RU2401813C1 - Photonic-crystal fibre production method - Google Patents

Photonic-crystal fibre production method Download PDF

Info

Publication number
RU2401813C1
RU2401813C1 RU2009120288/03A RU2009120288A RU2401813C1 RU 2401813 C1 RU2401813 C1 RU 2401813C1 RU 2009120288/03 A RU2009120288/03 A RU 2009120288/03A RU 2009120288 A RU2009120288 A RU 2009120288A RU 2401813 C1 RU2401813 C1 RU 2401813C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
workpiece
pcf
rods
neutron
fibre
Prior art date
Application number
RU2009120288/03A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Любовь Михайловна Журавлева (RU)
Любовь Михайловна Журавлева
Владимир Георгиевич Плеханов (EE)
Владимир Георгиевич Плеханов
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения" (МИИТ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения" (МИИТ) filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения" (МИИТ)
Priority to RU2009120288/03A priority Critical patent/RU2401813C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2401813C1 publication Critical patent/RU2401813C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Glass Melting And Manufacturing (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: method of producing photonic-crystal fibre relates to production of optical fibre based on nanotechnology used in fibre-optic communication systems and optoelectronics. The photonic-crystal structure is obtained by exposing a fibre workpiece made from a homogeneous chemical substance, mainly silicon dioxide, to streams of slow neutrons with a strictly predetermined absorption depth in order to change isotopic composition of the workpiece and attain the required optical properties. The workpiece is exposed using a special centralised apparatus consisting of several irradiators, the number of which is equal to the number of rods in the photonic-crystal fibres lying on the diametre of the workpiece at distances from each other corresponding to the position of the rods in the fibre. The irradiators form beams of slow neutrons with strictly predetermined parametres.
EFFECT: simplification of the technological process and more accurate production of separate elements of the photonic-crystal fibre, which has significant effect on quality characteristics of the fibre.
6 dwg

Description

Изобретение относится к области нанотехнологий, предназначенных для производства оптического волокна (ОВ), используемого для различных целей, в том числе передачи информации, современной оптики, лазерной физики, фотоники.The invention relates to the field of nanotechnology, intended for the production of optical fiber (S) used for various purposes, including information transfer, modern optics, laser physics, photonics.

Фотонно-кристаллические волокна представляют собой новый тип оптических волноводов, уникальные свойства которых определяются особой структурой оболочки в виде фотонной кристаллической решетки.Photonic crystalline fibers are a new type of optical waveguides, the unique properties of which are determined by the special structure of the cladding in the form of a photonic crystal lattice.

Следует отметить следующие известные способы производства ФКВ [1, 2].It should be noted the following known methods for the production of PCF [1, 2].

Первый способ предназначен для изготовления только ФКВ и состоит из трех операций, а именно:The first method is intended for the manufacture of only PCF and consists of three operations, namely:

1) изготовление заготовки ФКВ из стекла (основы волокна) путем сплавления вместе с основой центрального кварцевого стержня (будущей сердцевины) и окружающих его кварцевых стержней меньшего диаметра (будущей оболочки);1) the manufacture of PCF blanks from glass (fiber base) by fusion together with the base of the central quartz rod (future core) and the surrounding quartz rods of smaller diameter (future shell);

2) изготовление преформы ФКВ из заготовки путем вытягивания ее из тигля;2) the manufacture of the PCF preform from the workpiece by pulling it from the crucible;

3) изготовление ФКВ из преформы путем вытягивания фотонно-кристаллического волокна в специальной вытяжной башне.3) the manufacture of PCF from the preform by stretching the photonic crystal fiber in a special exhaust tower.

Второй способ предназначен для изготовления различных световодов методом нейтронного облучения заготовки из стекла после вытягивания из тигля.The second method is intended for the manufacture of various optical fibers by neutron irradiation of a glass blank after drawing from a crucible.

Принципиальным отличием первого способа от заявляемого состоит в том, что в предлагаемом способе отсутствует первая стадия, т.е. сплавление основы заготовки ФКВ из стекла с кварцевыми стержнями. Описанная выше первая стадия производства ФКВ решает сложную технологическую задачу одновременного обеспечения строгой периодичности фотонной структуры оболочки ОВ и постоянства отношения диаметра стержней к периоду фотонно-кристаллической решетки ФКВ. Эта операция в заявляемом способе совмещается с изготовлением преформы ФКВ путем облучения заготовки потоком нейтронов после вытягивания ее из тигля. Ввиду того, что сердцевина ФКВ и стержни оболочки могут иметь диаметры порядка нескольких нанометров, свойства ФКВ очень чувствительны к небольшим изменениям их структуры. Это отражается, прежде всего, на энергетических потерях в волокне. Формирование сердцевины и оболочки облучением основы заготовки из диоксида кремния нейтронным пучком позволит избежать искажений размеров диаметров стержней и расстояний между ними. Кроме того, в первом способе относительная разница показателей преломления Δn между основой волокна и стержнями обеспечивается сочетанием разных материалов (SiO2, Si) или легированием химическими элементами, повышающими значение коэффициента n. В заявляемом способе величина Δn достигается за счет повышения концентрации тяжелых изотопов кремния в стекле для облучаемых областей заготовки.The fundamental difference between the first method and the claimed one is that in the proposed method there is no first stage, i.e. fusion of the base of the PCF blank from glass with quartz rods. The first stage of the production of PCF described above solves the complex technological problem of simultaneously ensuring strict periodicity of the photonic structure of the OB shell and the constancy of the ratio of the diameter of the rods to the period of the photonic crystal lattice of the PCF. This operation in the inventive method is combined with the manufacture of the PCF preform by irradiating the workpiece with a neutron flux after drawing it from the crucible. Due to the fact that the PCF core and shell rods can have diameters of the order of several nanometers, the PCF properties are very sensitive to small changes in their structure. This is reflected primarily in the energy loss in the fiber. The formation of the core and the shell by irradiation of the base of a silicon dioxide preform with a neutron beam will allow avoiding distortions in the sizes of the diameters of the rods and the distances between them. In addition, in the first method, the relative difference in the refractive indices Δn between the fiber base and the rods is provided by a combination of different materials (SiO 2 , Si) or by alloying with chemical elements that increase the value of the coefficient n. In the inventive method, the Δn value is achieved by increasing the concentration of heavy silicon isotopes in the glass for the irradiated areas of the workpiece.

Таким образом, к недостаткам первого способа следует отнести сложность изготовления ФКВ и трудности обеспечения геометрических соотношений между элементами ОВ из-за многократного нагрева и вытягивания заготовки волокна.Thus, the disadvantages of the first method include the complexity of manufacturing the PCF and the difficulty of ensuring geometric relationships between the elements of the OM due to repeated heating and stretching of the fiber preform.

Кроме того, в заявляемом способе преформа непосредственно получается из однородной заготовки (преимущественно диоксида кремния) путем вытягивания из тигля с последующим облучением нейтронами, что является экономически более эффективным. Точность изготовления диаметров отдельных элементов волокна обеспечивают современные ядерные технологии за счет высокой разрешающей способности по энергии нейтронов, обеспечиваемой современными монохроматорами источников нейтронов. Поэтому заявляемый способ обеспечит более точное соблюдение размеров и пропорций структуры ФКВ, что снизит энергетические потери в волокне.In addition, in the inventive method, the preform is directly obtained from a homogeneous preform (mainly silicon dioxide) by drawing from a crucible followed by irradiation with neutrons, which is more economical. The accuracy of manufacturing the diameters of individual fiber elements is ensured by modern nuclear technologies due to the high resolution of neutron energy provided by modern monochromators of neutron sources. Therefore, the inventive method will provide more accurate compliance with the size and proportions of the structure of the PCF, which will reduce energy loss in the fiber.

