Диссертация (1104775), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Эти факторы привлекли внимание многих исследователей к проблеме создания и использования фтороиндиевых волокон [9; 19; 20]. Как результат,на сегодняшний день существуют коммерческие волокна со ступенчатым профилем показателя преломления, имеющие в среднем ИК (5 мкм) потери, на порядокменьшие, чем у ZBLAN [21].Другим материалом для волокон, предназначенных для работы в среднемИК диапазоне, являются теллуритовые стёкла. Они известны с середины 20 века[22], однако их оптические свойства были исследованы только в начале 90х годов.Несмотря на то, что существует множество различных составов стекла, далеко невсе из них пригодны для вытягивания волокон в силу термической стабильности.Типичный состав теллуритовых волокон представляет собой 70-80 молярных процентов оксида теллура как основы стекла и 20-30% модификаторов стекла илипромежуточных оксидов, например, ZnO, W O3 , Li2 O, N a2 O.
Большинство используемых составов – тернарные или кватернарные. Также можно выделить двеосновые группы стёкол: T eO2 − ZnO − R2 O и T eO2 − W O3 − R2 O, где R может быть Li, Na или K. Одним из основных параметров при подборе компонентовявляется прозрачность стекла на больших длинах волн. Модификаторы и промежуточные оксиды обычно выбираются так, чтобы энергия их фононов была ниже,16чем энергия фононов T eO2 .
Например, добавление к стеклу W O3 , несмотря на егоположительное влияние на нелинейность, сдвигает границу многофононного поглощения в более коротковолновую сторону, в результате чего он присутствуетв не слишком большом количестве стёкол. Другим источником поглощения являются -OH группы, попадающие в стекло из атмосферы при изготовлении. Онивызывают широкие и мощные пики поглощения на 3.3 и 4.4 мкм. Для уменьшенияих влияния используются стёкла, содержащие BaO, Li2 O, Bi2 O3 вместо N a2 O иZnO [23].
Другим способом избавиться от загрязнения гидроксильными группами является добавление в стекло галогенидов, например, ZnF2 , P bF2 или BaCl2[23; 24]. Этот способ, однако, имеет свой недостаток - добавление ионов фтораприводит к уменьшению температурной стабильности стекла.Большинство выполненных на текущий момент исследований проводилосьс использованием теллуритовых волокон с подвешенной сердцевиной, конфигурации волокна, при которой сердцевина с большим показателем преломленияокружена продольными полостями (обычно тремя), заполненными воздухом. Втаком случае сердцевина удерживается перемычками в несколько сотен нанометров шириной и несколько микрон длиной [24; 25].
Преимуществами этой геометрии являются высокая степень удержания света, небольшая сердцевина, приводящая с малой площади моды и высокому нелинейному коэффициенту, возможность управления дисперсией за счёт изменения размера полостей и диаметра сердцевины, малая нелинейная длина и относительная простота изготовления.Основные её недостатки – малый размер сердцевины, приводящий к сложностипри заведении света в волокно (средняя эффективность составляет 10-30% [24]) инеопределённость в размере полостей, приводящая к неопределённости в дисперсии волокна.
Помимо этого, такие волокна более подвержены эффекту старения[26]. Наконец, за счёт того, что световое поле распространяется в воздушные полости, оно подвержено поглощению в воде и других компонентах атмосферы [27].Эти проблемы решаются с помощью других геометрий волокна. Перетянутое волокно позволяет завести свет в широкую сердцевину, которая затем сужается до размеров, позволяющих генерацию сверхшироких спектров [25]. Фотоннокристаллические волокна позволяют в широких пределах изменять как дисперсию, так и волноводные потери волокна. Спектр шириной от 0.8 до 2.5 мкм былполучен с помощью волокна диаметром 2.7 мкм [28], однако для увеличения выходной мощности более практичным выглядит использование волокон с большейплощадью моды, так как его порог пробоя по мощности будет заметно выше.
В17качестве примера, сверхширокий спектр от 0.9 до 2.5 мкм, с выходной мощностью 6 мВт был получен в волокне длиной 9 см с площадью моды 3000 мкм2 [29].Волокна со ступенчатым профилем показателя преломления позволяют получатьпреимущество малого диаметра сердцевины без недостатков, вносимых воздушными полостями.
