Измерение затухания в полимерных оптических волокнах, активированных флуоресцирующим красителем Текст научной статьи по специальности «Физика»

ФИЗИЧЕСКАЯ ОПТИКА

УДК 532.372.082.5: 628.953.2

Д.В. Кизеветтер, А.Ю. Савина, В.М. Левин, Г.Г. Баскаков

ИЗМЕРЕНИЕ ЗАТУХАНИЯ В ПОЛИМЕРНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ, АКТИВИРОВАННЫХ ФЛУОРЕСЦИРУЮЩИМ КРАСИТЕЛЕМ

Коэффициент затухания излучения — это важнейшая характеристика волоконных световодов, и существуют международные и российские стандарты по определению затухания излучения в кварцевых и полимерных световодах [1—3]. Однако физические свойства активных волоконных световодов существенно отличаются от свойств пассивных оптических волокон вследствие преобразования спектральных характеристик распространяющегося излучения. Известно, что параметры полимерных оптических волокон, активированных флуоресцирующими красителями (ФПОВ), которые измерены различными способами, могут отличаться. Помимо потерь, обусловленных собственными потерями материала оптического волокна и присущими данному волокну кабельными потерями, возникают дополнительные, связанные с поглощением излучения красителем. Метод укорачивания для измерения затухания в волоконных световодах, представленный, в частности, в ГОСТе [1], является разрушающим, поэтому неприменимым для действующих волоконно-оптических систем, например для волоконно-оптических усилителей или датчиков. Использование рефлектометрических способов, основанных на регистрации обратнорас-сеянного излучения, затруднено в диапазоне длин волн поглощения красителя вследствие большой величины затухания, а в диапазоне флуоресценции красителя возникает дополнительная проблема, связанная с необходимостью учета различной величины затухания на длинах волн накачки и флуоресценции.

Метод локального бокового освещения [4—7] флуоресцирующего волокна, известный в англоязычной литературе как SIF (Side-Illumination Fluorescence), который заключается в освещении ФПОВ узконаправленным излучением (с длиной волны, соответствующей диапазону поглощения красителя) перпендикулярно оси волокна, является неразрушающим и легко реализуется на практике в случае отсутствия защитной оболочки ФПОВ. Изменяя расстояние l от выходного торца до места облучения ФПОВ и измеряя зависимость мощности выходящего излучения от lp, можно определить коэффициент затухания излучения в диапазоне длин волн флуоресценции. К недостатку такого способа следует отнести высокую чувствительность к локальным неоднород-ностям ФПОВ. Небольшие флуктуации диаметра сердцевины ФПОВ или концентрации красителя приводят к флуктуациям мощности флуоресценции, что снижает точность измерения затухания. При боковом локальном освещении на точность измерений влияют также дефекты формы сердцевины и дефекты отражающей оболочки, в частности царапины на наружной поверхности ФПОВ. Важно, что такой способ позволяет измерять затухание в ФПОВ только при равновесном (невозбужденном) состоянии молекул красителя в световоде за пределами области локального возбуждения. Измерить затухание при возбужденном состоянии молекул красителя, а также снизить указанные виды влияний на точность измерений можно за счет освещения протяженного участка световода путем использования методики, описанной далее.

В данной работе полимерный волоконный световод, активированный флуоресцирующим красителем, освещался источником излучения, создающим равномерную освещенность в пределах заданной длины ФПОВ. Часть волоконного световода была закрыта светонепроницаемым экраном. Изменяли длину освещаемого участка 15 ФПОВ и производили измерение спектрального распределения интенсивности выходного излучения I(15, X). Исследования проводились при различных отражающих свойствах поверхности, на которой был расположен волоконный световод. Изменение интенсивности излучения I по длине ФПОВ, по аналогии с описанием, приведенным в работе [8], можно выразить следующим уравнением:

— = -а1 + hpl + ghplI, йх

(1)

где а — коэффициент затухания излучения; к — коэффициент, характеризующий интенсивность излучения флуоресценции, распространяющегося далее по световоду; рг — мощность излучения накачки на единицу длины; g — коэффициент усиления среды; х — ось координат, сонаправленная с осью волоконного световода.

Все коэффициенты, входящие в формулу (1), зависят от длины волны и концентрации красителя; коэффициент к зависит также от диаметра волоконного световода. Величины, входящие в формулу (1), измеряются в следующих единицах: х — м, I — Вт/м2, а — м-1, рг — Вт/м, к — м-2, g — м2/Вт.

