Математическое моделирование процессов формирования внутриволоконной микроструктуры и рассеивания света на ней.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 23-21-00169

НазваниеМатематическое моделирование процессов формирования внутриволоконной микроструктуры и рассеивания света на ней.

Руководитель Перминов Анатолий Викторович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" , Пермский край

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-218 - Математическое моделирование физических явлений

Ключевые слова Оптическое волокно, внутриволоконная структура, оптический пробой, лазерное излучение, плазма.

Код ГРНТИ27.35.00, 27.35.41, 27.35.47

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время основным видом сенсорной структуры в волоконно-оптических датчиках являются волоконные брэгговские решетки. Однако при их создании снимается защитно-упрочняющее покрытие, что снижает прочность и гибкость волокна и ограничивает область применения таких датчиков. Решением этой проблемы может быть создание волоконно-оптического датчика по новой технологии, при которой не повреждается защитно-упрочняющее покрытие, а сенсорная структура создается при помощи эффекта плавления (оптического пробоя и последующего плавления сердцевины). При записи сенсорной структуры в заданной области волокна создаются условия для генерации плазменной искры, после прохождения которой образуется структура микронеоднородностей различных форм. В настоящее время нет математических моделей, которые бы в полной мере адекватно описывали процессы оптического пробоя, движения плазменной искры, и как следствие, формирующиеся внутриволоконные структуры. Существует четыре основных подхода к математическому моделированию процесса оптического пробоя, динамики плазменной искры и процесса образования внутриволоконной структуры микродефектов. Как отмечают сами авторы моделей, их соответствие экспериментальным данным не велико. Поэтому актуальной является задача на основе существующих подходов построить математические модели, указанных выше процессов для оптических волокон, которые возможно использовать при создании новых светотехнических устройств и сенсоров. Обратная связь с экспериментом позволит верифицировать математические модели. В ходе экспериментов была выявлена «проблема первого дефекта», которая накладывает ограничения на применение квазипериодических структур в качестве эффективных рассеивателей излучения. Из-за высокой степени рассеивания излучения на первом дефекте внутриволоконной структуры, интенсивность излучения быстро затухает вдоль волокна, что приводит к уменьшению размеров диффузоров (рассеивателей) и не однородности рассеивающегося излучения. Математическое моделирование процесса рассеяния позволит определить оптимальные размеры, форму и свойства первого и последующих дефектов для создания диффузоров с необходимыми потребительскими свойствами. Целью настоящего проекта является разработка верифицированных математических моделей процессов оптического пробоя, плавления сердцевины и рассеяния на внутриволоконной структуре микронеоднородностей. Полученные в ходе выполнения проекта, новые математические модели и результаты расчетов лягут в основу новейших методик управления оптическим пробоем и плавлением внутри волокна. По результатам выполнения проекта планируется проведение НИОКР для создания промышленных образцов новых светотехнических устройств и сенсоров, работа которых основана на внутриволоконных микроструктурах, созданных методом оптического пробоя и плавления оптического волокна.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Старикова В.А., Конин Ю.А., Петухова А.Ю., Алешкина С.С., Петров А.А., Перминов А.В. Mathematical Model of Fuse Effect Initiation in Fiber Core Algorithms. 2023; 16(7):331., Algorithms. 2023; 16(7):331. (год публикации - 2023)
10.3390/a16070331

2. Ю.А. Конин, В.А. Старикова, А.Ю. Петухова, Н.А. Грачёв, А.А. Петров, А.В. Перминов МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАССЕЯНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ НА КВАЗИПЕРИОДИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЕ В ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ Прикладная фотоника. – 2023. – Т. 10, № 2. – С. 42–55., Прикладная фотоника. – 2023. – Т. 10, № 2. – С. 42–55. (год публикации - 2023)
10.15593/2411-4375/2023.2.03

3. Петухова А.Ю., Старикова В.А., Конин Ю.А., Перминов А.В. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАССЕЯНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ В ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ НА КВАЗИПЕРИОДИЧЕСКОЙ МИКРОСТРУКТУРЕ Фотон-Экспресс, №6, 2023. С. 398 - 399, №6, С. 394 - 395 (год публикации - 2023)

4. Старикова В.А., Петухова А.Ю., Конин Ю.А., Перминов А.В. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ИСКРЫ ПРИ ОПТИЧЕСКОМ ПРОБОЕ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА Фотон-Экспресс, №6, 2023. С. 396 - 397, СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСРЕСС-НАУКА 2023», №6, 2023. С. 396 - 397 (год публикации - 2023)

5. В.А. Старикова, А.В. Перминов МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ПРОБОЕ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА Математическое моделирование в естественных науках : матер. XXXII Всероссийской конференции. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2023. – 371 с., матер. XXXII Всероссийской конференции. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2023. – 371 с. (год публикации - 2023)

