КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 16-12-10230

НазваниеРазработка висмутовых волоконных световодов с повышенным уровнем радиационной стойкости

РуководительФирстов Сергей Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Научный центр волоконной оптики Российской академии наук, г Москва

Года выполнения при поддержке РНФ 2016 - 2018 

КонкурсКонкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-304 - Спектроскопия

Ключевые словаВисмут, лазерная среда, суперлюминесценцтный источник, радиационная стойкость, световод

Код ГРНТИ29.33.00


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Висмутовые световоды – новый тип лазерной среды, в которой в качестве активатора используются ионы висмута. Интерес к таким средам обусловлен возможностью их использования для создания эффективных устройств (лазеров, оптических усилителей и др.), работающих в спектральных областях 1150-1530 и 1650-1750 нм, которые являются недоступными для широко используемых световодов с редкоземельными ионами (РЗИ), поскольку они не имеют оптических переходов в указанных спектральных диапазонах. Важно отметить, что за последние 10 лет в данном направлении достигнут существенный прогресс, приведший к созданию на основе висмутовых световодов эффективных лазеров (от 30 до 60%), оптических усилителей, суперлюминесцентных источников, работающих в области длин волн от 1150 до 1775 нм. Несмотря на то, что свойства висмутовых световодов остаются малоизученными, к устройствам на их основе все чаще стали проявлять интерес научные и научно-производственные компании. Круг прикладных применений висмутовых световодов постоянно расширяется, что приводит к повышению требований к таким световодам. В частности, одно из потенциальных применений таких световодов - активная среда для широкополосного суперлюминесцентного источника (СВИ), используемого в волоконно-оптическом гироскопе с высокой точностью, которая обеспечивается малой длиной когерентности источника. В настоящее время показано, висмутовый СВИ обладает лучшими характеристиками по сравнению с существующими аналогами (прежде всего эрбиевыми СВИ). Это позволит повысить точность конечного устройства (гироскопа). Важно отметить, что уже сейчас проводятся тестовые испытания таких гироскопов в реальных условиях. Очевидно, что одним из важных параметров, который может ограничивать срок эксплуатации таких устройств (при их размещении на летательных аппаратах), является устойчивость волоконных висмутовых световодов к воздействию радиационного излучения. Все вышеперечисленное обуславливает актуальность и значимость (с практической точки зрения) запланированных в рамках данного проекта исследований. С научной точки зрения, проведение подобных исследований также представляет несомненный интерес, поскольку будут получены новые экспериментальные данные о взаимодействии ионизирующего излучения с новым типом лазерных материалов. Важно отметить, что подобных исследований в мире не проводилось. Это, главным образом, связано с отсутствием таких световодов и аналогов за рубежом. Поэтому целью настоящей работы является изучение свойств висмутовых световодов, подверженных радиационному облучению, а также поисковое исследование, направленное на разработку висмутовых световодов с повышенной радиационной стойкостью. Основным направлением работы станет изучение фундаментальных процессов, протекающих в таких средах, а также в поиске состава стекла, легированного висмутом, малочувствительного к радиации. Научно-практическая значимость результатов заключается в получении дополнительных знаний о свойствах новой активной среды, что крайне важно для разработки световодов с улучшенными эксплуатационными характеристиками и реализации готовых устройств на их основе.

