ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2013, том 114, № 1, с. 129-132
ФИЗИЧЕСКАЯ ОПТИКА
УДК 535.421
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ВОЛОКОННЫХ РЕШЕТОК БРЭГГА ТИПА II, ИНДУЦИРОВАННЫХ В ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЯЮЩЕМ ВОЛОКНЕ С ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ НАПРЯГАЮЩЕЙ ОБОЛОЧКОЙ © 2013 г. С. В. Варжель, В. В. Захаров, Г. Н. Виноградова, А. В. Вениаминов, В. Е. Стригалев
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, 197101 Санкт-Петербург, Россия Поступила в редакцию 31.05.2012 г.
Представлены результаты экспериментов по визуализации волоконных брэгговских решеток типа II, индуцированных в двулучепреломляющем оптическом волокне с эллиптической напрягающей оболочкой. Решетки записаны одиночным импульсом КгБ-эксимерного лазера методом фазовой маски. Изображения решеток получены в светлом поле и с использованием таких методов контрастирования, как дифференциальный интерференционный контраст и темное поле. Продемонстрировано, что одноимпульсная запись создает в оптическом волокне несколько решеток Брэгга типа II, пространственный период которых соответствует периоду фазовой маски. Микротрещины, образованием которых обусловлены решетки типа II, локализуются как на границах сердцевины волокна и окружающих ее оболочек, так и на некотором расстоянии от них.
БОТ: 10.7868/80030403413010261
ВВЕДЕНИЕ
Для визуализации волоконных брэгговских решеток (ВБР) используются как обычная (ши-рокопольная) [1, 2], так и конфокальная [3] микроскопия в проходящем свете, но наиболее качественные изображения решеток получены методом дифференциального интерференционного контраста (ДИК) с использованием лазерных источников света, который позволил наблюдать решетки как типа I, так и типа II [4—6].
Решетки типа II, образованные термоупругими напряжениями [7, 8], записываются при плотности энергии, близкой к порогу разрушения германо-силикатного стекла 1 Дж/см2 [9], и локализуются на границе раздела двух сред с разными показателями преломления [10]. Большинство опубликованных изображений ВБР относится к изотропным оптическим волокнам (ОВ) с обычной структурой, включающей сердцевину и окружающую ее оболочку. В работе [3] получены изображения ВБР, записанных в двулучепреломляющем ОВ типа "галстук-бабочка", также имеющем только одну границу раздела. В настоящей работе ВБР были записаны в волокнах более сложной конструкции, содержащих сердцевину, круговую изолирующую, эллиптическую напрягающую и круговую внешнюю оболочки и, таким образом, имеющих несколько границ между средами с разными показателями преломления. Поэтому внимание исследования было сосредоточено на локализации решеток Брэгга в волокне такого типа.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Двулучепреломляющее О В с эллиптической напрягающей оболочкой изготовлено по технологии, приведенной в работах [11, 12]. Для повышения фоточувствительности молярная концентрация диоксида германия GeO2 в сердцевине увеличена до 12% и 18% для разных ОВ, использованных в этой работе, по сравнению c 3% в телекоммуникационном ОВ SMF-28 и 4% в стандартном двулучепреломляющем ОВ с эллиптической напрягающей оболочкой. ВБР типа II были записаны на участке ОВ со снятым защитным покрытием одиночным импульсом KrF эксимерно-го лазера (248 нм) через фазовую маску (ФМ) с пространственным периодом 1065.3 нм. Схема записи представлена в работе [13]. Измеренная дифракционная эффективность ВБР составила более 99% при полной ширине спектра на полувысоте около 1 нм.
Для получения изображений брэгговских решеток типа II в двулучепреломляющих ОВ с эллиптической напрягающей оболочкой использован оптический микроскоп Zeiss Axio Imager.Z1 с планполуахроматическим объективом LD "Plan-Neofluar" 63х/0.75. Особенностями этого объектива, важными для настоящей работы, являются возможность его использования в различных методах контрастирования, большое рабочее расстояние и система исправления сферической аберрации, перестраиваемая по толщине покрывающего объект прозрачного слоя. Изображения решеток получены методами светлого поля, диф-
130
ВАРЖЕЛЬ и др.
2
Рис. 1. Схематическое изображение структуры ОВ, помещенного в иммерсию 1 между предметным 2 и покровным 3 стеклами: 4 — сердцевина, 5 — внутренняя изолирующая оболочка, 6 — эллиптическая напрягающая оболочка, 7 — внешняя оболочка волокна.
ференциального интерференционного контраста (ДИК) и темного поля в проходящем свете, при этом в качестве источников света использовались диодный лазер с длиной волны 405 нм и галогенная лампа накаливания. Все перечисленные методы контрастирования осуществлялись при одной установке объектива. Метод светлого поля позволяет наблюдать картину распределения коэффициента пропускания света объектом, метод ДИК делает видимой картину градиентов оптической длины пути в объекте, а при темнопольном освещении изображение создается лучами, рассеянными объектом.
Для минимизации влияния преломления света поверхностью волокна на получаемое изображение ОВ заключалось в глицериновую иммерсию между предметным и покровным стеклами (рис. 1).
РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 2 представлено изображение ВБР в двулучепреломляющем ОВ с 18% 0е02, полученное по аналогии с [4—6] методом ДИК с диодным лазером. Хорошо видны границы всего ОВ диаметром 120—125 мкм, а также границы между сердцевиной диаметром около 5 мкм и круговой оболочкой диаметром около 20 мкм, изолирующей сердцевину от борсодержащего стекла напрягающей зоны — эллиптической оболочки, границы которой видны хуже. Это объясняется тем, что напрягающая оболочка наряду с В2О3 легирована 0е02 для выравнивания значений показателя преломления оболочек, окружающих сердцевину.
