XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

1 Введение

О наночастицах в оптических волокнах впервые сообщили в 1998 году. В то время такие волокна исследовались для разработки новых волоконных лазеров и волоконных усилителей. Мотивацией было внедрение люминесцентных ионов (например, ионов редкоземельных элементов или переходных металлов) в наночастицы, состав которых, отличный от кремнеземной матрицы, позволил бы получить новые люминесцентные свойства. На основе этого подхода были представлены доказательства концепций, но с ограниченным интересом были сравнены с обычными (т. Е. без наночастиц) волоконными лазерами и волоконными усилителями. Такое ограничение возникает из-за присутствия наночастиц, вызывающих рассеяние света (оптические потери увеличиваются). Затем в течение многих лет рассеяние света считалось проблемой, требующей решения. Следовательно, основной задачей было уменьшить размер наночастиц.

Совсем недавно, в 2018 году, в статье впервые сообщалось об интересе к рассеянию света, вызванному наночастицами, для разработки волоконного сенсора. В этой новаторской работе был представлен распределенный волоконно-оптический датчик показателя преломления, основанный на анализе обратного рассеяния света с использованием системы оптического рефлектометра обратного рассеяния (OBR). Затем эта концепция была применена к датчикам температуры, деформации, трехмерной формы и дозиметрии. Одним из основных интересов этой концепции является расширение OBR с одномерных измерений до двух- или трехмерных. Действительно, основным недостатком OBR является то, что этот метод не подходит для мультиплексирования на несколько обычных волокон. Для подключения нескольких каналов можно использовать коммутатор, но измерение происходит относительно медленно. 

Волокно можно изгибать, но необходимо уделять особое внимание радиусу изгиба, чтобы избежать пагубных оптических потерь. Это влияет на распределение точек измерения. Для преодоления этого сценария был предложен новый метод, названный “мультиплексирование на уровне рассеяния” (SLMux). Эта концепция основана на использовании волокон, легированных наночастицами, чувствительных волокон, соединенных со стандартными одномодовыми волокнами (SMF), используемыми в качестве удлинителей. Удлинители волокон разной длины позволяют изменять положение каждого датчика. Поскольку мощность обратного рассеяния волокна, легированного наночастицами, на 30-40 дБ больше, чем у SMF, можно демодулировать каждое чувствительное волокно. Был предложен другой многообещающий подход к оценке механических возмущений на основе анализа отражения при пропускании. Благодаря использованию оптического волокна с улучшенным обратным рассеянием пространственное разрешение этого недорогого метода снижается примерно до нескольких мм, в то время как у стандартного кремнеземного волокна оно составляет около 1 м. Наконец, волоконные брэгговские решетки (ВБР) и встроенные интерферометры Фабри–Перо были нанесены на оптическое волокно с улучшенным обратным рассеянием с использованием фемтосекундного лазера. Сообщалось, что ВБР стабилен по крайней мере до 700 ° C.

Наиболее распространенный процесс, используемый для изготовления оптических волокон, легированных наночастицами, основан на вытягивании заготовки, полученной с помощью модифицированного химического осаждения из паровой фазы (MCVD). Этот процесс широко применяется в промышленности для получения специальных оптических волокон на основе диоксида кремния. Он основан на нанесении пористых стекловидных слоев внутри вращающейся трубки из диоксида кремния. В состав этого пористого слоя в основном входит SiO2, обычно легированный германием для увеличения показателя преломления. Наночастицы могут быть получены путем включения таких элементов, как ионы щелочноземельных элементов (Mg, Ca и Sr) на стадии легирования раствором. Средний размер и плотность наночастиц в заготовке в основном зависят от концентрации в легирующем растворе. Затем пористый слой спекается, и трубка сворачивается при высокой температуре (>>При температуре 2000 ° C) для формирования стержня, называемого преформой. Из-за высокой температуры, возникающей во время процесса, ионы щелочноземельных элементов запускают образование наночастиц через механизм разделения фаз. Альтернативный подход основан на введении наночастиц в раствор для легирования. 

Обычно наночастицы располагаются внутри сердцевины. Чтобы уменьшить оптические потери, их можно локализовать в кольце за пределами сердцевины. Затем из заготовки, диаметр которой обычно составляет 1 см, при высокой температуре (2000°C) вытягивается оптическое волокно диаметром 125 мкм м. Благодаря этому процессу наночастицы получаются непосредственно в волокне без дополнительной последующей термической обработки, которая может отрицательно сказаться на механических свойствах. По сравнению с волоконными брэгговскими решетками (FBG), обычно используемыми для сенсоров, здесь нет необходимости снимать покрытие (и повторно наносить) для нанесения решетки. Наночастицы действуют как отражающий элемент. Более того, волокно, легированное наночастицами, обеспечивает отражение. Нет необходимости добавлять зеркало на концевой наконечник. Короче говоря, использование волокон, легированных наночастицами, позволяет снизить сложность изготовления сенсоров.