Второй способ изготовления ОВ может быть использован для производства широкого класса световодов путем облучения потоком нейтронов определенных участков однородной заготовки из стекла, полученной с помощью операции вытягивания из тигля. В результате происходят изменения изотопического состава кремния в стекле, проявляющиеся в повышении процентного содержания более тяжелых изотопов в облученных слоях заготовки, а следовательно, и показателя преломления света n.The second method for the fabrication of optical elements can be used for the production of a wide class of optical fibers by irradiating with a neutron flux certain sections of a uniform glass preform obtained by the operation of pulling from a crucible. As a result, changes in the isotopic composition of silicon in the glass occur, which are manifested in an increase in the percentage of heavier isotopes in the irradiated layers of the preform, and, consequently, in the light refractive index n.

Основные отличия второго способа от заявляемого заключаются в схеме облучения, в облучаемых областях и параметрах облучения заготовки. Во втором способе потоки нейтронов воздействуют только на центральную часть (сердцевину) заготовки, намотанную на специальную катушку. Такая схема облучения не позволяет формировать стержни оболочки и обеспечить требуемую точность изготовления периодической структуры ФКВ. Кроме того, интенсивность потока нейтронов и время облучения не соответствуют поставленной задаче изготовления ФКВ.The main differences of the second method from the claimed are in the irradiation scheme, in the irradiated areas and the exposure parameters of the workpiece. In the second method, neutron fluxes act only on the central part (core) of the workpiece wound on a special coil. Such an irradiation scheme does not allow the formation of shell rods and ensure the required manufacturing accuracy of the periodic PCF structure. In addition, the intensity of the neutron flux and the irradiation time do not correspond to the task of fabricating the PCF.

Таким образом, основным недостатком второго способа является его непригодность для получения ФКВ. С помощью этого способа можно изготовить оптическое волокно только простой конструкции, состоящей из центральной части (сердцевины) и оболочки. Заявляемый способ предлагает схему облучения, состоящую из нескольких облучателей, каждый из которых формирует с помощью пучка нейтронов определенный стержень в оболочке и сердцевину ОВ. В этом случае гарантируется равномерное облучение заготовки со всех сторон и получение фотонно-кристаллической структуры волокна. Кроме того, в заявляемом способе предлагается облучать нагретую заготовку по мере вытягивания из тигля, что упрощает технологический процесс.Thus, the main disadvantage of the second method is its unsuitability for obtaining PCF. Using this method, it is possible to produce an optical fiber of only a simple structure, consisting of a central part (core) and a sheath. The inventive method offers an irradiation scheme consisting of several irradiators, each of which forms with the help of a neutron beam a specific rod in the shell and the core of the OM. In this case, uniform irradiation of the workpiece from all sides and obtaining a photonic crystal structure of the fiber is guaranteed. In addition, the claimed method proposes to irradiate a heated preform as it is drawn out of the crucible, which simplifies the process.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является второй способ, который взят за прототип.Closest to the technical nature of the claimed invention is the second method, which is taken as a prototype.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что используют заготовку из однородного химического вещества, преимущественно диоксида кремния, и воздействуют по всей длине заготовки потоком нейтронов с заданной глубиной поглощения в процессе вытягивания из тигля с помощью специальной центрированной установки, состоящей из нескольких облучателей, количество которых равно числу стержней в ФКВ, которые расположены по диаметру заготовки на расстояниях друг от друга, соответствующих положению стержней в волокне, и которые формируют пучки медленных нейтронов со следующими параметрами: диаметром облучаемого пятна на заготовке для каждого облучателя d≤0,01 мм; значением разрешения по энергии нейтронов ΔE≤10-7 эВ; величиной интегрального потока нейтронов Ф0≥1022 нейтр./см2.The essence of the claimed invention lies in the fact that they use a preform of a homogeneous chemical substance, mainly silicon dioxide, and act along the entire length of the preform with a neutron flux with a given absorption depth in the process of pulling out of the crucible using a special centered installation consisting of several irradiators, the number of which is equal to the number of rods in the PCF, which are located along the diameter of the workpiece at distances from each other, corresponding to the position of the rods in the fiber, and which form a beam slow neutrons and with the following parameters: a diameter of the irradiated spot on the workpiece for each illuminator d≤0,01 mm; the value of the resolution of neutron energy ΔE≤10 -7 eV; the magnitude of the integral neutron flux f 0 ≥10 22 neutrons / cm 2 .

Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение и удешевление производства ФКВ, повышение точности изготовления геометрических размеров волокна, улучшение качественных характеристик, в том числе уменьшение энергетических потерь.The technical result of the claimed invention is to simplify and reduce the cost of production of PCF, increase the accuracy of manufacturing the geometric dimensions of the fiber, improve the quality characteristics, including reducing energy losses.

Новизна заявляемого изобретения заключается в формировании внутренней структуры ФКВ из одного и того же материала (преимущественно диоксида кремния) путем нейтронного облучения. Необходимая разница в показателях преломления стержней и основы волокна достигается благодаря повышению концентрации более тяжелых изотопов кремния в стекле. В результате одновременно формируются сердцевина и оболочка в виде двумерного фотонного кристалла (ФК), обеспечивающего отличный от обычного ОВ физический механизм удержания света в волокне.The novelty of the claimed invention lies in the formation of the internal structure of the PCF from the same material (mainly silicon dioxide) by neutron irradiation. The necessary difference in the refractive indices of the rods and the base of the fiber is achieved by increasing the concentration of heavier silicon isotopes in the glass. As a result, the core and the shell are simultaneously formed in the form of a two-dimensional photonic crystal (FC), which provides a physical mechanism of the retention of light in the fiber that is different from the usual OB.

Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:

на фиг.1 изображена структура ФКВ, где 1 - оболочка ФКВ, 2 - твердотельные стержни оболочки, 3 - сердцевина ФКВ, 4 - расстояние между центрами стержней (Λ); 5 - расстояние между центрами сердцевины и стержня (Λ1); 6 - d диаметр стержня; 7 - d1 диаметр сердцевины;figure 1 shows the structure of the PCF, where 1 is the shell of the PCF, 2 is the solid core of the shell, 3 is the core of the PCF, 4 is the distance between the centers of the rods (Λ); 5 - the distance between the centers of the core and the rod (Λ 1 ); 6 - d diameter of the rod; 7 - d 1 the diameter of the core;

на фиг.2 представлена установка вытяжки волокна с помощью специальной башни [1], состоящей из стержневой заготовки (преформы) в центрирующем патроне - 8, электрической печи - 9, лазерного микрометра для контроля диаметра OB - 10, устройства нанесения первичного покрытия - 11, устройства отвердения с помощью УФ-излучения - 12, приемного устройства - 13;figure 2 shows the installation of the fiber hood using a special tower [1], consisting of a core blank (preform) in the centering cartridge - 8, an electric furnace - 9, a laser micrometer for controlling the diameter of OB - 10, the primary coating device - 11, curing devices using UV radiation - 12, receiving device - 13;

на фиг.3 изображена схема облучения заготовки с помощью способа изготовления оптического волокна, взятого за прототип [2], которая состоит из оболочки ОВ - 14, сердцевины ОВ - 15, потока нейтронов - 16;figure 3 shows a diagram of the irradiation of the workpiece using the method of manufacturing an optical fiber, taken as a prototype [2], which consists of a shell OV - 14, core OV - 15, neutron flux - 16;

на фиг.4а изображена схема облучения заготовки ФКВ, которая состоит из тигля - 17, заготовки ФКВ - 18, центрированной системы - 19, нейтронных облучателей - 20, стойки для закрепления центрированной системы с облучателями - 21, лазерного микрометра - 10, приемного устройства - 22;Fig. 4a shows an irradiation scheme for a PCF preform, which consists of a crucible - 17, a PCF preform - 18, a centered system - 19, neutron irradiators - 20, a rack for fixing a centered system with irradiators - 21, a laser micrometer - 10, a receiving device - 22;

