Создание метода и оптического комплекса для записи массивов высокоэффективных волоконных решеток Брэгга Грибаев Алексей Иванович

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Квази-распределенные массивы волоконных брэгговских решеток активно применяются в составе измерительных комплексов для мониторинга в реальном времени напряжения в конструкционных элементах, состояния объектов инфраструктуры, дамб, мостов, башен, тоннелей, температуры в нефтегазовых скважинах, а также во многих других высокотехнологических сферах деятельности человека. К достоинствам таких комплексов можно отнести их компактные размеры и малый вес, низкую чувствительность к электромагнитным помехам, возможность мультиплексирования большого числа чувствительных элементов в одном оптическом волокне, а также полную взрыво- и пожаробезопасность благодаря отсутствию токоведущих частей. Такие системы мониторинга в реальном времени широко востребованы при разработке устройств, предназначенных для работы в экстремальных условиях окружающей среды и труднодоступных местах.

Используемые на сегодняшний день методы записи массивов волоконных решеток Брэгга имеют существенные ограничения по достижению высокой отражательной способности и точности длины волны отражения брэгговских резонансов записываемых массивов решеток, что сужает диапазон их применения. Метод записи массивов волоконных решеток Брэгга, реализованный в процессе вытяжки оптического волокна, является самым технологичным, однако имеет следующие недостатки: отсутствие возможности контроля параметров отдельных решеток Брэгга в процессе записи, существенное ограничение спектральных характеристик решеток, дороговизна технологии и использование оптического волокна с повышенной концентрацией диоксида германия (GeO₂).

Совершенствование и оптимизация технологий по записи массивов волоконных решеток Брэгга расширяет возможности применения распределенных решеток при разработке волоконно-оптических приборов и систем.

Таким образом, исследования, связанные с созданием оптического комплекса и метода записи массивов волоконных решеток Брэгга, являются актуальными.

Целью настоящей работы является создание оптического комплекса для записи массивов высокоэффективных решеток Брэгга в широком спектральном диапазоне и метода записи для обеспечения высокой точности периода интерференционной картины и дифракционной эффективности.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи: - Анализ существующих интерферометрических методов записи волоконных решёток Брэгга;

Расчёт геометрических параметров для построения интерферометра Тальбота и выбора его оптических и подвижных элементов;

Исследование параметров лазерного излучения KrF эксимерной лазерной системы;

Создание и исследование оптической схемы комплекса для записи волоконных решеток Брэгга интерферометрическим методом;

Оптимизация оптического комплекса для повышения эффективности записи волоконных решеток Брэгга путем контроля положения оптического волокна и параметров лазерного излучения в реальном времени;

- Разработка метода записи массивов высокоэффективных решеток Брэгга на едином
участке оптического волокна с сохранением прочности световода и обеспечением
высокой точности длин волн отражения брэгговского резонанса.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней:

1. Впервые представлена методика юстировки интерферометра Тальбота, заключающаяся в сравнении записываемых в нём волоконных решеток Брэгга с решётками, записанными методом фазовой маски с фиксированным периодом, которая позволяет настраивать плоскопараллельное положение зеркал интерферометра с точностью до 10 угловых секунд.

2. Впервые предложен метод записи массивов волоконных решеток Брэгга типа I на едином отрезке одномодового стандартного телекоммуникационного оптического волокна с точностью выставления длины волны отражения каждой отдельной дифракционной структуры не менее 50 пм и коэффициентами отражения равными 98±1 %, использующий результаты предварительной записи решеток с малой дифракционной эффективностью для расчета корректирующего угла поворота зеркал.

3. Впервые одним 17 нс лазерным импульсом записана волоконная решетка Брэгга типа I с коэффициентом отражения около 71% c помощью интерферометра Тальбота, имеющая ширину спектра отражения на полувысоте 0,08 нм.

4. Впервые в оптический комплекс для записи волоконных решеток Брэгга интерферометрическим методом внедрена система оперативного контроля параметров лазерного излучения, таких как ширина спектральной линии, распределение энергии в лазерном пучке, энергия в пучке, положение оптического волокна относительно лазерного пучка, позволяющая с высокой стабильностью и повторяемостью записывать волоконные решетки Брэгга в течение длительных интервалов времени.

