С.В. Сапарина¹, С.С. Харинцев^1,2

Казанский Приволжский федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия

Академия наук Республики Татарстан, Институт прикладных исследований, г. Казань, 420111, Россия

Полный текст PDF

Аннотация

Оптические волокна, используемые для регистрации данных в нефтяных скважинах, могут подвергаться значительным механическим стрессам при повышенных температурах и давлениях. Для защиты оптического волокна от агрессивной окружающей среды оно часто покрывается тонким слоем аморфного углерода. Несмотря на существенные успехи, достигнутые в области технологии нанесения покрытий, до настоящего времени нет полного понимания причин возникновения дефектов в углеродном слое, способствующих проникновению водорода и влаги к поверхности волокна. В работе исследованы углеродные покрытия различной толщины (от 1 до 100 нм) методами атомно-силовой микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света в дальней и ближней зоне. По результатам исследования определены оптимальный состав, толщина и морфология углеродного слоя, обеспечивающие максимальную герметичность при достаточной механической прочности. С помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния света проведено детектирование углеродных аллотропов (нанотрубок, графена, сажи, фуллеренов) в защитном слое оптоволокна, которые могут выполнять роль транспортных каналов водорода и влаги к оптоволокну.

Ключевые слова: оптоволоконный датчик, защитное углеродное покрытие, атомно-силовая микроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния света, спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния света

Благодарности. Исследования выполнены с использованием оборудования ЦКП «Микросистемная техника и электронная компонентная база» МИЭТ, при финансовой поддержке Минобрнауки России (Соглашение № 14.575.21.0149 от 26.09.2017, уникальный идентификатор RFMEFI57517X0149).

Литература

1. Bolognini G., Hartog A. Raman-based fibre sensors: Trends and applications // Opt. Fiber Technol. – 2013. – V. 19, No 6. – P. 678–688. – doi: 10.1016/j.yofte.2013.08.003.

2. Siska P., Latal J., Bujok P., Vanderka A., Klempa M., Koudelka P., Vasinek V., Pospisil P. Optical fiber based distributed temperature systems deployment for measurement of boreholes temperature profiles in the rock massif // Opt. Quant. Electron. – 2016. – V. 48. – Art. 108, P. 1–21. – doi: 10.1007/s11082-016-0379-3.

3. Suh K., Lee C. Auto-correction method for differential attenuation in a fiber-optic distributed-temperature sensor // Opt. Lett. – 2008. – V. 33. – P. 1845–1847. – doi: 10.1364/OE.18.009747.

4. Her S.C., Huang C.Y. Effect of Coating on the Strain Transfer of Optical Fiber Sensors // Sensors. – 2011. – V. 11. – P. 6926–6941. – doi: 10.1016/j.cplett.2012.09.053.

5. Stolov A.A., Lombardo J.J., Slyman B.E., Li J., Chiu W.K.S. Carbon coatings on silica glass optical fibers studied by reflectance Fourier-transform infrared spectroscopy and focused ion beam scanning electron microscopy // Thin Solid Films. – 2012. – V. 520. – P. 4224–4248. – doi: 10.1016/j.tsf.2012.01.032.

8. Reinsch T., Henninges J. Temperature-dependent characterization of optical fibres for distributed temperature sensing in hot geothermal wells // Meas. Sci. Technol. – 2010. – V. 21, No 9. – Art. 094022, P. 1–8. – doi: 10.1088/0957-0233/21/9/094022.

9. Beyssac O., Goffe B., Petitet. J.-P., Froigneux E., Moreau M., Rouzaud J.-N. On the characterization of disordered and heterogeneous carbonaceous materials by Raman spectroscopy // Spectrochim. Acta, Part A. – 2003. – V. 59, No 10. – P. 2267–2276. – doi: 10.1016/S1386-1425(03)00070-2.

10. Hayazawa N., Inouye Y., Sekkat Z., Kawata S. Metallized tip amplification of near-field Raman scattering // Opt. Commun. – 2000. – V. 183, No 1–4. – P. 333–336. – doi: 10.1016/S0030-4018(00)00894-4.

11. Hoffmann G.G., de With G., Loos J. Micro-Raman and tip-enhanced Raman spectroscopy of carbon allotropes // Macromol. Symp. – 2008. – V. 265, No 1. – P. 1–11. – doi: 10.1002/masy.200850501.

12. Sadezky A., Muckenhuber H., Grothe H., Niessner R., Poschl U. Raman microspectroscopy of soot and related carbonaceous materials: Spectral analysis and structural information // Carbon. – 2005. – V. 43, No 8. – P. 1731–1742. – doi: 10.1016/j.carbon.2005.02.018.

13. Shiue S.-T., Hsiao H.-H., Shen T.-Y., H.-Ch. Lin , Lin K.-M. Mechanical strength and thermally induced stress voids of carbon-coated optical fibers prepared by plasma method with different enhanced chemical vapor deposition hydrogen/methane ratio // Thin Solid Films. – 2005. – V. 483, No 1–2. – P. 140–146. – doi: 10.1016/j.tsf.2004.12.059.

14. Chakravarthy S.S., Chiu W.K.S. Failure of optical fibers with thin hard coatings // J. Lightwave Technol. – 2006. – V. 24, No 3. – P. 1356–1363. – doi: 10.1109/JLT.2005.863259.

Поступила в редакцию

04.12.17

Сапарина Светлана Вячеславовна, студент Института физики

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail:  sveta.saparina@yandex.ru

Харинцев Сергей Сергеевич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры оптики и нанофотоники; старший научный сотрудник

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

Академия наук Республики Татарстан, Институт прикладных исследований

ул. Баумана, д. 20, г. Казань, 420111, Россия

E-mail:  skharint@gmail.com

Для цитирования: Сапарина С.В., Харинцев С.С. Характеризация углеродного нанопокрытия оптических волокон с помощью ближнеполеевой спектроскопии комбинационного рассеяния света // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. – 2017. – Т. 160, кн. 1. – С. 126–134.

For citation: Saparina S.V., Kharintsev S.S. Characterization of carbon nanolayer of optical fibers via near-field Raman spectroscopy. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki, 2018, vol. 160, no. 1, pp. 126–134. (In Russian)

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.