локализации излучения [5, 6] или же наоборот световода с большой площадью моды [7] (при сохранении одномодового режима), возможность передачи излучения по полой сердцевине [8].
Все многообразие разработанных к настоящему времени МС-волокон (фотонно-кристаллических волокон, дырчатых световодов) можно разделить на два основных класса:
1 - Световоды, удержание излучения в сердцевине которых, достигается
за счет эффекта полного внутреннего отражения; и
2 - Световоды работающие за счет существования фотонной
запрещенной зоны в оболочке световода [9].
Главное отличие МС-световодов заключается в возможности варьировать разницу показателей преломления (An) сердцевины и оболочки в очень широких пределах. В случае МС-волокна из кварцевого стекла можно получить 0 < An < 0.45 (пвоздух=1, пкварцЄВоестЄкло=1-45).
Таким образом, специально сконструированные МС-световоды могут обладать существенно большей числовой апертурой по сравнению с классическими световодами. Высокоапертурные световоды необходимы для ввода в волокно максимально возможной оптической мощности, например для создания мощных волоконных лазеров, основанных на световодах с двойной оболочкой. Максимально возможная разница показателей преломления сердцевины и оболочки которая может быть достигнута
4 легированием кварцевого стекла составляет примерно несколько сотых едениц, например в стандартных многомодовых световодах числовая апертура равна 0.2. В специальных кварц-полимерных световодах с An ~ 0.05 можно получить значение числовой апертуры, на коротких отрезках световода, равное 0.4. В тоже время, числовая апертура МС-световода может достигать значений вплоть до 1 [10].
Еще одно преимущество МС-световодов заключается в возможности эффективного управления степенью локализации излучения, которое осуществляется за счет изменения процентного содержания воздуха в отражающей оболочке [11]. Высокая эффективная разница показателей преломления сердцевины и оболочки МС-волокна позволяет достичь радикального увеличения эффективности целого ряда нелинейных оптических явлений, таких как: фазовая кросс- и само-модуляция [12], четырехволновое смешение [13, 14], генерация третьей гармоники [15, 16] и вынужденное комбинационное рассеяние света [14]. Кроме того, изменяя геометрию поперечного сечения световода можно эффективно управлять дисперсионными характеристиками световода, длиной волны нулевой дисперсии и наклоном дисперсионной кривой. Как известно, ноль хроматической дисперсии для чистого кварцевого стекла расположен в районе 1300 нм. В МС-волокнах с большим коэффициентом заполнения, и малой площадью моды можно сместить точку нулевой дисперсии в сторону коротких длин волн вплоть до видимого диапазона [17].
В ряде применений оптических волокон, в частности в телекоммуникации, всякого рода нелинейно-оптические явления крайне негативны. Для того чтобы уменьшить действие нелинейных явлений необходимо увеличивать эффективную площадь моды. Световоды с относительно большой площадью моды могут быть сделаны и классическими методами (MCVD, PCVD, POD, OVD и т.п.) путем уменьшения числовой апертуры и увеличения размера сердцевины. Однако минимальная числовая апертура, которая может быть достигнута, ограничена
5 точностью контроля разницы показателя преломления. Специально разработанные МС-световоды кроме того, что имеют большую площадь моды, обладают рядом уникальных свойств. Например, МС-волокна со значением параметра d/Л < 0.4 (d - диаметр отверстий, Л - расстояние между центрами отверстий) поддерживают одномодовый режим распространения во всем спектральном диапазоне (endlessly single-mode PCF) [11, 18]. Кроме того, вариации структуры одномодового МС-волокна позволяют изменять эффективную площадь моды в очень широких пределах: от 2.6 щп2 [19] до 1417 um2 [20].
