zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2020-86-7-27-32zldm-1240Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. PHYSICAL METHODS OF TESTING AND QUALITY CONTROLИсследование оптических параметров кварц-полимерного оптического волокна со светоотражающей оболочкой из термопластичного фторполимераStudy of the optical parameters of a silica-polymeric optical fiber with a reflective coating made of a thermoplastic fluoropolymerЗамятинА. А.ZamyatinA. A.

Александр Александрович Замятин

141190, Московской обл., г. Фрязино, пл. Акад. Введенского 1

Aleksandr A. Zamyatin

1, pl. Akad. Vvedenskogo, Fryazino, Moscow obl., 141190

МаковецкийА. А.MakovetskiiA. A.

Александр Андреевич Маковецкий

141190, Московской обл., г. Фрязино, пл. Акад. Введенского 1

Aleksandr A. Makovetskii

1, pl. Akad. Vvedenskogo, Fryazino, Moscow obl., 141190

maz226@ms.ire.rssi.ruШиловИ. П.ShilovI. P.

Игорь Петрович Шилов

141190, Московской обл., г. Фрязино, пл. Акад. Введенского 1

Igor P. Shilov

1, pl. Akad. Vvedenskogo, Fryazino, Moscow obl., 141190

ЛапшинД. В.LapshinD. V.

Денис Владимирович Лапшин

141190, Московской обл., г. Фрязино, пл. Акад. Введенского 1

Denis V. Lapshin

1, pl. Akad. Vvedenskogo, Fryazino, Moscow obl., 141190

Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАНРоссияFryazino Branch Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics, RASRussian Federation2020180720208672732Copyright © Замятин А.А., Маковецкий А.А., Шилов И.П., Лапшин Д.В., 20202020Замятин А.А., Маковецкий А.А., Шилов И.П., Лапшин Д.В.Zamyatin A.A., Makovetskii A.A., Shilov I.P., Lapshin D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1240

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) Vd. При Vd ≤ 2 м/мин формировалось гладкое покрытие, при Vd > 2 м/мин — шершавое, которое (при Vd = 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.

Silica optical fibers (OF) having a core diameter of 400 – 800 μm made of biocompatible materials are widely used in laser medicine. The results of studying the optical parameters of novel silica-polymeric optical fiber with a reflective thermoplastic copolymer coating (tetrafluoroethylene – ethylene) and the influence of coating conditions on these optical parameters are presented. Coatings from polymer melt were applied to the silica fiber surface by orifice drawing. The numerical aperture of the drawn OF was measured by distribution of the laser radiation emerging from OF in the far field. The optical losses were determined by the distribution of the radiation scattered by the reflective coating along the OF length. The scattering parameters of the laser radiation transmitted through OF were estimated by the intensity and indicatrix of scattering. We studied OF samples up to 50 m in length with a silica core of about 400 μm in diameter and reflective coating with a thickness of 70 – 90 μm, the reflective coating also performed a protective function. The quality of applied coating and optical parameters of the OF samples depended on the speed of fiber drawing (coating speed) Vd. A smooth coating was obtained at Vd ≤ 2 m/min. When Vd > 2 m/min the coating became rough, turning into the so-called «shark skin» at Vd = 6 m/min. Observed scattering of radiation passing through the studied OF samples was attributed to the polymer structure which contained both crystalline and amorphous phases with different values of the refractive index. The smallest scattering was observed in a smooth-coated OF. The total optical loss at a wavelength λ = 532 nm amounted to 300 – 720 dB/km (a nominal numerical aperture was 0.44). Short (1.5 – 3 m) OF samples were shown to provide a transmission of 80 – 93% of the input power.

кварц-полимерное оптическое волокносветоотражающая оболочка из термопластичного фторполимерарассеяние светачисловая апертураоптические потериsilica-polymeric optical fiberthermoplastic fluoropolymer reflective coatinglight scatteringnumerical apertureoptical lossesРабота выполнена в рамках государственного задания.ReferencesТучин В. В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. — М.: Издательство физико-математической литературы, 2010. — 501 с.Tuchin V. V. Lasers and Fiber Optics in Biomedical Researches. — Moscow: Izd. fiziko-mathematicheskoy literatury, 2010. — 501 p. [in Russian].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.Danielyan G. L., Shilov I. P., Kochmarev L. Yu., et al. Fiber-optic probes based on silica light guides of increased numerical aperture for luminescent diagnostics of tumors / Med. Fiz. 2014. N 1. P. 51 – 58 [in Russian].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.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.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.Zubov B. V., Danielyan G. L., Chevokin V. L., et al. Light guides and sensors based on multichannel fiber bundles for Biomedicine and scientific research / Foton-Ékspress. 2019. N 6. P. 326 – 327. DOI: 10.24411/2308-6920-2019-16170 [in Russian].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.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.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.Boganov A. C., Bubnov M. M., Dianov E. M., et al. Glass fiber waveguide made of anhydrous quartz glass with a reflecting silicone-rubber cladding / Quantum Electronics. 1981. Vol. 11. N 1. P. 101 – 102.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.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.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.RF Pat. 2402497, IPC C03B 37/02. A method of manufacturing an optical fiber / Zamyatin A. A., Ivanov G. A., Makovetskii A. A., Shilov I. P.; applicant and patent holder FIRE — N 2008 147430/03; appl. 02.12.2008; publ. 27.10.2010. Byull. N 30 [in Russian].Кизеветтер Д. В. Методы измерения затухания в волоконных световодах. — СПб.: Политех-Пресс, 2019. — 81 с.Kiesewetter D. V. Methods of measuring attenuation in optical fibers. — St. Petersburg: Politekh-Press, 2019. — 81 p. [in Russian].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.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.Малкин А. Я. Неустойчивость при течении растворов и расплавов полимеров / Высокомолекулярные соединения. 2006. Т. 48. № 7. С. 1241 – 1262.Malkin A. Ya. Flow instability in polymer solutions and melts / Vysokomol. Soed. 2006. Vol. 48. N 7. P. 1241 – 1262 [in Russian].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.Alekseev V. V., Likhachev M. E., Bubnov M. M., et al. Angular distribution of light scattered from heavily doped silica fibres / Kvant. Élektronika. 2011. Vol. 41. N 10. P. 917 – 923. DOI: 10.1070/QE2011v041n10ABEH014695 [in Russian].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.Loiko N. A., Miskevich A. A., Loiko V. A. Scattering of Polarized and Natural Light by a Monolayer of Spherical Homogeneous Spatially Ordered Particles under Normal Illumination / Optika Spektrosk. 2018. Vol. 125. N 5. P. 800 – 805. DOI: 10.1134/S0030400X18110188 [in Russian].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.Farafonov V. G., Ustimov V. I., Prokopeva M. S., et al. Light Scattering by small particles: an ellipsoidal model that uses a quasistatic approach / Optika Spektrosk. 2018. Vol. 125. N 6. P. 623 – 634. DOI: 10.1134/S0030400X1812007X [in Russian].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.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.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.