на фиг.4б представлены размеры облучаемого пятна на заготовке ФКВ: поток нейтронов - 16; ширины пятна d - 23, высоты пятна h - 24;on figb presents the dimensions of the irradiated spot on the workpiece PCF: neutron flux - 16; spot width d - 23, spot height h - 24;

на фиг.5 изображена структура поперечного разреза облучаемой заготовки ФКВ в виде шестиугольника, где 1 - оболочка ФКВ, 2 - стержни оболочки, 3 - сердцевина, 16 - нейтронный пучок, 25 - расстояние l1, 26 - расстояние l2;figure 5 shows the cross-sectional structure of the irradiated PCF blank in the form of a hexagon, where 1 is the PCF cladding, 2 is the shell rods, 3 is the core, 16 is the neutron beam, 25 is the distance l 1 , 26 is the distance l 2 ;

на фиг.6 представлена зависимость сечения поглощения от энергии нейтронов σn=f(Ен), где 27 - энергия

Figure 00000001
, 28 - энергия
Figure 00000002
, 29 - энергия Ер, 30 - ширина резонансного пика поглощения нейтронов Гγ.figure 6 presents the dependence of the absorption cross section on the neutron energy σ n = f (E n ), where 27 is the energy
Figure 00000001
, 28 - energy
Figure 00000002
, 29 - energy E p , 30 - width of the resonant peak of neutron absorption Г γ .

В фотонном кристалле диэлектрические частицы (стержни) образуют решетку с расстояниями между ними, сравнимыми с длиной волны видимого света (Фиг.1). В такой решетке показатель преломления n меняется по периодическому закону [3].In a photonic crystal, dielectric particles (rods) form a lattice with distances between them comparable with the wavelength of visible light (Figure 1). In such a lattice, the refractive index n varies according to the periodic law [3].

Известно, что при пересечении границы раздела областей с разными n часть света проходит, часть отражается, но существует спектральная область, в которой происходит наибольшее отражение. Для длин волн, удовлетворяющих условию брэгговского отражения, а именно:It is known that when crossing the interface between regions with different n, part of the light passes, part is reflected, but there is a spectral region in which the greatest reflection occurs. For wavelengths satisfying the Bragg reflection condition, namely:

Figure 00000003
,
Figure 00000003
,

где Λ - постоянная решетки ФК,where Λ is the lattice constant of the PC,

λ - длина волны падающего света,λ is the wavelength of the incident light,

θ - угол падения между волновым вектором и плоскостями ФК,θ is the angle of incidence between the wave vector and the FK planes,

коэффициент отражения максимальный.maximum reflection coefficient.

Зеркальный эффект создается из-за разницы в коэффициентах преломления n, например, стержней из кремния (Si n=1,45) и основы ФК из стекла (SiO2 n=1,44) для λ=1,55 мкм.The mirror effect is created due to the difference in the refractive indices of n, for example, silicon rods (Si n = 1.45) and a glass base of glass (SiO 2 n = 1.44) for λ = 1.55 μm.

Таким образом, если разность хода двух волн, отразившихся от соседних плоскостей, образованных стержнями ФК, равна

Figure 00000004
, то отраженные волны интерферируют (гасят друг друга) и свет не распространяется в ФК. В этом случае диаметры стержней одинаковы (d=d1) и постоянная фотонно-кристаллической решетки не изменяется (Λ=Λ1). Если в решетке ФК создать дефект, то волна из запрещенного диапазона будет двигаться вдоль него. Дефектом можно считать изменение расстояния Λ1 (5) между центральным стержнем и стержнями оболочки (в этом случае d=d1) или разницу в их диаметрах (d<d1). Поэтому свет будет распространяться вдоль сердцевины, в то время как в остальной части волокна (оболочке) света не будет.Thus, if the path difference of two waves reflected from neighboring planes formed by the FC rods is
Figure 00000004
, then the reflected waves interfere (cancel each other out) and the light does not propagate in the photonic crystal. In this case, the diameters of the rods are the same (d = d 1 ) and the photonic crystal lattice constant does not change (Λ = Λ 1 ). If a defect is created in the FC lattice, then the wave from the forbidden range will move along it. A defect can be considered a change in the distance Λ 1 (5) between the central rod and the shell rods (in this case d = d 1 ) or the difference in their diameters (d <d 1 ). Therefore, light will propagate along the core, while there will be no light in the rest of the fiber (sheath).

Основными достоинствами ФКВ являются возможности обеспечения:The main advantages of the FCW are the ability to provide:

1) одномодового режима для всех длин волн используемого диапазона;1) single-mode operation for all wavelengths of the used range;

2) изменения в широких пределах площади пятна основной моды;2) changes over a wide area of the spot area of the main mode;

3) постоянного значения коэффициента дисперсии.3) a constant value of the dispersion coefficient.

В твердотельных ФКВ, рассматриваемых в заявке на изобретение, удержание света обеспечивается за счет полного внутреннего отражения и эффекта запрещенной зоны для распространения света, образованной в фотонном кристалле оболочки.In the solid-state PCF, considered in the application for the invention, the retention of light is provided due to total internal reflection and the effect of the forbidden zone for the propagation of light formed in the photonic crystal of the shell.

Промышленный способ изготовления твердотельных ФКВ иллюстрируется на фиг.2.An industrial method of manufacturing solid-state PCF is illustrated in figure 2.

Технология заявляемого изобретения основывается на том, что вещества с различными концентрациями тяжелых изотопов отдельных элементов имеют разные показатели преломления света.The technology of the claimed invention is based on the fact that substances with different concentrations of heavy isotopes of individual elements have different refractive indices of light.

Добиться требуемого значения показателей преломления можно путем облучения потоком нейтронов определенных слоев заготовки и повышения в них концентрации тяжелых изотопов. Возможность использования нейтронов для изготовления ОВ объясняется их свойствами и особенностями ядерных реакций, происходящих в процессе облучения. Способ изготовления стандартного оптического волокна, взятый за прототип, основывается на высокой проникающей способности нейтронов (фиг.3). При взаимодействии нейтронов с ядрами химических элементов облучаемого вещества образуются возбужденные составные ядра, которые распадаются в результате ядерных реакций [4]. В заявляемом способе используются медленные нейтроны с энергией Ен в диапазоне 0,1-1 эВ, для которых характерны два типа ядерных реакций: упругого рассеивания и радиационного захвата (поглощения).The required value of the refractive indices can be achieved by irradiating a neutron flux of certain layers of the workpiece and increasing the concentration of heavy isotopes in them. The possibility of using neutrons for the fabrication of OM is explained by their properties and features of nuclear reactions that occur during irradiation. A method of manufacturing a standard optical fiber, taken as a prototype, is based on the high penetration of neutrons (figure 3). When neutrons interact with the nuclei of the chemical elements of the irradiated substance, excited composite nuclei are formed, which decay as a result of nuclear reactions [4]. In the inventive method, slow neutrons with energy E n in the range of 0.1-1 eV are used, for which two types of nuclear reactions are characteristic: elastic scattering and radiation capture (absorption).

Реакция упругого рассеивания: нейтрон в результате столкновения с ядром теряет энергию, скорость и замедляется. Потеря энергии нейтроном зависит от толщины слоя и свойств вещества, в котором осуществляется замедление.Elastic scattering reaction: a neutron as a result of a collision with a nucleus loses energy, speed and slows down. Neutron energy loss depends on the thickness of the layer and the properties of the substance in which the deceleration is carried out.

Реакция поглощения: нейтрон в результате столкновения захватывается ядром и более легкий изотоп химического элемента превращается в более тяжелый.Absorption reaction: as a result of a collision, a neutron is captured by a nucleus and a lighter isotope of a chemical element turns into a heavier one.

