priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2024-67-10-853-866pribor-49Research ArticleМЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ АНАЛИЗА И КОНТРОЛЯ МАТЕРИАЛОВ, ИЗДЕЛИЙ, ВЕЩЕСТВ И ПРИРОДНОЙ СРЕДЫMETHODS AND DEVICES FOR MONITORING AND DIAGNOSTICS OF MATERIALS, PRODUCTS, SUBSTANCES AND THE NATURAL ENVIRONMENTВлияние материала инициатора на процесс возникновения оптического пробоя в оптическом волокнеInfluence of Initiator Material on the Process of Optical Breakdown in Optical FiberСтариковаВ. А.StarikovaV. A.

Виктория Александровна Старикова   — аспирант; Пермский национальный исследовательский политехнический университет, кафедра общей физики; мл. науч. сотр

Пермь

Viktoriya A. Starikova — Post-Graduate Student; Perm National Research Polytechnic University, Department of General Physics; Junior Researcher

Perm

scherbackova.vict@mail.ruПерминовА. В.PerminovA. V.

Анатолий Викторович Перминов — д-р физ.-мат. наук; Пермский национальный исследовательский политехнический университет, кафедра общей физики; зав. кафедрой

Пермь

Anatoly V. Perminov — Dr. Sci.; Perm National Research Polytechnic University, Department of General Physics; Head of the Department

Perm

 

perminov1973@mail.ruПермский национальный исследовательский политехнический университет; Пермская научно-производственная приборостроительная компанияPerm National Research Polytechnic University; Perm Scientific-Industrial Instrument Making Company PJSC2024251120246710853866Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/49

Представлена математическая модель инициирования оптического пробоя в оптическом волокне. Для повышения управляемости процесса возникновения плазменного очага и структуры дефектов, формируемых им, исследованы различные варианты материалов инициатора. В результате расчетов получены зависимости различных характеристик фронта плазмообразования в волокне от теплофизических свойств материалов инициатора. Даны рекомендации по проведению экспериментальных исследований. Результаты настоящей работы могут быть применены для прогнозирования минимальных мощностей вводимого в волокно оптического излучения, необходимых для возникновения оптического пробоя в волокне при использовании различных материалов инициатора.

A mathematical model of optical breakdown initiation in optical fiber is presented. To increase the controllability of the plasma hearth formation process and the structure of defects formed by it, various variants of initiator materials are studied. As a result of calculations, dependences of various characteristics of the plasma formation front in the fiber on the thermophysical properties of the initiator materials are obtained. Recommendations for conducting experimental studies are given. It is assumed that the results can be applied to predict the minimum power of optical radiation injected into the fiber, which is necessary for optical breakdown occurrence a fiber when using various initiator materials.

