Одномодовые световоды из кристаллов галогенидов серебра для среднего инфракрасного диапазона

ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Получение одномодовых световодов для среднего инфракрасного диапазона из галогенидов серебра с низкими оптическими потерями затруднено из-за значительного рассеяння на неидеальной границе раздела сердцевины и оболочки волокна н образования поглощающих коллоидов серебра на границе раздела, а также отсутствия технологии выращивания кристаллов с гарантированной маленькой разницей в составах… Читать ещё >

Содержание

ГЛАВА 1. МНОГОМОДОВЫЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА
- 1. 1. Экструзия кристаллических волокон
- 1. 2. Анализ механизмов возникновения потерь в кристаллическом волокне
  - 1. 2. 1. Фундаментальные потери в кристаллическом волокне
  - 1. 2. 2. Фактические потери в кристаллических волокнах
- 1. 3. Характеристики многомодовых световодов
- 1. 4. Применение кристаллических световодов
  - 1. 4. 1. Спектроскопический химический анализ
  - 1. 4. 2. Дистанционное измерение температуры
  - 1. 4. 3. Передача лазерного излучения
ГЛАВА 2. ОДНОМОДОВЫЕ СТУПЕНЧАТЫЕ ВОЛОКНА ИЗ ГАЛОГЕНИДОВ СЕРЕБРА
- 2. 1. Экспериментальное исследование одномодовых световодов со ступенчатым профилем показателя преломления
- 2. 2. Дисперсия в одномодовом кристаллическом волокне
  - 2. 2. 1. Материальная дисперсия
  - 2. 2. 2. Волноводная дисперсия
- 2. 3. Выводы
ГЛАВА 3. МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ ВОЛОКНА ИЗ ГАЛОГЕНИДОВ СЕРЕБРА
- 3. 1. микроструктурированные волокна на основе кварцевого стекла
  - 3. 1. 1. Микроструктуриросанные волокна с неполной фотонной запрещенной зоной
  - 3. 1. 2. Микроструктурированные волокна с полной фотонной запрегценной зоной
  - 3. 1. 3. Некварцевые фотонно-кристаллические волокна
  - 3. 1. 4. Масштабирование численных решений для микроструктурировапного волокна
- 3. 2. Изготовление микроструктурированного волокна из кристаллов галогепидов серебра
- 3. 3. Численное моделирование структуры волокна
- 3. 4. Микроструктурированное волокно с двумя кольцами вставок
  - 3. 4. 1. Численное моделирование
  - 3. 4. 2. Экспериментальное исследование характеристик
  - 3. 4. 3. Дополнительные потери второй моды
- 3. 5. Микроструктурированное волокно с одним кольцом вставок
  - 3. 5. 1. Численное моделирование
  - 3. 5. 2. Экспериментальное исследование характеристик
- 3. 6. Дисперсия в микроструктурированном волокне
- 3. 7. Выводы

Одномодовые световоды из кристаллов галогенидов серебра для среднего инфракрасного диапазона (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Актуальность. Оптические волокна из кристаллов галогенидов серебра AgClxBrl. x (0<х<1) долгое время являются объектом научных исследований, поскольку относительно просто могут быть изготовлены методом экструзии кристаллов галогенидов серебра ввиду их пластичности и способности к деформации при небольшой температуре (200°С). Эти волокна привлекательны для многих применений в оптической диагностике и передачи лазерного излучения, поскольку нетоксичны и имеют окно прозрачности во всем среднем инфракрасном спектральном диапазоне (3 — 20 мкм). Расчетные потери материала на пропускание низкие (~1−10дБ/км), однако фактические наблюдаемые потери в кристаллических световодах превышают теоретические на 3 — 4 порядка, что связано с рассеянием излучения в объеме волокна. В связи с этим кристаллические световоды изготовлялись только многомодовыми с потерями от 0,1 дБ/м (для 10.6 мкм), и их использовали в спектроскопических исследований для передачи излучения на расстояния 1−3 м.

Очень актуальной является проблема создания одномодовых световодов для среднего инфракрасного диапазона. Одномодовые световоды могут использоваться для передачи излучения лазеров (С02 и квантово-каскадных), а также для создания нелинейных волоконно-оптических приборов, работающих в этом диапазоне.

