Разработка контрольно-измерительного комплекса для тестирования профиля показателя преломления и спектрального затухания оптического волокна

Актуальность темы

.

Технология оптического волокна — одна из наиболее интенсивно развивающихся областей науки и техники в последнее десятилетие. Наряду с качественным постоянным совершенствованием связных типов волокна — одномодового и многомодового получили быстрое развитие оптоволоконные технологии специальных типов. К ним относится разработка радиационно-стойких и радиационно-чувствительных волокон для использования в системах мониторинга и контроля потенциально-опасных ядерных объектов, в методиках радиационной терапии в медицине. Интенсивно ведется отработка технологии активного волокна, легированного редкоземельными элементами, которое используется в качестве оптических усилителей в системах связи. Осваивается технология оптоволоконных лазеров на основе активного волокна для промышленности и медицины.

Разработка новых типов оптического волокна предполагает дальнейшее развитие методик тестирования, модернизацию контрольно-измерительного оборудования, а также исследование влияния внешних факторов таких, как температура, радиация на основные эксплуатационные и технологические параметры оптоволоконной продукции. Одним из основных параметров, характеризующих качество волокна и соответственно технологический процесс его изготовления, является распределение показателя преломления по сечению волокна — профиль показателя преломления (ППП). Обычно ППП формируется путем нанесения на внутреннюю поверхность опорной кварцевой трубы слоев кварца с различным показателем преломления. Улучшение качества измерения ППП (снижение погрешности, повышение разрешения) позволит более точно отслеживать и контролировать процесс нанесения кварцевых слоев и расширит возможности при изготовлении как стандартного, так и специальных типов оптического волокна. Поэтому дальнейшее развитие метода дефлектометрии основного метода для измерения ППП на базе нового предложенного схемотехнического решения и математического алгоритма вычисления является актуальным.

Важным в научно-техническом отношении является исследование влияния ионизирующего излучения на параметры волокна. Особенный интерес представляет оптическое волокно с чистой кварцевой светопроводящей сердцевиной и фторированной оболочкой. Поскольку чистый нелегированный кварц обладает наибольшей устойчивостью к ионизирующему излучению, такое волокно получило название радиационно-стойкого. С дальнейшим совершенствованием технологии радиационно-стойкого волокна появились новые возможности применения его для контроля радиационной обстановки на атомных станциях, линиях по переработке ядерных отходов, при проведении научных исследований на экспериментальных реакторах, импульсных и стационарных гамма-установках. Одним из актуальных направлений в этой области является исследование параметров радиационно-стойкого волокна непосредственно во время облучения. Эта информация позволит создавать системы непрерывного контроля радиационного фона па больших территориях (распределенные датчики), проводить наблюдения в труднодоступных местах с очень большим радиационным фоном (радиационно-стойкие эндоскопы). Поэтому такие исследования являются актуальными и представляет собой как научный, так и практический интерес.

Цель работы.

Разработка контрольно-измерительного комплекса для диагностики основных эксплуатационных и технологических параметров оптического волокна на базе новых предложенных схемотехнических решений, а также использование его для корректировки технологического процесса изготовления и исследования влияния ионизирующего излучения на работоспособность оптического волокна.

Основные задачи работы.

1. Разработка методики измерения профиля показателя преломления оптических кварцевых заготовок с погрешностью не более 10%, пространственным разрешением 40 мкм и создание на ее основе контрольно-измерительного прибора, комплектующего технологическое оборудование для производства оптического волокна.

2. Разработка многофункционального диагностического стенда для тестирования стандартного и специальных типов оптического волокна, а также для исследования воздействия ионизирующего излучения на эксплуатационные параметры волокна.

3. Корректировка технологического процесса изготовления кварцевых заготовок и вытяжки оптического волокна. Прогнозирование основных эксплуатационных параметров оптического волокна до стадии вытяжки с целью оптимизации технологических режимов.

4. Исследование спектров поглощения волокна с чистой кварцевой сердцевиной непосредственно во время облучения гамма-квантами от источника 60Со мощностью 10 рад/с до доз 10 Мрад и 100 рад/с до доз 100 Мрад. Регистрация процесса восстановления волокна после облучения.

