Оптическое волокно все чаще используют в самых разных отраслях: в машиностроении, в авиа- и ракетостроении, медицине и других областях. Применение высокотехнологичных оптоволокон позволяет отправлять большие объемы информации на дальние расстояния и устанавливать быстрое и стабильное интернет-соединение. Также их применяют в качестве датчиков для определения температуры, давления и других параметров. Но на сегодняшний день малоизученным остается эффект оптического пробоя волокна, который заключается в возникновении внутри него плазменной искры. Она возникает при различных дефектах внутри оптоволокна, выжигая его сердцевину, после чего волокно становится не пригодным, а устройство, в котором оно находилось, выходит из строя.
Однако, если научиться управлять процессом оптического пробоя и точно знать условия его возникновения, то можно избежать данного явления, в тех случаях, когда оно нежелательно, или, напротив, создавать структуры, которые обладают полезными свойствами. Ученые Пермского Политеха создали математическую модель возникновения эффекта оптического пробоя в сердцевине волокна, которая описывает начальную стадию появления плазменной искры. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-21-00169, а также в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Статья с результатами исследования опубликована в журнале «Algorithms». В исследовании также принимали участие ученые из Санкт-Петербуржского института ИТМО и Московского Научно-исследовательского центра волоконной оптики имени А.И. Дианова
Оптоволокно – это тончайшие нити из стекла или пластика, которые позволяют передавать сигналы в виде света. Их сердцевину и оболочку производят из материалов, прозрачных для оптического излучения. По словам политехников, перспективным методом создания оптоволоконных устройств, таких как датчики, фильтры и рассеиватели, является эффект оптического пробоя волокон. Этот способ позволяет создавать структуры в сердцевине оптоволокна для различных целей, например, для определения температуры двигателя самолета. Однако необходимо точно знать, когда возникает плазменная искра, каких размеров она достигает и как зависит от внешних параметров, таких как мощность и длина волны излучения, то есть понимать весь процесс возникновения и эволюции плазменной искры. Начальная стадия оптического пробоя и операции, протекающие при движения плазменной искры, очень быстрые, а также сложны для экспериментального исследования. Поэтому численное моделирование этих процессов на основе математических моделей весьма актуальная задача.
— Развитие вычислительных методов позволяет усовершенствовать процессы вытяжки волокна, оптимизировать параметры работы и определить стабильные режимы. Лучшее понимание оптического пробоя в оптоволокне позволит создавать более совершенные внутриволоконные устройства, например, датчики с достаточно хорошей повторяемостью характеристик, — говорит заведующий кафедрой общей физики ПНИПУ, доктор физико-математических наук, доцент Анатолий Перминов.
— Эффект плавления волокна представляет собой сложный процесс, который условно можно разделить на несколько стадий. Первая — это инициирование оптического пробоя в сердцевине, которое может быть вызвано различными внешними факторами, например, нагревом, электрическим разрядом или загрязнением. Вторая — возникновение и распространение искры вдоль сердцевины волокна. Для стабильного наблюдения эффекта плавления плотность мощности лазерного излучения на обеих стадиях процесса должна быть достаточной для создания и поддержания необходимой температуры в плазменной искре, а ее размер должен быть сопоставим с диаметром сердцевины, — рассказывает младший научный сотрудник кафедры общей физики ПНИПУ Юрий Конин.
Для понимая, как происходит пробой в оптическом волокне, ученые ПНИПУ создали математическую модель. Она была реализована в программе Comsol Multiphysics, которая использует метод конечных элементов для решения различных физических и инженерных задач. Благодаря моделированию политехникам удалось получить важную информацию о распределении температурного поля в оптоволокне, на основе которой для различных длин волн, вводимого в волокно излучения, были оценены время начала пробоя, то есть момент возникновения искры, минимальная мощность необходимая для появления плазменной искры, а также ее радиальные и продольные размеры.
Благодаря созданной учеными ПНИПУ математической модели эффекта оптического пробоя в сердцевине волокна становятся понятными механизмы возникновения плазменной искры. Это дает возможность прогнозировать последствия данного процесса и создавать более совершенные оптоволоконные устройства (датчики, фильтры и другие) для самолетов, космических ракет, медицинских приборов и других целей.
Для справки:
Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн. рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель — формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60 % —региональные университеты.