Получение одномодовых световодов со ступенчатым профилем показателя преломления и микроструктурированных световодов с низкими потерями (менее 2 дБ/м) открывает новые возможности для применения волокна в среднем инфракрасном диапазоне.

Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является поиск путей оптимизации параметров структуры, состава материалов и технологии получения одномодовых ступенчатых и микроструктурированных волокон на основе кристаллов твердых растворов галогенидов серебра и исследование их физических свойств с целью перспективного использования данных световодов для передачи лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона (3−15 мкм), в частности мощного излучения СО? лазера.

Для достижения заявленной цели было необходимо:

1. Численно промоделировать характеристики распространения излучения в микростуруктурированном волокне с различными параметрами его структуры. Выявить зависимости теоретических потерь первой и высших мод от параметров структуры волокна.

2. Создать экспериментальную установку и провести измерения характеристик режима распространения излучения С02 лазера в одномодовых ступенчатых и микроструктурированных кристаллических волокнах, в том числе распределения интенсивности излучения в ближней и дальней зонах, потерь на рассеяние и индуцированных потерь при изгибе волокна.

3. Проанализировать полученные результаты и дать предложения по использованию одномодового волокна из галогенидов серебра для создания оптических устройств, работающих в среднем инфракрасном диапазоне.

Научная новизна. В работе было впервые получено одномодовое ступенчатое волокно для длины волны 10.6 мкм с потерями 1.8 дБ/м, которые значительно ниже полученных ранее [1, 2] (15−30 дБ/м). В ходе работы были 4 численно промоделированы параметры распространения излучения с длиной волны 10.6 мкм (теоретические потери на вытекание, диаметр поля моды и дисперсия) в микроструктурированных волокнах на основе галогенидов серебра при различных параметрах структуры волокна (расстоянии между центрами вставок, диаметре вставок, разнице с составах материала для вставок и основного объема волокна). Моделирование было выполнено с использованием программы MatLab и Femlab 3.1 методом конечных элементов (FEM). Впервые получено одномодовое микроструктурировнное волокно для длины волны 10.6 мкм с потерями 2дБ/м, которые значительно ниже потерь, указанных ранее опубликованных работах [3]. В работе впервые промоделировано, получено и исследовано экспериментально микроструктурированное волокно, одномодовое при длине волны X = 10,6 мкм с площадью поля моды более 14 ООО мкм2.

Научные результаты, выносимые на защиту.

1. Теоретически и экспериментально показана возможность получения одномодовых ступенчатых и микроструктурированных световодов из кристаллов галогенидов серебра с оптическими потерями менее 2дБ/м для длины волны 10.6 мкм.

2. Теоретически и экспериментально показана возможность получения одномодового микроструктурированного волокна из кристаллов галогенидов серебра с одним кольцом вставок с площадью поля моды л более 14 ООО мкм для длины волны 10.6 мкм.

3. Установлено, что образование коллоидов серебра во вставках микроструктурированного волокна приводит к значительному возрастанию оптических потерь высших мод, что может привести к фактически одномодовому режиму распространения излучения.

Достоверность. Научные результаты, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы теоретическими решениями и воспроизводимыми экспериментальными данными, полученными в работе, не противоречат известным положениям науки.

Практическая ценность. Накопленный опыт численного моделирования и технологический опыт изготовления одномодового световода для среднего инфракрасного диапазона, в том числе с большой площадью поля моды, широким одномодовым диапазоном или сохранением поляризации, может быть применен при проектировании устройств для спектроскопических и интерференционных измерений в этом диапазоне. Результаты численного моделирования найдут применение при изготовлении микроструктурированных кристаллических волокон в дальнейшем.

Личный вклад автора. Автором лично выполнено численное моделирование микроструктурированных волокон, получены значения теоретических потерь фундаментальных и высших мод, численно исследовано влияние структуры волокна на изменение дисперсии, экспериментально установлено, что лабораторные образцы ступенчатых и микроструктурированных волокон являются одномодовыми при длине волны 10,6 мкм, и измерены их оптические потери.

Апробация работы.

Результаты исследований докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях:

1. «Singlemode step-index and microstructured fibers for the middle infrared» L.N. ButvinaO.V. SeredaE.M. DianovN.V. LichkovaV. N. Zagorodnev на симпозиуме «Defence and Security 2007», США, апрель 2007.