Несмотря на успех уже представленных датчиков на основе волокон, легированных наночастицами, по-прежнему существует необходимость в совершенствовании наших знаний для продвижения этой технологии. Мы определили три основные проблемы, которые необходимо решить, связанные с процессом изготовления. Поскольку эта технология основана на обратно рассеянном свете, важно понимать влияние характеристик наночастиц (размер, распределение по размерам, плотность и показатель преломления) на рассеяние света, более конкретно на обратное рассеяние света. Затем следующей задачей является подготовка волокна с оптимизированными наночастицами, основанными на соображениях рассеяния света. Для достижения этой цели мы обсудим два пути: первый связан с процессом зарождения / роста, а второй связан с этапом вытягивания.

2 Обратное рассеяние и модальные свойства волокон, легированных наночастицами

Основной характеристикой оптического волокна с сердцевиной, легированной наночастицами, является улучшенное обратное рассеяние. Это свойство рассеяния в сочетании со стандартным размером волокна, которое обеспечивает удобное сращивание, делает волокна, легированные наночастицами, отличной платформой для распределенных волоконных датчиков, в частности для реализации парадигмы мультиплексирования уровня параллельного рассеяния (SLMux). Присутствие наночастиц создает значительное усиление рассеяния, более 40 дБ, по сравнению с обычным рэлеевским рассеянием стандартных телекоммуникационных волокон SMF-28. С другой стороны, высокое рассеяние способствует увеличению потерь, зависящих от рассеяния, которые могут быть значительно высокими, достигая пиковых значений 300 дБ/м. Чтобы понять это поведение, необходимо определить правильную модель для описания системы. Поскольку наночастицы имеют средний диаметр, который может составлять от 40 до 100 нм, что составляет менее 1/10 рабочей длины волны 1,55 мкмм, рассеяние волокна, легированного наночастицами, можно смоделировать как рэлеевское рассеяние сферических частиц с показателем преломления np, окруженных средой с показателем преломления ng. Мощность рассеяния Ps сечения волокна, нормализованного к интенсивности входящего сигнала I0, представляющего поперечное сечение рассеяния Csca, может быть записано следующим образом:

г
де N - плотность наночастиц по объему V выбранного участка волокна, d - средний диаметр наночастиц, а λ - рабочая длина волны 1,55 мкм м. Из уравнения 1 можно сделать вывод, что увеличение рассеивающей способности может регулироваться тремя факторами: увеличением плотности частиц, увеличением размера частиц и увеличением индекса контраста между частицами и окружающей средой. Наиболее эффективным из этих трех факторов является размер наночастиц, который влияет с показателем 6 на мощность рассеяния. Смоделированные и экспериментальные результаты согласуются с моделью рэлеевского рассеяния, заданной сферическими частицами.

Экспериментальные следы обратного рассеяния, снятые с помощью Luna OBR 4600, демонстрируют различное поведение в зависимости от природы и распределения наночастиц. На рисунках 1A, B показан след обратного рассеяния двух разных волокон, представляющих наночастицы с разным средним размером, точно 80 нм для волокна, показанного на рисунке 1A, и 55 нм для волокна, показанного на рисунке 1B. Эти волокна были получены с использованием двух концентраций MgCl2 в легирующем растворе: 0,1 (рисунке 1B) и 1 моль/л (рисунке 1A). В первом случае потери вдоль волокна составляют 301 дБ/м, что в десять раз больше по сравнению с потерями вдоль второго волокна. Исходя из уравнения 1, изменение среднего диаметра с 55 до 80 нм приводит к увеличению рассеянной мощности на один порядок в соответствии с измеренным значением.

РИСУНОК 1. (А) След обратного рассеяния волокна, легированного наночастицами, представляющий собой наночастицу со средним диаметром 80 нм; (B) след обратного рассеяния волокна, легированного наночастицами, представляет собой наночастицу со средним диаметром 55 нм; (C) LP01-подобный режим волокна, легированного наночастицами, с рисунком наночастиц, подобным тому, который был проанализирован в (A), перекрытие сердцевины Γ составляет 0,827; (D) и (E) LP11-как и в модах одного и того же волокна, перекрытие сердцевины составляет, соответственно, Γ = 0,447 и Γ = 0,273.[2]

Другим интересным свойством, обусловленным присутствием наночастиц, является эффект локализации мод, который может быть полезен для настройки модальных свойств управляемых мод. На рисунках 1C-E показаны, соответственно, основная мода, подобная LP01, и две моды высшего порядка, подобные LP 11. Согласно результатам моделирования, LP01-подобный материал хорошо ограничен, обеспечивая перекрытие сердцевины 0,827. Поскольку волокно в моделируемом волокне имеет коэффициент контраста между сердцевиной и оболочкой 2 × 10-3, волокно должно быть строго одномодовым при рабочей длине волны 1,55 мкм м. Тем не менее, присутствие наночастиц способствует возникновению режима, подобного LP11. В частности, LP11-подобный на рисунке 1D показывает перекрытие мод 0,447, в то время как LP11-подобный на  рисунке 1E показывает перекрытие мод 0,273. Очевидная разница между перекрытиями подразумевает, что LP11-подобные моды больше не вырождаются, причем одна из них управляется, а другая не управляется.