В заявляемом способе используются обе ядерные реакции, каждая из которых характеризуется вероятностью σ, называемой сечением реакции (σn - сечение поглощения, σр - сечение рассеивания). Эти параметры ядерных реакций зависят от свойств вещества и энергии нейтронов. Они определяются на основании графиков σn=f(Ен), σp=f(Ен), полученных экспериментальным путем. Последовательность происходящих ядерных реакций при облучении заготовки (рассеивание, затем поглощение) определяет необходимость использования горизонтальной схемы облучения (фиг.4а, б).In the inventive method, both nuclear reactions are used, each of which is characterized by a probability σ, called the reaction cross section (σ n is the absorption cross section, σ p is the scattering cross section). These parameters of nuclear reactions depend on the properties of matter and the energy of neutrons. They are determined on the basis of graphs σ n = f (E n ), σ p = f (E n ) obtained experimentally. The sequence of nuclear reactions during irradiation of the workpiece (scattering, then absorption) determines the need to use a horizontal irradiation scheme (figa, b).

Процесс изготовления ФКВ заявляемым способом делится на два этапа:The manufacturing process of PCF by the claimed method is divided into two stages:

1) вытягивание из тигля (17) нагретой до 2000°С заготовки из диоксида кремния (18);1) drawing from a crucible (17) heated to 2000 ° C billet of silicon dioxide (18);

2) облучение заготовки пучками нейтронов (16) для формирования центрального стержня (3) и стержней оболочки (2).2) irradiation of the workpiece with neutron beams (16) to form the central rod (3) and shell rods (2).

Схема облучения состоит из центрированной системы (19) с нейтронными облучателями (20), которая закреплена на специальной стойке (21). Количество облучателей определяется числом одновременно формируемых стержней, включая сердцевину. Размещение их внутри установки (19) зависит от расположения структурных элементов внутри ФКВ. Диаметр готового волокна контролируется лазерным микрометром (10). Полученное ФКВ наматывается в катушку приемного устройства (22). Параметры облучаемого участка заготовки, на который воздействуют нейтроны в течение времени t от одного облучателя, пока волокно проходит через установку (19), имеют размеры: ширину d (24) и высоту h (25).The irradiation scheme consists of a centered system (19) with neutron irradiators (20), which is mounted on a special rack (21). The number of irradiators is determined by the number of simultaneously formed rods, including the core. Their placement inside the facility (19) depends on the location of the structural elements inside the PCF. The diameter of the finished fiber is controlled by a laser micrometer (10). The obtained PCF is wound into the coil of the receiving device (22). The parameters of the irradiated portion of the preform, which is affected by neutrons for a time t from one irradiator, while the fiber passes through the facility (19), have dimensions: width d (24) and height h (25).

Структура поперечного разреза облученной заготовки ФКВ в виде шестиугольника с центральным стержнем (сердцевиной) изображена на фиг.5. Нейтронные пучки (16) проникает через основу оболочки (1) и поглощаются в определенных местах, соответствующих расположению сердцевины (3) и стержней (2) оболочки.The cross-sectional structure of the irradiated PCF preform in the form of a hexagon with a central rod (core) is shown in FIG. Neutron beams (16) penetrate the base of the shell (1) and are absorbed in certain places corresponding to the location of the core (3) and the rods (2) of the shell.

Таким образом, нейтроны в заготовке пролетают расстояние l1 (25) или l2 (26), замедляются, теряют энергию за счет реакции упругого рассеивания. Энергия нейтронов в пучке

Figure 00000005
(27) уменьшается до значения
Figure 00000006
(28), которое соответствует началу резонанса поглощения нейтронов. В результате происходит реакция радиационного захвата нейтронов. На фиг.6 представлена типичная зависимость сечения поглощения большинства химических элементов от энергии резонансных нейтронов σn=f(Ен) [4].Thus, the neutrons in the workpiece fly a distance l 1 (25) or l 2 (26), slow down, lose energy due to the elastic scattering reaction. Beam neutron energy
Figure 00000005
(27) decreases to
Figure 00000006
(28), which corresponds to the beginning of the neutron absorption resonance. As a result, the reaction of radiation capture of neutrons occurs. Figure 6 presents a typical dependence of the absorption cross section of most chemical elements on the energy of resonant neutrons σ n = f (E n ) [4].

Разница между значениями сечений у основания резонансного пика и в его центре для резонансной энергии Ер (29) составляет несколько десятков тысяч барн (1 барн=10-24 см2). Это позволяет представить зависимость на фиг.6 в виде дельта-импульса с Ер>>Гγ (30), где Гγ - энергетическая ширина резонансного пика.The difference between the values of the cross sections at the base of the resonance peak and in its center for the resonance energy E p (29) is several tens of thousands of barns (1 bar = 10 -24 cm 2 ). This allows us to represent the dependence in Fig.6 in the form of a delta pulse with E p >> G γ (30), where G γ is the energy width of the resonance peak.

Так, пролетев в заготовке расстояние l1 или l2 (в зависимости от формируемого стержня), нейтроны начинают резко поглощаться ядрами вещества, увеличивая концентрацию более тяжелых изотопов кремния в стекле. Чем ближе стержень к наружной границе оболочки (1), тем меньше расстояние замедления l, тем ближе расположена начальная энергия

Figure 00000005
к значению
Figure 00000006
. Следовательно, изменяя величину
Figure 00000005
, можно добиться формирования необходимой структуры фотонного кристалла оболочки с дефектом ФКВ, например, за счет разницы в параметре решетки Λ1 (5).So, flying a distance of l 1 or l 2 in the preform (depending on the rod being formed), neutrons begin to be rapidly absorbed by the nuclei of the substance, increasing the concentration of heavier isotopes of silicon in the glass. The closer the rod is to the outer boundary of the shell (1), the smaller the deceleration distance l, the closer the initial energy is
Figure 00000005
to value
Figure 00000006
. Therefore, changing the value
Figure 00000005
, it is possible to achieve the formation of the necessary structure of the photonic crystal of the shell with a PCF defect, for example, due to the difference in the lattice parameter Λ 1 (5).

Размеры облучаемого пятна в ширину d (23) определяются диаметрами стержней, в высоту h (24) - величиной интегрального облучения Фо и скоростью вытягивания волокна V.The dimensions of the irradiated spot in width d (23) are determined by the diameters of the rods, and in height h (24), they are determined by the value of the integrated irradiation Ф о and the fiber drawing speed V.

Точность изготовления стержней ФК зависит от разрешения нейтронов по энергии ΔЕн. Современные источники нейтронов имеют монохроматоры, позволяющие достичь ΔЕн<10-7 эВ. Величина интегрального потока определяется необходимой концентрацией тяжелых изотопов кремния в стекле для формируемых стержней ФКВ, которая в свою очередь, зависит от требуемой величины Δn относительной разницы коэффициентов преломления света в стержнях и основе ФКВ.The accuracy of the manufacture of FC rods depends on the neutron resolution in energy ΔЕ n . Modern neutron sources have monochromators, allowing to achieve ΔЕ n <10 -7 eV. The value of the integral flux is determined by the required concentration of heavy silicon isotopes in the glass for the formed PCF rods, which, in turn, depends on the required value Δn of the relative difference in the refractive indices of light in the rods and the PCF base.

Возможность изготовления ФКВ предложенным в заявке способом рассмотрим на конкретном примере.The possibility of manufacturing FKV proposed in the application method will consider a specific example.

За основу расчетов принято фотонно-кристаллическое волокно, выпускаемое зарубежными и отечественными компаниями, такими как Coming, Blaze Photonics (UK), TEGS (РФ) [1].The calculations are based on a photonic crystal fiber produced by foreign and domestic companies such as Coming, Blaze Photonics (UK), TEGS (RF) [1].

