На пути к нанокристаллу REPO4

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 12891 (2023) Цитировать эту статью

259 доступов

Подробности о метриках

Оптические волокна с улучшенным рэлеевским рассеянием, легированные наночастицами, для приложений распределенного зондирования — это новая технология, которая предлагает уникальные преимущества сообществу оптических волокон. Однако существующая технология изготовления, основанная на выращенных in situ наночастицах щелочноземельных металлов, ограничена несколькими составами и сильно зависит от многих экспериментальных условий. Более того, все еще существует несколько неопределенностей относительно влияния процесса вытяжки на характеристики наночастиц и его влияния на усиление рассеяния и наведенные оптические потери. В этой работе мы проливаем свет на все эти проблемы, которые препятствуют прогрессу в этой области, и демонстрируем пригодность легирования оптических волокон нанокристаллами YPO4 для разработки настраиваемых оптических волокон, легированных наночастицами, с улучшенным рэлеевским рассеянием. Исчерпывающее трехмерное микроструктурное исследование показывает, что их особенности тесно связаны с процессом вытягивания волокон, что позволяет проектировать размер и форму на наноуровне. В частности, нанокристаллы YPO4 в значительной степени сохраняют свои свойства при вытяжке оптических волокон при температуре ниже 1950 °C, что позволяет получить однородные характеристики нанокристаллов и оптические характеристики. Изготовленные волокна демонстрируют настраиваемое усиленное обратное рассеяние в диапазоне 15,3–54,3 дБ по сравнению с волокном SMF-28 и двусторонние оптические потери в диапазоне 0,3–160,7 дБ/м, выявленные измерениями оптической рефлектометрии обратного рассеяния (OBR). . Это позволяет измерять длину от 0,3 м до более 58 м. Настоящая работа предполагает блестящее будущее нанокристаллов YPO4 для распределенной области зондирования и открывает новые возможности для включения других нанокристаллов ортофосфатов редкоземельных элементов (REPO4) с заранее определенными характеристиками, которые позволят преодолеть ограничения текущих щелочноземельных металлов, выращенных in situ. -основанная технология.

Оптические волокна из диоксида кремния, легированные наночастицами, — это новая область, которая в последние годы привлекает все большее внимание научного сообщества. Это оправдано тем фактом, что эта технология позволяет сохранить ряд преимуществ, которые предлагают кварцевые оптические волокна, а также новые функциональные возможности, привносимые включенными в них наночастицами1,2,3. Однако факторы, возникающие из-за присутствия этих центров рассеяния, такие как рэлеевское рассеяние, которое тесно связано с их особенностями, могут ограничивать их применимость. Фактически, типичные экстремальные температуры производственного процесса, обычно выше 2000 °C, сильно определяют характеристики наночастиц, которые могут быть изменены относительно первоначально включенных4. Таким образом, требуется строгий контроль на различных этапах процесса изготовления, чтобы иметь возможность поддерживать функциональные возможности, присущие оптическим волокнам из искусственного кварца.

Одной из современных тенденций в оптических волокнах, легированных наночастицами, является усиление рэлеевского рассеяния при одновременном контроле наведенного затухания в оптическом волокне. Обнаружение собственного рэлеевского рассеяния вдоль волокна используется в распределенных волоконно-оптических датчиках (DOFS) в качестве пространственной характеристики волокна, которая чувствительна к таким параметрам, как деформация, температура или показатель преломления, среди прочего, с высоким пространственным разрешением вдоль все тестируемое волокно5,6. В частности, оптическая рефлектометрия обратного рассеяния (OBR) является одним из наиболее популярных методов, в котором используется оптическая рефлектометрия в частотной области (OFDR) для измерения рэлеевского рассеяния в оптическом волокне посредством обратно рассеянного света7. Растущий интерес к этому методу в последние годы, подходящему для зондирования на расстоянии менее 100 м, объясняется его высокой чувствительностью в сочетании с пространственным разрешением, которое может достигать субмиллиметрового масштаба8,9.

Недавно было продемонстрировано, что оптические волокна, легированные наночастицами и усиленным рэлеевским рассеянием, весьма перспективны для приложений распределенного зондирования, поскольку они имеют ряд преимуществ по сравнению с другими методами, рассмотренными в литературе8,10,11,12. Помимо того факта, что был продемонстрирован лучший компромисс между усилением рассеяния и оптическими потерями13,14,15, этими оптическими волокнами, легированными наночастицами, можно манипулировать как стандартными волокнами, тем самым облегчая их применение. Этот подход был впервые продемонстрирован для волокон, легированных наночастицами на основе MgO, совместно легированных эрбием, которые были пригодны для распределенного измерения показателя преломления, деформации, температуры и измерения трехмерной формы16. В этом типе волокна наночастицы на основе MgO выращиваются in situ в сердцевине заготовок и волокон со случайным размером и случайным характером распределения. Однако сильная зависимость усиления рэлеевского рассеяния и оптического затухания от случайного размера наночастиц и их случайного распределения17 в некоторой степени препятствует этому подходу с точки зрения воспроизводимости и масштабируемости. Кроме того, хотя наночастицы на основе MgO были оптимизированы до 48,9 дБ и 14,3 дБ/м соответственно для усиления рэлеевского рассеяния и двустороннего ослабления18, длина зондирования все еще была ограничена менее 3 м. Во всех этих работах для приготовления заготовки использовался метод легирования раствора с концентрацией раствора прекурсора 0,1 М MgCl2. Поскольку при значениях концентрации ниже 0,1 М не наблюдалось явления разделения фаз, создавалась большая плотность разделенных по фазе наночастиц, что, как следствие, увеличивало оптическое затухание оптических волокон. Мы преодолели эту проблему13 и показали, что небольшая модификация матрицы на основе диоксида кремния определенным количеством фосфора и германия позволяет образовывать разделенные по фазам наночастицы на основе Ca при таких низких концентрациях CaCl2 в пропиточном растворе, как 0,005 М. Следовательно, Разработанные оптические волокна на основе Ca с улучшенным рэлеевским рассеянием, легированные наночастицами, подходили для дальних длин зондирования, от 5 м до более 200 м, с настраиваемым усилением обратного рассеяния в диапазоне 25,9–44,9 дБ наряду с относительно низким двусторонним оптические потери – 0,1–8,7 дБ/м. Тем не менее, в этой работе наночастицы на основе Ca также выращивались in situ, и явление фазового разделения, а, следовательно, и характеристики наночастиц, показали большую зависимость от нескольких условий изготовления преформ, таких как температура стеклования, концентрации пропиточного раствора и состав стекло на основе кремнезема. Более того, мы предположили, что в процессе вытяжки наночастицы подвергались растворению и повторному зародышеобразованию в зависимости от температуры вытяжки, что сильно влияло на их морфологию и размер. Мы также обнаружили отличную экспериментальную зависимость для роста наночастиц на основе Sr и Ba с высоким содержанием бария in situ15,19.