Практическое значение работы состоит в следующем:

1. Представлен метод записи массивов волоконных решеток Брэгга типа I на едином

отрезке одномодового стандартного телекоммуникационного оптического волокна с

точностью выставления длины волны отражения каждой отдельной дифракционной решетки не менее 50 пм и коэффициентами отражения близкими к 100%.

2. Получены экспериментальные результаты влияния водородной обработки двулучепреломляющих оптических волокон с эллиптичной напрягающей оболочкой на параметры записываемых волоконных решеток Брэгга.

3. Определены параметры лазерного излучения, требующие оперативного контроля, и реализованы системы для обеспечения контроля этих параметров в процессе записи волоконных брэгговских решеток.

4. Предложен оптимальный режим записи волоконных решёток Брэгга через разработанное фторполимерное УФ прозрачное защитное покрытие, который сохраняет целостность защитной оболочки и механическую прочность световода.

Защищаемые положения:

1. Предложенная и реализованная методика записи спектрально мультиплексированного высокоточного массива волоконных решеток Брэгга типа I в интерферометре Тальбота в многоимпульсном режиме, заключающаяся в анализе и корректировке периода интерференционной картины по результатам предварительной записи слабо-отражающей решетки, позволяет достигать точности выставления длины волны отражения каждой отдельной дифракционной решетки не менее 50 пм и коэффициента отражения близкого к 100%.

2. Предложенное и исследованное УФ прозрачное защитное покрытие, представляющее собой фторполимерный состав, нанесенный 10 мкм слоем на кварцевую часть германо-силикатного световода, позволяет без его удаления и, соответственно, нарушения целостности оптического волокна, индуцировать волоконные решетки Брэгга с дифракционной эффективностью до величины близкой к 100% в многоимпульсном режиме и обеспечить прочность на растяжение до 3,0 ± 0,17 ГПа при покрытии оптического волокна, диаметр кварцевой оболочки которого равен 125 мкм, стандартным акрилатом поверх фторполимерного слоя до 250 мкм.

Личный вклад автора. Все приведенные в диссертации результаты исследований, составляющие ее научную новизну и выносимые на защиту, получены автором лично, либо при его непосредственном участии.

Достоверность полученных результатов подтверждается их

воспроизводимостью, согласованностью с известными теоретическими и

экспериментальными данными, использованием обоснованных и апробированных физических методов, а также опубликованием основных результатов работы в журналах из перечня ВАК и цитируемых в базах данных Scopus и Web of Science.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции «Fundamentals of Laser Assisted Micro and Nanotechnologies» (FLAMN) (Пушкин, Россия, 2013, 2016); на XII международной конференции «Прикладная оптика – 2016» (Санкт-Петербург, Россия, 2016); на II – III международной научно-практической конференции «Sensorica» (Санкт-Петербург, Россия, 2014, 2015); на II – VII Всероссийских конгрессах молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2013-2018); на VIII, IX, X международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика» (Санкт-Петербург, Россия, 2013, 2015, 2017); на XLIII, XLIV, XLV, XLVI научных и учебно-методических конференциях Университета ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2014-2017).

Победитель конкурсов грантов для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга в 2015, 2016 и 2017 годах, проводимых Комитетом по науке и высшей школе.

Внедрение результатов.

Результаты настоящего исследования используются при изготовлении

чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков, разрабатываемых на кафедре Световодной фотоники Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, а также легли в основу совместных работ по созданию тензометров и датчиков акустической эмиссии на брэгговских решетках, выполняемых совместно с ООО НИЦ "ИРТ".

Публикации.

Основное содержание диссертации опубликовано в 9 статьях в журналах, входящих в список ВАК (из них 4, индексируемые базами цитирования Scopus и Web of Science). Полный список публикаций по теме диссертации составляет 20 наименований. По результатам диссертационного исследования оформлен 1 патент, получена справка о приоритете.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 100 рисунков и 10 таблиц, список использованной в работе литературы представлен 91 наименованием.