3 Формирование наночастиц

Поскольку обратно рассеянный свет сильно зависит от характеристик наночастиц, существует острая необходимость понять их формирование с помощью механизма разделения фаз. Эти наночастицы образуются в процессе изготовления оптического волокна, который можно разделить на два основных этапа: формирование заготовки и надлежащее изготовление волокна с помощью процесса вытягивания. На обоих этих этапах материал нагревается до высокой температуры (около 2000-2100°C). При этих температурах вязкость материала снижается, что позволяет происходить диффузии внутри него. В зависимости от смешиваемости потенциально присутствующих фаз может произойти несмешивание материала с образованием отдельных фаз. Это разделение фаз является ключевым явлением для формирования наночастиц.

Момент, когда образуются первые зародыши новой фазы, отделяющейся от стеклянной матрицы, называется зарождением. Это явление широко изучалось со времен работы Дж. У. Гиббса о фазовом равновесии . Изучение этого явления приводит к теории, называемой классической теорией зарождения, в которой текущее утверждение было дано Беккером и Дерингом (1935). Эта теория обеспечивает работу, затрачиваемую на c, необходимую для формирования зародыша критического размера, rc", достаточного для стабильности и начала роста в качестве новой фазы:

где γ и ΔGV представляют собой поверхностное натяжение и изменение объемной свободной энтальпии Гиббса для образования зародышей соответственно.

В классической теории зарождения считается, что сформированный зародыш обладает теми же свойствами, что и макроскопическая фазообразующая, включая ее состав. Но это не то, что наблюдается для мелких частиц, состав которых отличается от состава макроскопической фазы, в зависимости от радиуса частицы. Это было показано в металлических системах , в силикатных жидкостях и совсем недавно в волоконно-оптических системах из оксидных стекол. Следует подчеркнуть, что для получения таких результатов требуется очень специфический инструмент определения характеристик, позволяющий измерять состав в нанометровом масштабе, такой как атомно-зондовая томография .

Было разработано несколько теорий, объясняющих эту изменчивость состава в зависимости от размера частиц, таких как подход фазового поля, основанный на работе Дж. У. Кана и Дж. Э. Хиллиарда. Более поздний подход, известный как общий подход Гиббса, был разработан J. W. P. Schmelzer. При таком подходе снимаются ограничения на состав зародыша, позволяя ему меняться по мере роста зародыша. Это приводит к новой форме работы по формированию зародыша следующим образом:

г
де nα = ∑nja - общее количество частиц в зародыше и {xα} и {xβ} - все независимые молярные доли составляющих двух фаз. Затем критические условия могут быть переписаны следующим образом:

где cα = ∑nja/Vα - общая объемная концентрация компонентов j в новой формирующейся фазе α и окружающей фазе β. rc и Wc зависят от фазового состава. В обобщенном подходе Гиббса критический зародыш соответствует минимуму Wc для всех возможных составов фазы α. Затем эта композиция подтверждает следующее уравнение:

Логарифмическая производная критической работы зарождения относительно молярной доли компонента j в фазе α дает следующее уравнение:

Мы можем видеть, что cα не зависит от xja и от rc, описанных ранее:

что при заданном радиусе R дает следующее уравнение:

что приводит к следующему уравнению:

Последнее уравнение подчеркивает, какие ключевые параметры контролируют свойства растущих зародышей: химические потенциалы различных компонентов в разных фазах μ и поверхностное натяжение γ. С одной стороны, химические потенциалы могут быть исследованы с помощью расчета фазовых диаграмм (методы CALPHAD). Основанные на термодинамических базах данных, такие методы выполняют прогнозные вычисления термодинамических и кинетических свойств многокомпонентных систем. С другой стороны, поверхностное натяжение является труднодоступным параметром. Измерения этого параметра в силикатных жидкостях практически не проводились и только для очень простых систем. В качестве альтернативного подхода был разработан адаптивный потенциал для изучения разделения фаз с помощью моделирования молекулярной динамики. При этом моделировании наблюдается изменение состава в зависимости от размера частиц в соответствии с измерениями, выполненными методом атомно-зондовой томографии. Однако, если говорить о тенденции, размер наночастиц и температуры при моделировании молекулярной динамики определенно отличаются от экспериментальных значений. Это подчеркивает необходимость исследований в этих областях, чтобы получить пригодные для использования данные, позволяющие моделировать, а затем синтезировать наночастицы с регулируемым размером и составом внутри сердцевины оптического волокна.