5. Исследование спектров поглощения и люминесценции волокна с чистой кварцевой сердцевиной при воздействии импульсного гамма-излучения мощностью до 109 рад/с.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении автором дается обоснование актуальности выбранной темы диссертационной работы, формулируются цели и задачи, кратко излагается содержание работы, характеризуется научная новизна, определяется практическая ценность результатов, перечисляются основные положения, выносимые на защиту.

Основным содержанием первой главы диссертации является выбор модели, расчетно-теоретическое обоснование и отработка методики измерения ППП оптических кварцевых заготовок.

С этой целью в параграфе 1.1 автором проводится обзор литературы, касающейся проблемы измерения ППП. Анализируются преимущества и недостатки применяющихся на практике методов измерения ППП: интерферометрического, фокусировки и дефлектометрии. На основе проведенного анализа с учетом перечисленных выше требований погрешности и пространственного разрешения в качестве базового автором был выбран метод дефлектометрии. Суть его заключается в сканировании сечения кварцевой заготовки узким световым пучком с последующей регистрацией угла вышедшего излучения. Совокупность всех углов образует функцию отклонения, по которой вычисляется профиль показателя преломления.

Для теоретического обоснования метода дефлектометрии в параграфе 1.2 было использовано уравнение Снелиуса, лежащее в основе интегрального уравнения, связывающего функцию отклонения с показателем преломления для цилиндрически-симметричного объекта. Для численного решения этого уравнения в параграфе 1.3 был разработан алгоритм, предполагающий замену интеграла конечными суммами в исходном уравнении и учитывающий малые углы отклонения для реальных кварцевых заготовок. Для различных ППП была исследована погрешность вычисления по разработанному алгоритму в зависимости от частоты дискретизации функции отклонения (числа задаваемых точек функции отклонения). Методом математического эксперимента исследована чувствительность алгоритма к возможным экспериментальным погрешностям. Расчеты были проведены для наиболее часто встречающихся на практике структур ППП: ступенчатого, параболического с провалом, треугольного с провалом, У — образного и т. д. Анализ полученных результатов позволил сделать вывод, что для обеспечения погрешности вычисления ППП в оптических кварцевых заготовках с помощью разработанного алгоритма не более 10% необходимо измерять соответствующую функцию отклонения со среднеквадратичной погрешностью не более 5−7%. На основании этого с учетом требований разрешения каждого нанесенного кварцевого слоя в реальных заготовках были определены требования к схемотехническому решению методики.

Приборная реализация была выполнена на базе разработанной оптикомеханической схемы, детальное описание которой приведено в параграфе 1.4. При разработке схемы автором были учтены следующие ключевые моменты.

Поскольку углы отклонения для реальных кварцевых заготовок обычно 2 соответствуют 10'+10″ рад, необходимо обеспечить сканирование заготовки пучком с расходимостью не более 10″ рад. Учитывая, что толщина наносимых кварцевых слоев обычно составляет 40+100 мкм, то для четкой идентификации каждого слоя приборное разрешение схемы должно быть не хуже 40 мкм. Регистрация угла отклонения должна производится с погрешностью не более 7% с частотой дискретизации N>10 на каждый слой, то есть механическая система должна обеспечить величину шага сканирования не более 4 мкм. Для выполнения этих условий была реализована схема с неподвижной заготовкой. Сканирование осуществляется в плоскости, проходящей через ось заготовки. Сканирующим элементов является изображение щелевой диафрагмы, которая освещается излучением гелий-неонового лазера. С помощью телескопической системы изображение переносится в центр заготовки. Регистрация углового положения вышедшего излучения производится посредством фотодиодной линейки, установленной в фокальной плоскости объектива, расположенного за заготовкой. Для исключения влияния компоненты поверхностного отклонения сканирующего пучка тестируемая заготовка помещается в измерительную кювету, заполненную иммерсионной жидкостью с близким к кварцу показателем преломления. Угол отклонения определяется с помощью математической обработки полученного на фотодиодной линейке распределения интенсивности света. Таким образом, сканируя заготовку с шагом ~4 мкм, в память компьютера заносится массив функции отклонения для данного объекта. С помощью программы, на основе разработанного математического алгоритма, вычисляется ППП. Выбранное структурное построение позволило свести к минимуму количество механических деталей и узлов. Обработка оптического сигнала с фотодиодной линейки, учитывающая интенсивность, регистрируемую каждым элементом линейки, дала возможность увеличить чувствительность схемы и добиться требуемого углового разрешения. Использование лазера и телескопической системы обеспечило сканирование заготовки пучком с расходимостью не более 10'2 рад и размер сканирующего элемента «35 мкм, что в конечном итоге обеспечило пространственное разрешение 40 мкм.

