Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования. Резидент Технопарка ИТМО
ru en
Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования. Резидент Технопарка ИТМО
Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования. Резидент Технопарка ИТМО
Товар добавлен в корзину
Перейти в корзину
Брэгговская решетка: изготовление и применение

Брэгговская решетка: изготовление и применение

11.06.2021
378
Поделитеcь новостью:

Развитие волоконной оптики началось в конце прошлого столетия и продолжается по сей день. Огромные телекоммуникационные сети используют оптические волокна для передачи информации, а для научно – технических целей были разработаны специальные световоды, покрывающие широкий спектр применения. Например, такое направление, как разработка устройств и приборов на основе оптических волокон, активно движется вперед, и уже сейчас в лабораториях и производствах всего мира можно найти различные датчики, оптические измерители, фильтры и прочее оборудование.

Для реализации чувствительных элементов датчиков и других компонентов используют волоконные брэгговские решётки (ВБР) – разновидность дифракционных решеток. Они находятся в сердцевине волокон и имеют периодически изменяющийся показатель преломления (Рисунок 1).

1.jpg

Рисунок 1. Схема ВБР, изготовляемых в лабораториях Университета ИТМО

 

Когда излучение определенного спектрального диапазона проходит через записанную в волокне решетку, его диапазон изменяется в зависимости от ее параметров, часть спектра частично или полностью отражается от ВБР. Длина волны брэгговского резонанса, или центральная длина волны спектра отражения определяется следующей формулой:

λб=2nэффΛ,

здесь nэфф  - эффективный показатель преломления для длины волны резонанса, Λ – период решетки. 

Такая спектральная селективность обусловлена явлением дифракции на участках с модифицированным показателем преломления. Период решетки Λ подбирается под определенные длины волн, например, для отражения спектра 1540 нм нужно создать ВБР с периодом 530 нм. Длина самой решетки обычно варьируется от 1 мм до нескольких сантиметров и включает несколько десятков тысяч неоднородных областей.

Методы изготовления периодической структуры

Выделяют три метода записи периодических решеток в сердцевинах оптических волокон:

Метод фазовой маски включает в себя шаблон – маску, на которую падает излучение УФ лазера. За маской находится часть волокна без защитного покрытия. На этом участке образуется интерференционная картина от маски и происходит модификация оптических свойств сердцевины под действием УФ – излучения.

 2.png

Рисунок 2. Методы изготовления ВБР, использующие фазовую маску

 

На рисунке выше показан вариант записи с помощью фазовой маски. Маска изготавливается из прозрачного для УФ – диапазона кварцевого стекла и имеет рельеф, который способствует подавлению всех порядков дифракции кроме 1-ого и -1-ого. Чтобы увеличить область, на которой возможна запись, используют интерферометр Табольта с подвижными зеркалами. Данный метод не требует высокой когерентности светового потока, однако имеют дифракционные ограничения на самой маске, которые влияют на точность записи. Кроме того, маски изготавливаются уже с готовым набором параметров, которые никак нельзя изменить.

Запись при помощи интерферометров (Рисунок 3) компенсирует эти недостатки, но требует когерентного света для записи. Первые интерферометры для записи ВБР использовали амплитудное разделение пучка. Угол, под которым падали лучи на объект, определял период решетки.

3.png

Рисунок 3. Интерферометрические схемы записи брэгговских решеток

Интерферометры с пространственным разделением пучка (интерферометры Ллойда) включают в себя меньше элементов и имеют большую временную стабильность. Цилиндрическая линза используется для фокусировки излучения в сердцевине, чтобы увеличить плотность энергии в этой области и произвести запись структуры без повреждения оболочки. Стоит отметить, что в таких устройствах процесс изменения угла падения лучей значительно проще, чем в схеме амплитудного разделения пучка, поэтому этот метод более удобен для создания относительно протяженных ВБР.

Пошаговый метод используется в основном для записи длиннопериодных решеток. Такая запись осуществляется непосредственно лазерным лучом, сфокусированным в сердцевине и последовательно перемещающимся в плоскости обработки на расстояние, равное периоду. Предпочтительно использовать непрерывный источник излучения, чтобы уменьшить время обработки.

4.png

Рисунок 4. Пошаговый метод записи ВБР


Для записи решеток используют следующие лазерные источники:

  • Эксимерные лазеры с длиной волны менее 300 нм
  • Вторая гармоника лазеров на красителях
  • Четвертая гармоника Nd:YAG лазера (266 нм)
  • Вторая гармоника аргонового лазера (257 нм)
  • Фемтосекундные лазеры

Причем особенности воздействия последних на сердцевину волокна сейчас активно изучаются, так как процессы поглощения фемтосекундных импульсов происходят по многофотонным механизмам, а поглощенные энергии больше по сравнению с энергиями традиционных источников.


Области применения

Спектральная селективность позволяет использовать ВБР в системах ВОЛС и телекоммуникационных технологиях. Их помещают в конструкции спектральных фильтров (например, узкополосных перестраиваемых оптических фильтров TFN), что позволяет увеличить пропускную способность таких систем. Кроме того, сегодня можно получить периодические дифракционные решетки самых разных характеристик, что позволяет применять ВБР в качестве отражающих компонентов резонаторов волоконных лазеров.

Другие приложения:

Внешнее воздействие на волокно приводит к изменению его геометрических форм, что в свою очередь изменяет параметры записанных ВБР. В первую очередь происходит увеличение или уменьшения периода, что приводит к смещению центральной длины волны спектра отражения. Эту особенность используют для разработки волоконно – оптических сенсоров для различной диагностики и мониторинга, в частности, в ВОЛС. Принцип работы таких датчиков заключается в модуляции свойств электромагнитного излучения (фазы, частоты, интенсивности) при изменении измеряемого параметра. Например, оптические сенсоры могут детектировать деформацию, изменение давления и температуры, перемещение, изменение угла наклона и т.д.

Волоконно – оптические сенсоры отличаются возможностью мультиплексирования. Иными словами, на одну линию связи может быть помещено множество решеток, которые будут работать на своей уникальной резонансной длине волны. В отличие от электрических систем, которые сейчас используются чаще всего, сенсорные системы на основе волокна нечувствительны к электромагнитным помехам, они сделаны из диэлектрических материалов и электрически пассивны. Оптический сигнал по волокнам распространяется на большие расстояния без существенных потерь. Кроме того, такие сенсоры, в отличие от электрических, можно использовать в неблагоприятных условиях окружающей среды. К примеру, при наличии взрывоопасных факторов, высоких температурах, давлениях и сторонних электромагнитных полях. Монтаж и эксплуатация волоконно – оптических датчиков мало чем отличаются от эксплуатации электрических датчиков, что значительно облегчает задачу перехода от электрических систем к волоконным.

 

АО «ЛЛС» поставляет широкий спектр волоконно – оптических компонентов и измерительного оборудования по всей России и в страны СНГ. В нашем каталоге Вы найдете полное техническое описание всех представленных моделей. По всем интересующим вопросам вы сможете получить консультацию специалистов, воспользовавшись контактным номером телефона или электронной почтой. Мы доставляем качественное оборудование от ведущих производителей отраслей, а также осуществляем поставку образцов.


Понравилось?
Обязательно поделитесь статьей в социальных сетях!