Равенство (1) является линейным дифференциальным уравнением первого порядка, решение которого хорошо известно. Введем

аел как

аеа =а- Н.Р1 .

Тогда принимая во внимание, что I(15 = 0) = 0 , получаем:

I (15) = 01- (1 - ехр(-ае^)).

а

еч

Таким образом, экспериментально измерив зависимость I(15), можно определить эквивалентную величину затухания аеч. Если ввести нормировку I(15 ^ да) = 1, то при аед15 < 1, т. е. на начальном участке I(15), имеет место линейная зависимость I от 15: I(15)« аед1х.

Введенная величина аед характеризует затухание излучения с учетом возможного усиления за счет вынужденного излучения и нелинейности эффектов испускания и поглощения относительно интенсивности накачки. В частности, на измеряемую величину аеч может оказать влияние изменение спектра флуоресценции и поглощение, наведенное светом накачки [9] (иногда называемое «поглощением с возбужденных состояний»). Таким образом, метод локального бокового освещения (8№) принципиально отличается от предлагаемого способа. При локальном возбуждении излучение флуоресценции также возникает локально и при дальнейшем распространении по волоконному световоду затухает, а при освещении протяженного участка ФПОВ имеет место как затухание, в частности наведенное накачкой, так и оптическое усиление. Таким образом, измеряемая величина аеч является характеристикой световода с активной средой при заданном уровне интенсивности накачки. Коэффициент эквивалентного затухания аеч может быть как положительным — в этом случае в ФПОВ доминирует поглощение, так и отрицательным — тогда ФПОВ обладает свойством усиления оптических сигналов. При малой плотности мощности накачки р1 величина аеч соответствует затуханию в ВС с учетом флуоресценции красителя без вынужденного усиления. Для того, чтобы различать методы с боковым освещением, целесообразно ввести уточнение в существующую аббревиатуру: для локального метода — LSIF, а для рассмотренного выше интегрального — ШЕ Полагаем, что измерения по методу также представляют интерес для множества различных практических применений, как и LSIF.

Наши экспериментальные исследования производились на ФПОВ, изготовленных из полиметилметакрилата с диаметром сердцевины 950 мкм, активированных родамином 6Ж (Р6Ж) с концентрациями 5 и 25 мг/кг. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Световод 1 был уложен на подстилающую поверхность 2. Над световодом, вплотную к отражающей оболочке ФПОВ, был расположен непрозрачный экран 4, закрывающий от излучения накачки весь световод, кроме участка длиной 15, подключаемого через соединитель 5

/гттттттттттттттттт

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — исследуемый флуоресцирующий световод, 2 — подстилающая поверхность, 3 — оптический стол, 4 — непрозрачный экран, 5 — волоконно-оптический соединитель, 6— приемный световод спектрометра, 7— спектрометр Луа8рес-2048, 8 — протяженный источник излучения накачки

Параметры активированного полимерного волокна при его освещении электролюминесцентными лампами

X , нм Материал подстилающей поверхности а , 10-3 см-1 4, о-е-

С1 = 5 мг/кг С2 = 25 мг/кг С1 = 5 мг/кг С2 = 25 мг/кг

555 Ч 64±2 370±30 17,7±0,2 3,32±0,06

Б 96±2 340±10 39,7±0,4 7,01±0,07

Ф 93±2 350±10 31,9±0,2 6,66±0,05

600 Ч 1,95±0,07 6,2±0,2 286±6 381±5

Б 2,76±0,05 6,1±0,2 495±5 780±10

Ф 2,17±0,03 5,7±0,1 471±3 878±7

650 Ч 0,5±0,1 1,9±0,1 115±30 133±5

Б 1,3±0,1 2,1±0,1 119±5 260±10

Ф 0,96±0,03 2,0±0,1 124±2 290±5

Обозначения: X — расчетная длина волны флуоресценции; а^ — коэффициент эквивалентного затухания; /т — максимальная интенсивность излучения; С1? С2 — значения концентрации красителя-активатора (родамин 6Ж); Ч, Б, Ф — черная ткань, белая бумага, алюминиевая фольга.