Для автоматизации измерительного процесса была реализована электрическая схема, включающая электроприводы на основе шаговых двигателей для сканирования лазерным пучком заготовки и перемещения ее по длине. Описание схемы приведено в параграфе 1.5. Использование шаговых двигателей и фотодиодной линейки позволило посредством ПЭВМ через контроллер программно управлять измерительным процессом. Основные программные модули были разработаны в пакете МАТЬАВ и на языке программирования «Ассемблер». С помощью этих модулей осуществляется автоматическое измерение ППП, расчет геометрических и оптических характеристик тестируемых заготовок, математическое моделирование различных ППП, прогнозирование основных характеристик получаемого из этих заготовок оптического волокна. На основе разработанной схемы был спроектирован и собран контрольно-измерительный прибор ИПП-1, основные узлы которого были изготовлены на производственной базе РФЯЦ-ВНИИТФ (г. Снежинск).

Во второй главе приводятся результаты испытаний прибора ИПП-1.

В параграфе 2.1 автором определены возможные факторы, определяющие погрешность измерения функции отклонения. Показано, что основными источниками являются шумовые характеристики фотодиодной линейки, нестабильность работы лазера, отклонение сканирующего пучка за счет неоднородностей в оптическом тракте. На основании проведенных исследований сделаны предварительные оценки метрологических характеристик прибора. Для подтверждения сделанных оценок было проведено тестирование ИПП-1 на цилиндрически-симметричных объектах с заранее известными ППП. В параграфе 2.2 приведены результаты проведенных испытаний. В качестве таких объектов использовались кварцевые стержень и трубка. Для определения пространственного разрешения использовался набор кварцевых капилляров с различной толщиной стенки. Трубка и капилляры при этом были заполнены жидкостью с известным показателем преломления. ППП указанных объектов относительно иммерсионной жидкости были построены по данным, полученным с помощью рефрактометра ИРФ-22 и измерительного микроскопа NEOPHOT-32. Сравнение результатов показало, что ППП, измеренные с помощью ИПП-1, с точностью до оцененной погрешности измерения совпадают с ППП, построенными с помощью аттестованных приборов. Анализ результатов показал, что погрешность измерения ППП тестовых объектов не превышает 10%, пространственное разрешение соответствует 40 мкм. Сравнительные испытания ППП для одной и той же заготовки были проведены на приборах ИПП-1 и Р-101 («York Technology», США) в специализированной экспертной лаборатории на производственном объединении «Электропровод» (г. Москва). Было получено, что геометрические размеры ППП с точностью до оцененной погрешности измерения совпадают. Сравнение количества и формы прописанных слоев легированного кварца, нанесенных внутри заготовки, показало, что на ИПП-1 реализовано более высокое пространственное разрешение. В параграфе 2.3 описана методика прогнозирования основных параметров изготавливаемого волокна. На основании ППП заготовки, полученных с помощью ИПП-1, делались заключения о геометрических и оптических параметрах, наличии микровключений, пузырей, вносились соответствующие корректировки в технологический процесс изготовления кварцевых заготовок. По измеренным ППП прогнозировалась полоса пропускания для градиентного волокна, а для одномодового волокна на основе метода эквивалентного ступенчатого профиля вычислялась длина волны отсечки, диаметр пятна моды, числовая апертура. Приведены ППП измеренных заготовок, из которых были вытянуты стандартные одномодовое и градиентное волокна. Тестовые испытания этих волокон подтвердили, что реальные параметры волокна соответствуют спрогнозированным с погрешностью не более 10-И 5%.