Безусловно, интересной задачей является разработка МС-волокна в котором бы свет распространялся по сердцевине имеющей меньший показатель преломления по сравнению с оболочкой. Идея структуры с фотонной запрещенной зоной была предложена в 1987 г. [21, 22], а в 1998 г. [23] было экспериментально продемонстрировано распространение света по волноводной структуре с запрещенной зоной. Световоды с воздушной сердцевиной представляют интерес в первую очередь вследствие того, что теоретический предел минимальных потерь в них существенно меньше. Свет, распространяющийся по воздушной сердцевине, практически не взаимодействует со стеклом, т.е. отсутствуют фундаментальные механизмы потерь характерные для стандартных волокон (релеевское рассеяние, коротковолновое (электронное) поглощение, длиноволновое поглощение). Еще одним уникальным свойством фотонно-кристаллических волокон с воздушной сердцевиной является низкая эффективность нелинейно-оптических явлений. Плюс ко всему, полую сердцевину таких световодов можно заполнять различными газами и жидкостями, получая принципиально новые оптические волокна [24,25].
Кроме вышеперечисленных уникальных свойств МС-волокна обладают еще одним неоспоримым преимуществом, заключающимся в отсутствии какого-либо легирования сердцевины. Добавка любого элемента приводит к изменению структуры сетки стекла, при этом возникают нерегулярные,
напряженные связи, могут образоваться различные центры окраски. Таким образом, световоды с сердцевиной легированной тем или иным элементом оказываются более чувствительными к таким воздействиям как радиоактивное излучение и действие водорода. Известно, что световоды с фторированной отражающей оболочкой и нелегированной сердцевиной обладают более высокой радиационной стойкостью [26] и стойкостью к воздействию водорода [27], не смотря на то, что часть излучения, в таких световодах, распространяется по легированной фтором области. А поскольку в МС-волокне свет распространяется по структуре состоящей только из чистого стекла и воздуха, то от таких световодов можно ожидать улучшения соответствующих свойств.
Несмотря на весь спектр вышеперечисленных уникальных свойств, МС-световоды за свою десятилетнюю историю не нашли широкого применения. По нашему мнению, это обусловлено некоторым недоверием возможных потребителей к новому типу световодов. Сама структура световода представляющая собой стеклянную нить с продольными отверстиями наводит на мысль о ее механической ненадежности. Такое впечатление усиливается практически полным отсутствием достоверных данных о механической прочности и надежности МС-световодов.
Несмотря на явную перспективность МС-световодов, исследований их работоспособности в экстремальных условиях эксплуатации практически ни кем не проводилось, нам удалось найти всего две работы касающихся радиационной стойкости МС-световодов [28, 29], и ни одной публикации относительно воздействия водорода на такие световоды.
Приведенные выше соображения послужили основанием для проведения настоящей работы, цели которой можно сформулировать следующим образом:
- исследование влияния технологических режимов изготовления, а также влияния условий окружающей среды на механические свойства МС-световодов;
исследование радиационной стойкости МС-световодов в сравнении со световодами с сердцевиной из чистого кварцевого стекла;
исследование воздействия водорода при температурах ~ 300 С на оптические потери МС-световодов в сравнении со световодами с разным составом сердцевины.
Проведение данной работы стало возможным, благодаря тому, что в Научном центре волоконной оптики РАН создан полный технологический цикл по получению МС-световодов и существует полный набор оборудования для изучения как оптических, так и механических свойств любых световодов.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников.
В первой главе сделан обзор литературных данных по механической прочности и статической усталости волоконных световодов, а также воздействию водорода и ионизирующего излучения на оптические свойства оптических волокон.
Во второй главе представлены результаты исследований прочности и статической усталости МС-световодов. Приводятся экспериментальные данные по изучению деградации незащищенных сколов МС-световодов.
В третьей главе представлены экспериментальные данные по изучению радиационной стойкости МС-световодов. Продемонстрирован метод радикального уменьшения радиационно-наведенного поглощения в МС-световодах в видимом диапазоне длин волн.
В четвертой главе представлены результаты исследований диффузии водорода сквозь углеродное покрытие световодов. А также, влияния состава сердцевины световодов на характер наведенных взаимодействием с водородом оптических потерь.