6. Петухова А.Ю., Перминов А.В., Старикова В.А., Конин Ю.А. Mathematical Model of Radiation Scattering on Quasi-Periodic Microstructure in Optical Fiber Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2024, Vol. 88, No. 6, pp. 1000–1009. (год публикации - 2024)
10.1134/S1062873824706986

7. Старикова В.А.,Перминов А.В. ВЛИЯНИЕ МАТЕРИАЛА ИНИЦИАТОРА НА ПРОЦЕСС ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ПРОБОЯ В ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ Изв. вузов. Приборостроение., Изв. вузов. Приборостроение. 2024. Т. 67, № 10. С. 853–866. DOI: 10.17586/0021-3454-2024-67-10-853-866. (год публикации - 2024)
10.17586/0021-3454-2024-67-10-853-866

8. Конин Ю.А., Петров А.А., Перминов А.В., Старикова В.А., Петухова А.Ю., Смольников А.Г., Луценко А.С., Трушников В.С. Fiber Optic Sensor for Cryogenic Liquids Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2024, Vol. 88, No. 6, pp. 983–985. (год публикации - 2024)
10.1134/S1062873824706949

9. Старикова В.А., Перминов А.В. ОПТИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ ВОЛОКНА ПРИ НЕИДЕАЛЬНОМ КОНТАКТЕ С ИНИЦИАТОРОМ Вестник Пермского университета. Физика, Вестник Пермского университета. Физика. 2024. № 4. С. 05–13. (год публикации - 2024)

10. Старикова В.А., Конин Ю.А., Петухова А.Ю., Перминов А.В. Математическое моделирование температурных полей при пробое оптического волокна Вестник Пермского университета. Физика., Вестник Пермского университета. Физика. 2024. № 1. С. 24–32. doi: 10.17072/1994-3598-2024-1-24-32 (год публикации - 2024)
10.17072/1994-3598-2024-1-24-32

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе выполнения второго этапа проекта был создан ряд тепловых математических моделей инициации оптического пробоя в различных типах оптических волокон, а именно многомодовое волокно MM 62.5/125 и волокно с двойной оболочкой DC10/125/250. В ходе математического моделирования были рассчитаны температурные поля в оптическом волокне и инициаторе и определены границы температурных фронтов, соответствующих областям, где возможно возникновение различных фазовых состояний кварцевого стекла. В результате расчетов для различных типов оптических волокон были оценены пороговые мощности оптического пробоя Pmin и характерные времена для движущегося фронта плазмообразования: время возникновения плазмы, время возникновения оптического пробоя, когда фронт плазмы достиг границы сердцевины волокна, и время релаксации, когда фронт плазмы останавливается. Необходимо отметить, что время релаксации может быть определено только для модели с идеальным контактом волокна и инициатора. В рамках математической модели с идеальным контактом волокна и инициатора проводились исследования влияния длины волны излучения и материала инициатора на характеристики оптического пробоя. Показано, что время возникновения оптического пробоя в волокне, спадет с увеличением мощности по закону близкому к экспоненциальному. При больших мощностях излучения (Pmax = 10 Вт) время инициации плазменной искры лежит в узком временном интервале от 0,09 мкс для λ0 = 1080 нм до 0,18 мкс для λ0 = 2050 нм. При малых мощностях излучения время инициации возрастает с увеличением длины волны. При исследовании влияния материала инициатора на процесс возникновения оптического пробоя было выявлено, что для быстрого и надежного инициирования оптического пробоя необходимо выбирать материал инициатора с меньшим коэффициентом теплопроводности и большой теплоемкостью. Влияние плотности инициатора в ходе исследования не подтвердилось. Изучалось влияние типа оптического волокна на характеристики инициации оптического пробоя. Показано, что время возникновения плазмы в оптическом волокне не зависит от типа оптического волокна, при этом время возникновения и пороговая мощность оптического пробоя имеют наименьшее значение для одномодового волокна SMF-28 и наибольшее значение для многомодового оптического волокна MM 62.5/125. Это объясняется разницей плотностей мощности в этих волокнах из-за разных диаметров сердцевины. При одинаковой входной мощности излучения плотность мощности в одномодовом волокне выше, чем в многомодовом или в волокне с двойной оболочкой, и как результат, время возникновения и пороговая мощность оптического пробоя меньше. Была создана математическая модель возникновения плазменного очага в оптическом волокне с учетом наличия воздушного зазора и лучистого теплообмена между торцом оптического волокна и плоскостью инициатора. В ходе математического моделирования было рассчитано температурное поле в оптическом волокне, инициаторе, воздухе между инициатором и волокном и вокруг них. По полученным распределениям температурного поля для каждого значения величины воздушного зазора были рассчитаны: характерные времена для фронта плазмообразования; пороговая мощность оптического пробоя; поле скоростей воздуха в зазоре, вокруг инициатора и оптического волокна. Исследуемые параметры слабо зависят от размера воздушного зазора. Существующие градиенты температуры вызывают слабоинтенсивные движения воздуха в зазоре, которые практически не влияют на отток тепла от разогретого торца волокна. Основными механизмами переноса тепла в данной системе являются теплопроводность и излучение. В рамках математического моделирования движения плазменной искры с постоянной скоростью по оптическому волокну показано, что плазменная искра осциллирует. Период осцилляции совпадает с периодом повторения отдельных микрополостей внутренней структуры в сердцевине волокна. В проекте представлены математические модели рассеивателей на основе многомодового оптического волокна со ступенчатым и градиентным профилем показателя преломления, а также волокна с двойной оболочкой при наличии в них рассеивающих структур из 4-х микрополостей различной формы. Для каждой периодической структуры микрополостей оценивалось влияние длины, диаметра микрополости и периода структуры на распределение плотности мощности излучения вдоль оптического волокна. Были определены области значений геометрических параметров, в которых наблюдается наиболее однородные распределения мощности рассеянного излучения. Расчеты показали, что в многомодовом волокне ММ 62,5/125 наиболее оптимальными формами микрополостей с точки зрения равномерного распределения мощности вдоль периодической микроструктуры являются эллиптические и сферические микрополости с периодом, превышающим размер микрополостей. В градиентном волокне GIММ 62,5/125 величина диаметра микрополости наиболее сильно влияет на значение рассеянной мощности, вне зависимости от формы микрополости, тогда как изменение периода и длины микрополостей оказывает более существенное влияние на равномерность распределения рассеянного вдоль волновода излучения. Для многомодового и градиентного волокна получены спектры отражённого от периодической структуры излучения, анализ которых показал, что при наличии одной микрополости рассеянное излучение имеет чётко выраженный пик. Когда добавляются другие микрополости, происходит разделение пика на дополнительные. Каждая микрополость по отдельности и периодическая структура в целом представляют собой набор интерферометров Фабри-Перо. Были получены спектры обратных отражений для многомодового волокна со ступенчатым и градиентным показателем преломления для различных диаметров сферической микрополости. Из анализа спектров получается, что для волокна ММ 62,5/125 наиболее оптимальным диаметром микрополости для создания интерферометра является значение 11,5 мкм, а для градиентного волокна GIММ 62,5/125 диаметр в 6,5 мкм.