Ожидаемые результаты
В рамках данного проекта планируется решить 3 основные задачи: 1. Выполнение экспериментов по облучению радиационным излучением висмутовых световодов. Получение экспериментальных данных о радиационной стойкости висмутовых световодов. Определение основных параметров (скорость деградации, изменение оптических характеристик из-за формирования дефектов и т.п.) для различных типов висмутовых световодов. 2. Проведение поискового исследования, направленного на разработку висмутовых световодов с повышенным уровнем радиационной стойкости. Будет осуществлена модернизация технологического процесса (MCVD) для реализации такого типа световодов. Ожидается получение экспериментальных образцов висмутовых световодов для практических приложений (аэрокосмической промышленности и др.). 3. Создание стабильно работающих устройств на основе висмутовых световодов, малочувствительных к радиационному излучению. Выработка рекомендаций к эксплуатации устройств на основе висмутовых световодов. Работы в данном направлении являются пионерскими. Безусловно, полученные результаты будут оригинальными, поскольку исследуются ранее неизученные свойства нового типа активных световодов с уникальными оптическими характеристиками. Новизна ожидаемых результатов определяется отсутствием подобных исследований в мире (исходя из наших знаний и анализа опубликованных работ). В этой связи поисковое исследование устойчивых к радиации висмутовых световодов и изучение их свойств представляет значительный научный и практический интерес, так как обеспечивает получение новых знаний о свойствах висмутовых световодах и перспективу создания принципиально новых материалов с улучшенными эксплуатационными свойствами для прикладных применений. В частности, на базе таких световодов могут реализовываться СВИ для нового класса гироскопов с повышенной точностью позиционирования.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В рамках данного проекта в отчетном (2016 г.) году было проведено изучение влияния радиации на оптические свойства висмутовых световодов различного типа. Для этого были созданы заготовки с сердцевиной, изготовленной из стекла с легирующими добавками (оксида алюминия, фосфора, германия) и висмутом (0 – 0.5 вес.%.), и вытянуты из них одномодовые волоконные световоды. В процессе выполнения были проведены качественный, количественный анализ химического состава, и измерение профилей показателя преломления заготовок волоконных световодов. Разработанные световоды использовались в качестве тестовых образцов, которые облучались радиационным излучением (доза ~ 1 кГр) от источника Co60 в НИЦ “Курчатовский институт”. До и после облучения проводилось комплексное изучение оптических свойств висмутовых волоконных световодов, включающих измерение оптических потерь, спектра и интенсивности люминесценции, оптического усиления, определение уровня непросветляемых потерь в области основных полос поглощения висмутовых активных центров (ВАЦ). На основании полученных результатов проводился сравнительный анализ с целью оценки влияния радиации на эффективность активных световодов и вклад висмута в их радиационную стойкость. Установлено, что введение висмута приводит к заметному повышению радиационно-наведенного поглощения (РНП) в германосиликатных световодах. Получены экспериментальные данные, указывающие на то, что висмутовые центры, ответственные за непросветляемые потери, являются источниками радиационно-наведенных центров окраски. В процессе выполнения работы были проведены исследования по влиянию дозы радиации в пределах 1 – 8 кГр на оптические свойства висмутовых световодов. Показано, что интенсивность ИК люминесценции слабо зависит от дозы облучения, тогда как РНП монотонно возрастает до 6 кГр, а при дозах выше 6 кГр стремиться к насыщению, т.е. достигается динамическое равновесие между формированием и разрушением радиационно-наведенных центров. Также изучалось влияние температурного фактора на интенсивность радиационно-наведенного поглощения. Установлено, что интенсивность РНП при низких температурах слабее, чем при комнатной температуре. Выполнены эксперименты по изучению временных зависимостей РНП в процессе облучения и релаксации. Исходя из полученных данных следует, что в процессе облучения происходит монотонное возрастание РНП. В процессе релаксации заметного (более 10-15%) восстановления РНП не наблюдается. Создан суперлюминесцентный волоконный источник (СВИ) ИК излучения, работающий в области 1730 нм. Проведены измерения основных выходных характеристик СВИ. Форма спектра выходного излучения источника с хорошей точностью описывается гауссовой функцией. Ширина спектра излучения была не менее 50 нм. Выходная мощность СВИ составляла более 7 мВт при комнатной температуре при входной мощности накачки около 600 мВт. Получены зависимости формы, положения максимума полосы и мощности выходного излучения источника от мощности накачки. Показано, что положение максимума слабо зависит от мощности накачки, тогда как ширина спектра излучения уменьшается при сохранении формы спектра. Данный источник может иметь практическое значение в различных областях науки и техники. Разработанное устройство планируется использовать в экспериментах по определению влияния радиационного излучения (близких к условиям космоса) на выходные параметры источника в режиме работы. Основные результаты работы были опубликованы в 2 статьях (Optical Materials Express, Quantum Electron.) и 2 трудах конференций. Результаты работы вошли в доклады на International Workshop on Laser Physics (LasPhys), 7-ом российском семинаре по волоконным лазерам. Написан научный отчет по выполнению работ и полученным результатам в рамках данного проекта.

 

Публикации

1. Фирстов С. В., Дианов Е. М. Прогресс в области разработки висмутовых волоконных лазеров и усилителей для спектральной области 1600 – 1800 нм 7-й Российский семинар по волоконным лазерам, стр. 45-46 (год публикации - 2016).

2. Фирстов С.В., Рюмкин К.Е., Хопин В.Ф., Алышев С.В., Мелькумов М.А., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М. Superluminescent bismuth-doped fibre IR source for the range 1700-1750 nm Quantum Electronics, Vol.46, Number 9, 787-789 (год публикации - 2016).