Основным содержанием третьей главы является разработка многофункционального диагностического стенда для тестирования параметров оптического волокна.

В параграфе 3.1 проведен обзор наиболее часто применяющихся на практике методов измерения спектрального затухания. При разработке и реализации методики контроля спектрального затухания учитывалось требование многофункциональности диагностического стенда, возможного для тестирования как стандартного, так и специальных типов волокна, имеющего, как правило, нестандартную геометрию. За основу был принят метод двух точек, заключающийся в последовательном измерении световой мощности на выходе длинного и короткого отрезков волокна, с последующим вычислением коэффициента спектрального затухания. Принципиальная схема диагностического стенда, описанная в параграфе 3.2, была реализована на основе монохроматора.

МДР-2. В качестве источника излучения использовалась кварцевая галогенная лампа. Разработанная фотоэлектрическая схема стенда на основе фотодиода и селективного узкополосного усилителя обеспечила необходимый динамический диапазон измерений: для одномодового волокна — не менее 25 дБ, для градиентного — не менее 30 дБ. Применение сменных дифракционных решеток, а также фотоприемных узлов на основе германиевого фотодиода и фотоумножителя.

ФЭУ-100 позволило проводить измерения в спектральном диапазоне 200-П600 нм.

Иммерсирование торцов тестируемого волокна, а также применение фильтров оболочечных мод обеспечило повторяемость измерений спектрального затухания 0.1 дБ. Сменные фотоприемные узлы обеспечили измерение параметров волокна различных типов и диаметров. Процесс записи и обработки информации был п автоматизирован на базе управляющей ПЭВМ. На основе диагностического стенда были реализованы стандартные методы: «метод переменных диафрагм», «метод изгиба», «метод дальнего поля» для измерения диаметра пятна моды, длины волны отсечки, числовой апертуры соответственно. Исследование факторов, определяющих погрешность измерения указанных параметров волокна, позволили сделать оценку метрологических характеристик стенда. Было получено, что стенд обеспечивает измерение диаметра пятна моды с погрешностью ±0.5 мкм, длины волны отсечки — ± 10 нм, числовой апертуры — ± 0.01 (обычно диаметр пятна моды ~10 мкм, длина волны отсечки ~1 мкм, числовая апертура 0.1-И).4). Испытания стенда были проведены на стандартных паспортизованных волокнах. Измеренные параметры в пределах оцененной погрешности совпали с паспортными данными. Сравнительные испытания были проведены для одного и того же волокна на разработанном стенде и стандартной установке FOA-2200 («Photon Kinetics», США) на производственном объединении «Электропровод» (г. Москва). Полученные на разных установках результаты совпали в пределах оцененной погрешности. Таким образом, тестовые и сравнительные испытания подтвердили сделанные оценки метрологических характеристик диагностического стенда.

Совместное использование анализатора ИПП-1 и спектрального стенда позволило скорректировать технологический процесс изготовления стандартного связного волокна. В процессе отработки технологии изготовления кварцевых заготовок оперативный контроль формы ППП позволил оптимизировать процесс проплавления наносимых слоев легированного кварца, снизить влияние центрального провала в градиентных заготовках, получить параболическую форму ППП. Это в конечном итоге обеспечило требуемую ширину полосы пропускания и геометрические параметры. Измерение спектрального затухания позволило снизить содержание загрязняющих примесей до 1 ppb, а величину водяного пика на длине волны 1.39 мкм с 60 дБ/км до 6 дБ/км. Это обеспечило соответствие коэффициентов спектрального затухания на рабочих длинах волн коммерческим стандартам. Измерение ППП одномодовых заготовок, прогнозирование волноводных параметров будущего волокна, а также контроль с помощью диагностического стенда длины волны отсечки, диаметра пятна моды, изгибных потерь позволило оптимизировать эти четыре важнейших параметра. Таким образом, совместное использование анализатора ИПП-1 и диагностического стенда позволило в конечном итоге освоить в РФЯЦ-ВНИИТФ технологии стандартного связного, кварц-полимерного, радиационно-стойкого и активного волокна.

Диагностический стенд был применен для исследования кварцевого волокна, подвергшегося воздействию гамма-излучения. Постановка, проведение экспериментов и результаты исследований приведены в четвертой главе работы.

