4. Электрострикционная модель формирования вбр

• работе [13] предложена электрострикционная модель фоторефрактивного эффекта. Электрострикция обусловлена пространственно-периодической решеткой зарядов, возникающей в процессе облучения германо-силикатного световода УФ интерференционной картиной. По оценке автора [13], вклад электрострикции в образование ВБР сопоставим со вкладом центров окраски и более чем на порядок превышает вклад электрооптического эффекта. Кроме того, электрострикция объясняет образование ВБР типа IIa в волоконных световодах с большой концентрацией германия. Автором работы [13] показано, что для создания

ВБР с модуляцией ПП ~ 10 ^-4 необходим макроперенос менее чем 0,1% фотоэлектронов от имеющихся во время экспозиции.

Электрострикционная модель заключается в следующем. Как было показано в разделе 1.3 фотоионизации ГКДЦ в германо -силикатных световодах создает положительно заряженные центры и свободные электроны. Свободные электроны диффундируют из области с большей интенсивностью в область с меньшей интенсивностью интерференционной картины (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Электрострикционная модель формирования решетки ПП

Для образования стабильной решетки зарядов необходимы стабильные ловушки электронов. Ими являются известные парамагнитные центры Ge(1)

14

(GEC), образующиеся в результате захвата электронов на четырехкоординированных атомах германия. В процессе рекомбинации часть свободных электронов не возвращается на исходные доноры. После релаксации возбуждения в максимуме интерференционной полосы образуется избыточный положительный заряд. Избыточный отрицательный заряд создает симметричные максимумы на периферии каждой интерференционной полосы. В решетке зарядов возникает электрическое поле U, периодически меняющееся вдоль оси световода. В результате электрострикции максимальное сжатие сердцевины ОВ будет в области максимального U, тогда как в области U = 0 по законам упругости будет растяжение. Таким образом, решетка зарядов создает упругую периодическую деформацию объема сердцевины ОВ (V-V₀)/V = V/V = AU², модуляцию ее плотности и показателя преломления (ΔV/V – относительное изменение объема, A – коэффициент электрострикции) [13].

Более подробное описание электрострикционной модели образования решетки ПП в германо-силикатных световодах представлено в работе [13].

1.5. Существующие модели формирования вбр под действием оптического излучения и вбр типа II

Различная динамика роста решеток, а также существенно различающаяся термостойкость разных типов решеток свидетельствуют о наличии нескольких механизмов, участвующих в изменении индекса ПП под действием оптического излучения [14]. Данные по механизмам образования решеток, приведенные в литературе, часто противоречивы, немногочисленны и иногда относятся к разным типам волокон и используемых лазеров [15].

Помимо рассмотренной выше электрострикционной модели формирования ВБР под действием оптического излучения выделяют модель центров окраски, модель уплотнения и модель сжатия/растяжения [1].

Данные модели могут вносить тот или иной вклад в образование ВБР типа I в германо-силикатных световодах, однако они не могут объяснить образование ВБР типа II.

Решетки типа II, образованные термоупругими напряжениями, записываются при плотности энергии лазерного импульса близкой к порогу разрушения кварцевого стекла ~ 1 Дж/см² [3].

Образование решеток типа II можно объяснить механизмом лазерного повреждения поверхности прозрачных тел [16]. Повреждение прозрачных твердых тел может быть вызвано различными механизмами поглощения энергии лазерного излучения. Среди них отметим механизмы, обусловленные поглощающими включениями в виде ГКДЦ: термоупругий и теплового взрыва и собственный механизм (ударная или многофотонная ионизация) [16].

При этом процесс формирования трещины при лазерном повреждении не зависит от механизма поглощения энергии излучения, а зависит, в первую очередь, от длительности лазерного импульса [17]. Диапазон длительности

15

лазерных импульсов, в котором реализуется тот или иной характер разрушения, определяется теплофизическими параметрами материалов твердого тела и включений. Для германо-силикатного стекла в области импульсов миллисекундной длительности должен наблюдаться проплав, в области импульсов сверхмалой длительности (фемтосекундный диапазон ) – абляция, а в области наносекунд - десятков пикосекунд повреждение идет по механизму образования трещины вследствие локальных термоупругих напряжений [17].

• статье [15] теория образования ВБР термоупругими напряжениями была развита. Авторы предложили механизм формирования решетки ПП в результате зарождения и роста микропор под действием оптического излучения в областях волокна, где локализованы механические напряжения. Авторы показали, что для обычного волокна такими областями являются центральная часть сердцевины и граница раздела между сердцевиной и оболочкой волокна. Для волокон с дополнительными внутренними оболочками (например, двулучепреломляющее ОВ с эллиптической напрягающей оболочкой) такими областями локализации механических напряжений могут служить любые границы раздела двух сред. В результате роста микропор и локализации их на границе раздела двух сред возникают трещины.

Трещины образованные лазерным повреждением на границе раздела двух сред оптического волокна создают вдоль оси распространения света периодические локальные напряжения световедущей части, которые, в свою очередь, создают модуляцию ПП. При этом модуляция ПП для брэгговской решетки типа II достигает ~6*10^-3 [18].

• работе [13] автором предполагается другая модель формирования ВБР типа II, основанная на электрострикционной модели. Что при записи ВБР типа I, что при записи ВБР типа II возникает решетка зарядов, с той лишь разницей, что при большей энергии импульса происходит электрический пробой, приводящий к изменению структуры стекла.