Радиотехника и электроника, 2021, T. 66, № 3, стр. 279-284
Рассеивающие свойства оптического волокна с кварцевой световедущей сердцевиной и со светоотражающей оболочкой из фторированного термопластичного полимера
А. А. Маковецкий a, *, А. А. Замятин a, Д. В. Ряховский a
a Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
141190 Фрязино, Московской обл., пл. Введенского, 1, Российская Федерация
* E-mail: maz226@ms.ire.rssi.ru
Поступила в редакцию 09.12.2019
После доработки 15.09.2020
Принята к публикации 21.10.2020
Аннотация
Экспериментально исследованы рассеивающие свойства оптического волокна с кварцевой световедущей сердцевиной и светоотражающей оболочкой из фторированного термопластичного сополимера тетрафторэтилена с этиленом марки Tefzel. Установлено, что при распространении излучения (λ = 532 нм) по данному волокну наблюдается заметное рассеяние эванесцентной части волны, распространяющейся по светоотражающей оболочке. Измерены индикатриса рассеяния излучения оболочкой, распределение интенсивности рассеянного излучения вдоль оси волокна и его зависимость от условий ввода излучения в оптическое волокно. Проведен расчет суммарного рассеянного излучения и сравнение его с излучением, прошедшим через оптическое волокно. Обсуждена возможность использования данных оптических волокон в лазерной медицине.
ВВЕДЕНИЕ
Оптические волокна (ОВ) со световедущей сердцевиной из чистого кварцевого стекла диаметром 200…600 мкм, полимерной светоотражающей оболочкой из полидиметилсилоксановых эластомеров и защитной оболочкой из термопластичных полимеров (в частности, сополимера тетрафторэтилена с этиленом марки Tefzel) широко используются в медицине для доставки лазерного излучения УФ-, видимого и ближнего ИК-диапазонов к биообъекту в хирургических, терапевтических, диагностических и других целях [1], (см.: Polymerico Technologies: http://www.polimerico.com/tech/whitepapers/_2006NOV.htm). Данные ОВ принято называть кварц-полимерными ОВ, они имеют малые оптические потери, высокую числовую апертуру, высокую механическую прочность и биосовместимы с живой тканью. Вследствие высокой оптической однородности и чистоты материалов сердцевины и светоотражающей оболочки рассеяние проходящего по данному ОВ излучения пренебрежимо мало.
Отметим, что сополимер марки Tefzel имеет показатель преломления меньший, чем у кварцевого стекла (1.396 и 1.456 соответственно). Его оптические свойства были исследованы на пленках [2]. Но из-за высокого светорассеяния в нем этот материал не использовался непосредственно в качестве материала светоотражающей оболочки в кварц-полимерном ОВ.
Однако группа ученых из компании Corning Incorporated показала, как надо превращать недостатки оптического материала в его достоинство (см. Corning Fibrance Light-Diffusing Fibers // http://www.corning.com/ corning fibrance light-diffusing fibers/product information sheet). Они создали преформу с сердцевиной из непоглощающего стекла с рассеивающими центрами и перетянули ее в оптическое волокно, создав новый продукт под названием Fibrance TM Light Diffusing Fiber (Fibrance ТМ светорассеивающее волокно). В таком ОВ ослабление света определяется не поглощением в сердцевине, а его рассеянием в ней с последующим высвечиванием через боковую поверхность ОВ. Это волокно действует как длинный и гибкий цилиндрический рассеиватель, как струна света или светящаяся направляющая проволока. Текущая линейка продуктов обеспечивает 1, 5 и 10 м диффузионной длины (т.е. длины волокна, необходимой для потери 90% света). Интенсивность рассеянного света уменьшается экспоненциально по длине волокна. В силу логарифмической чувствительности глаз человека свечение волокна представляется однородным. Данные волокна предназначены для использования при анатомическом освещении, для фотодинамической терапии и фототерапии, для снижения хирургического риска, при инфекциях и др. [3].
Предметом исследования в данной работе является кварц-полимерное ОВ с рассеивающей светоотражающей оболочкой Tefzel – качественный аналог волокон Fibrance TM Light Diffusing Fiber. В отличие от волокна компании Corning Inc. наше волокно полностью изготовлено из коммерчески доступных материалов. Светорассеяние в нем происходит не в сердцевине, а в тонком слое оболочки у границы с сердцевиной.
