Волоконные световоды сегодня используются в самых разных областях: от связидо 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 пропускает 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 порядкаодного 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 микрона 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 происходят 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 волокнавыявили, что эффект микрообработки торцов заметен в диапазоне длин волн от 7 до 14 микрометров. В среднем по диапазону пропускание поверхности увеличилосьс 87% до 92%. Полученные результаты пока не могут составить конкуренцию просветляющим покрытиям, используемым в индустрии оптоволоконной отрасли, но ониподтверждают успешность разрабатываемой технологии. В тоже время микроструктурирование остается единственным приемлемым вариантом для просветления материалов с поверхностью,сложнойдля 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).
