System dystansowania i obserwacji położenia włókna światło-

W układzie do zapisu FBG zaprojektowano system obserwacji położenia włókna światłowodowego względem maski fazowej oraz system dystansowania wymieniowych elementów. Po przeprowadzeniu pierwszych prób zapisu, okazało się to niezbędne ze względu na ochronę masek fazowych przed zniszczeniem.

W procesie wytwarzania światłowodowych struktur Bragga metodą maski fazowej dużą rolę odgrywa czystość powietrza. Struktura maski fazowej składająca się z układu szczelin o mikrometrowych wymiarach jest wrażliwa na zabrudzenia. Jonizacja powietrza występująca podczas zapisu FBG w warunkach wysokiej gęstości energii promieniowania UV, sprzyja osadzaniu się zanieczyszczeń na powierzchni maski fazowej.

70

Rys. 7.24. Zdjęcie mikroskopowe maski fazowej z widocznymi defektami a) zdjęcie obszaru kontaktu włókna światłowodowego i obszarów sąsiadujących, b) i c) powiększony obszar zabrudzeń, d) powiększony obszar uszkodzenia struktury maski

Na rysunku 7.24 przedstawiono zdjęcia mikroskopowe maski fazowej użytej wielokrotnie w procesie zapisu FGB w warunkach, w których włókno światłowodowe zostało przyłożone do powierzchni maski.

Na zdjęciu 7.24a (najmniejsze powiększenie) w dolnej i górnej części widoczny jest obszar, w którym na powierzchni maski fazowej występuje duża ilość zabrudzeń. Obszar w środkowej części obrazu jest miejscem, do którego przyłożone zostało włókno światłowodowe. Zdjęcia 7.24b i 7.24c przedstawiają zabrudzenia w powiększeniu. Są to cząstki zanieczyszczeń umiejscowione w szczelinach maski fazowej. Na zdjęciu 7.24d przedstawiony został defekt maski zlokalizowany w środkowej części obrazu. Uszkodzenie polega na zniszczeniu struktury szczelin maski. Ma ono wymiary 8x14 m². Na całej powierzchni maski zaobserwowano dwa uszkodzenia tego typu.

Opisane powyżej defekty powstały podczas pierwszych prób wytwarzania FBG. Większość zanieczyszczeń maski fazowej zostało usuniętych z użyciem

71

specjalnego polimeru przeznaczonego do czyszczenia masek fazowych. W późniejszym etapie prac zdecydowano się na modyfikację projektowanego układu, polegającą na oddaleniu włókna światłowodowego od maski dyfrakcyjnej w procesie zapisu. Na rysunku 7.25 przedstawiono schemat maski fazowej z elementami dystansowymi.

Maska fazowa Dystanse Substrat maski fazowej Światłowód ^Uchwyt F L

Rys. 7.25. Schemat układu pozycjonowania światłowodu względem maski fazowej

Elementy dystansowe wykonane zostały z blachy stalowej o następującej grubości: 0,02mm; 0,05mm; 0,10mm; 0,20mm. Rysunek 7.26 przedstawia zdjęcie maski fazowej z zamocowanymi elementami.

Rys 7.27. Zdjęcie maski fazowej z elementami dystansowymi

Dystanse zostały przyklejone do substratu maski dyfrakcyjnej za pomocą taśmy poliamidowej o wysokiej wytrzymałości temperaturowej 260 ⁰C. Ma to znaczenie ze względu na ekspozycję dystansów i taśmy na promieniowanie laserowe, które powoduje wzrost temperatury elementów wywołany przez absorpcję. Zastosowanie dystansów o grubości 50 m znacznie ograniczyło

72

zjawisko osadzania się zabrudzeń na powierzchni maski fazowej. Docelowo w ramach prac rozwojowych przewidziane jest zabudowanie układu i wyposażenie go w system filtracji powietrza.

Ze względu na konieczność precyzyjnego ustawienia włókna światłowodowego względem maski fazowej zbudowano układ umożliwiający obserwację ustawienia światłowodu względem maski dyfrakcyjnej. Na rysunku 7.28 przedstawiono zdjęcie układu przeniesienia z zamocowanym mikroskopem stereoskopowym o powiększeniu 35x i ogniskowej 150 mm.

Rys. 7.28. Zdjęcie układu obserwacji położenia włókna światłowodowego względem maski fazowej.

Zastosowanie mikroskopu umożliwiło precyzyjne ustawienie włókna światło-wodowego.

73

7.3. Określenie warunków nieniszczących propagacji światła w

układzie do zapisu siatek Bragga

Dla zwiększenia gęstości mocy i dopasowania kształtu wiązki do kształtu światłowodu wymagane jest skupienie wiązki świetlnej wychodzącej z lasera ekscymerowego. Na potrzeby badań wykonywanych w ramach niniejszej pracy zastosowano soczewkę cylindryczną o ogniskowej 50 mm, która pozwoliła na zogniskowanie wiązki w osi pionowej z 4,5 mm do 110 m. Uzyskano w ten sposób wiązkę promieniowania o znacznej gęstości mocy, która mogła uszkodzić użytą w układzie maskę fazową i poddany eksperymentom światłowód. W trakcie badań, wyznaczono warunki graniczne, dla których nie następuje uszkodzenie elementów optycznych.

Warunki bezpieczne dla elementów optycznych w układach laserowych są określone za pomocą parametru LIDT (ang.: Laser Induced Demage Threshold). Określa on maksymalną powierzchniową gęstość mocy, powyżej której następuje uszkodzenie elementów optycznych. Wyznaczenie LIDT polega na eksperymentalnym określeniu progu, przy którym następują uszkodzenia. Wykorzystanie LIDT polega na ustaleniu adekwatności wyników literaturowych i warunków ich przeprowadzenia z warunkami dla danej aplikacji [96]. Wartość LIDT w dużej mierze zależy od rodzaju użytego lasera. Kluczowe znaczenie odgrywają: długość promieniowania lasera, czas trwania impulsu, repetycja, rozmiar oraz kształt plamki. Dla laserów o pracy ciągłej dominuje termiczny mechanizm uszkodzeń polegający na absorpcji promieniowania. W specyficznych warunkach przy pracy impulsowej z dużą częstotliwością również występuje to zjawisko (quasi-ciągła praca lasera). Przyczyną występowania uszkodzeń dla tego typu pracy jest zbyt wolne oddawanie ciepła z powierzchni materiału i stopniowe podnoszenie temperatury przez kolejno padające impulsy świetlne. Mechanizm ten wywołuje uszkodzenia materiału na skutek rozszerzalności termicznej, termicznie indukowane naprężenia lub topienie materiału po przekroczeniu temperatury granicznej. Dla laserów o pracy impulsowej dominuje zjawisko wyładowania w dielektryku wynikające z reakcji elektronów w materiale z polem elektrycznym indukowanym przez padające fotony. Zniszczenie materiału następuje na skutek wyładowań elektrycznych [97]. Opisane powyżej mechanizmy mogą występować oddzielnie lub razem.

Działanie niszczące promieniowania laserowego jest zależne od rodzaju materiału oraz jakości jego powierzchni. Obecność defektów w postaci zarysowań, porów, wtrąceń, kurzu czy innych zanieczyszczeń, znacząco obniża wartość LIDT. Ponieważ maska dyfrakcyjna składa się z układu szczelin to jej wytrzymałość jest mniejsza niż dla szkła o gładkiej powierzchni.