В заключении сформулированы основные выводы по результатам проведенных исследований.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Экспериментально получены значения параметра статической усталости для МС-световодов, заполненных растворами с различной кислотностью. Установлено, что заполнение отверстий заготовки МС-световода во время вытяжки водородом, позволяет полностью подавить наводимую вытяжкой полосу поглощения на ~ 630 нм, и уменьшить амплитуду радиационно-наведенной полосы на ~ 610 нм почти в два раза по сравнению со «сплошным» световодом с сердцевиной из того же стекла КУ-1 (при дозе у-облучения 300 кГр). Предложен способ многократного снижения радиационно-наведенного поглощения света в диапазоне ~ 550 - 900 нм, заключающийся в заполнении отверстий МС-световода газообразным водородом под давлением, непосредственно в процессе его у-облучения. Обнаружен нелинейный характер зависимости скорости диффузии водорода сквозь пироуглеродное покрытие от внешнего давления водорода. Показано, что воздействие водорода на МС-световоды и на «сплошные» световоды с сердцевиной из нелегированного кварцевого стекла при температурах ~ 300 С вызывает аналогичные изменения в спектре оптических потерь
Практическими результатами исследований являются:
продемонстрирована возможность изготовления высококачественных МС-световодов, с высоким уровнем прочности - 5.5 ГПа, что всего на ~ 8 % меньше, чем у стандартных «сплошных» световодов;
предложено усовершенствование процесса вытяжки МС-световодов позволяющее вдвое повысить радиационную стойкость по сравнению со световодами, изготовленными по технологии POD;
предложен метод повышен радиационной стойкости МС-световодов, позволяющий многократно понизить радиационно-наведенное поглощение в видимом диапазоне длин волн, показано, что такой способ радиационного упрочнения МС-световодов перспективен для применений в атомной энергетике в интенсивных полях ядерного излучения;
проведены оценки работоспособности световодов в углеродном покрытии в водородной атмосфере при повышенных температурах;
продемонстрирована возможность применения световодов с фторированной оболочкой и кварцевой сердцевиной, а также МС-световодов в системах передачи данных, работающих в диапазоне длин волн < 0.9 мкм и 1.0-1.2 мкм в водородной атмосфере при температурах до 300 С.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на трех межрегиональных научных школах для студентов и аспирантов (Саранск, 2004 г., 2005 г., 2006 г.), на летней школе «Фоточувствительность оптических волноводов и стекол» (Бат, Англия 2004 г.), на симпозиуме международного общества оптического конструирования SPIE (Страсбург, Франция, 2006 г.), а также на семинарах НЦВО РАН.
Основные результаты диссертации представлены в 11 публикациях, указанных в списке использованных источников.
Радиационная стойкость волоконных световодов
Область применения волоконных световодов, на сегодняшний день, расширилась далеко за пределы телекоммуникационных систем. Волоконно-оптические датчики физических величин, а также волоконные лазеры находят все большее применение, в том числе и в условиях повышенного радиационного облучения. В частности, волоконные световоды представляются наиболее удобным средством доставки светового сигнала от плазмы к спектрометрической аппаратуре в системах оптической диагностики плазмы термоядерного реактора ИТЭР. В отличие от сложных оптических трактов, образованных системой зеркал, волоконно-оптический тракт упростил бы конструкцию системы в целом и не был бы подвержен возможной разъюстировке при работе реактора.
Единственной технической проблемой для применения волоконной оптики в условиях ядерного излучения является проблема обеспечения радиационной стойкости. Известно, что легирующие добавки в сердцевине световода из кварцевого стекла (кроме фтора) понижают радиационную стойкость [47]. Поэтому для применений в интенсивных полях ядерного излучения подходят только световоды с сердцевиной из нелегированного кварцевого стекла.
Под действием ионизирующего излучения в сетке кварцевого стекла световода возникают точечные дефекты (радиационные центры окраски -РЦО), поглощающие световой сигнал, что может привести к утрате прозрачности световода. РЦО возникают из так называемых «предшественников» - нерегулярных или напряженных связей, находящихся в сетке стекла изначально или возникающих на различных технологических стадиях изготовления световода. В предыдущих исследованиях радиационной стойкости световодов было установлено, что основным источником наведенных потерь (НП) света в видимом спектральном диапазоне является радиационно-наведенный немостиковый кислород (РННК) = Si—О [26] (символы «—» и «= » обозначают химические связи элементов в сетке стекла, символ «» - валентный электрон атома кислорода, не участвующий в химической связи). Также было известно, что предшественники РННК возникают в процессе изготовления заготовки [48], которая состоит в нанесении фторсиликатной светоотражающей оболочки на стержень из кварцевого стекла (POD-процесс) [49]. Световоды, не имеющие фторсиликатной оболочки и вытянутые с нанесением полимерной светоотражающей оболочки (так называемые «кварц-полимерные» световоды), проявляют многократно меньшую концентрацию РННК, чем POD световоды [48]. Однако, наличие полимерной светоотражающей оболочки приводит к увеличению исходных оптических потерь за счет поглощения света в материале полимера, а под действием ядерного излучения полимер разрушается.
