Введение к работе
Актуальность темы
В последние годы кварцевые оптические волокна (ОВ) находят широкое применение не только в волоконно-оптических линиях связи, но и в оптических информационно-измерительных приборах и устройствах. При этом, в зависимости от характера этих приборов и устройств, требуются не стандартные телекоммуникационные ОВ, а волокна, обладающие специальными модифицированными свойствами и параметрами. Так, например, в хромотографии, вискозиметрии, при создании оптических разъемов, разветвителей, в юстировочных устройствах при стыковке ОВ, в составе чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков физических величин используются кварцевые капилляры различных размеров, которые невозможно получить простой перетяжкой кварцевых труб, имеющих ограниченные типоразмеры. Это побуждает разработать технологию изготовления капилляров различных размеров перетяжкой имеющихся кварцевых труб стандартных типоразмеров с их подсхлопыванием во время вытяжки.
В настоящее время объектом интенсивных исследований являются микроструктурированные оптические волокна (МОВ), называемые часто также фотонно-кристаллическими (photonic band gap fibers) или дырчатыми (holey fibers) OB. Такие MOB состоят из чисто кварцевой (или легированной кварцевой) сердцевины, окруженной регулярным образом размещенными кварцевыми капиллярами с воздушными отверстиями [1]. Структура МОВ приводит к волноводным свойствам и параметрам, недостижимым для обычных телекоммуникационных кварцевых ОВ. В частности, воздушно-кварцевые МОВ могут быть одномодовыми в широком диапазоне длин волн и иметь длину волны нулевой дисперсии, существенно сдвинутую в сторону видимого спектрального диапазона, что может быть использовано как в линиях дальней связи для расширения полосы пропускания, так и в тех областях
оптического приборостроения, где существенны динамические характеристики передающих систем. Эти обстоятельства, а также перспективы их использования в лазерной технике, нелинейной оптике, импульсной спектроскопии, оптической томографии, датчиках физических величин, и определили интерес к разработке микроструктурированных волокон.
Технология изготовления таких волокон обычно включает в себя создание капиллярных сборок - заготовок, состоящих из опорной кварцевой трубы и размещенных в ней определенным образом кварцевых капилляров и кварцевого стержня необходимых размеров. Затем эти сборки перетягиваются в МОВ.
Конусные оптические волокна (КОВ) (tapered optical fibers), обладающие свойствами, отличающимися от свойств стандартных ОВ, применяют для использования в измерительных приборах и для эффективной передачи мощного оптического излучения от лазера к объекту [2]. При этом засветка световода излучением источника света может производиться как в торец цилиндрического участка КОВ, так и в торец конического. В первом случае, за счет действия конического участка, на выходе КОВ получают излучение меньшей (чем у цилиндрического участка КОВ) угловой расходимости, что важно для ряда применений, в частности, в измерительных приборах, где требуется малая расходимость пучка света, например, в эллипсометрии. Во втором случае, за счет увеличения размера торца ослабляется влияние случайных смещений луча по торцу КОВ (реально происходящих на практике) и тем самым повышается стабильность ввода излучения в КОВ, а также уменьшается плотность вводимого излучения на входном торце. Конкретные свойства этих волокон определяются их геометрическими размерами.
ОВ с большим диаметром световедущей сердцевины (более 100 мкм) применяются в датчиках физических величин, например, волоконно-оптических датчиках температуры, а также в спектроскопии, измерениях флуоресценции и медицине, где все большее развитие получают лазерные методы проведения лечебных, хирургических и косметологических процедур.
Кварцевые OB предназначены для доставки лазерного излучения с длиной волны до 2,0 мкм к месту проведения оперативного вмешательства. ОВ для применений в лазерной медицине должны удовлетворять ряду требований: быть изготовленными из биосовместимых с живой тканью материалов; передавать оптическое излучение мощностью до нескольких сотен ватт с высокой лучевой прочностью; обладать высокой механической (изгибной) прочностью [3]. Как правило, используются ОВ с диаметром световедущей сердцевины (0,25+1,2) мм и длиной до нескольких десятков метров в зависимости от конкретных приборов и устройств.
Таким образом, диссертационная работа, посвященная созданию технологии изготовления и исследованию специальных кварцевых волокон с модифицированными свойствами и параметрами для различных информационно-измерительных приборов является актуальной как с научной, так и с практической точек зрения.
Цель работы
Основная цель работы состояла в разработке технологии изготовления и исследовании кварцевых волокон с модифицированными свойствами и параметрами для датчиков физических величин, систем передачи информации, лазерной медицины.
Для достижения поставленной цели решался следующий комплекс задач:
теоретическое и экспериментальное исследование условий вытягивания кварцевых капилляров с подсхлопываиием исходной трубки для изготовления оптических разъемов, стыковочных элементов, волоконно - оптических ответвителей;
экспериментальное исследование процессов раздутия запаянных кварцевых капилляров, используемых для получения сборок-заготовок микроструктурированных оптических волокон;
теоретический анализ условий формирования конусных оптических волокон и разработка технологии их вытягивания;
исследование свойств материалов защитного покрытия конусных оптических волокон для выбора оптимального материала в зависимости от параметров волокна;
конструирование устройств и исследование процесса нанесения на кварц-кварцевые и кварц-полимерные оптические волокна с большим диаметром световедущей сердцевины вторичного защитного покрытия из термопластичных полимеров фильерным способом непосредственно на установке во время вытягивания оптического волокна.
