Измерение показателей преломления водорода, азота и криптона при различном давлении при помощи волоконного рефрактометра

Аннотация

В работе представлены результаты измерения показателей преломления водорода, азота и криптона при различном давлении в ближнем ИК-диапазоне (1.35 мкм). Измерения проводились при помощи волоконно-оптического рефрактометра на основе брэгговской решетки, записанной фемтосекундным лазерным излучением. Результаты продемонстрировали монотонный рост показателя преломления с увеличением давления газа с высокой степенью линейности, при этом для более крупных молекул скорость роста была выше. Полученные экспериментальные результаты заполняют энциклопедические пробелы в данных о показателях преломления газов для ближнего инфракрасного диапазона, а также подтверждают перспективность применения фемтосекундных волоконных брэгговских решеток в газовой рефрактометрии.

• волоконная брэгговская решетка
• фемтосекундная запись
• волоконный рефрактометр
• газовая среда

Abstract (in English)

Measurement of refractive indexes of hydrogen, nitrogen and krypton at different pressure values with a fiber optical refractometer

This paper presents the results of measuring the refractive indices of hydrogen, nitrogen, and krypton at different pressures at a wavelength of ~1350 nm. The measurements were performed using a fiber optical refractometer based on a Bragg grating inscribed with femtosecond laser radiation. The results demonstrated a monotonic increase in the refractive index with increasing gas pressure. A noticeable feature was that the refractive index growth rate was higher for larger molecules. Moreover, the dependence of the refractive index on the pressure value displayed a high degree of linearity The obtained experimental results complement the missing data regarding gases’ refractive indexes in the closer infrared range, as well as confirm viability of using femtosecond fiber Bragg gratings for the purposes of gas refractometry.