3. Фирстов С.В., Хопин В.Ф., Алышев С.В., Рюмкин К.Е., Мелькумов М.А., Дианов Е.М. The Effect of Bi Content on Radiation Resistance of Bismuth-Doped Germanosilicate Fibers Laser Physics Workshop, P.S8.3 (год публикации - 2016).

4. Фирстов С.В., Хопин В.Ф., Алышев С.В., Фирстова Е.Г., Рюмкин К.Е., Мелькумов М.А., Хегай А.М., Кашайкин П.Ф., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М. Effect of gamma-irradiation on the optical properties of bismuth-doped germanosilicate fibers Optical Materials Express, Vol.6, Issue 10, 3303-3308 (год публикации - 2016).


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В 2017 году в рамках данного проекта был проведен комплекс исследований, направленный на изучение влияния ионизирующего излучения на оптические свойства висмутовых световодов. Научным коллективом была выполнена следующая работа: 1) разработка серии волоконных световодов, легированных висмутом и солегированных ионами Ce, изучение их абсорбционных и спектрально-люминесцентных характеристик, стойкости к лазерному излучению; 2) изучение воздействия ионизирующего излучения при различных температурных условиях на оптические свойства висмутовых световодов и выходные параметры суперлюминесцентного источника ИК излучения (СВИ), созданного на основе висмутового световода; 3) моделирование поведения выходных характеристик СВИ в режиме работы при воздействии ионизирующим излучением; 4) оформление и представление результатов. В итоге проведенной работы были получены следующие научные результаты: 1) изготовлены образцы волоконных световодов, легированных висмутом и солегированных ионами церия (до 1 мол.%). Установлено, что введение ионов церия приводит к изменению окислительно-восстановительных условий и как следствие к изменению оптических свойств световодов с висмутом. Показано, что добавка церия в соотношении 10:1 от концентрации висмута приводит к подавлению различных висмутовых активных центров, в частности ассоциированных с Al и др. 2) Обнаружена новая радиационно-наведенная полоса поглощения с максимумом около 1200 нм в висмутовых световодах с высоким содержанием оксида германия. Показано, что характерное время ее релаксации составляет около 2 ч. Показатель n, характеризующий порядок кинетики, близок к 3, что указывает на более сложные процессы, чем рекомбинации дефектов, кислородных вакансий и других междоузельных центров, для которых n=2 (бимолекулярные процессы). Из полученных температурных зависимостей радиационно-наведенного поглощения (РНП), была оценена энергия активации таких процессов, которая составляет ~ 40 мэВ. Высказано предположение, что радиационно-наведенная полоса поглощения в области 1200 нм не связана исключительно с дефектами сетки стекла, а обусловлена висмутом и структурными особенностями, присущими германосиликатным стеклам с высоким содержанием оксида германия. 3) Получены временные зависимости изменения РНП исследуемых световодов для спектральных областей, соответствующих полосам поглощения висмутовых активных центров и вне этих полос. Из полученных зависимостей были определены количественные показатели вклада висмута и стеклянной матрицы в величину РНП. 4) Получены экспериментальные данные о работе суперлюминесцентного волоконного источника ИК излучения (СВИ), созданного на основе высокогерманатного висмутового световода, в процессе облучения гамма-излучением для различных температурных режимов активного световода. Установлено, что при температурах +30 и + 60 °С дозовая зависимость изменения выходной мощности является нелинейной, в отличие от аналогичной для температуры -60 °С. Определено, что изменение выходной мощности СВИ при накопленной дозе облучения 1 кГр достигает 10 дБ. 5) Построена модель для описания работы СВИ на основе решения скоростных уравнений, описывающих распространение излучения накачки и усиленное спонтанное излучение в прямом и обратном направлениях вдоль активного волокна, а также инверсной населенности активных центров. Получено качественное и количественное согласование экспериментальных данных с результатами расчета модели работы СВИ. Установлено, что снижение выходной мощности СВИ при облучении гамма-излучением обусловлено исключительно возрастанием радиационно-наведенных потерь в световоде. 6) Основные результаты работы были опубликованы в научных журналах (J. Lightwave Technology, Optical Materials Express и др.) и трудах конференций, входящих в базы данных Web of Science и Scopus. Результаты работы докладывались на ведущих зарубежных и отечественных конференциях CLEO/Europe, Workshop on Specialty Optical Fibers, Всероссийская конференция по волоконной оптике. Написан научный отчет по выполнению работ и полученным результатам в рамках данного проекта.