4 Создание наночастиц

Конечные характеристики наночастиц зависят не только от термической истории. Процесс вытягивания волокна является важным этапом для контроля морфологии наночастиц. Для обычных волокон этап вытягивания соответствует гомотетическому преобразованию заготовки в волокно. Внешний диаметр делится на два порядка величины, но соотношение диаметров сердцевины и оболочки остается постоянным. В случае волокна, легированного наночастицами, размер наночастиц не уменьшается однородно. Сферическая наночастица длиной 100 нм в заготовке не приводит к появлению сферической наночастицы длиной 1 нм в волокне. На самом деле морфология наночастиц может значительно измениться в процессе вытягивания волокна. В частности, наночастицы могут удлиняться. Это явление дает нам способ регулировать их распределение по размерам, вызывая разрывы удлиненных нитей частиц. На рисунке 2 показана область утолщения заготовки, вытягиваемой к волокну при 1800°C. Наночастицы были получены добавлением 0,7 моль/л LaCl3 в раствор для легирования. Как ясно показано на левом изображении SEM, перед нанесением наночастицы имеют круглую форму и равномерно распределены внутри сердцевины заготовки, средний размер которой составляет 235 нм. Проходя через зону нагрева, заготовка начинает деформироваться и удлиняться. Эта часть является нижней областью; после этой области диаметр заготовки значительно уменьшается до 125 мкм м, диаметра конечного волокна. Сердцевина имеет диаметр 10 мкмм, а наночастицы внутри волокна также удлинены и даже распадаются после области сужения, как показано на правом SEM-изображении на рисунке 2. Это явление представляет собой конкуренцию между двумя конкурирующими силами: вязким напряжением и поверхностным натяжением, где первое стремится разрушить частицу, а второе стремится сохранить сферическую форму частицы. При снижении температуры повышается вязкостное напряжение, и, следовательно, ускоряются процессы удлинения и разрушения частиц. Другой подход, который можно использовать для контроля размера наночастиц, заключается в повышении температуры вытягивания. Сообщалось, что нагрев до 100 или 200 ° C выше обычной температуры вытягивания позволяет уменьшить размер наночастиц. Здесь будет задействован механизм растворения. Затем процесс вытягивания является многообещающим способом определения распределения по размерам и морфологии наночастиц.

РИСУНОК 2. Область среза процесса вытягивания волокна и изображения SEM продольных сечений заготовки (СЛЕВА) и волокна (СПРАВА). Наночастицы в волокне вытянуты вдоль оси вытягивания.[3,4]

Заключение

В заключении, можно сказать, что исследование оптических волокон, легированных различными наночастицами, является актуальной и перспективной областью науки и техники. Результаты работы показали, что использование наночастиц позволяет значительно улучшить оптические свойства и характеристики волокон, что открывает возможности для создания новых видов волоконно-оптической связи, сенсоров, лазеров и других устройств. Однако, для дальнейшего развития данной области необходимо проведение дополнительных исследований по изучению влияния различных типов наночастиц, стабильности волокон с наночастицами и разработке методов введения наночастиц в волокно.

Список литературы

1. Molardi, C., Paixão, T., Beisenova, A., Min, R., Antunes, P., Marques, C., et al. (2019). Fiber Bragg Grating (Fbg) Sensors in a High-Scattering Optical Fiber Doped with Mgo Nanoparticles for Polarization-dependent Temperature Sensing. Appl. Sci. 9, 3107. doi:10.3390/app9153107

2. Abaie, B., Mobini, E., Karbasi, S., Hawkins, T., Ballato, J., and Mafi, A. (2017). Random Lasing in an anderson Localizing Optical Fiber. Light Sci. Appl. 6, e17041. doi:10.1038/lsa.2017.41

3. Vermillac, M., Lupi, J.-F., Peters, F., Cabié, M., Vennéguès, P., Kucera, C., et al. (2017b). Fiber-draw-induced Elongation and Break-Up of Particles inside the Core of a Silica-Based Optical Fiber. J. Am. Ceram. Soc. 100, 1814–1819. doi:10.1111/jace.14774

4. Fuertes, V., Grégoire, N., Labranche, P., Gagnon, S., Wang, R., Ledemi, Y., et al. (2021). Engineering Nanoparticle Features to Tune Rayleigh Scattering in Nanoparticles-Doped Optical Fibers. Sci. Rep. 11. doi:10.1038/s41598-021-88572-2

Код для цитирования: Скопировать