Цель данной работы – исследовать рассеивающие свойства данного кварц-полимерного оптического волокна.
1. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Для исследований на вытяжной установке были изготовлены образцы ОВ длиной до 50 м с диаметром световедущей сердцевины 400 мкм и толщиной светоотражающей оболочки 70…90 мкм. Покрытие на вытягиваемое кварцевое волокно наносили из расплава термопласта фильерным способом непосредственно во время вытяжки [4, 5]. Значение показателя преломления Tefzel nT = 1.398 (λ = 0.63 мкм), кварцевого стекла – nS = 1.457. В качестве преформ ОВ использовали штабики из кварцевого стекла марки КУВИ; температура расплава термопласта при нанесении покрытия – 270°С; скорость вытяжки – 1.5…4.5 м/мин.
При распространении лазерного излучения (0.63 мкм; 532 нм) по изготовленным ОВ наблюдалось сильное его рассеяние оболочкой Tefzel (рис. 1). Его можно было наблюдать под любым углом обзора к оси ОВ. В наших экспериментах регистрировались распределение интенсивности бокового рассеянного излучения по длине ОВ при различных условиях ввода излучения в волокно, выходное излучение, а также индикатриса рассеяния.
Рис. 1.
Фотография бухты ОВ длиной 20 м (диаметр бухты – 220 мм) при его засветке излучением лазера LG Laser 303 (λ = 532 нм). Ввод излучения в волокно – через объектив “×10, 04” (с 10-кратным увеличением и апертурой 0.4); соосная засветка; расстояние от объектива до лазера – 10 см; апертура выходящего из ОВ луча ≈0.1.
Схема регистрации бокового рассеянного излучения приведена на рис. 2. Для каждого выбранного расстояния x до входного торца ОВ регистрировалось излучение Js(x), рассеянное участком оболочки ОВ длиной ≈ 25 мм. При этом измеряемый участок ОВ устанавливали параллельно светочувствительному торцу ФЭУ на расстоянии 5 мм от него. Для возбуждения ОВ использовали лазер LG Laser 303 с длиной волны излучения λ = 532 нм и мощностью 150…300 мВт.
Рис. 2.
Схема регистрации рассеянного оболочкой ОВ излучения с λ = 532 нм: 1 – LG Laser 303, 2 – столик подачи лазера, обеспечивающий сдвиг оси лазера относительно оси объектива на величину δ, 3 – фокусирующий объектив “×10, 04”, 4 – исследуемое ОВ, 5 – фотоприемник ФЭУ-51, 6 – кожух фотоприемника.
На рис. 3 приведена схема измерения индикатрисы рассеяния участка светоотражающей оболочки Tefzel при засветке ОВ излучением с λ = 532 нм [6]. Исследуемое ОВ длиной 0.6 м было возбуждено излучением LG Laser 303 мощностью ≈150 мВт. Поперечный сдвиг оси лазерного луча относительно осей объектива и торца ОВ при измерении индикатрисы составлял δ = 5 мм, что соответствовало апертуре входного луча ОВ ≈ 0.4. В эксперименте регистрировалось излучение, рассеянное участком оболочки длиной h = 10 мм, находившимся на расстоянии 30 см от входного торца ОВ. При этом расстояние от рассеивающего участка до фотоприемника составляло 150 мм, диаметр диафрагмы на входе ФЭУ – 10 мм, интервал углов наблюдения – 5…175 град, угловое разрешение 1 град.
Рис. 3.
