Одномодовый двухслойный кристаллический инфракрасный световод
Владельцы патента RU 2413257:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" (RU)
Изобретение относится к одномодовым двухслойным кристаллическим инфракрасным световодам для спектрального диапазона от 2 до 45 мкм и может использоваться для изготовления волоконных кабелей тепловидения, сенсоров и волоконных лазеров среднего ИК-диапазона спектра, элементов фильтров пространственных частот. Световод на основе твердых растворов бромид серебра - йодид одновалентного таллия имеет сердцевину диаметром от 10 до 130 мкм, содержащую ингредиенты при следующем соотношении, в мас.%: бромид серебра 97,0-90,0, йодид одновалентного таллия 3,0-10,0. Оболочка выполнена двухслойной. Первый слой оболочки диаметром от 100 до 300 мкм выполнен из твердых растворов бромид серебра - йодид одновалентного таллия при следующем соотношении ингредиентов, в мас.%: бромид серебра 99,5-97,0, йодид одновалентного таллия 0,5-3,0. Второй слой оболочки диаметром от 0,9 до 1,15 мм выполнен из твердых растворов бромид серебра - йодид одновалентного таллия при следующем соотношении ингредиентов, в мас.%: бромид серебра 94,0-98,0, йодид одновалентного таллия 6,0-2,0. Технический результат - расширение спектрального диапазона прозрачности световода, повышение его фотостойкости и твердости, а также позволяет подавить процесс диффузии между сердцевиной и оболочкой. Это обеспечивает четкую круглую границу между сердцевиной и оболочкой.
Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи, а именно к одномодовым двухслойным кристаллическим инфракрасным световодам для спектрального диапазона от 2 до 45 мкм, которые необходимы для изготовления волоконных кабелей тепловидения, сенсоров и волоконных лазеров среднего ИК-диапазона спектра и востребованы как элементы фильтров пространственных частот для проектов NASA и ESA по обнаружению и поиску планет, подобных Земле, так как космические объекты излучают именно в этом диапазоне спектра.
Свет в волокне распространяется в форме мод. Каждая мода имеет свою групповую скорость, что приводит к межмодовой дисперсии. В многомодовом оптическом волокне межмодовая дисперсия существенно ограничивает его информационную пропускную способность. Для ее полного исключения волокно необходимо спроектировать таким образом, чтобы в нем распространялась только одна мода [Дж. Гауэр. Оптические системы связи. Перевод с английского под редакцией А.И.Ларкина. М.: Радио и связь, 1989, с.141]. Это достигается уменьшением разности показателей преломления сердцевины и оболочки световода, уменьшением диаметра сердцевины световода или смещением рабочей длины волны световода в длинноволновый ИК-диапазон спектра.
Изготовление двухслойного световода возможно путем изменения показателей преломления сердцевины и оболочки, т.е. изменением химического состава сердцевины и оболочки световода. При изготовлении сердцевины световода используют примеси, повышающие показатель преломления [Дж. Гауэр. Оптические системы связи. Перевод с английского под редакцией А.И.Ларкина. М.: Радио и связь, 1989, с.52].
Известен световод для ИК-области спектра [Патент РФ №2174247 от 27.09.01. Световод для инфракрасной области спектра. // Жукова Л.В., Зелянский А.В., Жуков В.В., Китаев Г.А.], состоящий из сердцевины на основе твердых растворов AgCl-AgBr-AgJ, взятых в определенных соотношениях, и отражающей оболочки. Но этот двухслойный световод является многомодовым.
Известно также инфракрасное одномодовое волокно с квадратным сечением на основе твердых растворов галогенидов серебра [http://forc.gpi.rn/lab/ir/main2.html]. Но в нем не указан состав кристалла. Кроме того, оно изготовлено с квадратным сечением, а не с круглым. Изготовить световод с круглым сечением легче технологически, например, методом экструзии.
Наиболее близким техническим решением является одномодовый двухслойный кристаллический инфракрасный световод, сердцевина которого диаметром 15-45 мкм выполнена из твердых растворов хлорид-бромида серебра, легированных йодидом одновалентного таллия при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
| Хлорид серебра | 19,5-15,0 |
| Бромид серебра | 80,0-82,0 |
| Йодид одновалентного таллия | 0,5-3,0 |
а оболочка диаметром 0,7-1,0 мм выполнена из твердых растворов хлорид-бромида серебра при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
| Хлорид серебра | 18,0-21,0 |
| Бромид серебра | 81,0-79,0 |
[Патент РФ №2340920. Заявл. 23.08.2007. Опубл. 10.12.2008. Бюл. №34].
Недостатком световода является проникновение в сердцевину внешнего излучения через оболочку вследствие высокой прозрачности данного световода, что приводит к понижению его оптических характеристик. Кроме того, требуется расширить спектральный диапазон прозрачности световода, повысить его фотостойкость и механические свойства. Также необходимо добиться получения четко выраженной границы раздела сердцевины и оболочки, причем граница раздела должна иметь форму окружности.
Задачей изобретения является получение одномодового двухслойного кристаллического инфракрасного световода на основе твердых растворов бромид серебра - иодид одновалентного таллия, предназначенного для работы в спектральном диапазоне от 2 до 45 мкм.
