Запись волоконных брэгговских решеток фемтосекундными лазерными импульсами

↑

⇐ ПредыдущаяСтр 19 из 26Следующая ⇒

Как уже было сказано в первой главе, вероятность многофотонного

поглощения намного выше в случае импульсов фемтосекундной длительности по сравнению с импульсами наносекундной длительности, вследствие большей на несколько порядков интенсивности излучения.

Несмотря на малую концентрацию дефектов стандартных волоконных световодов, высокая интенсивность фемтосекундных импульсов задействует собственные механизмы разрушения материала волоконного световода (ударная и многофотонная ионизация). Именно многофотонное поглощение дает возможность записи брэгговских дифракционных структур в ОВ без увеличения их фоторефрактивности.

Кроме того , образовавшиеся дефекты рекомбинируют в течение 10-30 нс [23], поэтому не получается создать большого числа стойких дефектов наносекундными лазерными импульсами в случае низкой концентрации

первичных дефектов, а, соответственно, и достаточную модуляцию ПП, так как необходимо, чтобы за время лазерного импульса появилось 3-5 смежных дефектов, чтобы расстояние между крайними было достаточно большим (> 30 Å) и они не могли рекомбинировать, что как раз достигается с помощью фемтосекундных лазерных импульсов [23]. Соревнование между образованием дефектов во время лазерного импульса и их последующей рекомбинацией можно наблюдать на рисунке 2.21 [23].

Рис. 2.21. Соревнование между образованием дефектов во время лазерного импульса и их последующей рекомбинацией

Данный рисунок демонстрирует сигнал пропускания от времени облучения лазерными импульсами с частотой 1 кГц. Каждая ступенька на данном рисунке соответствует лазерному импульсу. Подъем же данной ступеньки до следующего импульса соответствует рекомбинации дефектов. Таким образом, происходит соревнование между образованием дефектов во время лазерного импульса и последующей рекомбинацией данных дефектов. Из рисунка также видно, что с каждым импульсом рекомбинация увеличивается, в то время как высота ступеньки уменьшается. При продолжительном облучении сигнал пропускания приходит в насыщение. И без увеличения энергии в импульсе или уменьшения его длительности новообразованные дефекты будут полностью рекомбинировать.

Вследствие задействования собственных механизмов разрушения материала волоконного световода суммарная доза облучения необходимая для индуцирования аналогичных изменений ПП в случае фемтосекундных импульсов много меньше, чем в случае наносекундных.

На рисунке 2.22 продемонстрирована зависимость наведенного ПП от дозы облучения для волокна Nufern GF1, дополнительно легированного германием для увеличения фоточувствительности для случаев записи наносекундными и фемтосекундными импульсами [24].

Рис. 2.22. Зависимость наведенного показателя преломления от дозы облучения для волокна Nufern

GF1

На рисунке 2.23 продемонстрирована зависимость наведенного ПП от дозы облучения для волокна Fibercore PS1250/1500, дополнительно легированного германием совместно с бором для увеличения фоточувствительности для случаев записи наносекундными и фемтосекундными импульсами [25].

Рис. 2.23. Зависимость наведенного показателя преломления от дозы облучения для волокна

Fibercore PS1250/1500

На рисунке 2.24 продемонстрирована зависимость наведенного ПП от дозы облучения для волокна Corning SMF-28, подвергнутого водородной обработки для увеличения фоточувствительности для случаев записи наносекундными и фемтосекундными импульсами [26].

Рис. 2.24. Зависимость наведенного показателя преломления от дозы облучения для волокна

Corning SMF-28

В таблице 2.1 приведены данные для различных волокон, в которых были записаны аналогичные по силе решетки и с помощью фемтосекундных импульсов, и с помощью наносекундных импульсов. Из таблицы видно, что для всех случаев, запись при бóльшей интенсивности ведет к тому, что для достижения аналогичных результатов требуется намного меньшая (в 6 – 80 раз) суммарная доза облучения.

Таблица 2.1. Сравнение суммарной дозы облучения, требуемой для индуцирования аналогичных по силе ВБР для фемтосекундных и наносекундных импульсов

Длина

Интенсивность

Пик потерь в

Суммарная

Отноше

волны

спектре

доза

ние

Волокно

излучения

излучения

пропускания

облучения

E248/

[ГВт/см²]

[нм]

[дБ]

[кДж/см²]

E264

Fibercore

0.025

9.95

4.4

PS1250/150

5.7

10.65

0.775

Nufern GF1

0.025

6.92

11.9

7.6

7.02

1.573

Nufern GF1

0.025

10.17

0.7

насыщенное

18.4

водородом

10.19

0.038

Corning

0.025

10.31

14.7

SMF-28

85.5

насыщенное

10.34

0.172

водородом

Наведенный ПП

Corning

0.02

6.5 ×10⁻⁴

7.0

SMF-28

43.8

насыщенное

водородом

Таким образом, при использовании фемтосекундных лазеров в силу очень высокой интенсивности излучения в импульсе возрастает вероятность многофотонного поглощения. Также можно облучать волоконные световоды без их повреждения или пробоя излучением с интенсивностями на несколько порядков выше, чем при использовании наносекундных импульсов. Аналогичные изменения ПП по сравнению с импульсами наносекундной длительности могут быть достигнуты при существенно меньшей суммарной дозе облучения. Кроме того, при использовании инфракрасного излучения запись можно производить через полимерное покрытие световода. Последнее решает один из недостатков технологии записи брэгговских дифракционных структур в волокно УФ светом – это необходимость снятия защитной полимерной оболочки волокна перед записью решетки. Эта процедура необходима, так как стандартные полимеры, используемые в качестве оболочки волокна, непрозрачны для УФ света. Снятие оболочки приводит к удлинению процесса изготовления волокна с записанной в нем дифракционной структурой и снижает прочность волокна.