Таким образом, встала задача исследования механизма образования предшественников РННК в POD процессе и оптимизации технологических режимов этого процесса. На основе экспериментальных данных было сделано предположение, что в случае, когда сердцевина световода изготовлена из кварцевого стекла с большим содержанием примеси гидроксила ( 10 ррт), например, стекла КУ-1, предшественниками РННК являются как напряженные связи Si—О, так и пероксидные связи = Si—О— О—Si= [50]. Было установлено также, что образование предшественников РННК в POD-процессе обусловлено длительным термическим воздействием на стержень при температурах превышающих 1700 С [50], а не проникновением атомов фтора в материал термообработки (увеличение количества колец, образованных кремнекислородными тетраэдрами, с малым количеством звеньев) [50].
Оптимизация режимов POD процесса по результатам описанного исследования позволила снизить величину НП в видимом спектральном диапазоне в 1.5 раза при дозах -облучения 1 МГр [53].
Радикально снизить НП удалось в световодах, специально насыщенных газом Н2 и имеющих герметичное (алюминиевое) покрытие, препятствующее выходу молекул Н2 из стекла световода [54]. Под действием ядерного излучения молекулы Н2 расщепляются на атомы, которые легко образуют химические связи на месте любых разорванных связей в сетке стекла, тем самым «залечивая» центры окраски. По данным работы [55], при флюенсе быстрых нейтронов 10 см и /-дозе 16 МГр НП в таких световодах практически во всем видимом диапазоне более, чем на порядок, ниже, чем в аналогичных световодах, не содержащих Н2. По оценкам работы [54], радиационная стойкость световодов, содержащих Н2, позволяет использовать их внутри криостата реактора ИТЭР. Между тем, в [56] высказано предположение, что рано или поздно в процессе эксплуатации световода в условиях ядерного излучения «резервуар» газа Н2 в стекле будет израсходован, что приведет к росту НП. В [55] было также высказано пожелание, адресованное к специалистам волоконной оптики, разработать способ пропитки стекла газом Н2 in-situ, т.е. непосредственно в процессе эксплуатации световода в реакторе.
Влияние технологических режимов изготовления на механическую прочность МС-световодов
Для всех МС-световодов, представленных на рисунке 2.1, были проведены тесты на прочность в лабораторных условиях (рисунок 2.3). Заметное количество слабых точек, по-видимому, связано с неоптимальной процедурой обработки поверхности отверстий после сверления. Оставшиеся инородные включения или дефекты на поверхности заготовки приводят к образованию дефектов световода. Подобная проблема существует и для стандартных световодов.
Известно, что полировка заготовки в пламени кислородно-водородной горелки существенно уменьшает количество дефектов на поверхности. Благодаря этой процедуре, стандартные световоды демонстрируют стабильную высокую прочность и очень малое число слабых точек (один дефект на десятки километров). Поэтому заготовки световодов № 1 и № 4 после сверления и травления полировались в пламени кислородно-водородной горелки. Следует заметить, что внутренняя поверхность отверстий полируется не так эффективно как внешняя поверхность заготовки. При огневой полировке с внешней поверхности заготовки испаряется и уносится пламенем некоторое количество кварцевого стекла. Тогда как с внутренней поверхности отверстий уноса вещества не происходит, а имеет место лишь некоторое оплавление поверхности. Тем не менее, световоды № 1 и № 4 показали существенно большую прочность и меньшее количество дефектов по сравнению со световодами № 2 и № 3. Следует также отметить, что температура вытяжки световодов № 1 была ниже на 130 С чем температура вытяжки световода № 4, но, не смотря на это, оба световода демонстрируют достаточно высокий уровень прочности.
