Light localization and diagnostics in micro-structured optical fibers
Authors: Κόρακας Νικόλαος 
Published: July 2023

Οι τρόποι εγκλωβισμού ψιθυρισμού του φωτός είναι χρήσιμοι σε διάφορες εφαρμογές λόγω των μοναδικών χαρακτηριστικών τους, όπως ο υψηλός συντελεστής ποιότητας (Q-factor) και η ευαισθησία στις αλλαγές του δείκτη διάθλασης. Η παρούσα διατριβή εξετάζει τη δυνατότητα της αξιοποίησης των τρόποι εγκλωβισμού συντονισμού του φωτός σε κοιλότητες κυλινδρικής συμμετρίας για τη μελέτη άμορφων υλικών, όπως το θερμικά πολωμένου γυαλιού Duran και της αναγεννημένης φιμπροίνης του μεταξιού, και τη σύνδεση αυτών των συντονισμών με τις συγκεκριμένες οπτικές και μηχανικές τους ιδιότητες.Στο πρώτο μέρος της διδακτορικής διατριβής παρουσιάζεται η μελέτη που πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο των τρόπων εγκλωβισμού ψιθυρισμού σε ηλεκτρικά πολωμένες υάλινες οπτικές έτερο-ίνες. Οι ΤΕ και ΤΜ ρυθμοί ανώτερης της μονάδας τάξης των ηλεκτρικά πολωμένων έτερο-ινών υφίστανται έναν φασματικό “καθαρισμό” σε σύγκριση με τη φασματική απόκριση των αρχικών έτερο-ινών. Η συγκεκριμένη φασματική συμπεριφορά των ηλεκτρικά πολωμένων έτερο-ινών αποδίδεται σε αλλαγές του δείκτη διάθλασης οι οποίες λαμβάνουν χώρα κοντά στην περιφέρεια της έτερο-ίνας. Αυτές οι αλλαγές συνδέονται με ακτινικά συμμετρική ανακατανομή των ιόντων που προϋπάρχουν μέσα στην ύαλο, όπως αυτό προέκυψε από την διαδικασία της θερμικής πόλωσης. Οι φασματικές αποκρίσεις των ηλεκτρικά πολωμένων οπτικών κοιλοτήτων προσομοιώθηκαν χρησιμοποιώντας τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων. Για να διερευνηθούν οι χωρικές αλλαγές της κατανομής των ιόντων και της δομής της ύαλου που λαμβάνουν χώρα στις ηλεκτρικά πολωμένες έτερο-ίνες πραγματοποιήθηκαν μια σειρά από επιπλέον μετρήσεις χαρακτηρισμού της μορφής της ύαλου. Αυτές ήταν οι εξής: μικροσκοπία δεύτερης αρμονικής τάξης (SGH), φασματοσκοπία διασποράς ενέργειας ακτίνων Χ (EDX) και φασματοσκοπία μ-Raman. Οι παραπάνω μετρήσεις αποκάλυψαν ότι υπάρχει μεταβολή στην συγκέντρωση των ιόντων μετά την διαδικασία της θερμικής πόλωσης της υάλου η οποία επιφέρει αλλαγές στην δομή της καθώς και στην συμμετρία του πλέγματος της. Σε αυτήν τη μελέτη αναπτύχθηκαν οπτικές κοιλότητες κατασκευασμένες από φιμπροίνη, οι οποίες υποστηρίζουν τρόπους εγκλωβισμού ψιθυρισμού, εναποτεθειμένες σε γυάλινες οπτικές ίνες. Για την διέγερση των οπτικών αντηχείων μεταξιού χρησιμοποιήθηκαν θερμικά εφελκυσμένες οπτικές ίνες γυαλιού μικρής διαμέτρου (2 μm). Ο οπτικός χαρακτηρισμός των συγκεκριμένων οπτικών αντηχείων μεταξιού έγινε στο φασματικό εύρος των 1.5 μm. Μέσω θερμικής ανόπτησης το μετάξι υφίσταται μια δομική μεταμόρφωση από την άμορφη κατάσταση (μετάξι τύπου I) σε μια ημικρυσταλλική κατάσταση (μετάξι τύπου IΙ). Αυτός ο μετασχηματισμός συνοδεύεται από αρκετές ευδιάκριτες αλλαγές στις οπτικές ιδιότητες αυτού του βιοϋλικού, επιπλέον της αύξησης των δομών νάνο-κρυσταλλικών β-φύλλων στο μετάξι τύπου ΙΙ. Τα φωτοελαστικά πειράματα πραγματοποιήθηκαν καταγράφοντας τις φασματικές μετατοπίσεις των TE και ΤΜ τρόπων εγκλωβισμού ψιθυρισμού καθώς εφαρμόζαμε αξονική τάση στο σύστημα. Από τις παραπάνω μετρήσεις και την οπτική και μηχανική ανάλυση τους προέκυψε ότι ο φωτοελαστικός οπτικός συντελεστής K για το μετάξι τύπου Ι είναι 0.059±0.004 με την αντίστοιχη τιμή για το μετάξι τύπου ΙΙ να είναι 0.129±0.004.