Оптико-электронные измерительные системы на основе квази-распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков, страница 7

В связи с этим значительные усилия были предприняты в поисках 40 фоточувствительность германосиликатных световодов увеличивается с ростом концентрации диоксида германия в сердцевине. Обычно поглощение на 242 нм пропорционально концентрации германия с коэффициентом пропорциональности 10 - 40 дБ/(мм мол.% беО~), В настоящее время были исследованы световоды в широком диапазоне концентраций диоксида германия. В частности, было показано, что, начиная с 20 мол.% Ое02, в световодах возникает фоточувствительность типа Па, которая сохраняется и усиливается с дальнейшим ростом концентрации Сей. К числу химических элементов, увеличивающих фоточувствительность световодов при совместном легировании с германием, относятся бор, олово, азот, фосфор, сурьма.

В ряде работ исследовались ОВ, не содержащие германия, профиль ПП в них формировался легированием другими элементами. Несмотря на то, что был предложен целый ряд составов, обладающих повышенной фоточувствительностью, как правило, волоконные световоды на их основе сложны в изготовлении и, кроме того, имеют физические и волноводные характеристики, отличные от стандартных. Последнее обстоятельство часто приводит к дополнительным потерям на стыковку таких световодов со стандартными и некоторым другим сложностям при их использовании.

Поэтому значительный интерес представляет увеличение фоточувствительности уже изготовленных, в том числе стандартных световодов без значительного изменения их собственных характеристик. В настоящее время известно несколько типов фоточувствительности германосиликатных световодов. Эти типы проявляются при различных условиях облучения световодов и отличаются друг от друга по динамике записи, отжига и другим свойствам фотоиндуцированных решеток.

Решетки типа 1 При концентрации германия в сердцевине менее 20 мол.% (в том числе в стандартных телекоммуникационных свето водах) реализуется так 41 называемый тип 1, который характеризуется монотонным возрастанием наведенного ПП при увеличении экспозиции УФ облучения (рис. 1.9, кривая 1). Этот тип характеризуется степенной зависимостью наведенного ПП от дозы: Лл„„, — .О, причем показатель степени Ь, как правило, находится в ь диапазоне О.З - 0.5.

6 Г О 5 о о 5О 100 150 200 250 Экспозиция УФ облучения, кДж1см2 Рис. 1.9. Зависимости амплитуды модуляции наведенного показателя преломления для волоконно-оптических брэгговских решеток, записанных в световодах с концентрацией диоксида германия 12 иод.% (1) и 35 мол.% (2) ° 1 Решетки типа Па При получении брэгговских решеток в ОВ с высокой концентрацией германия (20 мол.% и более) после начального роста амплитуды модуляции наведенного ПП (коэффициента отражения) в первом порядке решетки ее величина снижается практически до нулевого значения, а затем возрастает вновь, в дальнейшем стремясь к насыщению (рис. 1.9, кривая 2).

Явление уменьшения индуцированного Пп при УФ облучении называют фоточувствительностью типа 11а, а решетки, которые получены в области второго возрастания коэффициента отражения, решетками типа 11а. 42 В таких решетках возможен как положительный, так и отрицательный наведенный показатель преломления. Решетки типа 1? Значительное изменение постоянной распространения моды сердцевины ОВ может быть реализовано путем его облучения лишь одним импульсом эксимерного лазера, если плотность энергии в импульсе около 1 Дж/см~. В результате воздействия такого мощного импульса возникает интенсивный прогрев сердцевины ОВ, сопровождающийся частичным плавлением граничной с сердцевиной области оболочки.

Решетки, записанные в таком режиме, принято называть решетками типа Ц, Недостатком решеток типа?1 Ф является то, что процесс записи весьма трудно контролировать, особенно если учесть, что энергия в импульсе эксимерного лазера, как правило, не слишком стабильна от импульса к импульсу. Кроме того, асимметрия наведенного изменения свойств стекла в области сердцевины приводит к эффективному возбуждению оболочечных мод, что сопровождается значительными потерями с коротковолновой стороны от основного резонанса. К этому стоит добавить, что при облучении ОВ столь большими плотностями оптической мощности (-10 Вт/см ) в ряде случаев происходит частичное повреждение 8 2 поверхности ОВ, что резко снижает его механическую прочность.

