НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2004, том 40, № 11, с. 1395-1399
УДК 666.11.01
НАЧАЛЬНЫЕ И РАДНАЦИОННО НАВЕДЕННЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ С СЕРДЦЕВИНОЙ ИЗ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА
© 2004 г. А. Ф. Косолапое, И. В. Николин, А. Л. Томашук, С. Л. Семенов, М. О. Забежайлов
Научный центр волоконной оптики при Институте общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва Поступила в редакцию 29.04.2004 г.
Проанализированы спектры начальных и наведенных у-излучением оптических потерь в трех микроструктурированных многомодовых волоконных световодах с сердцевиной из кварцевого стекла КУ-1. Экспериментально установлено, что в таких световодах потери на вытекание исключаются при наличии двух слоев отверстий в оболочке и при малой толщине стеклянных перемычек между отверстиями. Установлено, что в спектре радиационно наведенных потерь присутствует достаточно интенсивная полоса поглощения при 630 нм, связанная с немостиковыми атомами кислорода. Обсужден механизм образования предшественников этого центра окраски и возможные технологические пути его подавления.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы активно разрабатываются и исследуются так называемые микроструктурированные волоконные световоды. Известны различные типы таких световодов [1].
Интерес к радиационно-наведенным оптическим потерям в таких световодах обусловлен рядом перспективных применений волоконной оптики в атомной энергетике. Это, к примеру, оптическая диагностика плазмы в термоядерных реакторах [2] и передача изображения от недоступных частей ядерных установок [3]. Для таких применений необходимо обеспечить достаточную прозрачность световода в видимой спектральной области в условиях воздействия на световод ядерного излучения.
При исследовании радиационной стойкости световодов было установлено, что предшественники радиационно наведенного немостикового кислорода (РННК) - основного источника радиа-ционно-наведенного поглощения света в видимом спектральном диапазоне [4] - возникают в процессе изготовления заготовки [5], который состоит в нанесении фторсиликатной светоотражающей оболочки на стержень из кварцевого стекла в плазме атмосферного давления (POD-процесс) [6]. В связи с этим световоды, не имеющие фторсиликатной светоотражающей оболочки и вытянутые с нанесением полимерного светоотражающего покрытия, имеют многократно меньшую концентрацию РННК, чем световоды, полученные по технологии POD [5].
При изготовлении заготовок микроструктурированных световодов фторсиликатная светоотражающая оболочка не наносится, поэтому можно ожидать значительно меньшей концентрации РННК, чем в световодах, полученных по методу POD.
В микроструктурированных световодах, исследованных в данной работе, удержание света в сердцевине из нелегированного кварцевого стекла обусловлено наличием продольных отверстий в оболочке, заполненных воздухом, которая также выполнена из нелегированного кварцевого стекла (рис. 1). Из-за отверстий эффективный показатель преломления оболочки меньше, чем показатель преломления сердцевины.
В настоящей работе исследованы спектры начальных и радиационно-наведенных оптических потерь в микроструктурированных световодах с целью оптимизации структуры их поперечного сечения.
Известна только одна работа по радиационной стойкости микроструктурированных световодов [7], в которой была исследована динамика роста наведенного поглощения на длине волны 1.55 мкм в процессе у-облучения световода. В данной работе впервые изучено радиационно-наведенное поглощение в широкой спектральной области 400-900 нм.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Были изготовлены три образца микроструктурированных световодов (рис. 1) из стержней из кварцевого стекла КУ-1 (концентрация примеси гидроксида —800 ppm, хлора —80 ppm). При изготовлении заготовки образца 1 специально при-
1395
8*
20 кВ х 700 20 мкм
Рис. 1. Поперечные сечения микроструктурированных световодов 1 (а) и 2 (б), полученные при помощи электронного микроскопа.
готовленный стержень из стекла КУ-1 вставляли в трубу из кварцевого стекла БиршвИ Б-300 фирмы Иегаеш (Германия) и сплавляли с ней (рис. 1а). Это стекло отличается низкой концентрацией ги-дроксида (~0.2 ррт) и высокой концентрацией хлора (1200 ррт). Толщина стеклянных перемычек между полостями у образца 1 составила 140 нм. Образцы 2 и 3 (рис. 16) были вытянуты из одной заготовки и отличались только толщиной перемычек между отверстиями (~760 нм у образца 2 и ~650 нм у образца 3), которая определялась технологическими режимами вытяжки. Наружная трубка на заготовку световодов 2 и 3 не "нахлопывалась". Все три световода были многомодо-выми.
После измерения спектров начальных оптических потерь световоды облучались у-излучением от источника 60Со. С целью сравнения радиацион-
но-наведенного поглощения с микроструктурированными световодами в тех же условиях (доза, мощность дозы и температура) одновременно облучали световод с сердцевиной из стекла КУ-1, полученный по технологии POD. Этот световод имел сердцевину диаметром 100 мкм и фторсили-катную светоотражающую оболочку толщиной 12 мкм. После завершения облучения снимали спектры оптических потерь и путем вычитания спектров начальных потерь строили спектры ра-диационно-наведенных потерь.