2. «Single-mode photonic crystal fiber for the middle infrared» L.N. ButvinaO. V. SeredaE. M. DianovN. V. LichkovaV. N. Zagorodnev на симпозиуме «Defence and Security 2007», США, апрель 2007.

3. «Singlemode crystalline fiber for C02 laser power delivery» L.N. Butvina, O. V. Sereda, E. M. Dianov, N. V. Lichkova, V. N. Zagorodnev на международной конференции ICONOYLAT 2007, май 2007.

4. «Singlemode photonic ciystal fiber for the middle infrared» L.N. Butvina, O. V. Sereda, E. M. Dianov, N. V. Lichkova, V. N. Zagorodnev на международной конференции ICONOYLAT 2007, май 2007 -приглашенный доклад.

5. «Инфракрасные кристаллические световоды для диапазона длин волн 320 мкм и их применения» JI.H. Бутвина, О. В. Середа, Е. М. Дианов, Всероссийская конференция по волоконной оптике, Пермь, октябрь 2007.

6. «Кристаллические световоды для среднего инфракрасного диапазона» Середа О. В., Бутвина JI.H., Бутвина А. Л., 50-ая научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных п прикладных наук», Москва, ноябрь 2007.

7. L. Butvina, О. V. Sereda, A. G. Okhrimchuk, A. L. Butvina, Е. M. Dianov, N. V. Lichkova, and V. N. Zagorodnev, «Singlemode Crystalline Fibers for the Middle Infrared,» in Conference on Lasers and Electro-Optics/Quantum Electronics and Laser Science Conference and Photonic Applications Systems Technologies, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2008).

По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах и 3 доклада, представленных в трудах конференций.

Структура диссертации.

Диссертация изложена на 105 страницах машинописного текста и содержит 72 рисунка. Работа состоит из 4 глав, включая введение, заключения и списка цитированной литературы, включающего 46 библиографических ссылок, 1 приложения.

Заключение

В результате выполнения работы:

1. Впервые были получены одномодовые ступенчатые световоды из галогенидов серебра (AgClo.5 Вг0.5 — сердцевина, AgClo.55 Вг0.45 -оболочка) с диаметром сердцевины 40 мкм и числовой апертурой 0,2 с потерями менее 2дБ/м для длины волны 10,6 мкм.

2. Впервые получено микроструктурированное волокно из кристаллов твердых растворов галогенидов серебра AgClo.5 Вг0.5 с двумя кольцами вставок с пониженным показателем преломления из AgClo.55 Вго.45, расположенных в гексагональном порядке, которое является одномодовым с потерями 2 дБ/м на 10,6 мкм. Впервые получено и экспериментально исследовано микроструктурированное волокно из кристаллов твердых растворов галогенидов серебра AgClo.25 Вго.75 с одним кольцом вставок с пониженным показателем преломления AgClo.5 Вг05, расположенных в гексагональном порядке, которое является одномодовым с площадью поля моды более 14 ООО мкм (диаметр сердцевины 170 мкм) при длине волны X = 10,6 мкм.

3. Были численно промоделированы характеристики распространения излучения в микростуруктурированных волокнах на основе галогенидов серебра с различными параметрами структуры и определены зависимости теоретических потерь первой и высших мод от параметров структуры волокна (расстояния между вставками А, диаметра вставок Б, разницы в составах материалов сердцевины и оболочки Ас).

4. Создана экспериментальная установка для измерения характеристик режима распространения излучения СОг лазера одномодовых кристаллических волокнах, в том числе распределения интенсивности излучения в ближней и дальней зонах, измерения потерь и индуцированных потерь при изгибе микроструктурированного волокна.

5. Установлено, что кристаллические микроструктурированные волокна более применимы для передачи лазерной мощности в среднем инфракрасном диапазоне, чем ступенчатые.