Таким образом, понижение температуры вытяжки на величину порядка 100 С существенно не влияет на уровень прочности МС световодов. Этот факт демонстрирует реальную возможность изготовления высокопрочных МС-световодов большой длины с малым количеством дефектов, при условии дальнейшего улучшения процедуры полировки поверхности отверстий заготовки.
Из рисунка 2.3 видно, что основное количество разрывов МС-световода № 4, изготовленного для механических испытаний, произошло в высокопрочной моде. Очень малый разброс прочности в этой моде позволяет нам изучить влияние различных условий окружающей среды на механические свойства данного МС-световода, а также провести измерения параметра статической усталости п.
Мы провели сравнение прочности МС-световода со стандартным световодом в лабораторных условиях (относительная влажность воздуха 30%, температура 23 С). Усилие, необходимое для разрыва МС-световода, оказалось существенно меньше, чем для стандартного световода (рисунок 2.4). Но, если при расчете натяжения принять во внимание различие в площадях поперечного сечения (площадь поперечного сечения МС-световода на 25% меньше из-за отверстий), то разница в прочности составляет всего 0.5 ГПа (рисунок 2.5). Это различие можно объяснить тем, что защитное полимерное покрытие в некоторой степени препятствует проникновению влаги к поверхности стандартного световода, тогда как поверхность внутри отверстий МС-световода остается незащищенной. Соответственно, при этом не наблюдается повышения прочности МС-световода, обсуждаемого в работах [42] и [43].
Как уже отмечалось в 1.1. некоторые применения МС-световодов подразумевают заполнение отверстий световода различными жидкостями и газами [44, 45, 46]. При этом возникает вопрос: как повлияет заполнение отверстий МС-волокна тем или иным веществом на его механические свойства. Для ответа на этот вопрос мы провели серию экспериментов по изучению прочности МС-световодов заполненных воздухом со 100% относительной влажностью, деионизованнои водой, раствором аммиака и однонормальными растворами КОН и НС1. Результаты этих испытаний представлены на рисунке 2.6. Прочность световода заполненного раствором кислоты оказалась почти такой же, как и начальная прочность в лабораторных условиях. Заполнение отверстий деионизированной водой и воздухом с относительной влажностью 100% приводит к уменьшению прочности приблизительно на 1 ГПа. Действие раствора щелочи приводит к еще большему снижению прочности (приблизительно на 2.3 ГПа), а также к заметному увеличению числа слабых точек. К наиболее сильному уменьшению прочности приводит заполнение отверстий световода раствором аммиака (см. рисунок 2.6). В тех же условиях испытывался и стандартный световод: для этого его помещали в сосуд с раствором или воздухом со 100% влажностью и выдерживали в течение суток.
Радиационно-наведенные оптические потери МС-световодов с сердцевиной из кварцевого стекла КУ-1
Все три световода, описанные в предыдущем параграфе, были подвергнуты у-облучению на источнике 60Со. Мощность дозы источника составляла 1.91 Гр/сек облучение проводилось до дозы 300 кГр. После облучения проводились измерения спектров оптических потерь методом облома. Спектры наведенных оптических потерь, измеренные через 24 часа после облучения, представлены на рисунке 3.4. Интенсивность полосы поглощения РННК в световодах, вытянутых при температуре 1830 С и 1915 С, практически совпадают и составляют величину 3.5 дБ/м. По-видимому, скорость охлаждения световодов во время вытяжки не является основным определяющим фактором, влияющим на концентрацию предшественников РННК. Интенсивность полосы поглощения РННК в МС образцах оказалась всего в 1.3 раза меньше чем в POD световоде, в то время как, кварц-полимерные световоды проявляют радиационную стойкость в 20 раз выше [83]. Предположительно, столь высокая концентрация РННК обусловлена особенностью геометрии МС-световодов, т.е. напряжениями сетки стекла вблизи поверхности отверстий.