Схема измерения индикатрисы рассеяния: 1 – лазер LG Laser 303, 2 – столик подачи лазера, обеспечивающий сдвиг оси лазера относительно оси объектива, 3 – фокусирующий объектив “×10, 04”, 4 – исследуемое ОВ, 5 – открытый участок ОВ длиной 10 мм, 6 – экранирующие трубочки на ОВ, 7 – гониометр, 8 – ФЭУ-51.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
2.1. Распределение интенсивности бокового рассеяния по длине ОВ при различных условиях ввода в него излучения λ = 532 нм
Распределение интенсивности рассеянного излучения по длине ОВ Js(x) зависело от условия ввода излучения. Оно варьировалось путем изменения поперечного сдвига оси лазерного луча относительно соосно установленных объектива и торца ОВ – величины δ. Чем больше величина δ, тем под большим углом к нормали торца ОВ падал сфокусированный луч, тем интенсивнее было рассеяние на начальном участке ОВ и тем сильнее оно затухало при увеличении расстояния до входного торца ОВ. На рис. 4 приведены распределения Js(x) для ОВ длиной 18.5 м, измеренные с шагом 1 м для различных значений величины δ. Диффузионная длина составила ld ≈ 10 м (δ = 5 мм) и ld ≈ 15 м (δ = 2 мм). Отметим, что для уменьшения диффузионной длины надо использовать ОВ с меньшим, чем у исследованных, диаметром световедущей сердцевины. Это связано с тем, что чем меньше ее диаметр, тем больше относительная доля излучения в ОВ распространяется по оболочке.
Рис. 4.
Распределения интенсивностей бокового рассеяния света Js(x) вдоль оси ОВ, полученные при δ = = 0 (1), 2 (2) и 5 мм (3); длина ОВ 18.5 м; x – расстояние вдоль оси ОВ от входного торца до места регистрации излучения; λ = 532 нм.
На рис. 5 приведены измеренные зависимости интенсивностей рассеяния света Js от величины δ в начале ОВ (x = 0.5 м) и в его конце (x = 18.0 м) для ОВ длиной 18.5 м, дополняющие кривые рис. 4. Из приведенных зависимостей видно, что на входе ОВ интенсивность рассеяния Js монотонно увеличивается с увеличением δ. На конце же ОВ интенсивность рассеяния Js имеет вид выпуклой вверх кривой с максимумом при δ = 3.5 мм.
Рис. 5.
Зависимости интенсивностей бокового рассеяния света светоотражающей оболочкой Tefzel Js от смещения оси лазерного луча относительно оси объектива δ, измеренные в начале ОВ, x = 0.5 м (а) и на его конце, x = 18.5 м (б); λ = 532 нм.
Отметим также, что для любого расстояния x до входного торца ОВ интенсивность бокового рассеяния Js(x) пропорциональна интенсивности излучения Jt(x), распространяющегося по ОВ, т. е. Js(x) ~ Jt(x). Следовательно, по функции Js(x) можно оценивать оптические потери α в волокне [7]:
где x – расстояние вдоль оси ОВ от входного торца до места регистрации излучения.
2.2. Измерение интенсивности прошедшего через ОВ излучения λ = 532 нм при различных условиях его ввода
Отметим, что в зависимости от величины δ в многомодовом ОВ возбуждаются различные группы обыкновенных мод (меридиональные лучи) и группы мод со спиралевидным волновым фронтом – оптические вихри (косые лучи) [8]. При δ = 0…2 мм возбуждаются волноводные моды с относительно низкой выходной апертурой 0.05…0.15 (рис. 6а). При δ > 2 в поле излучения появляются оптические вихри. При δ = 5 мм (максимальное значение δ для использованного объектива) возбуждается группа вихрей с апертурой выходного излучения ≈0.4 (рис. 6б).
Рис. 6.
Фотоизлучения ОВ в дальней зоне при соосном возбуждении δ = 0 мм (а) и при возбуждении с δ = 5 мм (б); λ = 532 нм. Расстояние от выходного торца ОВ до экрана – 53 мм, масштаб одинаков для обоих фото.
На рис. 7 приведены измеренные зависимости интенсивности излучения на выходе ОВ Jвых от величины δ для ОВ различной длины. Поскольку интенсивность измеряемого в эксперименте рассеянного излучения на несколько порядков слабее интенсивности излучения, распространяющегося по ОВ, для измерений Jвых была использована стопка из четырех аттенюаторов с ослаблением ≈12 у каждого. Это позволило провести измерения в линейном режиме работы фотоприемника.
Рис. 7.
Зависимость интенсивности прошедшего через ОВ излучения λ = 532 нм от величины δ для ОВ длиной 0.6 (1) и 18.5 м (2).
