Analiza powtarzalności wytwarzania siatek Bragga w zaprojekto-

0 .. 1 ]

Rys. 8.5. Wykres zależności reflektancji siatki Bragga w procesie wygrzewania

Na wykresie widoczny jest spadek reflektancji siatki Bragga w procesie wygrzewania od wartości 0,97 dla siatki niewygrzewanej do 0,61 po upływie 30 godzin. Podobne wyniki uzyskano dla siatek wytworzonych w różnych warunkach.

Wyniki uzyskane podczas przeprowadzonych pomiarów mikroskopowych i trwałości termicznej pozwalają stwierdzić, że wytworzone siatki są strukturami I typu.

8.2. Analiza powtarzalności wytwarzania siatek Bragga w

zaprojektowanym układzie

W ramach przeprowadzonych badań dokonano analizy powtarzalności wytwarzania struktur periodycznych. Doświadczenie polegało na uzyskaniu określnej liczby siatek Bragga przy takich samych parametrach wejściowych układu do zapisu siatek, a następnie porównaniu ich właściwości spektralnych.

Próby przeprowadzono dla włókna GF1. Czas ekspozycji próbki wynosił 60 sekund, energia impulsów laserowych 60 mJ przy częstotliwości generacji równej 10 Hz. Do porównania wytworzono 30 próbek.

85 1534 1534.2 1534.4 1534.6 Długość fali [nm] 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 W sp ół cz yn ni k tr an sm is ji [0 ..1 ] Siatka 10 Siatka 11 Siatka 12 Siatka 13 Siatka 14 Siatka 15

Rys. 8.6. Charakterystyki widmowe przykładowych siatek Bragga

Zaprezentowane na rysunku 8.6 widma zostały zmierzone w układzie do pomiaru charakterystyk transmisyjnych. Na wykresie widoczne są widma siatek przesunięte spektralnie względem siebie oraz różniące się wartością współczynnika transmisji. Na podstawie zmierzonych widm wykonano analizę powtarzalności dla trzech wybranych wskaźników jakościowych.

Na rysunku 8.7 przedstawiono zależność reflektancji wytworzonych siatek Bragga w funkcji kolejności zapisu struktury.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Numer próbki 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 R [ 0 .. 1 ]

Rys. 8.7. Zależność reflektancji dla 30 siatek Bragga przedstawiona w chronologicznej kolejności zapisu

86

W celu ograniczenia wpływu temperatury zewnętrznej na pracę lasera ekscymerowego, doświadczenie rozpoczęto jedną godzinę po włączeniu zasilania lasera i układu chłodzącego, bez wcześniejszej emisji promieniowania laserowego. Obliczona wartość reflektancji dla początkowych ośmiu próbek rośnie od wartości 0,4 do 0,57. Może to świadczyć o niestabilności pracy źródła bezpośrednio po rozpoczęciu akcji laserowej. Siatki od 9 do 30 posiadają zbliżone parametry, co świadczy o stabilnej pracy lasera. Został on zaznaczony na wykresie 8.7. Linia pozioma obrazuje wartość średnią reflektancji w tym obszarze, która wynosi 0,596. Obliczone odchylenie standardowe dla zaznaczonego zakresu wynosi 0,026.

Przedstawione w dalszej części pracy pomiary wpływu parametrów układu do zapisu siatek Bragga na wskaźniki jakościowe widm wytwarzanych struktur periodycznych zostały wykonane z uwzględnieniem niestabilnej pracy źródła po rozpoczęciu akcji laserowej. Próby zapisu wykonano po uprzedniej 10 minutowej pracy lasera.

Na rysunku 8.8 przedstawiono histogram reflektancji dla siatek Bragga z zaznaczonego na wykresie 8.7 przedziału pracy stabilnej.

0.48 0.5 0.52 0.54 0.56 0.58 0.6 0.62 0.64 0.66 0.68 R [0..1] 0 2 4 6 8 Ilo ść p ró be k

Rys. 8.8. Histogram reflektancji struktur Bragga wytworzonych w warunkach pracy stabilnej lasera

Na rysunku 8.9 przedstawiono histogram określający rozkład długości fali Bragga. Obliczone odchylenie standardowe z próby wynosi 0,076 nm w zakresie pracy stabilnej lasera.

87 1534 1534.2 1534.4 1534.6 1534.8 _B[nm] 0 2 4 6 8 Ilo ść p ró b e k

Rys. 8.9. Histogram centralnej długości odbicia struktur Bragga wytworzonych w warunkach pracy stabilnej lasera

Analizując zmienność uzyskanych długości fali Bragga, określono wpływ czynników zewnętrznych na proces wytwarzania siatek, z których największe znaczenie może mieć zmiana temperatury otoczenia oraz naprężenie wzdłużne światłowodu umieszczonego w uchwytach układu mocowania włókna [8].