Для характеристики ядерных реакций при облучении резонансными нейтронами необходимо знать сечение поглощения σn и сечение рассеивания σp нейтронов. Основными расчетными параметрами источников нейтронов являются интегральный поток нейтронов Фо=φt (φ - интенсивность потока нейтронов, t - время облучения), разрешение по энергии нейтронов ΔЕн.To characterize nuclear reactions upon irradiation with resonant neutrons, it is necessary to know the absorption cross section σ n and the scattering cross section σ p of neutrons. The main calculated parameters of neutron sources are the integral neutron flux Ф о = φt (φ is the neutron flux intensity, t is the irradiation time), and the neutron energy resolution is ΔЕ n .

Так, величина резонансного сечения поглощения можно оценить по формуле Брейта-Вигнера [4]:So, the value of the resonance absorption cross section can be estimated by the Breit-Wigner formula [4]:

Figure 00000007
Figure 00000007

где Гн=0,001 эВ - нейтронная ширина, характеризующая вероятность реакции рассеивания;where G n = 0.001 eV is the neutron width characterizing the probability of a scattering reaction;

Г=0,1 эВ - полная энергетическая ширина, характеризующая вероятность распада составного ядра;G = 0.1 eV is the total energy width characterizing the probability of decay of a compound nucleus;

Figure 00000008
см - длина волны нейтрона.
Figure 00000008
cm is the neutron wavelength.

Для резонансных нейтронов с Ер=1 эВ длина волны равна λо=4,5·10-10 см. Отсюда, после подстановки в формулу (1) получим: σn=25434 барн.For resonant neutrons with E p = 1 eV, the wavelength is λ o = 4.5 · 10 -10 cm. From here, after substituting into formula (1), we obtain: σ n = 25434 barn.

Глубина ln поглощения нейтронов должна соответствовать диаметру формируемого стержня, например, d=8 мкм [1].The neutron absorption depth l n must correspond to the diameter of the formed rod, for example, d = 8 μm [1].

Средняя величина ln рассчитывается по следующей формуле [4]:The average value of l n is calculated by the following formula [4]:

Figure 00000009
Figure 00000009

где K=5,04·1022 ат/см3 - число атомов кремния в одном см3.where K = 5.04 · 10 22 at / cm 3 - the number of silicon atoms in one cm 3 .

Полученное значение ln=7,83·10-6 см свидетельствует о возможности формирования стержней с помощью резонансных нейтронов.The obtained value l n = 7.83 · 10 -6 cm indicates the possibility of the formation of rods using resonant neutrons.

Для получения эффекта запрещенной зоны в фотонном кристалле - главное, чтобы все стержни были одинаковых диаметров. Это значит, все облучатели должны гарантировать одно и то же значение резонансной энергии (29), что достигается с помощью современных монохроматоров с высокой разрешающей способностью нейтронов по энергии.To obtain the effect of the forbidden zone in a photonic crystal, the main thing is that all the rods are of the same diameter. This means that all irradiators must guarantee the same value of resonant energy (29), which is achieved using modern monochromators with high energy resolution of neutrons.

На следующем этапе расчетов нужно оценить величину энергии замедления

Figure 00000010
, которая зависит от расстояний l1=36 мкм, l2=34 мкм, взятых в качестве примера. Эти расстояния можно выразить следующим образом:At the next stage of calculations, it is necessary to estimate the value of the deceleration
Figure 00000010
, which depends on the distances l 1 = 36 microns, l 2 = 34 microns, taken as an example. These distances can be expressed as follows:

Figure 00000011
Figure 00000011

где

Figure 00000012
- средняя длина замедления после одного столкновения нейтрона с ядром вещества;Where
Figure 00000012
- the average length of the deceleration after one collision of a neutron with the nucleus of a substance;

Figure 00000013
- среднее число столкновений нейтрона с ядрами вещества в процессе замедления;
Figure 00000013
- the average number of collisions of a neutron with nuclei of a substance in the process of deceleration;

А=28 - массовое число ядра кремния.A = 28 is the mass number of the silicon core.

Так, для σp=1,7 барн [2],

Figure 00000014
эВ, l1=36 мкм получим следующие цифры: lp=11,67 см; nст=0,0003085; ΔE=0,000022036 эВ.So, for σ p = 1.7 barn [2],
Figure 00000014
eV, l 1 = 36 μm, we obtain the following numbers: l p = 11.67 cm; n st = 0,0003085; ΔE = 0.000022036 eV.

Для расстояния l2=34 мкм имеем следующие цифры: nст=0,0002913; ΔE=0,00002087 эВ.For a distance l 2 = 34 μm, we have the following numbers: n st = 0,0002913; ΔE = 0.00002087 eV.

На основании приведенных расчетов можно сделать вывод, что начальные энергии нейтронов для формирования стержней, находящихся на расстояниях друг от друга порядка 2 мкм, должны отличаться в шестом знаке после запятой. Для этого требуется разрешающая способность монохроматора источника нейтронов не хуже, чем ΔЕн=10-7 эВ.Based on the above calculations, we can conclude that the initial neutron energies for the formation of rods located at distances from each other of the order of 2 μm should differ in the sixth decimal place. This requires the resolution of the monochromator of the neutron source is not worse than ΔE n = 10 -7 eV.

Величину интегрального потока нейтронов φt, которая определяет концентрацию тяжелых изотопов, достигаемую в результате облучения, можно подсчитать по следующей формуле [2]:The magnitude of the integral neutron flux φt, which determines the concentration of heavy isotopes achieved as a result of irradiation, can be calculated by the following formula [2]:

Figure 00000015
Figure 00000015

где N0i - концентрация j-того изотопа кремния;where N 0i is the concentration of the jth isotope of silicon;

K - количество атомов кремния в 1 см3;K is the number of silicon atoms in 1 cm 3 ;

Ki - относительное содержание i-того изотопа в исходной смеси;K i is the relative content of the i-th isotope in the initial mixture;

σn - сечение поглощения (барн);σ n is the absorption cross section (barn);

φ - величина интенсивности потока нейтронов (нейтр./см2с);φ is the magnitude of the neutron flux intensity (neutr. / cm 2 s);

t - время облучения (с).t is the exposure time (s).

Величина Noj в облучаемых областях заготовки должна быть достаточной, чтобы относительная разница в показателях преломления света облученных и необлученных областей обеспечила свойства фотонного кристалла.The value of N oj in the irradiated regions of the preform should be sufficient so that the relative difference in the refractive indices of the light of the irradiated and unirradiated regions ensures the properties of the photonic crystal.

Так, концентрацию более тяжелых изотопов можно принять равной:So, the concentration of heavier isotopes can be taken equal to:

Figure 00000016
Figure 00000016

где m - число, характеризующее увеличение исходной концентрации j-того изотопа, получаемого из i-того изотопа в результате облучения.where m is a number characterizing the increase in the initial concentration of the j-th isotope obtained from the i-th isotope as a result of irradiation.

Если принять m=4, то после подстановки в формулу (6), получим Фо=φt=0,04·1017 нейтр./см2. Для источника нейтронов с интенсивностью φ=1018 нейтр./см2·с время t облучения участка заготовки площадью, соответствующей размерам пятна облучателя (d·h), должно быть равно 0,004 с.If we take m = 4, then after substituting into formula (6), we obtain Ф о = φt = 0.04 · 10 17 neutrons / cm 2 . For a neutron source with an intensity of φ = 10 18 neutrons / cm 2 · s, the time t of irradiation of the preform portion with an area corresponding to the size of the irradiator spot (d · h) should be equal to 0.004 s.