 

Публикации

1. Рюмкин К.Е., Фирстов С.В., Алышев С.В., Хегай А.М., Мелькумов М.А., Харахордин А.В., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М. Performance of 1.73 μm Superluminescent Source Based on Bismuth-Doped Fiber Under Various Temperature Conditions and γ-Irradiation JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, vol. 35, #19, 4114-4119, 2017 (год публикации - 2017).

2. Рюмкин К.Е., Фирстов С.В., Хопин В.Ф., Алышев С.В., Мелькумов М.А., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М. Novel superluminescent bismuth-doped fiber source for the 1700 – 1750 nm range Proceedings of Conference on Lasers and Electro-Optics/Europe, paper CJ-P.23 (год публикации - 2017).

3. Фирстов С.В., Алышев С.В., Харахордин А.В., Рюмкин К.Е., Дианов Е.М. Laser-induced bleaching and thermo-stimulated recovery of luminescent centers in bismuth-doped optical fibers OPTICAL MATERIALS EXPRESS, Volume: 7 Issue: 9 Pages: 3422-3432 (год публикации - 2017).

4. Фирстов С.В., Харахордин А.В., Алышев С.В., Рюмкин К.Е., Мелькумов М.А., Хопин В.Ф., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М. Photo-Induced Erasing and Thermal Regeneration of Luminescent Centers in Bismuth-Doped Optical Fibers Proceedings of Workshop on Specialty Optical Fibers and Their Applications, Paper 7 (год публикации - 2017).

5. Фирстов С.В., Хопин В.Ф., Харахордин А.В., Алышев С.В., Рюмкин К.Е., Мелькумов М.А., Хегай А.М., Кашайкин П.Ф., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М. Радиационно-наведенное поглощение в германосиликатных световодах, легированных висмутом КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА, т. 47, №12, с.1120-1124 (год публикации - 2017).

6. Харахордин А.В., Алышев С.В., Рюмкин К.Е., Фирстов С.В., Мелькумов М.А., Дианов Е.М. Фотообесцвечивание центров люминесценции в висмутовых волоконных световодах Фотон-Экспресс-Наука (Труды Всероссийской конференции по волоконной оптики 2017), №142, с. 21-22 (год публикации - 2017).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В 2018 году исследования в рамках данного проекта были преимущественно нацелены на изучение влияния ионизирующего излучения на характеристики световодов с сердцевиной из чистого кварцевого стекла, легированного висмутом. Для этого были созданы преформы волоконных световодов, легированных висмутом, с применением различных технологических методов, в частности MCVD, FCVD, Powder-In-Tube, из которых были вытянуты одномодовые волоконные световоды. Проведено детальное изучение оптических свойств разработанных волоконных световодов, включая измерение спектров поглощения слабого и большого сигнала, трехмерных графиков возбуждения люминесценции, температурной стабильности висмутовых активных центров и лучевой стойкости таких световодов и т.д. Были выполнены работы по облучению экспериментальных образцов ионизирующим излучением от источника Co60 в НИЦ “Курчатовский институт”. В результате были получены зависимости радиационно-наведенного поглощения (РНП) в диапазоне длин волн 1000-1600 нм для исследованных образцов. Установлено, что при последовательном накоплении дозы облучения (до 1 кГр) происходит заметный рост оптического поглощения во всей спектральной области измерений. Величина РНП зависит от длины волны – с ростом длины волны происходит уменьшение РНП. Определено, что минимальная величина РНП в таких световодах составляет 0.7-0.8 дБ/м на 1600 нм при дозе облучения 1 кГр. Показано, что технологические особенности изготовления заготовок не оказывают существенного влияния на чувствительность световодов к радиационному излучению. Из анализа и сопоставления экспериментальных данных было установлено, что величина и форма спектра РНП в световодах из кварцевого стекла, легированного висмутом, слабо зависят от температуры. Установлено, что форма спектра РНП световодов из кварцевого стекла с висмутом подобна спектрам РНП для германосиликатных световодов, легированных висмутом. Выдвинуто предположение, что появление РНП в таких световодах обусловлено чувствительными к радиационному излучению дефектами сетки стекла, формирующимися при введении висмута. Основываясь на результатах проведенных экспериментов, было показано, что висмут, внедряясь в стеклянную матрицу, действует как дырочная ловушка. Данный результат важен с фундаментальной точки зрения, поскольку он может помочь в расшифровке структуры висмутового активного центра и центров, обусловливающих появление РНП. Кроме того, показано, что висмутовые активные центры являются достаточно устойчивыми к ионизирующему излучению, т.е. не происходит изменения их спектрально-люминесцентных и усилительных свойств даже при высоких дозах облучения ~ 1 МГр. Сделан анализ полученных результатов за весь период выполнения проекта. Определено, что наименее чувствительными к воздействию ионизирующего излучения являются висмутовые световоды с сердцевиной из чистого кварцевого стекла и световоды с сердцевиной из германосиликатного стекла (с содержанием оксида германия от 5 мол.% и выше), в которых радиационно-наведенное поглощение (РНП) составляет от 0,05 до 0,7 дБ/м при дозе облучения 1 кГр и комнатной температуре. В алюмо- и фосфоросиликатных световодах с висмутом величина РНП более чем на порядок выше. Важно отметить, что величина РНП в лучших висмутовых световодах сопоставима с величиной РНП в световодах с редкоземельными ионами, которые активно используются для разработки оптических устройств, ориентированных на применение в условиях повышенного радиационного фона. Указаны основные особенности висмутовых световодов, на которые следует обратить внимание при их использовании для создания волоконно-оптических устройств, которые могут быть использованы в космической отрасли и других сферах деятельности. Основные результаты работы, полученные в 2018 году, изложены в 6 публикациях: 2 статьях в журналах с квартилем Q1 (индексируемых в Web of Science и Scopus) и 4 тезисах конференций. Результаты также были доложены на ведущих международных конференциях по оптическим материалам: International Congress on Glass (ICG), International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT), International Conference Laser Optics (ICLO); и по радиационным эффектам: Conference on Radiation Effects on Components and Systems (RADECS). В текущем году результаты наших исследований были дважды освещены в средствах массовой информации, которые доступны по следующим ссылкам: http://rscf.ru/ru/node/3061 и https://indicator.ru/news/2018/07/19/istochnik-infrakrasnogo-izlucheniya-vismutovye-volokna