По кривой 1 рис. 7, соответствующей короткому (0.6 м) ОВ, можно судить об эффективности ввода излучения в ОВ, так как суммарные оптические потери на столь коротком ОВ незначительны. При этом относительно небольшое уменьшение Jвых при возрастании δ для столь короткого отрезка ОВ можно объяснить снижением эффективности ввода излучения в ОВ при увеличении δ от 0 до 5 мм. Следовательно, ослабление сигнала приблизительно в 12 раз на выходе из относительно длинного ОВ (18.5 м) при изменении δ от 0 до 5 мм свидетельствует о существенном рассеянии оболочкой введенного в ОВ излучения. Можно предположить, что рассеяние излучения оболочкой – главный механизм оптических потерь в исследованных ОВ. Чем выше апертура введенного излучения, тем выше потери на рассеяние. Наибольший вклад в потери на рассеяние вносят оптические вихри (см. рис. 6б). Эти предположения были подтверждены прямыми измерениями.
Отметим также, что по кривым рис. 7 можно оценить суммарную интенсивность Js,Σ(18.5, δ) рассеянного излучения ОВ длиной 18.5 м:
(2)
${{J}_{{s,\Sigma }}}(18.5,\delta ) \approx {{J}_{{{\text{вых}}}}}(0.6,\delta ) - {{J}_{{{\text{вых}}}}}(18.5,\delta ),$где Jвых (18.5, δ) и Jвых (0.6, δ) – интенсивности излучения, выходящего из ОВ длиной 18.5 и 0.6 м соответственно.
2.3. Измерение индикатрисы рассеяния и суммарного рассеянного оболочкой Tefzel излучения λ = 532 нм
Результаты измерений индикатрисы рассеяния с шагом измерений 5 град приведены на рис. 8. Рассеяние имеет широкий угол обзора (практически полный телесный угол). Максимальное рассеяние наблюдается при φ ≈ 30 град, что связано со структурой полимера.
Рис. 8.
Индикатриса рассеяния излучения λ = 532 нм участком оболочки Tefzel длиной 10 мм, расположенным на расстоянии ≈15 см от выходного торца ОВ. Кривая получена при рассогласовании осей лазера и объектива δ = 5 мм; диаметр входной диафрагмы ФЭУ 10 мм; расстояние от открытого участка оболочки до входной диафрагмы ФЭУ 150 мм.
С помощью измеренных индикатрисы рассеяния (рис. 8) и кривой распределения интенсивности рассеяния по длине ОВ (см. рис. 3) в системе Mathcad были сделаны оценки суммарного (по всей длине ОВ) рассеянного излучения Js,Σ. Для этого сначала просуммировали рассеянное отрезком оболочки ОВ длиной h в пределах полного телесного угла:
(3)
${{J}_{{sh}}} \approx \sum\limits_{i = 1}^{35} {{{I}_{i}}\frac{{8{{\rho }^{2}}}}{{{{D}^{2}}}}} \left( {\left| {\cos \left( {\frac{{\pi {{\varphi }_{{i + 1}}}}}{{180}}} \right) - \cos \left( {\frac{{\pi {{\varphi }_{i}}}}{{180}}} \right)} \right|} \right),$а затем просуммировали величину Jsh по всей длине ОВ:
(4)
${{J}_{{s\Sigma }}} \approx \left( {\sum\limits_{j = 1}^{18} {\frac{{({{l}_{{j + 1}}} - {{l}_{j}})J{{s}_{j}}}}{{hJ{{s}_{1}}}}} } \right){{J}_{{sh}}},$В формулах (3) и (4) Ii – значение индикатрисы рассеяния для направления φi (см. рис. 8), D = = 10 мм – диаметр диафрагмы ФЭУ, ρ = 150 мм – расстояние от наблюдаемого участка оболочки ОВ до диафрагмы ФЭУ, h = 10 мм – длина наблюдаемого участка ОВ при измерении индикатрисы рассеяния, lj – координата j-го дискрета на оси ОВ, Jsj – значение интенсивности рассеяния для j-го дискрета ОВ (см. рис. 4).
