Światłowody nanostrukturyzowane ze swobodnie kształtowanym rozkładem współczynnika załamania

Rozprawa doktorska poświęcona została przedstawieniu wyników badań z zakresu optyki światłowodowej dotyczących swobodnego modyfikowania rozkładu współczynnika załamania w światłowodach optycznych na podstawie koncepcji nanostrukturyzacji. Nanostrukturyzacja opiera się na projektowaniu rozkładu współczynnika załamania w światłowodzie optycznym i opatentowanej procedurze technologicznej wytwarzania takich światłowodów, w której wykorzystywane są właściwości efektywne materiału złożonego z przynajmniej dwóch dopasowanych termicznie rodzajów szkieł. Zastosowanie powyższej metody umożliwia wytwarzanie wysokiej jakości całoszklanych światłowodów optycznych o projektowanych, określonych właściwościach. Jest ona również konkurencyjna w stosunku do innych technologii wytwarzania włókien optycznych ze względu na możliwość dużej dowolności w kształtowaniu rozkładu współczynnika załamania, w tym zerwania z symetrią kołową struktury rdzenia i płaszcza. Takie rozwiązanie pozwala na dodatkową swobodę w kształtowaniu właściwości optycznych materiału efektywnego światłowodów, dlatego metoda ta może przysłużyć się rozszerzeniu potencjału aplikacyjnego m.in. w sektorach telekomunikacyjnych, laserowych, pomiarowych i biomedycznych. Kompleksowe podejście do zagadnienia światłowodów nanostrukturyzowanych prowadzone jest w projekcie TEAM TECH/2016-1/1 „Nanostructurized microoptical components – towards new functionalities and applications”, w ramach którego zrealizowana została niniejsza praca. Głównym celem rozprawy jest rozszerzenie potencjału aplikacyjnego (głównie w sektorze telekomunikacyjnym) światłowodów optycznych bazujących na koncepcji nanostrukturyzacji, dającej możliwość swobodnego modyfikowania rozkładu współczynnika załamania. W niniejszej pracy przeprowadzono analizę zalet i wad obecnie stosowanych rozwiązań, w tym analizę ograniczeń technologicznych, które mogą być zniwelowane lub udoskonalone poprzez wykorzystanie metody nanostrukturyzacji. Na podstawie wyników analizy obecnego stanu badań i możliwości dotychczas stosowanych metod zaproponowano w pracy cztery typy włókien światłowodowych o swobodnie kształtowanym rozkładzie współczynnika załamania. Wszystkie struktury bazują na elementach z czystego szkła krzemionkowego z odpowiednią domieszką dwutlenku germanu i ewentualnie fluoru. W ten sposób można podwyższyć (GeO2) lub obniżyć (F) współczynnik załamania szkła krzemionkowego, co umożliwia modyfikowanie optycznych parametrów włókna. Wykorzystanie tego typu szkieł pozwala na zachowanie pozytywnych aspektów niskiej tłumienności i termicznego dopasowania podczas procesu technologicznego. Wszystkie przedstawione włókna zostały zoptymalizowane i przebadane numerycznie. Dwa z zaproponowanych włókien zostały wytworzone przy zastosowaniu zmodyfikowanej technologii układania i ciągnięcia (ang. stack-and-draw) oraz zbadane eksperymentalnie.