В параграфе 4.1 рассмотрены основные механизмы поглощения световой мощности в оптическом волокне при воздействии ионизирующего излучения. Показано, что оптические волокна, материалом сердцевины у которых служит чистый нелегированный кварц, обладают наибольшей радиационной стойкостью. Открытым остается вопрос исследования спектров поглощения и люминесценции таких волокон непосредственно во время облучения. Эта информация позволит прогнозировать работоспособность волокна при заданных дозовых нагрузках, выбирать оптимальный динамический и спектральный диапазоны сигнала, длину облучаемой части оптоволокна.

Постановка и проведение таких исследований описано в параграфе 4.2. Облучение волокон проводилось на испытательном стенде «ИС-1» (РФЯЦ-ВНИИТФ), являющемся мощной гамма-установкой с источником излучения 6<)Со для стационарного облучения различных материалов и препаратов. Исследования проводились для 20 образцов кварц-кварцевого и кварц-полимерного волокна от производителей: ИНФОС (Россия), Ро1угшсго (США), НеэйЬе! (Турция). Кольцо испытуемого оптоволокна располагалось горизонтально вокруг стержневого источника гамма-квантов. Входной и выходной концы волокна выводились из области воздействия рассеянного гамма-излучения и подсоединялись к.

13 диагностическому стенду, описанному в главе 3. По волокну передавался световой сигнал, амплитуда которого регистрировалась во время облучения. Измерения коэффициентов поглощения оптического излучения проводились в спектральном диапазоне от 250 до 700 нм. Было проведено две серии опытов: при мощности дозы ~10 рад/с до интегральных доз ~10 Мрад и при мощнсти ~100 рад/с до ~ 100 Мрад.

Результаты экспериментов показали, что для всех волокон в спектральном диапазоне 250-^700 нм минимальные наведенные потери соответствуют области 420^-530 нм. Коэффициент поглощения здесь не превысил 1−2 дБ/м. После облучения в этой области зафиксировано наибольшее восстановление, снижение коэффициента наведенного поглощения достигло 40%. В коротковолновой области < 350 нм волокно стало практически непрозрачным без дальнейшего восстановления. Коэффициент поглощения здесть составил более 10 дБ/м. В области 550-^700 нм зафиксировано значительное усиление полосы поглощения в районе 600 нм до 4−6 дБ/м, связанной с известным радиационным дефектом кристаллической структуры кварца — «немостиковый кислород» .

Измерения показали, что наведенное поглощение претерпевает в первые минуты после начала облучения резкий скачок до 30%, затем в течение сотен часов идет его медленный рост, близкий к экспоненциальному закону. Аналогично ведет себя и процесс востановления. Зафиксирован резкий спад наведенного поглощения в первые минуты после снятия радиационной нагрузки с последующим в течение сотен часов медленным снижением до уровня 40%.

Сравнение коэффициентов наведенного поглощения для различных волокон показало, что среди однотипных наибольшей стойкостью обладает волокно фирмы НеБЦЬе1 (Турция). Было зафиксировано, что наведенное поглощение в исследуемых областях для него на 30−50% меньше по сравнению с остальными оптическими волокнами.

Для исследования влияния гамма-излучения на волокно при больших импульсных мощностях были проведены опыты на установке «ИГУР-3» (РФЯЦ

ВНИИТФ). Дозы облучения в месте расположения исследуемых объектов составляют ~100 рад, длительность гамма-импульса — десятки наносекунд, энергия гамма-квантов — ~ 1 МэВ. Излучение светодиода с длиной волны «450 нм вводилось в волокно для создания светового опорного сигнала, другой конец подводился к фотодетектору. Середина волокна в виде петли длиной «0.5 м располагалась в зоне воздействия гаммаизлучения установки. Для регистрации сигнала использовался скоростной фотопреобразователь СНФТ-3 с временным разрешением < 2 не. С помощью штатных датчиков установки «ИГУР-3» регистрировалась мощность дозы облучения в центре кольца волокна, а также временная форма импульса гамма-излучения. Часть волокна, вне кольца, была защищена свинцом толщиной ~10 см. Регистрация гамма-импульса и светового сигнала в волоконно-оптическом канале проводилась в едином временном масштабе с помощью скоростного запоминающего осциллографа TDS-220 Tektronix.