Научная новизна работы
При выполнении диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:
Впервые разработана лабораторная технология вытяжки кварц-кварцевых и кварц-полимерных оптических волокон с большим диаметром световедущей сердцевины с нанесением вторичного защитного термопластичного покрытия на вытяжной установке фильерным способом одновременно с процессом вытяжки световода.
Теоретически обоснованы условия вытягивания конусных оптических волокон и разработана технология вытяжки кварцевых конусных оптических волокон с соотношением большего и меньшего диаметров конуса до 5:1, величиной большего диаметра конуса (4,28-4,05) мм, покрытых УФ-отверждаемым защитным покрытием.
Разработана технология вытяжки кварцевых капилляров из труб-заготовок с их подсхлопываиием во время вытяжки, что позволило варьировать параметры капилляров в широких пределах. Вытянуты образцы таких капилляров.
Исследован процесс раздутия запаянных кварцевых капилляров для капиллярных сборок-заготовок микроструктурированных оптических
волокон. Из спеченных капиллярных сборок вытянуты образцы микроструктурированных оптических волокон.
Научные положения, выносимые на защиту
Результаты исследования процесса изготовления кварцевых капилляров с внешним диаметром DK = (0,5*4,0) мм, отношением внешнего диаметра к внутреннему диаметру Dk/c/k = (1,3*9,6) из труб-заготовок стандартных типоразмеров с внешним диаметром Dj = (16*22) мм и отношением внешнего диаметра к внутреннему Dj/dj = (1,2*1,4), основанного на вытяжке данных капилляров с подсхлопыванием исходных труб-заготовок и предназначенного для изготовления капилляров для волоконно-оптических ответвителей и нестандартных оптических разъемов.
Результаты исследования процесса раздутия одиночных запаянных кварцевых капилляров с внешним диаметром Z)K = (300*800) мкм, отношением внешнего диаметра к внутреннему диаметру DK/dK = (1,2*5,0), на основе которых разработана технология спекания капиллярных сборок-заготовок микроструктурированных ОВ с одним и двумя слоями воздушных микрокапилляров.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса вытяжки из цилиндрических кварцевых заготовок диаметром (5*20) мм конусных оптических волокон с большим диаметром конуса (4,28*1,05) мм, соотношением большего диаметра конуса к меньшему до 5:1, длинами конусных участков (15*155) см.
Конструкторско-технологические решения по изготовлению кварц-кварцевых и кварц-полимерных ОВ с диаметром световедущей сердцевины (0,25*1,2) мм, длиной до 500 м, с термопластичным вторичным защитным покрытием толщиной (50*120) мкм, наносимым фильерным способом на вытяжной установке непосредственно во время вытягивания волокна.
Достоверность полученных результатов подтверждается
удовлетворительным согласием теоретических оценок и экспериментальных результатов, а также непротиворечивостью полученных данных и сделанных выводов с результатами других исследователей, опубликованными в научно-технической литературе.
Практическая ценность работы
Разработана лабораторная технология вытягивания кварц-кварцевых и кварц-полимерных ОВ с диаметром световедущей сердцевины (0,25-И ,2) мм с защитным покрытием из термопластичных полимеров, наносимых на вытяжной установке фильерным способом одновременно с процессом вытягивания световодов. Такой способ обеспечивает наибольшее сохранение исходной прочности волокна.
По разработанной технологии были вытянуты конусные оптические волокна с соотношением большего диаметра конуса к меньшему до 5:1 и большим диаметром конуса до 4,28 мм, используемые в качестве согласующих элементов ряда измерительных приборов.
Изготовленные ОВ с большим диаметром световедущей сердцевины, а также конусные оптические волокна использовались для передачи лазерного излучения мощностью, в зависимости от источника излучения и типа волокна, от единиц мВт до 300 Вт в диапазоне длин волн от 0,33 мкм до 1,1 мкм.
Вытянутые по разработанной технологии капилляры применялись при создании волоконно-оптических ответвителей, нестандартных оптических разъемов.
Разработанные устройства и образцы кварцевых волокон использованы в ФИРЭ им. В. А. Котельникова РАН, ЗАО «ЦНИТИ «Техномаш-ВОС», ЗАО «Центр-ВОСПИ», ООО «Научно Технический Центр Волоконно-оптических Устройств».
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно - практических конференциях «ПРОТЭК» (г. Москва, сентябрь 2001 г., сентябрь 2002 г.), на LVII, LIX и LXIII научных сессиях РНТОРЭС им. Попова (г. Москва, май 2002 г., май 2004 г., май 2008 г.), на международной конференции «Слабые и сильные поля и излучения» (г. Мытищи, июнь 2005 г.), на конференции «Лазеры для медицины, биологии и экологии - 2006» (г. Санкт - Петербург, январь 2006 г.), на конференциях «Лазеры, измерения, информация» (г. Санкт - Петербург, июнь 2006 г., июнь 2007 г., июнь 2009 г.), на_международной конференции «Квантовая электроника» (г. Минск, октябрь 2008 г.)
Публикация результатов работы
По результатам выполненных исследований опубликовано 31 научная работа, в том числе 16 статей, из них 11 в рекомендованных ВАК журналах, 2 авторских свидетельства на изобретение, 1 заявка на изобретение, 12 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации
