Совместными усилиями российские и немецкие ученые создали узор из микроуглублений, с помощью которого пропускание энергии инфракрасного излучения увеличивается примерно на 5% на каждом из торцов световода.
Чтобы повысить эффективность прохождения сигнала через оптоволокно, применяется его специальная модификация. Исследования российских и немецких ученых показали, что при помощи коротких лазерных импульсов можно создать микрорельеф на торце световода, благодаря чему пропускание энергии инфракрасного излучения увеличивается примерно на 5% на каждом из торцов. Разработанная технология обеспечивает снижение потерь в широком спектральном диапазоне, в перспективе можно достичь 99% пропускания излучения для заданной длины волны. Исследования поддержаны грантами Российского научного фонда (РНФ). Результаты работы опубликованы в Optical Materials Express.
Источник: Tarabrin et al. / Optical Materials Express, 2021
Волоконные световоды сегодня используются в самых разных областях: от связи до медицины. Их можно применить везде, где необходимо передать излучение от источника к потребителю. Такое оптоволокно представляет собой относительно гибкую нить из твердого прозрачного материала. Поверхность ее стенок не выпускает свет наружу, и он проходит от одного конца световода до другого. Диаметр волокна — от единиц микрометров до единиц миллиметров, — а длина может быть достаточной, чтобы обеспечивать связь даже между континентами.
Авторы новой работы заняты проблемой потери излучения на обратное отражение при вводе и выводе из оптоволокна. Для борьбы с этим эффектом ранее применяли специальные покрытия, которые используются, например, для просветления линз фототехники. Но этот подход плохо работает из-за неровности поверхности и разного коэффициента теплового расширения у волокна и покрытия. Авторы предлагают покрывать торец световода микрорельефом в виде узора из углублений микроскопических размеров. Такой подход позволяет значительно снизить потери на отражение в широком спектральном диапазоне.
«Используемые сейчас технологии нанесения микрорельефа несовершенны. Образец необходимо нагреть до пластичного состояния и отпечатать рисунок при помощи специальной пресс-формы. Нагрев и механическое воздействие могут легко повредить оптоволокно, а пресс-формы представляют собой негатив микрорельефа, потому создавать их необходимо с использованием других методов микрообработки, что увеличивает сложность и стоимость просветления. Наша технология менее «травматична» для волокна. В ней поверхность среза подвергается обработке короткими и мощными лазерными импульсами, каждый из которых выжигает аккуратный кратер. Диаметр и глубина таких кратеров составляют порядка одного микрона — в 50 раз меньше толщины человеческого волоса. Применение высокоточных технологий позиционирования образцов и автоматики позволяет создать такой рельеф по всему торцу оптоволокна», — рассказывает Михаил Тарабрин, кандидат технических наук, руководитель проекта по гранту РНФ, научный сотрудник лаборатории стабилизированных лазерных систем Научно-образовательного центра «Фотоника и ИК-техника» МГТУ имени Н. Э. Баумана.
Авторы использовали волокна на основе соединения серебра с хлором и бромом AgClBr. Этот материал обладает выдающимися характеристиками для работы в инфракрасном диапазоне, однако очень пластичен и чувствителен к свету видимого диапазона, что не позволяет использовать для его просветления традиционные методы. В ходе работы образцы волокна обрезались специальным лезвием с очень тонким и острым краем. Далее они фиксировались в приспособлении для обработки лазером. Излучение подавалось в виде импульсов инфракрасного диапазона длительностью всего в 210 фемтосекунд. За это время в пятно фокуса диаметром 1,77 микрон передавалось около двух микроДжоулей энергии. Эта небольшая энергия, сконцентрированная в малом пятне, создавала для вещества в приповерхностном слое торца условия, экстремальные с точки зрения энергетики. Атомы поверхности волокна ионизировались посредством многофотонного возбуждения. В результате этого процесса образовывался электронный газ, который ускорялся электрическим полем световой волны и обменивался энергией с окружающей кристаллической решеткой. Этот процесс происходит на временном масштабе, сопоставимом с длительностью возбуждающего импульса, а потому вещество нагревалось практически моментально и очень локально — процессы ионизации происходят только в пятне, где интенсивность достаточна для многофотонного возбуждения. На конечном этапе происходит рекомбинация нагретого до нескольких десятков тысяч градусов электронного газа, собранная энергия передается кристаллической решетке материала и происходит его взрывная фрагментация и испарение. В результате этого процесса (абляции) образовывался кратер размером, близким к диаметру светового пятна. Далее фокус установки перемещался по поверхности и импульсы повторялись. Таким образом, микроскопическими кратерами покрывался весь торец волокна.
Измерения пропускания оптического волокна выявили, что эффект микрообработки торцов заметен в диапазоне длин волн от 7 до 14 микрометров. В среднем по диапазону пропускание поверхности увеличилось от 87 до 92 процентов. Полученные результаты пока не могут составить конкуренцию просветляющим покрытиям, используемым в индустрии оптоволоконной отрасли, но они подтверждают успешность разрабатываемой технологии. В тоже время, микроструктурирование остается единственным приемлемым вариантом для просветления материалов с поверхностью «сложной» для нанесения покрытий. В ближайших планах авторов — оптимизация обработки торцов оптоволокна и повышение коэффициента пропускания в более широком диапазоне излучения, в том числе до 99% для заданной длины волны.
В работе также участвовали: компания Art Photonics GmbH (Германия), Технический университет прикладных наук Вильдау (Германия), Новосибирский государственный университет, Берлинский технический университет (Германия).