Для источника нейтронов с φ=1017 нейтр./см2·с время облучения увеличивается (t=0,04 c).For a neutron source with φ = 10 17 neutrons / cm 2 · s, the irradiation time increases (t = 0.04 s).

Если повысить концентрацию изотопов до значения m=3, потребуется интегральный поток на порядок больше предыдущего случая, а именно: при φ=1018 нейтр./см2·с время t составит 0,04 с; при φ=1017 нейтр./см2·с получим t=0,4 c.If the concentration of isotopes is increased to m = 3, the integral flux will be an order of magnitude greater than the previous case, namely: at φ = 10 18 neutrons / cm 2 · s, the time t will be 0.04 s; at φ = 10 17 neutrons / cm 2 · s we get t = 0.4 s.

Следующим важным параметром схемы облучения заготовки являются размеры облучаемого пятна (ширина d и высота h). Как уже отмечалось, ширина должна соответствовать диаметру формируемых стержней и, следовательно, быть менее 10 мкм [1]. Выбор высоты определяется скоростью V вытягивания волокна и временем облучения t. Известно, что скорость вытягивания из тигля имеет величину (1-10) м/с [1]. Отсюда, для t=0,004 c и V=1 м/с высота должна быть равна h=0,4 см.The next important parameter of the workpiece irradiation scheme is the size of the irradiated spot (width d and height h). As already noted, the width should correspond to the diameter of the formed rods and, therefore, should be less than 10 microns [1]. The choice of height is determined by the fiber drawing speed V and the irradiation time t. It is known that the speed of pulling from the crucible has a value of (1-10) m / s [1]. Hence, for t = 0.004 s and V = 1 m / s, the height should be equal to h = 0.4 cm.

Если время увеличится на порядок t=0,04 c, а скорость останется той же, получим значение h=4 см.If the time increases by an order of magnitude t = 0.04 s and the speed remains the same, we obtain the value h = 4 cm.

Отсюда, при повышении времени облучения или скорости вытягивания увеличивается требуемая высота h.Hence, with increasing irradiation time or drawing speed, the required height h increases.

На последнем этапе расчетов оценим, как изменится показатель преломления облученных участков заготовки ФКВ, если концентрация тяжелых изотопов повысится на величину 10-3·K·Ki. Для этого воспользуемся формулой Лоренц-Лорентца [5], характеризующей молекулярную рефракцию, а именно:At the last stage of the calculations, we evaluate how the refractive index of the irradiated sections of the PCF preform changes if the concentration of heavy isotopes increases by 10 -3 · K · K i . To do this, we use the Lorentz-Lorentz formula [5], which characterizes molecular refraction, namely:

Figure 00000017
Figure 00000017

где K - число атомов вещества в 1 см3,where K is the number of atoms of the substance in 1 cm 3 ,

а - величина поляризуемости молекулы вещества,a is the magnitude of the polarizability of the molecule of the substance,

n - показатель преломления вещества.n is the refractive index of the substance.

Выражение уравнения Лоренц-Лорентца для диоксида кремния (n=1,44) имеет вид:The expression of the Lorentz-Lorentz equation for silicon dioxide (n = 1.44) has the form:

Figure 00000018
Figure 00000018

где а28 - величина поляризуемости изотопа 28Si,where a 28 is the polarizability of the isotope 28 Si,

Figure 00000019
Figure 00000019

Figure 00000020
Figure 00000020

K28=0,9218 - естественная концентрация изотопа 28Si в стекле,K 28 = 0.9218 is the natural concentration of the 28 Si isotope in glass,

K29=0,0471 - естественная концентрация изотопа 29Si в стекле,K 29 = 0.0471 - the natural concentration of the 29 Si isotope in glass,

K30=0,0312 - естественная концентрация изотопа 30Si в стекле.K 30 = 0.0312 - the natural concentration of the 30 Si isotope in glass.

Коэффициенты Δа и Δa1 показывают относительное изменение величин поляризуемости различных изотопов кремния. Известно, что значение а - прямо пропорционально размерам молекул вещества [6]. Сечения поглощения σn прямо пропорциональны размерам ядер изотопов кремния [4]. С ростом числа нейтронов в ядре изотопа размер ядра сначала увеличивается (29Si), затем снижается (30Si). Поэтому коэффициенты Δа и Δа1 имеют разные значения.Coefficients Δa and Δa 1 show the relative change in the polarizability of various silicon isotopes. It is known that the value of a is directly proportional to the size of the molecules of the substance [6]. The absorption cross sections σ n are directly proportional to the sizes of the nuclei of silicon isotopes [4]. With an increase in the number of neutrons in the isotope nucleus, the size of the nucleus first increases ( 29 Si), then decreases ( 30 Si). Therefore, the coefficients Δa and Δa 1 have different values.

После преобразования уравнения (9) получим:After transforming equation (9) we get:

0,26355=1,12877·B,0.26355 = 1.12877B,

где

Figure 00000021
- постоянный коэффициент в уравнении молекулярной рефракции (9).Where
Figure 00000021
is a constant coefficient in the molecular refraction equation (9).

Для составления аналогичного уравнения для облученных областей заготовки необходимо подсчитать:To draw up a similar equation for the irradiated areas of the workpiece, it is necessary to calculate:

1) количество изотопов 28Si, перешедших в результате ядерной реакции в изотопы 29Si;1) the number of 28 Si isotopes converted as a result of a nuclear reaction into 29 Si isotopes;

2) количество изотопов 29Si, перешедших в результате ядерной реакции в изотопы 30Si;2) the number of 29 Si isotopes that transferred as a result of a nuclear reaction into 30 Si isotopes;

3) количество изотопов 30Si, перешедших в результате ядерной реакции в изотопы 31Si.3) the number of 30 Si isotopes converted as a result of a nuclear reaction into 31 Si isotopes.

После облучения нейтронами заготовки из диоксида кремния уравнение Лоренц-Лорентца примет вид:After neutron irradiation of the silicon dioxide preform, the Lorentz-Lorentz equation takes the form:

Figure 00000022
Figure 00000022

где К1=10-3 - коэффициент, характеризующий степень перехода одного изотопа в другой;where K 1 = 10 -3 is a coefficient characterizing the degree of transition of one isotope to another;

nx - показатель преломления света после облучения нейтронами.n x is the refractive index of light after irradiation with neutrons.

После подстановки значений соответствующих коэффициентов получим:After substituting the values of the corresponding coefficients, we obtain:

Figure 00000023
Figure 00000023

Отсюда, nx=1,4487≈1,45.Hence, n x = 1,4487≈1,45.

Относительная разница в показателях преломления Δn облученных и необлученных частей заготовки составит:The relative difference in the refractive indices Δn of the irradiated and unirradiated parts of the workpiece will be:

Figure 00000024
Figure 00000024

Полученная величина относительной разницы показателей преломления света достаточна для реализации физических свойств ФКВ [3].The obtained value of the relative difference in the refractive indices of light is sufficient to realize the physical properties of the PCF [3].

Расчеты относительной разницы показателей преломления для m=4 (формула (7)), приведенные в прототипе [2], свидетельствуют о том, что значение Δn получилось на порядок меньше (Δn=0,0002), что затрудняет реализацию свойств ФКВ. Поэтому величина интегрального потока Фо, предусмотренного в прототипе, недостаточна для изготовления ФКВ.Calculations of the relative difference in refractive indices for m = 4 (formula (7)) given in the prototype [2] indicate that the Δn value was an order of magnitude smaller (Δn = 0,0002), which complicates the implementation of the properties of the PCF. Therefore, the value of the integrated flux Ф о provided for in the prototype is insufficient for the manufacture of PCF.