В частности, для получения широкого спектра в ИК диапазонеиспользовались трёхслойные волокна «типа W» - показатель преломления среднего слоя меньше, чем показатель преломления внешнего слоя и сердцевины [30;31]. Эффективность заведения света всё ещё невелика, хотя это может быть решено с помощью использования перетянутых волокон.
Используются и гибридныесхемы, например, сочетающие ступенчатый показатель преломления с геометрией микроструктурированного волокна [32] или использующие в качестве материала допированное теллуритовое стекло [33].Третий распространённый вид материалов, используемых в среднем ИК халькогенидные стёкла. Их исследование началось в середине 20 века [34]. Первые волокна, изготовленные из этого типа материала, были продемонстрированыв 1965 [35].
Халькогениды - элементы VI группы таблицы Менделеева, сера (S),селен (Se) и теллур (Te). Халькогенидные стёкла прозрачны на огромном диапазоне длин волн, простирающимся в дальний ИК, и хорошо вытягиваются в волокна. Типичные коммерческие халькогенидные волокна основаны на As-S(Se),Ge-As-Se(Te), As-Se-Te, Ga-La-S и Ge-Sb-Se. Миллиметровой толщины образцыхалькогенидных стёкол, основанных на S, Se и Te, имеют диапазоны прозрачности 0.5-12 мкм, 1-16 мкм и 1.5-20 мкм, соответственно. Халькогенидные стёкла,таким образом, имеют наиболее широкий диапазон пропускания из всех материалов для среднего ИК.
В дополнение к прозрачности в ИК, эти стёкла имеют наибольшие показатели преломления третьего порядка из всех оптических стёкол. Врезультате халькогенидные стёкла становятся идеальными кандадатами для нелинейных волокон для среднего ИК диапазона, в которых достаточно сверхнизкихмощностей и малых длин волокна для наблюдения нелинейных эффектов. Онитакже предоставляют наибольшие возможности по оптимизации оптических параметров под конкретную задачу путём изменения состава.
Например, показательпреломления халькогенидного стекла может меняться от 2.1 до 3.5 в среднем ИК взависимости от состава, что позволяет создавать твердотельные микроструктурированные волокна и волокна со ступенчатым профилем с контрастом показателейпреломления, недостижимым в волокнах из плавленого кварца [36—40].18В отличие от сплошных сред, в волокнах спектральный профиль дисперсииформируется из двух частей: материальной и волноводной.
Первая, так же, как ив сплошных средах, определяется только использованным при производстве волновода веществом. Вторая определяется структурой волокна, и является одним изосновных факторов, делающих оптические волокна столь привлекательными длябольшого количества задач.В случае цилиндрических волокон со ступенчатым профилем показателяпреломления в волокне существует сравнительно малое число параметров, определяющих его дисперсионный профиль. Во-первых, это материалы оболочки исердцевины, определяющие соответствующие показатели{ преломления.Очень}2nчасто вводится т.н. параметр высоты профиля [41], ∆ = 12 1 − n2cl , где ncl и ncoco– показатели преломления оболочки и сердцевины, соответственно.
Во-вторых,это диаметр сердцевины. Размер оболочки обычно считается много большим, чемразмер сердцевины. Кроме дисперсионного профиля, диаметр оболочки определяет количество мод, которые могут существовать в волноводе. В подобных волокнах волноводный вклад в дисперсию сравнительно мал относительно материального, и становится заметным только в районе длины волны нулевой дисперсии;основной эффект выражается в её смещении в сторону более длинных волн.Гораздо больше степеней свободы обеспечивают микроструктурированные,в частности, фотонно-кристаллические волокна. В случае одного из простейшихвариантов геометрии поперечного сечения, гексагонально расположенных параллельных оси волокна цилиндрических полостей, заполненных воздухом, их четыре: диаметр сердцевины, диаметр полостей, расстояние между полостями и материал волокна.
Появление дополнительной степени свободы по сравнению с волокнами со ступенчатым профилем показателя преломления позволяет радикально увеличить возможности по формированию дисперсионного профиля. Например, становится сравнительно легко получать волокна с длиной волны нулевойдисперсии, смещённой в сторону более коротких волн. Кроме того, для микроструктурированных волокон существует возможность увеличить количество параметров, позволяющих формировать дисперсионный профиль. Полости могутбыть заполнены не только воздухом, но и другими газами, жидкостями или твёрдыми телами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