На рисунке видны четыре периодические структуры (ВБР). Две из них локализованы на
4
3 2
3
4
4
1
Рис. 2. Изображение ВБР в ОВ с 18% 0е02, полученное методом ДИК в свете лазера с длиной волны 405 нм: 1 — внешняя граница волокна, 2 — сердцевина, 3 — граница между изолирующей и напрягающей оболочками, 4 — ВБР.
границе раздела 20-микронной оболочки и напрягающей оболочки и две симметричные относительно сердцевины ОВ, на расстоянии 7—8 мкм от этой границы. Наличие решетки в напрягающей оболочке может объясняться присутствием в ней 0е02, увеличивающим ее фоточувствительность к излучению с длиной волны 248 нм. Фоточувствительность 20-микронной оболочки может быть обусловлена наличием в ней как Б2, так и 0е02, который мог попасть в нее из сердцевины при вытяжке ОВ.
На рис. 3 показаны изображения ВБР в двулу-чепреломляющем ОВ с 12% 0е02, полученные методами ДИК, темного и светлого полей (слева направо) с лампой накаливания (верхний ряд) и диодным лазером (нижний ряд) в проходящем свете. Наблюдаемые периодические структуры расположены на границе сердцевины и 20-микронной оболочки ОВ и в ее окрестности.
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ВОЛОКОННЫХ РЕШЕТОК БРЭГГА ТИПА II
131
Рис. 3. Изображения ВБР в ОВ с 12% 0е02, полученные методами ДИК (а, г), темного (б, д) и светлого полей (в, е). Источники света — лампа накаливания (а, б, в) и диодный лазер (г, д, е).
Темным деталям решетки на изображении, полученном в светлом поле, соответствуют светлые, т.е. рассеивающие свет, детали на изображении, полученном методом темного поля. Примечательно, что образующая ВБР система микротрещин в ОВ столь сильно рассеивает свет, что хорошо видна на изображениях, полученных всеми использованными в этой работе методами, включая традиционную микроскопию светлого поля.
На изображении ВБР, полученном в светлом поле с лампой накаливания (рис. 4), четко видна периодическая структура в сердцевине ОВ. Так как диаметр сердцевины на снимке чуть более 3 мкм, можно утверждать, что микроскоп сфокусирован на край сердцевины. Следовательно, решетка локализована на границе сердцевины и 20-микронной оболочки.
Пространственный период всех наблюдаемых решеток составляет 1 мкм, что соответствует периоду ФМ, использованной для записи решеток. Это подтверждает, что записанные ВБР являются решетками типа II, так как решетки типа I имеют вдвое меньший период, чем у используемых для их записи ФМ [1].
Во всех рассмотренных в работе образцах ОВ с 12% 0е02 решетки расположены на границе сердцевины и 20-микронной оболочки или в непосредственной близости от нее, а для образцов с 18% 0е02 — на границе раздела 20-микронной оболочки и напрягающей оболочки и в ее окрестности. Вследствие различных условий вытяжки
_1
Рис. 4. Изображение ВБР в ОВ с 12% 0е02 в светлом поле с лампой накаливания: 1 — внешняя граница волокна, 2 — сердцевина, 3 — граница между изолирующей и напрягающей оболочками, 4 — ВБР.
132
BAPЖEЛЬ и др.
волокон двух исследованных типов германий мог перейти из сердцевины OB в окружающие оболочки в большей степени для волокна с 18% GeO2, увеличив их фоточувствительность к УФ излучению.
ЗAКЛЮЧEНИE
B настоящей работе представлены изображения BБP типа II, индуцированных в двулучепре-ломляющем OB с эллиптической напрягающей оболочкой. Pешетки видны на изображениях, полученных методами светлого и темного полей, а также дифференциального интерференционного контраста. Oдноимпульсная запись BБP типа II создает в OB несколько периодических структур, пространственный период которых соответствует периоду ФМ. Микротрещины, образованием которых обусловлены решетки типа II, локализуются как на границах между сердцевиной и 20-микронной оболочкой и между 20-микронной и напрягающей оболочками, так и вблизи этих границ.
СПИТОК ЛИTEPATУPЫ
1. Malo B., Johnson D.C., Bilodeau F., Albert J.,
HillK.O. // Opt. Lett. 1993. V 18. № 15. P. 1277-1279.
2. Liu H.Y., Liu H.B., Peng G.D., Chu P.L. // Opt. Commun.
2003. V. 220. P. 337-343.
3. Hill P.C., Atkins G.R., Canning J., Cox G.C., SceatsM.G. // Appl. Opt. 1995. V. 34. P. 7689-7694.
4. Dragomir N.M., Baxter G, Collins S.F., Farrell P.M., Stevenson A.J., Garchev D.D., Roberts A. // Trends in Optics and Photonics. 2002. V. 70. ThGG62.
5. Dragomir N.M., Rollinson C., Wade S.A., Stevenson A.J., Collins S.F., Baxter G.W., Farrell P.M., Roberts A. // Opt. Lett. 2003. V. 28. № 10. P. 789-791.
6. Kouskousis B., Dragomir N.M., Rollinson C.M., Wade S.A., Kitcher D.J., Collins S.F., Roberts
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.