Таким образом, сравнение заявляемого способа изготовления ФКВ с прототипом позволяет сделать следующие выводы:Thus, a comparison of the proposed method for the manufacture of PCF with the prototype allows us to draw the following conclusions:

1) с помощью одного облучателя, используемого в прототипе, нельзя формировать несколько стержней фотонно-кристаллической структуры, для чего требуются несколько облучателей с разными значениями энергии нейтронов;1) using one irradiator used in the prototype, it is impossible to form several rods of a photonic crystal structure, which requires several irradiators with different values of neutron energy;

2) для формирования стержней ФКВ заготовка должна быть доступна облучателям со всех сторон, что невозможно обеспечить в заготовке, намотанной на катушку, как в прототипе;2) for the formation of PCF rods, the workpiece should be accessible to irradiators from all sides, which cannot be provided in the workpiece wound on a coil, as in the prototype;

3) точность изготовления размеров ФКВ в заявляемом способе выше, чем в прототипе по двум причинам:3) the accuracy of manufacturing dimensions of the PCF in the claimed method is higher than in the prototype for two reasons:

а) предусматривается использование источников нейтронов с разрешающей способностью по энергии значительно выше, чем в прототипе;a) provides for the use of neutron sources with a resolution of energy significantly higher than in the prototype;

б) схема облучения заготовки в прототипе происходит в скрученном виде, что препятствует проникновению нейтронов в заданные поверхности заготовки;b) the irradiation scheme of the workpiece in the prototype occurs in a twisted form, which prevents the penetration of neutrons into the given surface of the workpiece;

4) принятый в прототипе процент повышения тяжелых изотопов кремния (10-4·100%) в результате облучения нейтронами недостаточен для ФКВ [1, 3]. В заявляемом способе параметры облучения рассчитаны для цифры 10-3·100%, что позволяет обеспечить достаточную относительную разницу показателей преломления стержней и основы ФКВ.4) adopted in the prototype, the percentage increase in heavy isotopes of silicon (10 -4 · 100%) as a result of neutron irradiation is insufficient for PCF [1, 3]. In the inventive method, the irradiation parameters are calculated for the number 10 -3 · 100%, which allows to provide a sufficient relative difference in the refractive indices of the rods and the base of the PCF.

Описание способа изготовления ФКВ на конкретном примереDescription of the manufacturing method of PCF on a specific example

В заявке на изобретение способ изготовления состоит из следующих этапов:In an application for an invention, a manufacturing method consists of the following steps:

1) расплавленная заготовка преимущественно из диоксида кремния (18) с естественным содержанием изотопов кремния (92,18% Si28O2) вытекает из тигля (17) Фиг.4а;1) the molten preform mainly from silicon dioxide (18) with a natural content of silicon isotopes (92.18% Si 28 O 2 ) flows from the crucible (17) Figa;

2) постепенно охлаждаясь на воздухе и затвердевая, заготовка с диаметром D=87 мкм поступает на центрированную систему (19), на которой установлены нейтронные облучатели (20);2) gradually cooling in air and hardening, the billet with a diameter of D = 87 μm enters the centered system (19), on which neutron irradiators are installed (20);

облучатели расположены по внутреннему диаметру системы (19) в виде облучающих щелей, состоящих из нескольких облучателей;irradiators are located along the inner diameter of the system (19) in the form of irradiating gaps consisting of several irradiators;

диаметр облучаемого пятна от одного облучателя равен 0,008 мм;the diameter of the irradiated spot from one irradiator is 0.008 mm;

размеры облучающих щелей соответствуют размерам облучаемого пятна на заготовке ФКВ d×h, например, 8 мкм×40 мкм (Фиг.4б);the dimensions of the irradiation slots correspond to the size of the irradiated spot on the PCF blank d × h, for example, 8 μm × 40 μm (Fig. 4b);

для рассматриваемого примера ФКВ (Фиг.5), состоящего из сердцевины с диаметром d1=8 мкм и шести стержней с диаметрами d=1 мкм, система (19) должна иметь 7 облучающих щелей: первая щель (для формирования сердцевины) состоит из 5 облучателей (40 мкм/8 мкм), расположенных друг над другом для создания на заготовке облучаемого пятна с размерами 8 мкм×40 мкм, и шесть одинаковых щелей (для формирования стержней оболочки), каждая из которых состоит из 40 облучателей (40 мкм/1 мкм), расположенных также друг над другом для создания на заготовке облучаемого пятна с размерами 1 мкм×40 мкм;for the considered example of PCF (Figure 5), consisting of a core with a diameter of d 1 = 8 μm and six rods with diameters of d = 1 μm, the system (19) should have 7 irradiating slits: the first slot (for core formation) consists of 5 irradiators (40 μm / 8 μm), located one above the other to create an irradiated spot on the workpiece with dimensions of 8 μm × 40 μm, and six identical slits (for forming shell rods), each of which consists of 40 irradiators (40 μm / 1 μm) also located one above the other to create an irradiated spot on the workpiece with 1 microns × 40 microns;

для формирования внутренней структуры ФКВ с параметрами: а) расстояние между сердцевиной и стержнями оболочки (l1-l2-d)=4,5 мкм, б) величина решетки ФКВ Λ=9 мкм, в) расстояние от края заготовки до края сердцевины l1=34 мкм, г) расстояние от края заготовки до края стержня l2=39,5 мкм, д) диаметры d=1 мкм, d1=8 мкм, требуются значения разрешения по энергии нейтронов ΔЕн=10-7 эВ эВ и интегрального потока нейтронов Фо=1022 нейтр./см2;for the formation of the internal PCF structure with the parameters: a) the distance between the core and the shell rods (l 1 -l 2 -d) = 4.5 μm, b) the size of the PCF lattice Λ = 9 μm, c) the distance from the edge of the workpiece to the edge of the core l 1 = 34 μm, g) the distance from the edge of the workpiece to the edge of the rod l 2 = 39.5 μm, d) diameters d = 1 μm, d 1 = 8 μm, the resolution of the neutron energy ΔE n = 10 -7 eV is required eV and integral neutron flux Ф о = 10 22 neutrons / cm 2 ;

3) медленные нейтроны из облучающих щелей с энергией Ер+ΔЕ проникают в заготовку, теряют энергию и замедляются (в отличие от тепловых нейтронов, которые сразу вступают в реакцию поглощения);3) slow neutrons from irradiating gaps with energy E p + ΔE penetrate into the workpiece, lose energy and slow down (in contrast to thermal neutrons, which immediately enter the absorption reaction);

пролетев расстояние: а) l1=34 мкм (нейтроны с энергией Ер+ΔЕ, где ΔЕ=2,087·10-5 эВ для формирования стержня) или б) l2=39,5 мкм (нейтроны с энергией Ер+ΔЕ, где ΔЕ=2,204·10-5 эВ для формирования сердцевины), энергия нейтронов снижается до резонансной величины (Ер=1 эВ), которая позволяет им вступать в реакцию поглощения;flying distance: a) l 1 = 34 microns (neutrons with energy E p + ΔE, where ΔE = 2.087 · 10 -5 eV for the formation of the rod) or b) l 2 = 39.5 microns (neutrons with energy E p + ΔE where ΔЕ = 2.204 · 10 -5 eV for core formation), the neutron energy is reduced to a resonance value (E p = 1 eV), which allows them to enter the absorption reaction;

в результате в объемах на глубине проникновения нейтронов, равной l1 или l2, начинается процесс уплотнения вещества за счет повышения концентрации тяжелых изотопов кремния в стекле (главным образом Si29) и формирования сердцевины и стержней;as a result, in volumes at the neutron penetration depth equal to l 1 or l 2 , the process of compaction of the substance begins by increasing the concentration of heavy isotopes of silicon in the glass (mainly Si 29 ) and the formation of core and rods;

заканчивается процесс уплотнения (поглощения нейтронов ядрами атомов кремния) на расстоянии (l1+d1) или (l2+d);the process of densification (neutron absorption by the nuclei of silicon atoms) ends at a distance of (l 1 + d 1 ) or (l 2 + d);

4) процесс облучения заготовки нейтронами происходит по мере вытягивания ее из тигля, которое осуществляется со скоростью V=0,1 м/с (при облучении тепловыми нейтронами заготовка неподвижна и закреплена в специальной установке);4) the process of irradiation of the workpiece with neutrons occurs as it is pulled out of the crucible, which is carried out at a speed of V = 0.1 m / s (when irradiated with thermal neutrons, the workpiece is stationary and fixed in a special installation);

скорость вытягивания регулируется по результатам измерений размеров структурных элементов ФКВ с помощью лазерного микрометра (10);the drawing speed is controlled by the results of measurements of the size of the structural elements of the PCF using a laser micrometer (10);

заканчивается процесс изготовления ФКВ в приемном устройстве (22) после наматывания волокна в катушку.the manufacturing process of PCF in the receiving device (22) ends after winding the fiber into a coil.