Интенсивность полосы поглощения РННК в образце, отверстия которого во время вытяжки были заполнены водородом, составила 2.5 дБ/м. То есть, заполнение отверстий заготовки световода газообразным водородом во время вытяжки позволяет вдвое уменьшить концентрацию предшественников РННК. Мы предполагаем, что НП обусловлено наличием поверхностей раздела кварц-воздух в МС-световодах. Под воздействием ионизирующего излучения газообразный кислород, содержащийся в отверстиях МС-световода, ионизуется и встраивается в сетку стекла с образованием пероксильных радикалов и немостикового кислорода:
Как известно, насыщение волоконных световодов водородом увеличивает их радиационную стойкость [53]. Однако, скорость диффузии водорода в кварцевом стекле такова, что при комнатной температуре водород полностью выходит из световода диаметром 125 мкм за две недели. Применение герметичных покрытий позволяет удерживать растворенный газ в световоде значительно дольше, однако, затрудняет начальное насыщение световода водородом. Как уже отмечалось в 1.2, использование МС-световодов может облегчить данную задачу, для этого достаточно обеспечить непрерывную подачу водорода по продольным отверстиям МС-световода в процессе его эксплуатации.
Для реализации данной задачи нами была сконструированна специальная камера (см. рисунок 3.5) позволяющая заполнять отверстия МС-световода различными газами, не препятствуя, при этом, прохождению оптического сигнала через световод. Камера имеет два герметичных волоконных вывода, манометр и коннектор для подсоединения к газовому баллону. Заполнение отверстий МС-световода газом производится следующим образом: МС-световод стыкуется с помощью FC адаптера со стандартным световодом, затем FC адаптер помещается в камеру, волоконные выводы герметизируются, после этого в камеру подается необходимое давление газа. Конструкция стандартного FC адаптера не предусматривает герметизацию места стыка световодов, поэтому газ свободно проникает в зазор между световодами и заполняет отверстия МС-световода. Заполненный таким образом водородом МС-световод был испытан в условиях у-облучения. Вместе с насыщенным водородом МС-световодом испытывался такой же МС-световод, но без заполнения отверстий, и световод с сердцевиной из чистого кварцевого стекла, изготовленный по технологии POD. Схема этого эксперимента показана на рисунке 3.6. Облучение проводилось на источнике 60Со мощностью дозы 1.67 Гр/сек до дозы 870 кГр. у-источник находился в специальном бассейне, заполненном водой. Непосредственно в середине источника располагались бухты изучаемых световодов длиной 2 м. Подводящие концы световодов для ввода и вывода света имели длину 6 - 7м.
Спектры наведенного оптического поглощения POD световода представлены на рисунке 3.7. Следует отметить аномальную динамику роста полосы поглощения 610 нм. На начальном этапе облучения, до дозы 20 кГр, наблюдается рост оптических потерь, причем интенсивность полосы поглощения хорошо коррелирует с ранними работами [54]. Затем, при дозах больше 20 кГр, происходит уменьшение наведенного поглощения, что ранее не наблюдалось. Этот эффект, скорее всего, обусловлен тем, что световоды находились непосредственно в воде, без использования каких-либо герметичных камер или покрытий. Хорошо известно, что под действием мощного ионизирующего излучения в воде протекает радиолиз с выделением кислорода и водорода. Водород, в свою очередь, может диффундировать в световоды и залечивать радиационные центры окраски. Таким образом, на первой стадии эксперимента, непосредственно после погружения образцов в бассейн с у-источником, водород еще не успел диффундировать в световедущую часть световода. Поэтому, на первой стадии эксперимента наблюдался монотонный рост НП. Далее, по мере того как водород диффундировал в световод, рост НП замедлялся, а затем наблюдалось просветление.