Отметим, что практический интерес представляет не абсолютное значение Js,Σ, а ее сравнение с интенсивностью выходящего из ОВ излучения Jвых. Рассчитанные оценки величины Js,Σ и измеренные значения величины Jвых для нескольких значений δ приведены в табл. 1. Из приведенных данных видно, что при соосном возбуждении (δ = = 0 мм) величина рассеянного излучения составляет незначительную часть от прошедшего через ОВ излучения – около 8%. При δ = 2 мм эта величина возрастает до ≈60%, а при δ = 5 мм суммарная интенсивность рассеянного излучения в ≈3.8 раз больше интенсивности излучения, прошедшего через ОВ.
2.4. Качественное исследование температурной зависимости рассеянного оболочкой Tefzel излучения λ = 532 нм
Представляет интерес изучение влияния температуры на интенсивность рассеяния излучения λ = 532 нм оболочкой Tefzel в интервале температур от комнатной (23°C) до температуры ее плавления (250…270°C). Нагрев ОВ проводили в печи сопротивления, используемой для плавления гранул Tefzel в фильере для нанесения покрытий [5]. Корпус этой печи прозрачный. Печь сопротивления представляет собой намотанную на стеклянную трубку диаметром 40 мм нихромовую проволоку (диаметром 0.5 мм); шаг намотки 2.5 мм. Поэтому при помещении подсвеченного ОВ в такую печь рассеянное излучение λ = 532 нм можно наблюдать визуально. При температурах 23…235°C интенсивность рассеяния визуально не изменялась. При дальнейшем повышении температуры интенсивность рассеяния уменьшается, достигая минимальной величины при 255°C. В интервале температур 255…270°C интенсивность рассеяния визуально не изменяется. Исчезновение рассеяния вызвано плавлением кристаллической фазы полимера. После извлечения ОВ из печи сопротивления свечение локально нагретого участка оболочки Tefzel восстанавливалось через 1–2 с.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследованные в работе многомодовые оптические волокна с кварцевой сердцевиной и светоотражающей оболочкой из кристаллизующегося термопластичного полимера Tefzel, изготовленные из коммерчески доступных материалов, демонстрируют заметное рассеяние распространяющегося по нему излучения λ = 532 нм в широком угле обзора. Это качественно приравнивает их к стеклянным волокнам с рассеивающей сердцевиной Corning Fibrance Light-Diffusing Fibers.
Интенсивности рассеяния излучения λ = 532 нм оболочками исследованных ОВ зависят от условий ввода излучения в ОВ. Чем выше апертура введенного излучения, тем глубже эванесцентная часть волны заходит в оболочку и тем интенсивнее рассеяние. При этом суммарная интенсивность рассеянного излучения может в несколько раз превышать интенсивность излучения, прошедшего через ОВ.
Оптические волокна исследованного типа могут быть рекомендованы к использованию в качестве гибких протяженных светорассеивателей при анатомическом освещении, для фотодинамической терапии и фототерапии, для снижения хирургического риска, при инфекциях и других применений в медицине и биологии. Однако для практического их применения необходимо разработать линейку таких ОВ с меньшими диффузионными длинами, чем у исследованных ОВ, и провести более детальные исследования механизмов рассеяния света в них.
Работа выполнена в рамках государственного задания.
Список литературы
Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. М.: Физматлит, 2010.
French R.H., Rodríguez-Parada J.M., Yang M.K. et al. // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2011. V. 95. № 8. P. 2077.
Klubben W.S., Logunov S.L., Fewkes E.J. et al. // Proc. SPIE. 2016. V. 9702. P. 970218.
Замятин А.А., Иванов Г.А., Маковецкий А.А., Шилов И.П. Способ изготовления оптического волокна. Патент РФ на изобретение № 2402497. Опубл. офиц. бюл. “Изобретения. Полезные модели”. № 30 от 27.10.2010.
Маковецкий А.А., Замятин А.А., Аксёнов В.А. // Оптич. журн. 2019. Т. 86. № 3. С. 78.
Маковецкий А.А., Замятин А.А., Ряховский Д.В. // Спецвыпуск Фотон-Экспресс Наука 2019. 2019. № 6. С. 360.
Кизеветтер Д.В., Ильин Н.В. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2013. № 3. С. 151.
Кизеветтер Д.В., Славина А.Ю., Левин В.М., Баскаков Г.Г. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2012. № 1/6. С. 119.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Радиотехника и электроника
Пн.-пт.: 10.00-19.00