В первом эксперименте одновременно облучали микроструктурированный световод 1 и световод, полученный по технологии POD. Доза облучения составляла 0.94 МГр при мощности дозы 2.04 Гр/c. Оптические потери измеряли через 1 сутки после завершения облучения. Во втором эксперименте одновременно облучали световоды 2, 3 и световод, полученный по технологии POD. В этом случае доза составила 1.31 МГр при мощности дозы 2.63 Гр/с. Измерения проводили через 4-5 ч после завершения облучения. В обоих случаях облучение осуществляли при комнатной температуре.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Спектры начальных оптических потерь в исследованных световодах представлены на рис. 2. Потери в образце 1 заметно превышают потери в световоде, полученном по технологии POD, что обусловлено вытеканием света через перемычки. На это указывает тот факт, что потери растут как с уменьшением длины волны (длина волны приближается к поперечному размеру перемычки), так и с ее увеличением (это особенно заметно в области 1500-1600 нм), когда увеличивается глубина проникновения "хвостов" полей мод из сердцевины в перемычки. Отметим также две полосы неизвестной природы в спектре потерь образца 1 на длинах волн 410 и 690 нм (полосы вблизи 730, 880, 950, 1120, 1270 и 1370 нм обусловлены обертонами колебаний гидроксильных групп [8]).
В световодах 2 и 3 потери заметно меньше, чем в световоде 1. В световоде 3 практически отсутствуют потери, связанные с вытеканием света. Более того, в области длин волн более 1600 нм, где у световода, изготовленного по технологии POD, проявляются потери, связанные с проникновением полей мод через оболочку в материал полимерного покрытия, у микроструктурированного световода 3 (как и у световода 2) потери меньше. Таким образом, наличие второго слоя отверстий в оболочке микроструктурированного световода (рис. 16), блокирующего вытекание света через перемычки, при толщине перемычек ~650 нм практически сводит к нулю потери на вытекание света как в коротковолновой, так и в длинноволновой областях. Отметим, что присутствие по-
(а)
Оптические потери, дБ/км v
103 г
102 г
101,
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Длина волны, нм
Рис. 2. Спектры начальных оптических потерь в световодах 1-3 и световоде, полученном по технологии POD.
Наведенные потери, дБ/км 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
400 500 600 700 800 900
Длина волны, нм
Рис. 3. Наведенные оптические потери в световоде 1 и в световоде, полученном по технологии POD, измеренные через 1 сут после у-облучения до дозы 0.94 МГр при мощности дозы 2.04 Гр/с.
терь на вытекание у световода 2, вытянутого из той же заготовки, что и световод 3, обусловлено, по нашему мнению, несколько большей толщиной перемычек.
У световодов 2 и 3 наблюдается полоса поглощения на 630 нм, связанная с немостиковыми атомами кислорода, образовавшимися в сетке стекла в процессе вытяжки (рис. 2). Появление этого центра окраски может свидетельствовать о чрезмерно высокой скорости остывания световода в процессе вытяжки. Тот факт, что вероятность появления и концентрация немостиковых атомов кислорода увеличиваются с ростом скорости остывания световода, был ранее установлен экспериментально на световодах со стеклянной светоотражающей оболочкой и сердцевиной с высоким содержанием гидроксида [9]. Скорость остывания определяется скоростью вытяжки и удельной массой световода (приведенной на единицу длины) [9]. Микроструктурированные световоды 2 и 3 отличались малой удельной массой - в ~2 раз меньшей, чем у сплошных стандартных световодов с диаметром стеклянной оболочки 125 мкм (см. рис. 16). Поэтому при нормальных режимах вытяжки сердцевина микроструктурированных световодов 2 и 3 остывала быстрее, чем в случаях стандартных световодов и микроструктурированного световода 1, удельная масса которого заметно больше.
На рис. 3 и 4 приведены спектры радиационно-наведенных потерь в исследованных световодах. Форма спектра наведенных потерь в световоде 1 (рис. 3) определяется радиационными центрами окраски (РЦО), связанными с хлором [10]. Эти РЦО проявляются в виде спадающего с дли-
ной волны поглощения, максимум которого лежит в УФ-области. Возникновение РЦО, связанных с хлором, объясняется использованием трубы с высоким соджержанием хлора (см. выше). Интенсивность полосы поглощения РННК у световода 1 при этом в три раза меньше, чем у световода, полученного по методу POD. Сравнение спектра наведенных потерь световода 1 с данными [4, 11] дает основания предположить, что одним из основных факторов, приведших к появлению РННК в световоде 1, также является присут-
Наведенные потери, дБ/км 8000
6000 -
4000 -
2000 -
0-,
400
500 600 700 800 900 Длина волны, нм
Рис. 4. Наведенные оптические потери в световодах 2 и 3 и в световоде, полученном по технологии POD, измеренные через 4-5 ч после у-облучения до дозы 1.31 МГр при м
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.