 

Публикации

1. - Физики из России создали новый тип "лазерного" оптоволокна РИА Новости, - (год публикации - ).

2. - Создан источник излучения, который может работать даже в открытом космосе www.indicator.ru, - (год публикации - ).

3. Кашайкин П.Ф., Томашук А.Л., Хопин В.Ф., Фирстов С.В., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М. Observation of radiation-induced absorption of self-trapped holes in Ge-doped silica fiber in near infrared range at reduced temperature J. Non-Crystalline Solids, Vol. 496, pp. 24-28 (год публикации - 2018).

4. Фирстов С.В., Алышев С.В., Рюмкин К.Е., Хегай А.М., Харахордин А.В., Мелькумов М.А., Дианов Е.М. Laser-Active Fibers Doped with Bismuth for a Wavelength Region of 1.6-1.8 μm Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 24, issue 5, 0902415 (год публикации - 2018).

5. Фирстов С.В., Харахордин А.В., Алышев С.В., Рюмкин К.Е., Мелькумов А.М., Хопин В.Ф., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М. Features of photobleaching and recovery phenomena in bismuth-doped optical glass fibers International Congress on Glass (ICG 2018), Annual Meeting, Book of Abstracts, paper 1C1800 (год публикации - 2018).

6. Фирстов С.В., Харахордин А.В., Алышкв С.В., Рюмкин К.Е., Хопин В.Ф., Мелькумов М.А., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М. Lasing features in annealed high-germania-core optical fibers doped with bismuth International Conference Laser Optics 2018 (ICLO 2018), 8435423, p.25 (год публикации - 2018).

7. Фирстов С.В., Хопин В.Ф., Харахордин А.В., Алышев С.В., Рюмкин К.Е., Мелькумов М.А., Хегай А.М., Кашайкин П.Ф., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М. Effect of Radiation on Optical Characteristics of Bismuth-Doped High-GeO2 Silica Fibers for Superluminescent Sources Conference on Radiation Effects on Components and Systems (RADECS), Book of Abstracts, paper E-5 (год публикации - 2018).

8. Харахордин А.В., Алышев С.В., Рюмкин К.Е., Фирстов С.В., Хопин В.Ф., Мелькумов М.А., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М. Effect of IR, visible, UV and gamma irradiation on optical properties of bismuth doped fibers 26th International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT'2018), Book of Abstracts, paper LS-O-5 (год публикации - 2018).