Было зарегистрировано, что гамма-импульс вызывает в волокне значительную люминесценцию. Форма светового импульса близка к временной форме импульса гамма-излучения. Уровни проходящего по волокну опорного сигнала до и после гамма-импульса одинаковы, то есть остаточного наведенного поглощения не зафиксировано. Воздействие гамма-импульса с меньшей мощностью за счет удаления петли волокна из зоны облучения показало, что значительная люминесценция, (отношение Рлюм/ Рсиг ^ Ю, где Рсш.-мощность опорного сигнала, Рлюм-мощность света вследствие люминесценции) возникает при мощности дозы > 10 рад/с. На основании этого сделано предположение, что подобные кварцевые волокна могут служить активным элементом безинерционного детектора мощного импульсного гамма-излучения. Соответствующая калибровка датчика позволит оперативно оценивать мощность дозы. Применение быстродействующих приемников и регистрирующей аппаратуры позволит прописывать форму гамма-импульса длительностью до нескольких наносекунд.

В конце каждой главы кратко сформулированы основные полученные результаты.

В заключении автором обобщены результаты диссертационной работы.

Научная новизна.

1. Предложен новый способ вычисления профиля показателя преломления по экспериментально измеряемой функции отклонения для многослойных цилиндрических структур для случая малых углов отклонения.

2. При измерении профиля показателя преломления по методу дефлектометрии предложен новый способ сканирования оптической заготовки изображением щелевой диафрагмы с последующей регистрацией угла отклонения с помощью фотодиодной линейки, обеспечивающий более высокое пространственное разрешение и меньшую погрешность.

3. Впервые измерены спектры поглощения оптического волокна с чистой кварцевой сердцевиной непосредственно во время облучения гамма-квантами при мощности дозы 10 рад/с и 100 рад/с до доз 10 Мрад и 100 Мрад. Зарегистрированы динамика нарастания наведенного поглощения и процесс восстановления волокна после облучения.

4. Впервые экспериментально обнаружено, что при облучении волокна гамма-квантами мощностью дозы 107−109 рад/с длительностью ~ 100 не в волокне возникает процесс люминесценции, временная форма которого повторяет форму гамма-импульса.

Практическая ценность.

1. Спроектирован и создан контрольно-измерительный прибор ИПП-1, который является неотъемлемой частью технологического оборудования для изготовления оптического волокна. С помощью прибора проведены измерения профиля показателя преломления оптических кварцевых заготовок и спрогнозированы основные параметры будущего волокна.

2. Разработан многофункциональный диагностический стенд, с помощью которого проведены измерения основных параметров оптического волокна и оптоволоконных жгутов: спектрального затухания, числовой апертуры, а для одномодового волокна — длины волны отсечки, диаметра пятна моды.

3. Скорректирован технологический процесс изготовления кварцевого волокна на основе данных, полученных с помощью ИПП-1 и диагностического стенда. В результате в РФЯЦ-ВНИИТФ освоены технологии изготовления одномодового, градиентного, радиационно-стойкого и активного оптического волокна.

4. Измеренные спектральные коэффициенты поглощения кварцевого волокна, облученного гамма-квантами были использованы при оптимизации измерительных оптоволоконных каналов на переднем калориметре установки CMS (Compact Muon Solenoid) на большом адронном коллайдере LHC (Large Hadron Collider, Церн).

5. Результаты сравнительных испытаний на радиационную стойкость волокон, выпускаемых ведущими производителями — ИНФОС (Россия), Poiymicro (США), Hestibel (Турция), позволяют оптимально выбрать волокно по соотношению цена-качество при разработке различных оптоволоконных датчиков и систем.

6. Обнаруженная при облучении волокна гамма-квантами люминесценция дает основание полагать о возможности разработки дешевого безинерционного оптоволоконного датчика мощного импульсного гамма-излучения.

Защищаемые положения.