оптический пробойплазмакоэффициент теплопроводностиoptical breakdownplasmathermal conductivity coefficientИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-21-00169: https://rscf. ru/project/23-21-00169/.The study was supported by the Russian Science Foundation grant No. 23-21-00169: https://rscf. ru/project/23-21-00169/.ReferencesKashyap R. Self-propelled self-focusing damage in optical fibers // Proc. X Inter. Conf. on Lasers, Lake Tahoe, USA, 7–11 Dec. 1987. P. 859–866.Kashyap R. Proc. X Inter. Conf. on Lasers, Lake Tahoe, USA, Dec. 7–11, 1987, рр. 859–866. 2. Kashyap R., Blow K.J. Electron. Lett., 1988, no. 1(24), pp. 47–49, DOI: 10.1049/el:19880032.Kashyap R., Blow K. J. Observation of catastrophic self-propelled self-focusing in optical fibres // Electron. Lett. 1988. Vol. 24, N 1. P. 47–49. DOI: 10.1049/el:19880032.Kashyap R., Sayles A.H., Cornwell G.F. Proc. SPIE, 1996, vol. 2966, Laser-Induced Damage in Optical Materials, https://doi.org/10.1117/12.274219.Kashyap R., Sayles A. H., Cornwell G. F. Heat-flow modeling and visualization of catastrophic self-propagating damage in single-mode optical fibres at low powers // Proc. SPIE. 1996. Vol. 2966. Laser-Induced Damage in Optical Materials. https://doi.org/10.1117/12.274219.Dianov E.M., Bufetov I.A., Frolov A.A. Optic letters, 2005, no. 16(29), pp. 1852–1854.Dianov E. M., Bufetov I. A., Frolov A.A. Destruction of silica fiber cladding by the fuse effect // Optic letters. 2005. Vol. 29, N 16. P. 1852–1854.Bufetov I.A., Dianov E.M. Adv. of Physical Sciences, 2005, no. 1(175), pp. 100–103.Bufetov I. A., Dianov E. M. Optical discharge in fibre light guides // Adv. of Physical Sciences. 2005. Vol. 175, N 1. P. 100–103.Shuto Y. Elements of Fiber Fuse Phenomena, Design Egg, Inc., 2023, 390 p.Shuto Y. Elements of Fiber Fuse Phenomena. Design Egg, Inc., 2023. 390 p.Shuto Y., Yanagi S., Asakawa S., Kobayashi M., Nagase R. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2004, no. 8(40), pp. 1113–1121, DOI: 10.1109/JQE.2004.831635.Shuto Y., Yanagi S., Asakawa S., Kobayashi M., Nagase R. Fiber fuse phenomenon in step-index single-mode optical fibers // IEEE Journal of Quantum Electronics. 2004. Vol. 40, N 8. P. 1113–1121. DOI: 10.1109/JQE.2004.831635.Facão M. Journal of Lightwave Technology, 2011, no. 1(29), pp. 109–114, DOI:10.1109/Jlt.2010.2094602.Facão M. Traveling Solutions of the Fuse Effect in Optical Fibers // Journal of Lightwave Technology. 2011. Vol. 29, N 1. Р. 109–114. DOI:10.1109/Jlt.2010.2094602.Shuto Y. J. Informatics Math. Sci., 2020, no. 4(12), pp. 271–288, DOI: 10.26713/jims.v12i4.1459.Shuto Y. Cavity pattern formation and its dynamics of fiber fuse in single-mode optical fibers // J. Informatics Math. Sci. 2020. Vol. 12, N 4. P. 271–288. DOI: 10.26713/jims.v12i4.1459.Shuto Y. Journal of Photonics, 2016, ID 2781392, DOI:10.1155/2016/2781392.Shuto Y. End face damage and fiber fuse phenomena in single mode fiber optic connectors // Journal of Photonics. 2016. ID 2781392. DOI:10.1155/2016/2781392.Todoroki S. Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), Los Angeles, USA, 2015, рр. 859–866, DOI: 10.1364/OFC.2015.W2A.33.Todoroki S. Quantitative evaluation of fiber fuse initiation probability in typical single-mode fibers // Optical Fiber Communications Conf. and Exhibition (OFC). Los Angeles, USA, 2015. P. 859–866. DOI: 10.1364/OFC.2015. W2A.33.Todoroki S. Scientific Reports, 2006, vol. 6, рр. 25366, DOI: 10.1038/srep25366.Todoroki S. Quantitative evaluation of fiber fuse initiation with exposure to arc discharge provided by a fusion splicer // Scientific Reports. 2006. Vol. 6. Р. 25366. DOI: 10.1038/srep25366.Todoroki S. Optical Fiber Communication Conference and Exposition and the National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC), Anaheim, USA, 2013, рр. 1–3, DOI: 10.1364/NFOEC.2013.JW2A.11.Todoroki S. Fiber fuse propagation modes in typical single-mode fibers // Optical Fiber Communication Conference and Exposition and the National Fiber Optic Engineers Conf. (OFC/NFOEC). Anaheim, USA, 2013. P. 1–3. DOI: 10.1364/NFOEC.2013.JW2A.11.Todoroki S. IEICE Trans. Commun., 2013, no. 3(J96-B), pp. 243–248.Todoroki S. Modes and threshold power of fiber fuse propagation // IEICE Trans. Commun. 