Wpływ temperatury na przesuniecie długości fali Bragga opisany jest równaniem [109]:

𝛥𝜆_𝑩

𝜆_𝐵 = (𝛼 + 𝜂)𝛥𝑇, (8.1)

gdzie  jest współczynnikiem rozszerzalności termicznej szkła krzemionkowego, reprezentującym zmianę stałej sieci siatki, wywołanej zmianą temperatury,

jest stałą termooptyczną, która wyraża zmianę efektywnego współczynnika załamania materiału rdzenia światłowodu. Dla szkła krzemionkowego domieszkowanego germanem na poziomie 3,5 %mol, współczynniki przyjmują wartości: =0,55x10^-6[1/^oC] oraz =8,6x10^-6[1/^oC], co skutkuje przesunięciem fali Bragga:

∆𝜆_𝐵

𝜆_𝐵 = 14 𝑝𝑚/°𝐶. (8.2)

W warunkach przeprowadzanego doświadczenia, wpływ zmian temperatury był ograniczony do zmiany temperatury otoczenia dla pojedynczej serii wytworzonych struktur wykorzystanych w analizie. Przy maksymalnej,

88

wynoszącej 4 ^oC zmianie temperatury odnotowanej podczas wykonywania doświadczenia zmiana długości fali Bragga jest niewielka.

Wpływ naprężenia światłowodu na przesunięcie długości fali Bragga wyrażony jest zależnością [110]:

𝛥𝜆_𝐵

𝜆_𝐵 = (1 − 𝜌_𝑒)𝜀_𝑍, _(8.3)

gdzie e jest stałą elastooptyczną szkła krzemionkowego równą 0,22. Przesunięcie fali Bragga spowodowane naprężeniem wynosi:

𝛥𝜆_𝐵

𝜆_𝐵 = 1.2 𝑝𝑚/𝜇𝜀. (8.4)

Umieszczenie światłowodu pomiędzy uchwytami w układzie mocowania włókna powodowało naprężenie odcinka światłowodu, na którym dokonywany jest zapis siatki Bragga. Wstępne naprężenie światłowodu jest konieczne z punktu widzenia procesu wytwarzania siatek Bragga ze względu na uniknięcie wygięcia światłowodu w obszarze ogniska układu optycznego. W zaprojektowanym układzie mechanicznym włókno światłowodowe umieszczane zostało w uchwytach bez pomiaru naprężenia. Na rysunku 8.10 przedstawiono przykładowy wykres widma zmierzonego bezpośrednio po procesie zapisu struktury Bragga dla światłowodu umieszczonego w zaciskach układu mocowania włókna oraz po uwolnieniu próbki.

1534 1534.5 1535 1535.5 1536 długość fali [nm] 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 W sp ół cz yn ni k tr an sm is ji [0 ..1 ] Światłowód odprężony Światłowód naprężony

Rys. 8.10. Przesuniecie charakterystyki widmowej siatki Bragga wywołane naprężeniem światłowodu w zaciskach układu mocowanie włókna

89

Na wykresie(rys. 8.11) widoczne jest przesunięcie widma siatki w stronę fal krótszych. Różnica wartości B pomiędzy widmami wynosi 1,113 nm. Uwzględniając zależność na moduł Younga

𝐸 = 𝜎 𝜀⁄

gdzie  stanowi naprężenie włókna,  jest względnym odkształceniem liniowym), którego wartość dla szkła krzemionkowego wynosi 72GPa, oraz geometrię światłowodu, możemy stwierdzić, że przyłożenie do światłowodu siły 1 N powoduje względne odkształcenie liniowe włókna równe 1,1x10³ Uwzględniając zależność (8.3), z której wynika, że odkształcenie liniowe wynoszące 1  powoduje przesunięcie B o 1,2 pm, możemy stwierdzić, że naprężenie włókna pomiędzy zaciskami układu mocowania wynosi około 1 N. Maksymalne zmiany położenia piku odbiciowego odbiegające od wartości średniej centralnej długości fali Bragga, uzyskane podczas przeprowadzonych badań, wynoszą 0,216 nm. Przekłada się to na odchylenie wartości siły przyłożonej do włókna światłowodowego przy zakładaniu do układu mocowania światłowodu o wartość 0,16 N. Na tej podstawie można określić, że wpływ niekontrolowanego naprężenia włókna światłowodowego na długość fali Bragga wytwarzanych struktur w zaprojektowanym układzie jest znaczący.

Przedstawiony na rys 8.11 histogram szerokości połówkowej wytworzonych struktur periodycznych przyjmuje kształt rozkładu normalnego.

0.078 0.081 0.084 0.087 0.09 0.093 0.096 0.099 FWHM [nm] 0 4 8 12 ilo ść p ró be k

Rys. 8.11 Histogram centralnej długości odbicia struktur Bragga wytworzonych w warunkach stabilnej pracy lasera

90

Z przedstawionego rozkładu (rys. 8.11) wynika, że analizowany powyżej wpływ niestabilnej pracy lasera ekscymerowego oraz wpływ naprężenia światłowodu w układzie mocowania włókna nie ma znaczącego wpływu na wartość szerokości połówkowej wytwarzanych siatek Bragga. Średnia wartość

FWHM wynosi 0,088 nm, natomiast odchylenie standardowe wynosi

0,0035 nm.

8.3. Analiza wpływu przesunięcia światłowodu wzdłuż osi