Показать весь текст

Список литературы

S. Shalem, A. Tsun, Е. Rave, A. Millo, L. Nagli, and A. Katzir «Silver halide single-mode fibers for the middle infrared», Appl. Phys. Lett 87, 91 103 (2005)
O. Wallner, V. G. Artjuschenko, and R. Flatscher, «Development of silver-halide single-mode fibers for modal filtering in the mid-infrared,» in New Frontiers for Stellar Interferometry, W. A. Traub, ed., Proc. SPIE 5491, 636 -646 (2004).
Eran Rave, Pinhas Ephrat, Mati Goldberg, Efi Kedmi, and Abraham Katzir «Silver halide photonic crystal fibers for the middle infrared» APPLIED OPTICS, Vol. 43, No. 11(2004)
Бутвина JI. H, Войцеховский В. В, Дианов Е. М, Прохоров A.M. Механизм объемного рассеяния в поликристаллических материалах и световодах среднего ИК-диапазона. Препринт ИОФ АН № 63, 1987.
J.S. Snghera, I.D. Aggarwal, Infrared fiber optics, CRC Press, Boca Raton, Boston, 1998
Шен И. Р. Принципы нелинейной оптики. М. Наука. 1989. с.186−197
Аваков С.Н., Артюшенко В. Г., Бутвина J1.H., Войцеховский В. В., Добржанкий Г. Ф., Микадзе П. З., Чагулов B.C. Получение световодов из AgCl методами пластической деформации. Физика и Химия обработки Материалов. 1984. № 4. с.115−117
Бутвина Л.Н., Войцеховский В. В., Дианов Е. М., Прохоров A.M. Механизм объёмного рассеяния на микропорах в световодах, получаемых пластической деформацией кристаллов. Письма в ЖТФ.1987. т. 13, № 9. с.543−549
Штремель М.А. Прочность сплавов Дефекты решетки М.: МИСИС, 1997
Е.М.Лившиц, Л. П. Питаевский Физическая кинетика, М., 1979
Смирнов Б.И. Дислокационная структура и упрочнение кристаллов. Ленинград. Наука. 1981. с 234−246
Пуарье Р.П. Высокотемпературная пластичность кристаллических тел. М. Металлургия. 1982. с.272−284
Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах, том 2, «Мир», 1981
Eric G. Rawson, «Theory of Scattering by Finite Dielectric Needles Illuminated Parallel to Their Axes», J. of OS A, vol.62, n. 11,1972
P.Mazumder, S.L. Logunov, S. Raghavan, «Analysis of excess scattering in optical fibers», J. of Appl.Ph, vol.96, n. 8, 2004
Бутвина JI.H. Фотон-Экспресс 6, стр. 43 (2004)
H. M. Heise, L. Kupper, W. Pittermann, L. N. Butvina, Fresenius, «New tool for epidermal and cosmetic formulation studies by attenuated total-reflection spectroscopy using a flexible mid-infrared fiber probe», J Anal Chem (2001)371 :753−757
Brodetzki, G., Gayer, O., Shafir, I., Nagli, L., and Katzir, A., «Middle infrared luminescence of Tb3+ in silver halide crystals and fibers,» Journal of Luminescence, vol. 128, no. 8, pp. 1323−1330, 2008.
J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell and D. M. Atkin «АН-silica singlemode optical fiber with photonic crystal cladding» October 1, 1996 / Vol. 21, No. 19 / OPTICS LETTERS
B.T. Kuhlmey, R.C. McPhedran, C. Martijn de Sterke, Modal cutoff in microstructured optical fibers, Optics Letters, Vol. 27, Issue 19, pp. 1684−1686
N. A. Mortensen, «Effective area of photonic crystal fibers,» Opt. Express 10, 341−348 (2002)
N. A. Mortensen, J. R. Folkenberg, M. D. Nielsen, and K. P. Hansen, «Modal cut-off and the V-parameter in photonic crystal fibers,» Opt. Lett. 28, 1879−1881 (2003).
Martin Dybendal Nielsenl, Niels Asger Mortensenl, «Photonic crystal fiber design based on the V-parameter», Opt. Express, Vol. 11, No. 21, 2762, 2003
Birks, T.A. Mogilevtsev, D. Knight, J.C. St. J. Russell, «Dispersion compensation using single-material fibers», Photonics Technology Letters, IEEE, Volume: 11, Issue: 6 1999
Bjarklev, A. Broeng, J. Dridi, K. Barkou, S.E., «Dispersion properties of photonic crystal fibres», Optical Communication, Volume: 1,135−136, 1998
