Введение к работе
Актуальность работы
Интенсивное развитие систем оптической связи в последние годы основано на появлении новых материалов и разработке технологий, сочетающих высокие оптические параметры с низкой ценой и возможностью массового тиражирования элементов на их основе. Низкая цена иногда является определяющим параметром при выборе материала для устройств массового применения.
Особенно впечатляющий прогресс наблюдается в области элементов фотонпки. Так, полимерные интегрально-оптические микрочипы (микросхема на базе полимерных волноводов для обработки сигналов оптической саязи) по параметрам превосходят кристаллические элементы при цене ниже на два порядка. Однако, хотя достижения технологии последних лет являются несомненными, ряд вопросов остается нерешенным, так малоисследован вопрос формирования согласующих микролинз на торце оптоволокна методом самоорганизации фотополимера.
В данной работе проведены систематические исследования процессов формирования самоорганизованных структур на торце оптоволокна. Найдены и исследованы основные эффекты, определяющие процесс самоорганизации в поле световой волны. Определены условия, необходимые для получения оптимальных элементов, геометрическая форма которых обеспечивает оптимальную фокусировку излучения, выходящего из горца оптоволокна. Проведенные исследования позволили создать непротиворечивую эмпирическую гипотезу наблюдаемых процессов. Полученные образцы элементов сопряжения были протестированы и подтверждена их эффективность, в частности потери света не превысили 5%. Результаты исследования использованы в практической деятельности, в частности при выполнении хоздоговоров и ОКР в НИУ ИТМО.
Наличие докладов на зарубежных конференциях, также как и известность автора в научных кругах, которая подтверждается множеством Интернет - ссылок на работы, также как и приглашения на конференции и в зарубежные Университеты подтверждает актуальность выполненных исследований. Цель и задачи диссертационной работы
Целью работы является исследование эффектов самоорганизации фотополимеризующихся композиций, включая нанокомнозиты, в поле световой волны на торце оптоволокна с целью разработки научных основ технологии формирования элементов сопряжения оптоволокна.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1. Поиск и исследование основных физических эффектов, ответственных за самоорганизацию фотополимеризуюшегося материала с положительным знаком изменения показателя преломления при фотопревращениях в поле световой волны.
2. Проведение исследований кинетики процесса формирования
самоорганизоваиного оптического элемента и выявление его связи с условиями
эксперимента, такими как тип фотополимеризующейся композиции, наличие
ингибирующих агентов, диффузионные процессы, распределение светового
поля на торце оптоволокна.
3. Создание физических основ и разработка методов формирования
оптимальных элементов сопряжения оптоволокна с заданной формой
оптических поверхностей, а также исследование их характеристик в реальных
условиях.
Объекты и методы исследования.
Объектами исследования являлось многомодовое оптоволокно с диаметром жилы 50 мкм и оптоволокно специального типа с диаметром центральной жиль! 435 мкм. В последнем случае целью экспериментов было исследование кинетики процесса формирования микроэлемента путем съемки на видео с низкоапертурным объективом. В качестве фотополимеризующихся сред, в которых исследовались эффекты самоорганизации, были использованы 2-х и 3-х компонентные акрилатные композиции, а также нанокомпозиты, разработанные специально для данного исследования.
Методами исследований являлись оптическая микроскопия, микровидеосъемка, фотометрирование, а также методы исследования полимеров. Научная новизна работы:
-
Проведены детальные исследования процессов самофокусировки света в фотополимеризующейся композиции, определена их связь с составом, величиной поглощения фотоактиничного излучения, наличием и условиями диффузии кислорода, условиями диффузии фоторадикатов.
-
Впервые показано, что суперпозиция осцилляции наблюдаемых при самофокусировке света в фотополимере и профиля ослабления в результате введения фотоабсорбционного компонента приводит к возможности формирования сфероконического фокусирующего элемента в пределах от торца оптоволокна до первой пучности осцилляции, наблюдаемой при самофокусировке без фотоабсорбирующей добавки.
-
Показана возможность реализации метода «глубокой литографии» (deep lithography) при использовании низкоэнергетического ближнего УФ излучения с высокой начальной расходимостью, формирование вертикальных боковых поверхностей в котором реализуется в результате суперпозиции эффектов самофокусировки и ингибируюшего влияния кислорода на процесс фотополимеризации.