Влияние со-легирования оксидом фосфора на оптические потери в световодах в атмосфере водорода
При изготовлении заготовок германосиликатных многомодовых световодов с градиентным профилем показателя преломления часто к материалу сердцевины кроме оксида германия добавляется незначительное содержание оксида фосфора (-0.4 At%), для улучшения физико-химических свойств осаждаемого стекла. Влиянию со-легирования фосфором на чувствительность волоконных световодов к водородному воздействию было посвящено несколько работ [62, 64,92,93,94]. Основной вывод из этих работ заключается в следующем: со-легирование оксидом фосфора негативно сказывается на чувствительности волоконных световодов к водородному воздействию. Присутствие фосфора ускоряет реакцию водорода с кварцевым стеклом. По этой причине, рост ОН пиков наблюдался даже при комнатной температуре. Результаты по влиянию фосфора на коротковолновый край поглощения оказались противоречивыми - в одном случае наблюдался рост потерь (при той же величине пика ОН) [95], а в другом случае - некоторое снижение [64].
Для исследования влияния со-легирования фосфором на спектр оптических потерь, был сделан световод в углеродном покрытии (толщина покрытия составила 48 нм), к материалу сердцевины которого был добавлен оксид фосфора (-0.4 At% Р). Этот световод, вместе со световодом с сердцевиной, легированной только оксидом германия, был подвергнут испытаниям в атмосфере водорода (полученные спектры оптических потерь показаны на рисунке 4.6).
Главным отличием в спектре световода со-легированного фосфором является существенно более низкая величина оптических потерь, связанных с краем коротковолнового поглощения (SWE). Даже на длине волны 1100 нм, где наблюдается минимум потерь в световоде без оксида фосфора (на уровне 1/10 от потерь в пике ОН на 1400 нм), оптические потери в световоде с добавкой фосфора в сердцевине оказываются всего на уровне 1/200 от величины пика ОН. По-видимому, присутствие даже небольшого количества фосфора эффективно препятствует образованию под действием водорода центров, характерных для германатного стекла и ответственных за коротковолновое поглощение. В то же время, оптические потери в области 1550 нм в образце с фосфором оказываются существенно выше из-за наличия дополнительной полосы поглощения ОН групп. Таким образом, в зависимости от выбора рабочей длины волны меньший прирост потерь в тех же условиях и за то же время может оказаться либо у световодов с со-легированием оксидом фосфора, либо без него.
Проведенные испытания показали, что водород сравнительно быстро проникает сквозь углеродное покрытие при температурах 200 - 300 С. Однако такие применения световодов, как датчики физических полей, не обязательно требуют сохранения работоспособности световода в течение 25 лет. Даже несколько часов или даже минут работы в условиях аварии могут решить все возложенные на датчик задачи. Поэтому оценки срока службы световодов в таких тяжелых условиях, даже если этот срок мал, представляют интерес. На рисунке. 4.7 приведены оценки времени, при котором оптические потери в световоде при 1 атм. водорода возрастут на 1 дБ/км.
В отличие от стандартных телекоммуникационных световодов, влияние водорода на потери в световодах с негерманатной сердцевиной изучено крайне мало, тем более при высоких температурах. Например, нам удалось найти всего несколько работ, в которых изучается ОН поглощение в фосфоросиликатных волокнах [95, 96, 97, 98]. Известно, что воздействие водорода на такие световоды проявляется в возникновении двух полос поглощения в инфракрасном диапазоне с максимумами на 3.05 и 3.41 мкм [956]. Предполагается, что эти полосы обусловлены немостиковым кислородом =Р=0, связанным водородной связью с HO-Si= [95, 97]. В водородных тестах таких световодов при температуре 200 С было обнаружено увеличение поглощения в диапазоне 1.4-2 мкм [95], при этом изменения поглощения в диапазоне 0.7 - 1.4 мкм не наблюдалось. В другой работе наблюдалось возникновение полос поглощения на длинах волн 1.56 и 1.63 мкм, которые ассоциировали с обертонами Р-ОН связи [98]. При высокотемпературных тестах (300 С - 400 С) фосфоросиликатных световодов было обнаружено увеличение длинноволнового края поглощения 1.3-1.7 мкм, на фоне которого различались полосы поглощения Si-OH (1.38 мкм) и Н20 (1.42 мкм) [97], однако, используемая в данной работе методика, не позволила наблюдать изменения в спектре поглощения на длинах волн короче 1.3 мкм. Таким образом, для фосфоросиликатных световодов остается невыясненным вопрос о влиянии водорода на поглощение в диапазоне длин волн короче 1.3 мкм.