A. Ferrando, E. Silvestre, P. Andres, J. Miret, and M. Andres, «Designing the properties of dispersion-flattened photonic crystal fibers,» Opt. Express 9, 687−697 (2001)
T. M. Monro, P. J. Bennett, N. G. R. Broderick, and D. J. Richardson, «Holey fibers with random cladding distributions,» Opt. Lett. 25, 206−208 (2000)
N. A. Mortensen, M. D. Nielsen, J. R. Folkenberg, A. Petersson, and H. R. Simonsen, «Improved large-mode-area endlessly single-mode photonic crystal fibers,» Opt. Lett. 28, 393−395 (2003)
Y. Tsuchida, K. Saitoh, and M. Koshiba, «Design of single-moded holey fibers with large-mode-area and low bending losses: the significance of the ring-core region,» Opt. Express 15, 1794−1803 (2007)
Z. Yusoff, J. H. Lee, W. Belardi, T. M. Monro, P. C. Teh, and D. J. Richardson, «Raman effects in a highly nonlinear holey fiber: amplification and modulation,» Opt. Lett. 27, 424−426 (2002)
J. K. Ranka, R. S. Windeler, and A. J. Stentz, «Visible continuum generation in air-silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at 800 nra,» Opt. Lett. 25, 25−27 (2000)
Kazunori Suzuki, Hirokazu Kubota, Satoki Kawanishi, Masatoshi Tanaka and Moriyuki Fujita «Optical properties of a low-loss polarization-maintaining photonic crystal fiber», Opt. Lett., Vol. 9, No. 13, 676 (2001)
J. DJoannopoulos, S.G.Johnson, J.N.Winn, R.D.Meade, «Photonic Crystal. Molding the Flow of Light» 2 ed., Princeton Univercity Press, 2008
J. С. Knight, J. Broeng, T. A. Birks and P. St J. Russell. «Photonic band gap guidance in optical fibers», Science, vol. 282, pp. 1476−1478 (1998)
Monro, T.M. West, Y.D. Hewak, D.W. Broderick, N.G.R. Richardson, D.J. «Chalcogenide holey fibres». Electronics Letters, Volume: 36, Issue: 24, 1998−2000 (2000)
M. van Eijkelenborg, M. Large, A. Argyros, J. Zagari, S. Manos, N. Issa, I. Bassett, S. Fleming, R. McPhedran, С. M. de Sterke, and N. A. Nicorovici, «Microstructured polymer optical fibre,» Opt. Express 9, 319−327 (2001)
Отчет 2004 по контракту ESTEC/Contract No. AO/1−4023/01/NL/CK Single Mode Fibers for DARWIN
Lewi Т., Shalem S., Tsun A., and Katzir A., «Silver halide single-mode fibers with improved properties in the middle infrared,» Appl. Phys. Lett, vol. 91, p. 251 112, 2007.
Millo A., Lobachinsky L., Katzir A., «Single-mode octagonal photonic crystal fibers for the middle infrared,» Applied Physics Letters, vol. 92, no. 2, p 21 112, 2008.
P.Viale, S. Fevrier, F. Gerome, «Confinement Loss computations in Photonic Crystal fibers using a novel perfectly matched layer design», Proc. of the COMSOL Multiphysics User’s Conference, Paris, 2005
T. Wu, L. Dong, and H. Winful, «Bend performance of leakage channel fibers,» Opt. Express 16, 4278−4285 (2008)
W. S. Wong, X. Peng, J. M. McLaughlin, and L. Dong, «Breaking the limit of maximum effective area for robust single-mode propagation in optical fibers,» Opt. Lett. 30, 2855−2857 (2005).
L. Dong, X. Peng, and J. Li, «Leakage channel optical fibers with large effective area,» J. Opt. Soc. Am. В 24, 1689−1697 (2006).
L. Dong, J. Li, and X. Peng, «Bend resistant fundamental mode operation in ytterbium-doped leakage channel fibers with effective area up to 3160|лпг,» Opt. Express 14, 11 512−11519(2006).
M. Nielsen, N. Mortensen, M. Albertsen, J. Folkenberg, A. Bjarklev, and D. Bonacinni, «Predicting macrobending loss for large-mode area photonic crystal fibers,» Opt. Express 12, 1775−1779 (2004)
Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов. M. Радио и связь. 1987.

Заполнить форму текущей работой