2013. Vol. J96-B, N 3. P. 243–248.Hanzawa Т., Kurokawa K., Tsujikawa K., Mori T., Wada M., Yamamoto F. Optical Fiber Communication Conference, OSA Technical Digest, 2015, paper W4I.5.Hanzawa Т., Kurokawa K., Tsujikawa K., Mori T., Wada M., Yamamoto F. Fiber fuse propagation in LP11 mode in few-mode fiber // Optical Fiber Communication Conf. OSA Technical Digest. 2015. Paper W4I.5.André P.S., Domingues M.F., Antunes P., Alberto N., Frias A.R., Ferreira R.A.S. Second International Conference on Applications of Optics and Photonics, Proc. SPIE, 2014, vol. 9286, paper 92862U, DOI: 10.1117/12.2060191.André P. S., Domingues M. F., Antunes P., Alberto N., Frias A. R., Ferreira R. A. S. Sensors based on recycled optical fibers destroyed by the catastrophic fuse effect // Second International Conf. on Applications of Optics and Photonics. Proc. SPIE. 2014. Vol. 9286. Paper. 92862U. DOI: 10.1117/12.2060191.Domingues A.P., Paixão T., Mesquita E., Alberto N., Antunes P., Varum H., André P.S. The International Society for Optical Engineering, Proc. SPIE, 2015, Vol. 9634, DOI: /10.1117/12.2195066.Domingues A. P., Paixão T., Mesquita E., Alberto N., Antunes P., Varum H., André P. S. Hydrostatic pressure sensor based on micro-cavities developed by the catastrophic fuse effect // International Society for Optical Engineering. Proc. SPIE. 2015. Vol. 9634. DOI: /10.1117/12.2195066.Konin Yu.A., Scherbakova V.A., Bulatov M.I., Malkov N.V., Lucenko A.S., Starikov S.S., Grachev N.A., Perminov A.V., Petrov A.A. Journal of Optical Technology, 2021, no. 11(88), pp. 672–677, DOI: 10.1364/JOT.88.000672.Konin Yu. A., Scherbakova V. A., Bulatov M. I., Malkov N. V., Lucenko A. S., Starikov S. S., Grachev N. A., Perminov A. V., Petrov A. A. Structural characteristics of internal microcavities produced in optical fiber via the fuse effect // Journal of Optical Technology. 2021. Vol. 88, N 11. P. 672–677. DOI: 10.1364/JOT.88.000672.Konin Yu.A., Scherbakova V.A., Perminov A.V., Petuhova A.Yu. Optics Communications, 2022, vol. 517, рр. 128242, DOI: 10.1016/j.optcom.2022.128242.Konin Yu. A., Scherbakova V. A., Perminov A. V., Petuhova A. Yu. Study of micro-cavities formed by optical breakdown under the influence of a magnetic field // Optics Communications. 2022. Vol. 517. P. 128242. DOI: 10.1016/j. optcom.2022.128242.Starikova V.A., Konin Yu.A., Petukhova A.Yu., Perminov A.V. Bulletin of Perm University. Physics, 2024, no. 1, pp. 24–32, https://doi.org/10.17072/1994-3598-2024-1-24-32. (in Russ.)Cтарикова В. А, Конин Ю. А., Петухова А. Ю., Перминов А. В. Математическое моделирование температурных полей при пробое оптического волокна // Вестник Пермского университета. Физика. 2024. № 1. С. 24–32. https://doi.org/10.17072/1994-3598-2024-1-24-32.Carslaw H.S., Jaeger J.K. Conduction of Heat in Solids, Oxford, UK, Oxford Univ. Press, 1959, 517 p.Carslaw H. S., Jaeger J. K. Conduction of Heat in Solids. Oxford Univ. Press, 1959. 517 p.Davis D.D., Mettler S.C., DiGiovanni D.J. 27th Annual Boulder Damage Symposium: Laser-Induced Damage in Optical Materials, Proc. SPIE, 1995, vol. 2714, рр. 202–210, DOI: 10.1117/12.240382.Davis D. D., Mettler S. C., DiGiovanni D. J. Experimental data on the fiber fuse // 27th Annual Boulder Damage Symposium: Laser-Induced Damage in Optical Materials. Proc. SPIE. 1995. Vol. 2714. P. 202–210. DOI: 10.1117/12.240382.Hanafusa H., Hibino Y., Yamamoto F. J. Appl. Phys., 1985, no. 3(58), pp. 1356–1361, DOI: 10.1063/1.336107.Hanafusa H., Hibino Y., Yamamoto F. Formation mechanism of drawing-induced E centers in silica optical fibers // J. Appl. Phys. 1985. Vol. 58, N 3. P. 1356–1361. DOI: 10.1063/1.336107.Samoilenko V.V., Firsov V.V. Construction materials, 2011, no. 2, pp. 57–58. (in Russ.)Самойленко В. В., Фирсов В. В. Температурная устойчивость базальтовых волокон // Construction materials. 2011. № 2. С. 57–58.https://cyberleninka.ru/article/n/bazaltoplastiki-polimernye-kompozitsionnye-materialy-hhi-veka. (in Russ.)Артеменко С. Е., Кадыкова Ю. А., Васильева О. Г. Базальтопластики — полимерные композиционные материалы ХХI века // Вестн. СГТУ. 2005. № 1(7).Артеменко С. Е., Кадыкова Ю. А., Васильева О. Г. Базальтопластики — полимерные композиционные материалы ХХI века // Вестн. СГТУ. 2005. № 1(7).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.