1. Схемотехническая реализация метода дефлектометрии измерения профиля показателя преломления оптических кварцевых заготовок, обеспечивающая погрешность измерения не более 10% и пространственное разрешение 40 мкм.

2. Разработка многофункционального диагностического стенда для измерения основных эксплуатационных параметров оптического волокна.

3. Результаты исследования воздействия на оптическое волокно с чистой кварцевой сердцевиной стационарного гамма-излучения дозой до 100 Мрад мощностью до 100 рад/с и импульсного гамма-излучения длительностью ~ 100 не мощностью до 109 рад/с.

Достоверность.

Основные положения, выносимые автором на защиту, подтверждаются результатами расчетов, их всесторонним анализом, результатами проведенных экспериментальных исследований, а также сравнительными испытаниями, проведенными в других лабораториях.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались на научно-практической конференции «Снежинск и наука», СФТИ, г. Снежинск, 2000 г.- научно-технической конференции «Научная сессия МИФИ-2002. Научно-инновационное сотрудничество», г. Москва, 2002 г., научно-технических семинарах и открытых чтениях в РФЯЦ-ВНИИТФ, г. Снежинск, научно-техническом семинаре в Государственном оптическом институте (ГОИ), г. С.-Петербург, научно-технических совещаниях по международному проекту LHC (Large Hadron Collider, Церн), международном оптическом конгрессе «Фундаментальные проблемы оптики», 18−21 октября 2004 г. Санкт-Петербург.

Публикации.

Основное содержание диссертационной работы изложено в одиннадцати работах [33,34,55,70,117,118,119,120,121,122,123].

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 123 наименования цитируемой литературы. Полный объем диссертации — 126 страниц из них 24 рисунка.

Заключение

.

Основной задачей диссертационной работы являлась разработка контрольно-измерительного оборудования, необходимого для отработки технологии и промышленного производства оптического волокна на базе РФЯЦ-ВНИИТФ. С этой целью для контроля качества оптических кварцевых заготовок был разработан контрольно-измерительный прибор ИПП-1. С помощью ИПП-1 были измерены профили показателя преломления изготавливаемых заготовок и на основании этого выданы соответствующие рекомендации для корректировки технологического процесса. В процессе работы над ИПП-1 были решены следующие основные задачи:

— проведено расчетно-теоретическое обоснование выбранного метода дефлектометрии. Разработан алгоритм численного восстановления ППП по экспериментально измеряемой функции отклонения. Доказана устойчивость алгоритма. Определены основные метрологические требования к оптико-механической схеме;

— разработана оптико-механическая схема для регистрации функции отклонения узкого лазерного пучка, прошедшего через заготовку. Предложенная схема позволила обеспечить погрешность измерения функции отклонения не более 10% и пространственное разрешение «40мкм;

— спроектирован и изготовлен контрольно-измерительный прибор ИПП-1, разработано его программное обеспечение. Проведено испытание ИПП-1, экспериментально определены его метрологические характеристики. Экспериментально доказано, что с помощью анализатора ИПП-1 возможно измерять ППП оптических кварцевых заготовок с погрешностью не более 10% и пространственным разрешением и 40 мкм, прогнозировать основные параметры волокна с погрешностью ± 10+15%, что вполне приемлемо на практике.

Для контроля основных параметров оптического волокна различных типов был разработан многофункциональный диагностический стенд. Доказано, что разработанный стенд позволяет измерять спектральное затухания в диапазоне 0.9+1.7 мкм с погрешностью ± 0.1 дБ, длину волны отсечки с.

112 погрешностью ± 10 нм, диаметр пятна моды с погрешностью ± 0.5 мкм, числовую апертуру с погрешностью ± 0.01.