к приемному световоду 6 спектрометра 7 типа AvaSpec-2048. В качестве протяженного источника излучения накачки 8 использовались люминесцентные лампы ЛБ-60 — 12 штук, расположенные попарно на расстоянии 0,2 м друг от друга в два ряда, с расстоянием между рядами 2,5 м, на высоте Н= 2,8 м над исследуемым ФПОВ, а также две линейки планарных (SMD RT3528) светодиодов сине-зеленого свечения (120 шт/м), расположенных симметрично относительно исследуемых ФПОВ; световоды были расположены в два ряда на расстоянии 0,005 м друг от друга и находились на высоте 0,065 м над ФПОВ. Неравномерность освещен-

ности вдоль ФПОВ, измеренная сканирующим фотоприемником, в первом случае не превышала 5 %, во втором — 10 %. Спектральный диапазон излучения люминесцентных ламп составлял 400 — 700 нм с максимумом спектральной плотности люминесценции на длине волны X ^ тах = 580 нм и локальными максимумами [10], а у использованных светодиодов — X 5 тах = 520 нм с полушириной 30 нм. В качестве подстилающей поверхности для ФПОВ использовались три материала: лист белой бумаги с коэффициентом отражения k , приблизительно равным 90 % и с диффузной индикатрисой рассеяния; алюминиевая фольга с k « 88 % и

черная ткань с к « 5 % (см. таблицу). Использованные типы подстилающей поверхности условно можно назвать поверхностями с преимущественным поглощением и преимущественным отражением излучения.

В связи с тем, что спектральный диапазон флуоресценции красителя Р6Ж составляет 525 — 675 нм, для расчетов параметров ФПОВ были выбраны три длины волны флуоресценции: 555, 600 и 650 нм. Две из них приблизительно соответствовали коротковолновой и длинноволновой границам диапазона длин волн флуоресценции красителя Р6Ж, а X = 600 нм — середине диапазона, что позволило оценить тенденцию изменения измеряемых величин в зависимости от значений X . Полученные зависимости интенсивности выходящего из световодов излучения от длины освещаемого участка для двух различных источников излучения накачки при X = 555 нм приведены на рис. 2, 3. Для определения эквивалентного коэффициента затухания экспериментальные данные были аппроксимированы функцией

I (/,) = Im (1 - exp(-aeqls)) .

(3)

Методом оптимизации [11] по двум параметрам c использованием компьютерной программы для построения графиков и статистического анализа Origin 8.1 были определены величины Im и aeq, при которых достигалось минимальное среднеквадратическое отклонение функции (3) от полученных экспериментальных данных. Результаты измерений для случая освещения ФПОВ излучением электролюминесцентных ламп приведены в таблице. Максимальное значение Im дано в относительных единицах; погрешности измерений являются статистическими при аппроксимации экспериментальных данных функцией (3).

Изменение интенсивности излучения накачки I осуществлялось за счет изменения силы тока, протекающего через светодиодную линейку. В результате измерений интенсивности Ip с помощью спектрометра были определены величины kIpmax, где к = 0,24 — 1,00, Ip max — максимальное значение Ip (см. подпись к рис. 3).

При использовании белой бумаги в качестве материала подстилающей поверхности была получена следующая зависимость величины от интенсивности накачки:

I, о.е. 4030-

I, о.е. 600-|

500400 300 200100-

20

30

40

50

60

70

80

Рис. 2. Зависимость интенсивности выходного излучения от длины освещенного участка активированного оптоволокна при накачке излучением люминес-цирующих ламп для различных типов подстилающей

поверхности: 1 — черная ткань, 2 — белая бумага, 3—алюминиевая фольга; эксперимент (символы) и аппроксимация функцией (3) (линии); длина волны — 555 нм, концентрация активатора-красителя 5 мг/кг

Рис. 3. Зависимость интенсивности выходного излучения от длины освещенного участка активированного оптоволокна при светодиодной накачке с различной интенсивностью к!р тах; значения к: 0,24 (1), 0,35 (2), 0,53 (3), 1,00 (4); длина волны — 555 нм; концентрация активатора-красителя 5 мг/кг; эксперимент (символы) и аппроксимация функцией (3) (линии); подстилающий материал — белая бумага

0

ls, см

I ое. a см-1 чения в ФПОВ без вынужденного излучения.

0 241 0 124^+ 0 002 Использование высокой интенсивности накач-

' p max............................' +0 003 ки дает возможность оценить величину усиле-

0.35.Ip max............................0,137 + 0,003 ния сигналов в ФПОВ.

°'53 Ipmax............................0,128 + 0,002 Величина aeq зависит также от спектра из-

1,00 Ip max............................0,120 + 0,002 лучения накачки вследствие различного по-

Анализ полученных данных позволяет пред- глощения излучения накачки красителем и за-

положить, что зависимость aeq от интенсив- висимости наведенного поглощения в

q , , диапазоне флуоресценции от длины волны и

ности накачки определяется двумя эффектами: «

интенсивности излучения накачки. Поэтому

во-первых, ростом поглощения в диапазоне , , J J

длин волн флуоресценции, которое наведено коэффициенты aeq, измеренные при исполь-

излучением накачки [9], и во-вторых, возник- зовании различных ист°чник°в излучения,

новением вынужденного излучения, приводя- могут отличаться.