Для цитирования

Литература

1. Долженко Е.И., Томышев К.А., Бутов О.В. Рефрактометрический детектор белков плазмы крови на основе наклонной волоконной брэгговской решетки с функциональным покрытием из антител // Журнал радиоэлектроники. - 2023. - №. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.11.27
2. Долженко Е. И., Томышев К. А., Бутов О. В. СЕЛЕКТИВНЫЙ БИОСЕНСОР НА ОСНОВЕ НАКЛОННЫХ ВОЛОКОННЫХ БРЭГГОВСКИХ РЕШЕТОК С ФУНКЦИОНАЛЬНЫМ ПОКРЫТИЕМ //Фотон-экспресс. - 2023. - №. 6 (190). - С. 294-295. https://doi.org/10.24412/2308-6920-2023-6-294-295
3. Albert J., Shao L. Y., Caucheteur C. Tilted fiber Bragg grating sensors //Laser & Photonics Reviews. - 2013. - Т. 7. - №. 1. - С. 83-108. https://doi.org/10.1002/lpor.201100039
4. Marquez-Cruz V., Albert J. High resolution NIR TFBG-assisted biochemical sensors //Journal of Lightwave Technology. - 2015. - Т. 33. - №. 16. - С. 3363-3373. https://doi.org/10.1109/JLT.2015.2431912
5. Kim K. T. et al. Hydrogen sensor based on palladium coated side-polished single-mode fiber //IEEE Sensors Journal. - 2007. - Т. 7. - №. 12. - С. 1767-1771. https://doi.org/10.1109/JSEN.2007.909924
6. Goya K. et al. A fluoride fiber optics in-line sensor for mid-IR spectroscopy based on a side-polished structure //Sensors and Actuators B: Chemical. - 2022. - Т. 351. - С. 130904. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130904
7. Polynkin P. et al. Evanescent field-based optical fiber sensing device for measuring the refractive index of liquids in microfluidic channels //Optics letters. - 2005. - Т. 30. - №. 11. - С. 1273-1275. https://doi.org/10.1364/OL.30.001273
8. Бутов О. В. и др. Волоконные брэгговские решетки с наклонными штрихами и сенсоры на их основе //Успехи физических наук. - 2022. - Т. 192. - №. 12. - С. 1385-1398. https://doi.org/10.3367/UFNr.2021.09.039070
9. Пржиялковский Д. В., Бутов О. В. Высокоточная запись волоконных брэгговских решеток поточечным методом //Прикладная Фотоника Applied Photonics. - 2022. - С. 50.
10. Taylor R., Hnatovsky C., Simova E. Applications of femtosecond laser induced self-organized planar nanocracks inside fused silica glass //Laser & Photonics Reviews. - 2008. - Т. 2. - №. 1-2. - С. 26-46. https://doi.org/10.1002/lpor.200710031
11. Martinez A. et al. Photoinduced modifications in fiber gratings inscribed directly by infrared femtosecond irradiation //IEEE photonics technology letters. - 2006. - Т. 18. - №. 21. - С. 2266-2268. https://doi.org/10.1109/LPT.2006.884883
12. Nishii J. et al. Ultraviolet-radiation-induced chemical reactions through one-and two-photon absorption processes in GeO2-SiO2 glasses //Optics Letters. - 1995. - Т. 20. - №. 10. - С. 1184-1186. https://doi.org/10.1364/OL.20.001184
13. Saito K., Ikushima A. J. Absorption edge in silica glass //Physical Review B. - 2000. - Т. 62. - №. 13. - С. 8584. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.62.8584
14. Томышев К.А., Долженко Е.И., Бутов О.В. Использование брэгговских решеток, записанных импульсным лазерным излучением фемтосекундной длительности, для задач рефрактометрии // Журнал радиоэлектроники. - 2025. - № 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.42
15. Abdukerim N. et al. High-temperature stable fiber Bragg gratings with ultrastrong cladding modes written using the phase mask technique and an infrared femtosecond laser //Optics Letters. - 2020. - Т. 45. - №. 2. - С. 443-446. https://doi.org/10.1364/OL.381111
16. Liu C. et al. Highly localized fiber Bragg gratings with strong cladding mode inscribed by femtosecond laser //IEEE Photonics Technology Letters. - 2022. - Т. 34. - №. 11. - С. 587-590. https://doi.org/10.1364/OL.424581
17. Долженко Е.И., Томышев К.А., Бутов О.В. Волоконные рефрактометры для газовых сред на основе волоконных брэгговских решеток // Труды 10-й Всероссийской Диановской конференции по волоконной оптике (ВКВО-2025). - Пермь: Техносфера, 2025. - С. 319-320. https://doi.org/10.22184/9785948367361.319.321
18. Tomyshev K. et al. Selective fiber optic TFBG-assisted biosensors featuring functional coatings //Sensors and Actuators B: Chemical. - 2023. - Т. 384. - С. 133618. https://doi.org/10.1016/j.snb.2023.133618
19. Dolzhenko E. I., Tomyshev K., Butov O. V. A Poly (vinyl alcohol) Coating Method for a Tilted-Fiber Bragg-Grating-Assisted Fiber Hygrometer //physica status solidi (RRL)-Rapid Research Letters. - 2020. - Т. 14. - №. 12. - С. 2000435. https://doi.org/10.1002/pssr.202000435
20. Guo T. et al. Tilted fiber grating mechanical and biochemical sensors //Optics & Laser Technology. - 2016. - Т. 78. - С. 19-33. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2015.10.007
21. Vukovic D., Woolsey G. A., Scelsi G. B. Refractivities of SF6 and SOF2 at wavelengths of 632.99 and 1300 nm //Journal of Physics D: Applied Physics. - 1996. - Т. 29. - №. 3. - С. 634. https://doi.org/10.1088/0022-3727/29/3/023
22. Peck E. R., Huang S. Refractivity and dispersion of hydrogen in the visible and near infrared //Journal of the Optical Society of America. - 1977. - Т. 67. - №. 11. - С. 1550-1554. https://doi.org/10.1364/JOSA.67.001550
23. Przhiialkovskii D. V., Butov O. V. High-precision point-by-point fiber Bragg grating inscription //Results in Physics. - 2021. - Т. 30. - С. 104902. http://dx.doi.org/10.1016/j.rinp.2021.104902
24. Peck E. R., Khanna B. N. Dispersion of nitrogen //Journal of the Optical Society of America. - 1966. - Т. 56. - №. 8. - С. 1059-1063. https://doi.org/10.1364/JOSA.56.001059
25. Börzsönyi A. et al. Dispersion measurement of inert gases and gas mixtures at 800 nm //Applied optics. - 2008. - Т. 47. - №. 27. - С. 4856-4863. https://doi.org/10.1364/AO.47.004856
26. Tomyshev K. A. et al. High-precision data analysis for TFBG-assisted refractometer //Sensors and Actuators A: Physical. - 2020. - Т. 308. - С. 112016. https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112016