Совместное использование анализатора ИПП-1 и спектрального стенда позволило скорректировать технологический процесс изготовления стандартного связного волокна, в результате чего были получены образцы одномодового и градиентного волокна, соответствующие техническим условиям. Так в процессе отработки технологии изготовления кварцевых заготовок оперативный контроль формы ППП позволил оптимизировать процесс проплавления наносимых слоев легированного кварца, снизить центральный провал в градиентных заготовках, получить параболическую форму ППП, что в конечном итоге обеспечило требуемую ширину полосу пропускания и геометрические параметры. Измерение спектрального затухания позволило снизить содержание загрязняющих примесей до 1 ррЬ, а величину водяного пика на длине волны 1.39 мкм с 60 дб/км до 6 дб/км. Это обеспечило соответствие коэффициентов спектрального затухания на рабочих длинах волн коммерческим стандартам. Измерение ППП одномодовых заготовок, прогнозирование волноводных параметров будущего волокна по измеренным ППП, а также контроль с помощью диагностического стенда длины волны отсечки, диаметра пятна моды, изгибных потерь позволили оптимизировать эти четыре важнейших параметра. Тестовые испытания на стандартном измерительном оборудовании в независимых экспертных лабораториях подтвердили соответствие качества изготовленного волокна коммерческим стандартам. Был сделан вывод, что разработанные контрольно-измерительные средства могут быть использованы на стадии отработки технологии и промышленного производства оптического волокна, а также для других научно-прикладных целей. Например, ИПП-1 может быть использован для отработки технологии изготовления оптического волокна с чистой кварцевой сердцевиной и фторированной оболочкой — радиационностойкокого волокна.

Возможность адаптации диагностического стенда под разные типы волокна, позволила проводить раздельное измерение спектрального затухания по из оболочке и сердцевине в активном волокне, сердцевина которого легирована ионами иттербия. Это позволило контролировать концентрацию иттербия в сердцевине, а измерение серых потерь обеспечило оптимальное соотношение Si02, GeC>2, AI2O3, что привело к снижению процесса кластеризации ионов Yb, который приводил к тушению процесса люминесценции. Небольшая доработка стенда позволила контролировать процесс лазерной генерации в активном волокне. Это в конечном итоге привело к освоению в РФЯЦ-ВНИИТФ технологии оптоволоконных лазеров на основе иттербиевого волокна мощностью до 10 Вт.

Одним из конкретных практических применений диагностического стенда, кроме использования его для отработки технологии, явилось измерение коэффициентов поглощения кварцевого волокна при облучениии его гамма-квантами мощностью дозы 100 рад/с до 100 Мрад. Выявлено, что наименее стойкими к гамма-излучению в спектральном диапазоне 250-^700 нм являются области < ЗЗОнм и 600−650 нм (коэффициент поглощения — свыше 4−6 дБ/м), а наиболее устойчивая область — 420−520 нм (коэффициент поглощения «1дБ/м).

Таким образом, результаты диссертационной работы позволили создать аппаратуру для контроля оптоволоконной продукции, что в конечной степени обеспечило выполнение тематического плана РФЯЦ-ВНИИТФ по разработке оборудования и созданию технологии изготовления кварцевого оптического волокна. Был разработан прибор ИПП-1 для измерения профиля показателя преломления заготовок для изготовления оптического волокна, отечественных аналогов которому не существует. ИПП-1 полностью укомплектован конструкторской документацией и может служить прототипом отечественного прибора, не уступающего по своим метрологическим характеристикам прибору Р-101 («York-Technology», США). Разработанный многофункциональный диагностический стенд возможно использовать как для отработки технологии изготовления оптического волокна, так и для решения других научно-исследовательских и прикладных задач. Например, для исследования параметров оптического волокна при воздействии температурных, механических, радиационных и т. д. факторов.

Важной направленностью диссертации явилось изучение воздействия стационарного гамма-излучения на параметры оптоволокна. Это обеспечило лучшее понимание условий успешной эксплуатации оптоволокна, и, кроме того, позволило рассмотреть работоспособность оптоволоконных датчиковых систем для промышленных и научных программ отрасли.

В заключение автор выражает благодарность научному руководителю диссертационной работы Л. А. Мялицину, сотрудникам подразделения 260.

A.Е Барулину, А. Ф. Иванову, A.A. Шибаеву, В. В. Махрову, H.H. Платонову за постоянный интерес к работе, полезные советы и обсуждения, сотрудникам НИО-5: А. И. Саукову, A.B. Домбровскому, Э. В. Моисеенко, H.A. Морозову,.

B.М. Жабунину за помощь в проведении измерений спектров поглощения, обсужденнии полученных результатов.