Введение к работе
Актуальность темы
Планарные слоистые структуры, в которых используются анизотропные материалы различной природы (диэлектрики, полупроводники, проводники, магнетики, жидкие кристаллы, композиционные материалы), получили широкое практическое применение в оптоэлектронике [1,2]. На основе таких структур созданы фильтры, пропускающие или отражающие выделенные участки спектра; преобразователи оптического излучения, управляемые внешним электрическим или магнитным полем [2]; планарные волноводные структуры и интегральнооптические элементы, служащие для обработки оптической информации и управления излучением [3].
В последнее время стали активно исследоваться слоистые структуры из бианизотропных материалов, в которых наряду с электрической анизотропией может присутствовать магнитная анизотропия, а также магнитоэлектрическая связь. Магнитоэлектрическая связь выражается в наличии перекрестных членов в материальных уравнениях для электрического и магнитного полей [4,5]. Биа-низотропные материалы представлены электро- и магнитооптическими кристаллами, жидкокристаллическими, композиционными и оптически активными средами [6].
В связи с этим актуальными являются проблемы описания распространения и преобразования света в периодических бианизотропных средах и в структурах с непрерывной неоднородностью, преобразования волноводных мод в магнитогиротропных волноводах с произвольной ориентацией кристаллографических осей и магнитного момента волноведущего слоя, отражения и прохождения света через анизотропные структуры, содержащие толстые слои, наличие которых приводит к нарушению когерентности взаимодействия света с плоскослоистыми структурами. Важным является также исследование распространения пучков, так как в реальных ситуациях имеют дело именно с волнами ограниченными в пространстве.
Не меньшее чем планарные, находят применение волоконные структуры, которые обладают цилиндрической симметрией, со слоями, расположенными вдоль радиуса. Исследование таких структур является предметом волоконной оптики. Особое внимание исследователей привлекают периодические волоконные структуры такие, как волоконные брэгговские решетки и длиннопериодные решетки [7]. Они используются для выделения определенной длины волны спектра, для компенсации модовой дисперсии, в фильтрах [8] и датчиках [9].
Бурный интерес к длиннопериодным волоконным решеткам (ДПВР) связан с простотой их изготовления и возможностью их применения в различных волоконно-оптических устройствах, например, в качестве датчиков или фильтров. Отличительной особенностью ДПВР является то, что они работают на прохождение и возбуждают оболочечные моды оптического волокна, свойства которых отличаются от свойств моды сердцевины [10]. Эта особенность ДПВР требует тщательного изучения. Задействование оболочечных мод для управления излучением стало одним из новых методов в волоконной оптике.
На протяжении последних нескольких лет сложился и устойчиво сохраняется интерес к ДПВР, создаваемым в электрической дуге. Эти решетки обладают свойствами, которые делают их перспективными для применения в качестве датчиков и в оптических системах связи [11]. В частности они имеют высокую термостабильность и хорошую устойчивость к гамма-излучению, а также допускают гибкую настройку их чувствительности к таким физическим параметрам как температура и деформация.
Большое значение с точки зрения возможности управления спектрами решеток имеет изучение поведения волоконных мод, в частности оболочечных, при скручивании волокон. Скручивание применяется для управления состоянием поляризации в волокне [12], для перестройки рабочей длины волны волоконных решеток и с другими целями. Кроме того, скручивание волокна является одним из нежелательных факторов при прокладке волоконно-оптических кабелей, который должен соответствующим образом учитываться.
Цель диссертационной работы
Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование распространения света в планарных структурах, состоящих из бианизотропных слоев, а также в волоконных периодических структурах при наличии оптической анизотропии в материале волокна. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
разработать теоретические модели, описывающие распространение света в многослойных, непрерывно неоднородных, периодических и волноводных структурах из магнитогиротропных материалов; проанализировать оптические эффекты преобразования поляризации света при его взаимодействии с магнито-гиротропными и бианизотропными средами; теоретически исследовать смещение пучков при отражении и прохождении границ сред с комплексными диэлектрическими проницаемостями;
провести комплексное экспериментальное исследование длиннопериодных волоконных решеток, индуцируемых воздействием электрической дуги на волокно; определить тип мод, возбуждаемых в этих решетках, и механизмы образования решеток; разработать принципы создания датчиков различных физических параметров на основе индуцируемых в дуге решеток;
изучить распространение оболочечных мод в скрученных оптических волокнах; исследовать преобразование спектров длиннопериодных решеток при скручивании, натяжении и нагреве волокна; выявить особенности взаимодействия оболочечных мод с модой сердцевины в периодических волоконных структурах, созданных скручиванием световодов.
Научная новизна
К впервые полученным и наиболее оригинальным научным результатам, представленным в диссертационной работе, можно отнести следующие:
- теоретически показано, что резонансное взаимодействие электромагнитной
волны с периодической бигиротропной средой определяется разностью пара-
метров электро- и магнитогиротропий;
получены матрицы, описывающие преобразование вектора когерентности при отражении и прохождении волны в плоскослоистой структуре, содержащей тонкие когерентные и толстые некогерентные слои произвольной анизотропии;
моделирование процесса фотоиндуцирования волоконных брэгговских решеток с помощью фазовых масок, находящихся в контакте с волокном, показало, что поверхностные волны маски проникают в оптическое волокно и формируют световые пучки, фокусирующиеся в области сердцевины волокна с размером шейки 1-2 мкм, что может приводить к дополнительной засветке сердцевины волокна и существенному уменьшению контраста записываемой решетки;
теоретически показано, что упругая деформация волокна приводит к снятию вырождения гибридных мод, соответствующих одной LP моде, и расщеплению резонансов в спектрах решеток под натяжением. Указанный эффект можно описать, если учесть продольную компоненту электрического поля мод;
разработана процедура оптимизации, с помощью которой можно определить значения параметров волокна и модовые числа исходя из экспериментальных данных о резонансных длинах волн длиннопериодных решеток, созданных в волокне. Достигнуты разрешения порядка 10 нм для диаметра сердцевины, 100 нм для диаметра оболочки и 10" для показателя преломления.