Эти обстоятельства не позволили широко использовать решетки типа ?1 для практических целей. Механизмы фотоиндуцированного изменения ПП в кварцевом стекле до ( сих пор недостаточно прояснены даже для наиболее изученных стекол, легированных диоксидом германия (беО~). Однако известно, что в спектре поглощения германосиликатного стекла доминируют две полосы с максимумами 242 и 330 нм, приписываемые синглет-синглетному и синглеттриплетному поглощению, Фотовозбуждение синглетной полосы осуществляется излучением КгР эксимерного лазера (248 нм), второй гармоники аргонового лазера (244, 257 нм), четвертой гармоники ЬЫ~+ХА0 43 лазера (2бб нм) или второй гармоники лазеров на красителях.

Эти источники излучения, как правило, и используются для записи волоконных решеток. Полоса триплетного поглощения на три порядка менее интенсивная, однако она также может быть использована для наведения значительного ПП (-2.10 "). Привлекательность записи решеток в полосу триплетного поглощения заключается в том, что при этом решетку можно записывать без очистки световода от защитного полимерного покрытия, которое является в значительной степени прозрачным в этом диапазоне спектра. В этой полосе может использоваться излучение Аг1 лазера Я=334 нм. В силу малого периода ВОБР (Л -0,5 мкм) их„как правило, формируют с использованием интерференционных методов.

Так как процесс получения необходимой решеточной структуры может длиться несколько десятков минут, изготовление качественной решетки возможно лишь при высокой стабильности интерференционной картины. Несмотря на то, что число предложенных схем изготовления ВОБР довольно велико, можно выделить ряд основных принципов их организации. В первом интерферометре, который использовался для получения брэгговских решеток (25) (рис.

1,10а), использовалось амплитудное разделение исходного УФ пучка с помощью светоделительной пластины. ® Пучки затем сводились в области расположения облучаемого световода под определенным углом а друг к другу. Этот угол задает период интерференционной картины и, следовательно, период ВОБР. Рис. 1.)а. Схемы получена» мшсконио ипмческих брэгюаских рашели в шшрфер е ра с)разде ниемну квУФ-и у ена ио туд (в) фршпу (б) Чшто ллз полумниа БОБР испслыуют инзерферомегры с прсстрыютюнным разделением пучш, котОрые имеют меньшее количеспю оптических элементов и, следоиательно, бошгеую временную стабильнссп Такой интерферсметр макет быль шпдан, например, с ишгсльюванием дюшатраческого зернвла, которое делит фронт пучка на дш равные части (инюрферометр Ллойда, рис, )лдб).

Перестройка угла и в )ампом пчучю осущеспишетсв лукич поворота юркша нместа с закрепленним ив ием ° светшюдсм, что зла дпельнс проще в ~равнении с тем, как это делеетс» в натерферсметре, юображеннсм на рис. 1.1ба. Оп стим, чю пилиндрическ;ш линза, используемаа а обеих схемах, представленных на рис.

1.10, служит длл (ювуснровки юЕчешш иа волоконный свеювод (в ряде сдучаев на его сердиевину), чю, хек правила, необкодима ллк уюлнченил плопюсти у ршлу'мнн» арн получении брэггавских решеток. Ушзаниые типы интерферомегров сбладмот гибшштьш в выборе аврамы)юв (перхал, длина) иэппавлизшемых решеток, озшако требуют высокой Шхютрансгвеннай и временной «огереитности иаюлюуемшо излучения. Получение ВОБР при помощи фазовой маски (рис.

1.11) значительно снижает требования к когерентности УФ излучения, поэтому часто применяется с использованием недорогих эксимерных лазеров. В этом методе реализуется интерференция между первым и минус первым дифракционными порядками излучения, прошедшего через фазовую маску. Маска, как правило, изготавливается из прозрачного в ультрафиолетовой части спектра кварцевого стекла и имеет определенный рельеф обращенной к ОВ поверхности. Рельеф выполнен таким образом, чтобы подавить нулевой и другие порядки дифракции, кроме первого и минус первого, и обеспечить тем самым высокий контраст интерференционной картины. Отметим, что изготавливаемые в настоящее время фазовые маски позволяют записывать структуры ВОБР, имеющие переменные по длине период и амплитуду модуляции ПП.