Исследование оптических параметров кварц-полимерного оптического волокна со светоотражающей оболочкой из термопластичного фторполимера

Кварцевые оптические волокна (ОВ) с диаметром световедущей сердцевины 400 – 800 мкм, изготовленные из биосовместимых материалов, широко применяют в лазерной медицине. В работе представлены результаты исследования оптических параметров кварц-полимерного ОВ со светоотражающей оболочкой из термопластичного сополимера тетрафторэтилена с этиленом и влияния на эти параметры условий нанесения оболочки. Покрытие из расплава полимера наносили на поверхность кварцевого волокна фильерным способом на вытяжной установке непосредственно во время вытяжки. Числовую апертуру определяли по распределению выходящего из ОВ лазерного излучения в дальнем поле, оптические потери — по распределению рассеянного светоотражающей оболочкой излучения по длине ОВ. Параметры рассеяния проходящего по ОВ лазерного излучения оценивали по интенсивности и индикатрисе рассеяния. Исследовали образцы ОВ с кварцевой сердцевиной (диаметр — 400 мкм) и светоотражающей оболочкой (толщина — 70 – 90 мкм) длиной до 50 м, у которых светоотражающая оболочка выполняла одновременно и защитную функцию. Выявили, что качество нанесенного покрытия и оптические параметры волокна зависят от скорости вытяжки ОВ (скорости нанесения покрытия) V_d. При V_d ≤ 2 м/мин формировалось гладкое покрытие, при V_d > 2 м/мин — шершавое, которое (при V_d = 6 м/мин) переходило в так называемую «акулью кожу». Установили также, что рассеяние проходящего по ОВ излучения вызвано структурой полимера, которая в своем составе имеет кристаллическую и аморфную фазы с различными показателями преломления. Наименьшее рассеяние фиксировали у образцов ОВ с гладким покрытием. Суммарные оптические потери на длине волны λ = 532 нм у них составили 300 – 720 дБ/км, номинальная числовая апертура — 0,44. Кроме того, полученные данные показали, что короткие (1,5 – 3 м) образцы обеспечивают пропускание 80 – 93 % введенной мощности.

1. Тучин В. В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. — М.: Издательство физико-математической литературы, 2010. — 501 с.

2. Даниелян Г. Л., Шилов И. П., Кочмарев Л. Ю. и др. Волоконно-оптические зонды на основе кварцевых световодов повышенной числовой апертуры для люминесцентной диагностики опухолей / Медицинская физика. 2014. ¹ 1. С. 51 – 58.

3. Qiu Y., Wang Y., Xu Y., et al. Quantitative optical coherence elastography based on fiber-optic probes for in situ measurement of tissue mechanical properties / Biomedical Optics Express. 2016. Vol. 7. N 2. P. 688 – 700. DOI: 10.1364/ BOE.7.000688.

4. Зубов Б. В., Даниелян Г. Л., Чевокин В. Л. и др. Световоды и сенсоры на основе многоканальных волоконных жгутов для биомедицины и научных исследований / Фотон-экспресс. 2019. ¹ 6. С. 326 – 327. DOI: 10.24411/2308-6920-2019- 16170.

5. Danielyan G., Shilov I., Zamyatin A., et al. Multi channels fiber optic reflex probes for fluorescent and UV-VIS-NIR spectroscopy based on novel types of multimode fiber optics bundles / Proc. SPIE 11075, Novel Biophotonics Techniques and Applications V. 2019. DOI: 10.1117/12.2526606.

6. Боганов А. Г., Бубнов М. М., Дианов Е. М. и др. Волоконный световод из безводного кварцевого стекла с отражающей оболочкой из силиконовой резины / Квантовая электроника. 1981. Т. 8. ¹ 1. С. 176 – 178.

7. French R. H., Rodríguez-Parada J. M., Yang M. K., et al. Optical properties of polymeric materials for concentrator photovoltaic systems / Solar Energy Materials and Solar Cells. 2011. Vol. 95. N 8. P. 2077 – 2086. DOI: 10.1016/j.solmat.2011. 02/.025.

8. Пат. 2402497 РФ, МПК C03B37/02. Способ изготовления оптического волокна / Замятин А. А., Иванов Г. А., Маковецкий А. А., Шилов И. П.; заявитель и патентообладатель ФИРЭ им. В. А. Котельникова РАН. — № 2008 147430/03; заявл. 02.12.2008; опубл. 27.10.2010. Бюл. № 30.

9. Кизеветтер Д. В. Методы измерения затухания в волоконных световодах. — СПб.: Политех-Пресс, 2019. — 81 с.

10. Miller E., Rothstein J. Control of the sharkskin instability in the extrusion of polymer melts using induced temperature gradient / Rheologica Acta. 2004. Vol. 44. N 2. P. 160 – 173. DOI: 10.1007/s00297-004-0393-4.

11. Малкин А. Я. Неустойчивость при течении растворов и расплавов полимеров / Высокомолекулярные соединения. 2006. Т. 48. № 7. С. 1241 – 1262.

12. Алексеев В. В., Лихачев М. Е., Бубнов М. М. и др. Исследование индикатрисы рассеяния в высоколегированных волоконных световодах на основе кварцевого стекла / Квантовая электроника. 2011. Т. 41. № 10. С. 917 – 923. DOI: 10.1070/QE2011v041n10ABEH014695.

13. Лойко Н. А., Мискевич А. А., Лойко В. А. Рассеяние поляризованного и естественного света монослоем сферических однородных пространственно упорядоченных частиц при освещении по нормали / Оптика и спектроскопия. 2018. Т. 125. № 5. С. 800 – 805. DOI: 10.1134/S0030400X18110188.

14. Фарафонов В. Г., Устимов В. И., Прокопьева М. С. и др. Рассеяние света малыми частицами: эллипсоидальная модель с использованием квазистатического подхода / Оптика и спектроскопия. 2018. Т. 125. ¹ 6. С. 623 – 634. DOI: 10.1134/S0030400X1812007X.

15. Levin A. D., Shmytkova E. A., Khlebtsov B. N. Multipolarization Dynamic Light Scattering of Nonspherical Nanoparticles in Solution / J. Phys. Chem. C. 2017. Vol. 121. P. 3070 – 3077. DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b10226.