выявлены механизмы образования решеток при воздействии электрической дуги на волокно, что позволило экспериментально показать возможность создания решетки, спектр которой содержит две серии резонансов, которые образованы связью с симметричными и антисимметричными модами оболочки и которые по-разному ведут себя при высокотемпературном отжиге;
теоретически показано, что моды оболочки с произвольными азимутальными и радиальными модовыми числами, распространяющиеся в скрученном слабонаправляющем волокне, вращаются по направлению скручивания с той же скоростью, что и мода сердцевины.
Практическая значимость
Полученные в настоящей диссертационной работе результаты имеют большое прикладное значение. Проведенные исследования могут быть использованы при практическом создании
оптических тонкопленочных фильтров, а также слабо отражающих покрытий на основе композиционных материалов, метаматериалов с необычными электромагнитными свойствами, например, с отрицательным преломлением;
интегрально-оптических устройств на основе магнитных тонких пленок, в частности, магнитооптических модуляторов, в которых происходит преобразование волноводных мод в результате их взаимодействия с магнитогиротропной средой в зависимости от направления намагниченности пленки;
оптических анализаторов химического состава биологических растворов, использующих свойство киральности и оптической активности биологических молекул, содержащих спиральные структуры;
фазовых масок, используемых для записи брэгговских волоконных решеток с учетом ближнепольных эффектов, и многоволновых волоконных лазеров, генерирующих одновременно на нескольких длинах волн;
широкополосных волоконно-оптических фильтров, в том числе с перестраиваемыми спектральными характеристиками, на основе длиннопериодных волоконных решеток, спектр пропускания которых определяется взаимодействием моды сердцевины с оболочечными модами волокна;
волоконно-оптических датчиков различных физических параметров, таких как температуры, натяжения, изгиба, скручивания, показателя преломления; датчиков, обнаруживающих присутствие того или иного газа; химических датчиков; волоконных датчиков для одновременного измерения нескольких параметров, работающих в условиях высоких температур;
волоконно-оптических поляризаторов для циркулярно поляризованных волн на основе геликоидальных длиннопериодных структур, создаваемых посредством скручивания стандартного оптического волокна при высокой температуре.
Достоверность полученных результатов
Достоверность полученных результатов определяется соответствием выводов, сделанных на основе разработанных теоретических моделей, результатам экспериментов. Полученные в работе результаты согласуются с экспериментальными и теоретическими данными других исследователей, а найденные решения в предельных случаях переходят в ранее известные.
Основные положения, выносимые на защиту
-
При отражении /^-поляризованных волн от границы прозрачной среды и резонансной среды с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости, а также при отражении волны на угле Брюстера имеет место отрицательное смещение пучка. В последнем случае происходит трансформация пучка, в частности, его раздвоение.
-
Магнитооптические эффекты при отражении от непрерывно неоднородной бигиротропной среды и резонансное взаимодействие электромагнитной волны с периодической бигиротропной средой определяются разностью параметров электро- и магнитогиротропий, в отличие от эффектов при прохождении и нерезонансном взаимодействии, зависящих от суммы этих параметров.
-
Распространение света в неоднородной слоистой бианизотропной структуре можно описать, заменив эту структуру однородным слоем с эффективными материальными параметрами. При этом значения эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей являются комплексными, а магнитоэлектрические тензоры содержат ненулевые не диагональные компоненты.
-
Тип волокна, используемого при записи длиннопериодных решеток с помощью электрической дуги, определяет симметрию мод, возбуждаемых решеткой: в стандартном волокне возбуждаются антисимметричные моды; в волокне, легированном бором и германием - симметричные. Антисимметричное изменение показателя преломления в волокне обусловлено сильным градиентом температуры в дуговом разряде.
-
В волокне, легированном бором и германием, с помощью дуги создана длин-нопериодная решетка, спектр которой содержит две серии резонансов, образованных связью с симметричными и антисимметричными модами оболочки. Амплитуды резонансов симметричных мод существенно уменьшаются в процессе отжига решетки при 800С в течение 30 минут, в то время как резо-нансы антисимметричных мод в течение длительного времени сохраняются при температуре свыше 1000С.
-
Предсказано и экспериментально подтверждено существование сдвига резонансной длины волны при скручивании волокна в длиннопериодных фото-индуцированных и микроизгибных решетках. Скручивание волокон смещает резонансы оболочечных мод в сторону коротких длин волн. Величина сдвига пропорциональна квадрату угла скручивания и больше для мод высоких порядков. При скручивании волокна в решетках с микроизгибами на величину более 6 рад/см происходит расщепление резонансов.
-
Экспериментально показана возможность изготовления геликоидальной волоконной структуры скручиванием стандартного оптического волокна в печи. Полученная структура ведет себя аналогично длиннопериодной решетке, а ее спектр пропускания содержит серию пиков, обусловленных резонансной связью с оболочечными модами волокна.
Личный вклад автора
Основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно. В постановке части задач и обсуждении результатов принимали участие коллеги, научные руководители. Экспериментальная работа проводилась автором как самостоятельно, так и с участием соавторов.
Апробация работы
Результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались на 38 конференциях, в том числе на 25 международных, 2 всероссийских и 11 региональных.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в реферируемых отечественных и зарубежных журналах и содержатся в 30 печатных работах, а также в 38 материалах и трудах научных конференций.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы и содержит 451 страниц текста, включая 145 рисунков и 5 таблиц. Список литературы состоит из 455 наименований.
