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Refraction index modification by synchrotron radiation

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2007

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Salomon, Felix

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Masterarbeit/Diplomarbeit
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Zusammenfassung

Refractive index modifications in glass play an important role in fibre optic communications. One of the more challenging issues in fibre optics has been how to process the light in optical systems while avoiding the losses which are inherent in the process of coupling light out of fibres. Using bulk optics to perform reflection, difraction and filtering, inevitably increases the system complexity and at the same time decreases its performance. Hence there is great interest in developing in-fibre equivalents of devices such as beam splitters, filters or optical mirrors as they would potentially perform this processing more efficiently. Moreover, 'fiberised' devices would increase the stability, reliability and simplicity of fibre optic communications.
To date, the common method used to write refractive index structures into glass involves the use of a UV laser source. This method is constrained by a number of restrictions which could possibly be avoided by using the high energy X-ray light of a synchrotron to produce in-fibre devices. Mid last century, researchers performed experiments on the exposure of glass to synchrotron light. This diploma thesis expands on these initial results with the benefit of modern experimental facilities, to investigate the effects of synchrotron radiation on different glass samples and intends to thereby gain a more coherent, fundamental understanding of the effects of synchrotron light.
In order to produce appropriate samples, various optical glasses and fibres were taken to the National Synchrotron Radiation Research Center (NSRRC) in Hsinchu, Taiwan, and irradiated with synchrotron light with an energy above 500 eV and a peak energy of 7.8 keV. Tests were subsequently performed to measure the compaction (densification) of the material and possible changes in the refractive index. By means of surface analysis, evidence has been found that compaction occurred and this densification has been quantified. A model for the refractive index modification has been developed and, using ellipsometry, initial measurements have been performed to prove the model.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Die Modifizierung des Brechungsindex von Glas ist von herausragender Bedeutung in der Faseroptik. Dabei stellt die Vermeidung von Verlusten bei der Auskopplung von Licht aus Glasfasern eine besondere Herausforderung dar. Durch die Verwendung von zusätzlichen optischen Bauelementen zur Realisierung von Reflexion, Brechung und Filterung des Lichts ist es unvermeidlich, daß sich die Komplexität des Systems erhöht und sich gleichzeitig die Effzienz verringert. Daher besteht großes Interesse an der Entwicklung von 'in-fibre' Bausteinen wie zum Beispiel Strahlteiler, Filter oder optische Spiegel, da diese eine höhere Effzienz bei der gleichen Anwendung versprechen. Darüber hinaus könnten solche integrierten Elemente die Stabilität, Zuverlässigkeit und Einfachheit der Faseroptiken in der Telekommunikation erhöhen.
Heutzutage werden Strukturen mit variierendem Brechungsindex in Glas mit Hilfe eines UV Lasers erzeugt. Diese Methode unterliegt einer Reihe von Einschränkun- gen. Durch die Verwendung hochenergetischer Synchrotronstrahlung zur Herstellung von in-fibre Elementen, besteht die Möglichkeit, diese Nachteile zu vermeiden. Bereits in den 50er Jahen wurden Experimente durchgeführt, die den erfolgreichen Nachweis von Strukturveränderungen in Glas durch die Einwirkung von Synchrotronstrahlung erbrachten. Die vorliegende Diplomarbeit möchte auf diesen Erkenntnissen mit Hilfe moderner, damals noch nicht vorhandener Meßtechniken aufbauen mit dem Ziel, ein zusammenhängenderes, grundlegendes Verständnis zu vermitteln, welches den Effekt von Synchrotronstrahlung auf Glas beschreibt. Hierzu wurden verschiedene optische Gläser und Glasfasern am National Synchrotron Radiation Research Center (NSRRC) in Hsinchu, Taiwan, mit Synchrotronstrahlung bestrahlt. Die Energie der Photonen lag dabei oberhalb 500 eV, das Maximum des Spektrums lag bei etwa 7.8 keV. Im Anschluss daran wurden die Proben im Hinblick auf eine Kompaktion (Verdichtung) des Materials und eine mögliche Änderung des Brechungsindex untersucht. Mit Hilfe von AFM-Analysen und Stylus Profilometrie konnte gezeigt werden, daß eine Verdichtung auf Grund der Strahlungseinwirkung stattgefunden hat. Der Grad der Dichteänderung wurde gemessen. Ein Modell wurde entwickelt, um die Änderung des Brechungsindex zu simulieren und mit Hilfe von Ellipsometrie wurden erste Messungen durchgeführt, um das Modell zu verifizieren.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik

Schlagwörter

Kompaktion, Bragg Gitter, Wellenleiter, AFM, ellipsometry, refractive index, compaction, bragg grating

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