Публикации

Возможность практического использования результатов
В настоящее время в различных отраслях экономики России для измерения температуры используются термопары или волоконные датчики на основе волоконных брэгговских решеток. Такие датчики представляют собой отдельные устройства, созданные с помощью повреждения внешней защитной оболочки волокна, воздействия на сердцевину и вынужденного дополнительного покрытия, которое снижает исходную прочность и гибкость волокна. В результате такие датчики обладают низкой компактностью (не подходят для тонких и узких зон исследования), недостаточной гибкостью (не подходят для зон исследования с малыми радиусами изгиба) и ограничены по температурному диапазону (разрушаются при температуре выше 300 °С). Поэтому есть необходимость в создании более гибкого и маленького по размеру вида датчиков, которые смогут расширить диапазон применимости волоконных датчиков температуры. Основой таких датчиков могут стать сенсорные квазипериодические структуры из микрополостей, созданные при помощи оптического пробоя лазерным излучением, распространяющегося по волокну. Результаты можно использовать для создания методик управления процессом пробоя, которые позволят получать структуры с заранее известными геометрическими и физическими параметрами. Такие технологии позволят создавать волоконные сенсоры и рассеивающие устройства в сердцевине оптического волокна без повреждения его внешних защитных оболочек, т.е. исключается операция по снятию и восстановлению защитно-упрочняющего покрытия. Формирование периодической структуры из микрополостей не требует использования дорогостоящей прецизионной механики. На основе данной технологии могут быть созданы высокотемпературные и химически стойкие волоконные датчики, которые можно использовать при бурении скважин, разведке месторождений полезных ископаемых и других процессах горно-нефтянной промышленности. Помимо выше сказанного можно создавать комбинированные устройства, включающие в себя, например, датчик температуры и волоконный рассеиватель. Такие комбинированные устройства могут быть использованы в медицине, заменяя современные медицинские волоконно-оптические зонды для терапии, которые не имеют встроенных температурных датчиков. Комбинированные устройства могут использоваться в хирургических, стоматологических и других протоколах диагностики и лечения, обеспечивая как рассеяние излучения, так и контроль температуры для обеспечения безопасного проведения терапии. Результаты настоящего проекта показывают, какие внутриволоконные структуры необходимо создать в сердцевине оптического волокна для различных задач.