4. Исследована взаимосвязь процессов формирования структур с
эффектами диффузии, такими как диффузия кислорода, ингибирующего
процесс фотополимеризации, и диффузия фоторадикалов, генерирующихся в
области экспозиции.
Основные результаты, выносимые на защиту:
1. Экспериментальное подтверждение факта диффузии фоторадикалов из области экспонирования в окружающий объем, являющийся основным
процессом, определяющим эффект близости и самоорганизацию при соединении двух оптических волноводов.
2. Объяснение образования еамооргашпованиых оптических
волноводов, как суперпозиции двух эффектов: самофокусировки света в среде с
положительным знаком изменения показателя преломления при
фотополимеризации и ипгибирующего влияния кислорода. Возможность
формирования бесконечного цилиндра, конусов, сфероконических элементов,
обусловленная суперпозицией двух вышеуказанных эффектов.
3. Способ получения самооргакизованных согласующих
микрооптических элементов, основанный на торможении процесса роста
волновода при введении фотоабсорбера в фогополимеризующуюся
композицию, н результате чего происходит формирование сфероконического
элемента в пределах первой пучности самоорганизованного оптического
волновода.
4. Путь преодоления критерия Релея в фотолнтої рафии, основанный на
фотохимических превращениях в наьоком позиционном материале,
обладающем эффектами самоорганизации и обеспечивающем нелинейное
преобразование излучения в точке фокуса.
Практическая ценность работы:
1. Разработаны научные основы технологии микрооптических
сфероконических элементов, обеспечивающих сопряжение оптоволокна при
незначительных потерях свега.
2. Найден путь преодоления дифракционного предела в
фотолитографии, основанный на использовании специальных материалов с
эффектом самофокусировки, обеспечивающих получение элементов
субволиовых размеров.
3. Разработана технология глубокой литографии «deep lithography»,
основанная на использовании специального материала с эффектами
самоорганизации и длинноволнового излучения, когда вертикальные боковые
поверхности элементов образуются в результате суперпозиции эффектов
самофокусировки света и ипгибирующего действия кислорода, втом числе при
исходной значительной расходимости пучка.
Ащшбакня работы и публикации
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались в рамках 23 докладов на 8 международных конференциях:
Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика»
Санкт -- Петербург. Россия, 2005, 2009;
International Conference on "Electronic Processes in Organic Materials
((СЕРОМ)" Гурзуф, Украина 2006; Львов, Украина 2008; Иваио-
Фронковск, 2010:
International Conference on lasers, Applications, and Technologies
(1CONO/LAT ) -Минск. Белоруссия 2007;
International Conference «Functional Materials» (1CFM) - їіартенит, Украина
2007.1 Іартенит, Украина 2009;
The millennium new materials seminar - Mikkeli, Finland, 2007;
International Symposium on Molecular Marerials (MOLMAT) - Тулуза,
Франция, 2008;
International Conference on Photonics, Devices and Systems, PHOTONICS
PRAGUE - Прага, Чешская Республика, 2008;
Workshop on nanotechnology and nanoanalytics, Санкт-Петербург, 2009; трех Всероссийских межвузовских конференциях молодых ученых - Санкт-Петербург, 2005, 2007, 2008; двух Научно и учебно-методических конференциях СПбГУ ИТМО - Санкт-Петербург, 2007, 2008.
Диссертант отмечен двумя дипломами первой степени за лучшие доклады:
«Решётки микролішз на основе УФ-отверждаемых оптических
композитов» на 2-й межвузовская конференция молодых ученых СПб,
ИТМО, 2005;
Optical surface making by UV-curing of monomeric compositions in near field
of coherent light source на 6,h International Conference on "electronic Processes
in Organic Materials (ICEPOM-6)" Гурзуф, 2006,
Автор был приглашен профессором Isabelle Ledoux-Rak в 2007 году в Университет ENS de Cachan, где в ходе визита было проведено обсуждение экспериментальных результатов. Результаты данного исследования стали определяющими для создания микролазеров совместно с ENS de Cachan. Полное содержание диссертации обсуждалось на расширенном заседании кафедры «Оптики квантоворазмерных систем» СПбГУ ИТМО.
По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ в Российских журналах ВАК, а также в зарубежных рецензируемых журналах, включая I монографию. Список работ приведен в конце автореферата. Личный вклад автора