В результате изготовления ФКВ описанным выше способом:As a result of the manufacture of PCF as described above:

а) повышается точность изготовления структурных элементов ФКВ (в прототипе точность изготовления оптического волокна равна ±0,1 мкм, в заявляемом способе точность изготовления составляет ±5 нм);a) increases the accuracy of the manufacture of structural elements of PCF (in the prototype, the accuracy of the manufacture of optical fiber is ± 0.1 μm, in the claimed method, the manufacturing accuracy is ± 5 nm);

б) обеспечивается чистота исходного материала (отсутствие внутренних механических напряжений и дефектов, посторонних примесей, шероховатостей в сопряжениях сердцевины и стержней с основой оболочки);b) the purity of the starting material is ensured (the absence of internal mechanical stresses and defects, impurities, roughness in the interface between the core and the rods with the shell base);

в) указанные выше качественные изменения внутренней структуры ФКВ значительно улучшают характеристики ФКВ, уменьшают энергетические потери и дисперсионные искажения в волокне.c) the above-mentioned qualitative changes in the internal structure of the PCF significantly improve the characteristics of the PCF, reduce energy losses and dispersion distortions in the fiber.

Источники информацииInformation sources

1. Нанотехнологии в электронике. Под редакцией Ю.А.Чаплыгина. - М.: «Техносфера», 2005.1. Nanotechnology in electronics. Edited by Yu.A. Chaplygin. - M.: “Technosphere”, 2005.

2. Журавлева Л.М., Плеханов В.Г. Способ изготовления оптического волокна. Патент на изобретение №2302381 (прототип).2. Zhuravleva L.M., Plekhanov V.G. A method of manufacturing an optical fiber. Patent for invention No. 2302381 (prototype).

3. Слепов Н.Н. Фотонно-кристаллическое волокно - уже реальность. Новые типы оптических волокон и их применение. Электроника: Наука, Технология, Бизнес; 5/2004.3. Slepov N.N. Photonic crystal fiber is already a reality. New types of optical fibers and their application. Electronics: Science, Technology, Business; 5/2004.

4. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. - С-П, М., Краснодар, «Лань», 2008.4. Mukhin K.N. Experimental nuclear physics. - S-P, M., Krasnodar, "Doe", 2008.

5. Ландсберг Г.В. Оптика. - М.: Физматлит, 2006.5. Landsberg G.V. Optics. - M .: Fizmatlit, 2006.

Claims (1)

Способ изготовления фотонно-кристаллического волокна (ФКВ) путем вытягивания заготовки из однородного химического вещества, преимущественно диоксида кремния, и воздействия по всей длине заготовки потоком нейтронов с заданной глубиной поглощения, отличающийся тем, что заготовку в процессе вытягивания из тигля облучают с помощью специальной центрированной установки, состоящей из нескольких облучателей, количество которых равно числу стержней в ФКВ, которые расположены по диаметру заготовки на расстояниях друг от друга, соответствующих положению стержней в волокне, и которые формируют пучки медленных нейтронов со следующими параметрами: диаметр облучаемого пятна на заготовке для каждого облучателя d≤0,01 мм; значение разрешения по энергии нейтронов ΔЕн≤10-7 эВ; величина интегрального потока нейтронов Ф0≥1022 нейтр./см2. A method of manufacturing a photonic crystal fiber (PCF) by pulling a preform from a homogeneous chemical substance, mainly silicon dioxide, and exposing the entire length of the preform to a neutron flux with a given absorption depth, characterized in that the preform is irradiated in the process of drawing from the crucible using a special centered installation consisting of several irradiators, the number of which is equal to the number of rods in the PCF, which are located along the diameter of the workpiece at distances from each other, corresponding x the position of the rods in the fiber, and which form slow neutron beams with the following parameters: diameter of the irradiated spot on the workpiece for each irradiator d≤0.01 mm; the value of resolution in neutron energy ΔE n ≤10 -7 eV; the magnitude of the integral neutron flux f 0 ≥10 22 neutrons / cm 2 .
RU2009120288/03A 2009-05-29 2009-05-29 Photonic-crystal fibre production method RU2401813C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009120288/03A RU2401813C1 (en) 2009-05-29 2009-05-29 Photonic-crystal fibre production method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009120288/03A RU2401813C1 (en) 2009-05-29 2009-05-29 Photonic-crystal fibre production method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2401813C1 true RU2401813C1 (en) 2010-10-20

Family

ID=44023930

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009120288/03A RU2401813C1 (en) 2009-05-29 2009-05-29 Photonic-crystal fibre production method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2401813C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20090046979A1 (en) Varying refractive index optical medium using at least two materials with thicknesses less than a wavelength
Hindle et al. Inscription of long-period gratings in pure silica and germano-silicate fiber cores by femtosecond laser irradiation
Grubsky et al. Fabrication of axially symmetric long-period gratings with a carbon dioxide laser
US20130142312A1 (en) X-ray waveguide and x-ray waveguide system
Sebastiani et al. Characterization of a highly photorefractive RF-sputtered SiO 2-GeO 2 waveguide
Zhang et al. Double line and tubular depressed cladding waveguides written by femtosecond laser irradiation in PTR glass
RU2401813C1 (en) Photonic-crystal fibre production method
Khrapko et al. Accumulated self-focusing of ultraviolet light in silica glass
Ivanov Mode interaction in a structure based on optical fiber with depressed inner cladding
JP2802362B2 (en) Method of analyzing an optical fiber core cane containing a series of refractive index fringes and apparatus for analyzing a core cane having a refractive index distribution
Low et al. Femtosecond laser direct writing of embedded optical waveguides in aluminosilicate glass
RU2401814C1 (en) Photonic-crystal fibre production method
Benabid et al. Hollow-core photonic crystal fibers: progress and prospects
Chaubey et al. Radiation and taper tuning of Long Period Grating for high sensitivity strain measurement
Barton et al. Preparation of Bragg mirrors on silica optical fibers and inner walls of silica capillaries by employing the sol–gel method, and titanium and silicon alkoxides
Frank et al. Air and silica core Bragg fibers for radiation delivery in the wavelength range 0.6–1.5 μm
Wei et al. Nanofabrication with controllable localization energy based on the interference modulation of surface plasmons
JP3334417B2 (en) Method and apparatus for producing optical waveguide type diffraction grating
RU2302381C1 (en) Method of manufacture of the optic fiber
Agruzov et al. Developing microstructured lightguides with a large core, and an investigation of their optical properties
Romaniuk Two classes of capillary optical fibers: refractive and photonic
Emmerson Novel direct UV written devices
Saad-Bin-Alam et al. High-Q resonance train in a plasmonic metasurface
Cheng Mode Volume Reduction in Single Crystal Sapphire Optical Fibers
Larionov et al. On the mechanism of photoinduced refractive index changes in phosphosilicate glass

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140530