Данный метод применялся в работе [27], в которой энергия импульса, используемая для записи решетки через защитное покрытие составляет около 1 мкДж, что примерно в два раза больше энергии, требуемой для записи подобной решетки в волокно со снятой оболочкой, так как необходимо скомпенсировать потери энергии в полимерном покрытии.

При пошаговой записи решетки в волокно использовался лазер, работающий на длине волны 800 нм, генерирующий импульсы длительностью 150 фс, при частоте следования импульсов 1 кГц. Геометрия фокусировки проиллюстрирована на рисунке 2.25 . Луч фокусировался на сердцевину волокна 100 кратным микроскопным объективом с числовой апертурой NA = 0,55.

Рис. 2.25. Геометрия фокусировки

Короткофокусный объектив (рис. 2.25) позволял получить размер пучка лазера на поверхности ОВ достаточно большим (2ω) по сравнению с размером фокальной перетяжки (2ω₀) в области сердцевины волоконного световода на расстоянии (z) от его поверхности, что давало возможность добиться максимальной плотности мощности только в сердцевине волокна (2z_r, где z _r – радиус ОВ), при этом не повреждая внешнее защитное акрилатное покрытие световода.

Радиус пучка на покрытии ω составил примерно 30 мкм, в то время как размеры фокального пятна в сердцевине волокна, измеренные с помощью микроскопа, составили 0,5 мкм × 1 мкм. В результате, интенсивность на защитном покрытии более чем в 1000 раз слабее, чем интенсивность излучения в фокусе, что предотвращает разрушение покрытия вследствие относительно малого порога разрушения полимерного покрытия.

На рисунке 2.26 продемонстрированы спектры отражения и пропускания решетки Брэгга длиной 4 мм, записанной через оболочку в стандартное одномодовое волокно.

Рис. 2.26. Спектры отражения и пропускания решетки Брэгга длиной 4 мм, записанной через оболочку в стандартное одномодовое волокно

Путем увеличения длины решетки можно увеличивать ее коэффициент отражения . Если учесть, что скорость записи решетки составляет примерно 1,07 мм/с, соответствующая резонансному отражению второго порядка на 1550 нм (1,07 мкм период решетки), то время записи варьируется от 4 до 26 секунд, для решеток от 4 до 26 мм.

Спектр пропускания решетки длиной 26 мм, записанной через оболочку в стандартное волокно показан на рисунке 2.27, демонстрирующем потери на пропускание порядка -50 дБ на резонансной длине волны.

Рис. 2.27. Спектр пропускания решетки длиной 26 мм, записанной через оболочку в стандартное волокно

Как уже было сказано выше, решетки, записанные через оболочку, демонстрируют большую механическую прочность. Для определения данной характеристики были сравнены две аналогичные решетки: одна, записанная в непокрытом волокне, другая – в покрытом, напрямую через оболочку. Решетки растягивались до их повреждения, в то время как спектры решеток отслеживались. Сдвиг длины волны, индуцированный возрастающим растяжением для решетки, в (a) непокрытым волокне, (б) покрытом волокне продемонстрирован на рисунке 2.28.

Рис. 2.28. Сдвиг длины волны, индуцированный возрастающим растяжением для решетки, в (a) непокрытым волокне, (б) покрытом волокне

Как видно из рисунка сдвиг длины волны до повреждения находится в диапазоне 9-13 нм для непокрытого волокна и 21-22 нм для покрытого волокна. Это демонстрирует, что решетки, записанные в покрытое волокно, более прочные, чем непокрытые решетки и могут выдерживать большее растяжение до выхода из строя.

В итоге, можно сделать вывод, что запись брэгговских дифракционных структур ИК фс излучением через оболочку является очень привлекательным методом индуцирования таких структур в волокно.

В работе [28] авторы продемонстрировали возможность записи ВБР в стандартное ОВ SMF-28, не подвергнутое никаким процедурам увеличения его фоточувствительности, через его защитную акрилатную оболочку ИК фемтосекундными импульсами методом ФМ. Схема записи, использованная авторами, представлена на рисунке 2.29.

Рис. 2.29. Схема записи ВБР через защитную оболочку методом ФМ

Как и в случае пошаговой записи ВБР без снятия с ОВ защитного полимерного покрытия, в данном варианте также сохраняются все преимущества данного метода. Кроме того здесь снимается необходимость прецизионной механической трансляции ОВ вдоль сфокусированного излучения.

В работах [29-31] по индуцированию решеток Брэгга в ОВ, также как и

в вышеуказанных, помимо всех прочих преимуществ, есть одно – самое важное: это возможность записи ВБР в ОВ без процедур увеличения их фоторефрактивности, вследствие задействования внутренних механизмов фоточувстительности в фемтосекундном диапазоне длительности лазерного импульса [32]. Однако, существенным недостатком данных работ является невозможность записи достаточно сильных решеток одиночным лазерным импульсом фемтосекундной длительности, вследствие относительно малой энергии такого одиночного импульса по сравнению с импульсами УФ эксимерных лазеров.

Познавательные статьи:



Психологические особенности спортивного соревнования

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Занятость населения и рынок труда

Социальный статус семьи и её типология