щего к снижению значения эквивалентного Недостатком рассмотренного метода яв-

затухания. ляется невозможность его использования при

Для пересчета величины затухания, изме- малой длине отрезка фП°В, так как аппрокси-

ренного в обратных сантиметрах, в децибелы мация зависимости (2) на начальном угастга не

на километр, можно использовать следующую позволяет провести экстраполяцию в область

формулу: насыщения зависимости I(ls).

. Предложенный метод не является альтерна-a (дБ/км) = 10 a (см- )/ ln(l0) « тивой методу LSIF. Совместное использование « 4,343-105a (см-1). обоих методов дает возможность получить до, полнительные сведения о затухании излучения В частности, значение aeq = 0,37 см-1 соот- в флуоресцирующих волокнах. ветствует приблизительно 161000 дБ/км, а

0.0005 см 1 - 217 дБ/км. Дальнейшее развитие теории поглощения и Вследствие зависимости aeq от интенсив- излучения света в флуоресцирующих волокнах

ности накачки и потерь в оптической оболочке с учетом физических свойств красителей и ис-ФПОВ, измеряемая величина эквивалентного пользование интегрального метода бокового затухания зависит от отражающей способности освещения при различных интенсивностях из-подстилающей поверхности. Выбор интенсив- лучения накачки совместно с методом локальности накачки зависит от того, какие параме- ного возбуждения позволит получить новые тры ФПОВ необходимо определить. При малых сведения о параметрах ФПОВ, необходимые интенсивностях Ip измеряемая величина aeq при проектировании волоконно-оптических соответствует режиму распространения излу- усилителей, лазеров и других устройств.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 26814-86. Кабели оптические. Методы ние когерентного излучения [Текст] / Г.В. Майер, измерения параметров [Текст]. - Введ. 1987. -01- Т.Н. Копылова, В.А. Светличный [и др.] // Квантовая

01. - М.: Изд-во стандартов, 1986. - 32 с. электроника. - 2007. - Т. 37. - № 1.- С. 53-59.

2. Ziemann, O. POF handbook. Optical short range 5. Sumida, S. A new method of optical fiber loss transmission systems [Text] / O. Ziemann, J. Krauser, measurement by the side-illumination technique [Text] / P.E. Zamzow [et al.] // Berlin Heidelberg: Springer-Ver- S. Sumida, H. Murata, Y. Katsuyama // Journal of Lightlag, 2008. - 884 p. wave Technology. - 1984. - Vol. 2. - No. 5. - P. 642-646.

3. Кугушев, А.И. Дифференциальные характери- 6. Kruhlak, R.J. Side-illumination fluorescence (SIF) стики многомодовых градиентных волоконных свето- spectroscopy studies of aggregation ISQ dye-doped poly-водов и методы их измерения [Текст] / А.И. Кугушев, mer optical fibers [Text] / R.J. Kruhlak, M.G. Kuzyk // А.А. Керимов, М.Я. Яколев // Зарубежная радио- SPIE Proc. - 1999. - Vol. 3799. - P. 312-319. электроника. - 1983. - № 7.- С. 54-74. 7. Geetha, K. Loss characterization in Rhodamine 6G

4. Майер, Г.В. Активные полимерные волокна doped polymer film waveguide by side illumination fluo-с органическими красителями. Генерация и усиле- rescence [Text] / K. Geetha, M. Rajesh, V.P. Nampoori

[et al.] // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. — 2004. - Vol. 6. - No 4.- P. 379-383.

8. Агравал, Г. Нелинейная волоконная оптика [Текст] / Г. Агравал.-М.: Изд-во «Мир», 1996. - 323 с.

9. Басс, М. Лазеры на красителях [Текст] / М. Басс, Т. Дейч, М. Вебер // УФН. -1971. - Т. 105. -№ 3. - С. 521-573.

10. Девятых, Э.В. Люминесцентные лампы. Люминофоры и люминофорные покрытия [Текст] / Э.В. Девятых, В.Ф. Дадонов. — Саранск: Изд-во Мор-дов. ун-та, 2007. — 73 с.

11. Васильев, Ф.П. Методы оптимизации [Текст] / Ф.П. Васильев. — М.: Изд-во «Факториал Пресс», 2002. — 824 с.