Поставленная задача решается за счет того, что одномодовый двухслойный кристаллический инфракрасный световод на основе твердых растворов бромид серебра - иодид одновалентного таллия имеет сердцевину диаметром от 10 до 130 мкм, содержащую ингредиенты при следующем соотношении, в мас.%:
| Бромид серебра | 97,0-90,0 |
| Йодид одновалентного таллия | 3,0-10,0 |
а оболочка выполнена двухслойной, при этом первый слой оболочки диаметром от 100 до 300 мкм выполнен из твердых растворов бромид серебра - иодид одновалентного таллия при следующем соотношении ингредиентов, в мас.%:
| Бромид серебра | 99,5-97,0 |
| Йодид одновалентного таллия | 0,5-3,0 |
а второй слой ее диаметром от 0,9 до 1,15 мм выполнен из твердых растворов бромид серебра - иодид одновалентного таллия при следующем соотношении ингредиентов, в мас.%:
| Бромид серебра | 94,0-98,0 |
| Йодид одновалентного таллия | 6,0-2,0 |
что позволяет получать двухслойные ИК-световоды, в сердцевине которых распространяется одна фундаментальная мода.
Преимущества перед прототипом
1. Расширен диапазон прозрачности от 2 до 45 мкм, против от 5 до 30 мкм в прототипе.
2. Исключена вероятность проникновения в сердцевину световода внешнего излучения через оболочку в виду того, что оболочка выполнена двухслойной.
3. Повышена фотостойкость световода в 2 раза.
4. Увеличена твердость в 1,5 раза.
Таким образом, новые составы сердцевины световодов, помещенные в двухслойную оболочку определенного состава, обеспечивают разность показателя преломления между сердцевиной и первым слоем оболочки Δn=0,012-0,026 при дополнительном угле ввода электромагнитного излучения θс=12,1-19,8 и числовой апертуре NA=0,21-0,32. Кроме перечисленных фундаментальных характеристик ИК-световодов [Кацуяма Т., Мацумура X. Инфракрасные волоконные световоды. М.: Мир, 1992, с.23-31], условие одномодовости нового инфракрасного световода определяет нормализованный параметр частоты, равный двум [Дж. Гауэр. Оптические системы связи. Перевод с английского под редакцией А.И.Ларкина. М.: Радио и связь, 1989, с.128, 141]. Наличие второго слоя оболочки, имеющего химический состав больше, чем первый слой оболочки, исключает вероятность проникновения в сердцевину световода внешнего излучения. ИК-световоды спроектированы для работы в спектральном диапазоне от 2,0 до 45,0 мкм.
Пример 1.
Методом экструзии изготовили двухслойный ИК-световод. Сердцевина диаметром 10 мкм имеет состав в мас.%:
| Бромид серебра | 97,0 |
| Иодид одновалентного таллия | 3,0 |
Первый слой двухслойной оболочки диаметром 100 мкм имеет состав в мас.%:
| Бромид серебра | 99,5 |
| Иодид одновалентного таллия | 0,5 |
а второй слой оболочки диаметром 0,9 мм имеет состав в мас.%:
| Бромид серебра | 96,0 |
| Иодид одновалентного таллия | 4,0 |
Разность показателей преломления между сердцевиной и первым слоем оболочки составляет Δn=0,012 при числовой апертуре 0,21. При этом нормализованная частота равна 2, дополнительный угол ввода электромагнитного излучения в световод составляет 12° на длине волны 2,0 мкм.
При сканировании торца световода вид выходящего излучения имеет гауссовскую функцию распределения энергии. Это свидетельствует о наличии моды низшего порядка и подтверждает изготовление одномодового кристаллического ИК-световода [S.Shalem, A.Tsun, E.Rave and et. al. Silver halide single-mode fibers for the middle infrared. Applied physics letters 87, 091103(2005)].
Пример 2.
Методом экструзии изготовили двухслойный ИК-световод. Сердцевина диаметром 20 мкм имеет состав в мас.%:
| Бромид серебра | 95,0 |
| Иодид одновалентного таллия | 5,0 |
Первый слой двухслойной оболочки диаметром 200 мкм имеет состав в мас.%:
| Бромид серебра | 99,0 |
| Иодид одновалентного таллия | 1,0 |
а второй слой оболочки диаметром 1,0 мм имеет состав в мас.%:
| Бромид серебра | 98,0 |
| Иодид одновалентного таллия | 2,0 |
Разность показателей преломления между сердцевиной и первым слоем оболочки составляет Δn=0,020 при числовой апертуре 0,3. При этом нормализованная частота равна 2, дополнительный угол ввода электромагнитного излучения в световод составляет 17° на длине волны 10,6 мкм.
Проведена съемка торца световода, как в первом примере. По виду излучения, выходящего из сердцевины световода, можно судить о наличие моды низшего порядка НЕ11, т.е. об одномодовом инфракрасном кристаллическом световоде.
Пример 3.
Изготовили двухслойный ИК-световод. Сердцевина диаметром 130 мкм имеет состав в мас.%:
| Бромид серебра | 90,0 |
| Иодид одновалентного таллия | 10,0 |
Первый слой двухслойной оболочки диаметром 300 мкм имеет состав в мас.%:
| Бромид серебра | 97,0 |
| Иодид одновалентного таллия | 3,0 |
а второй слой оболочки диаметром 1,15 мм имеет состав в мас.%:
| Бромид серебра | 94,0 |
| Иодид одновалентного таллия | 6,0 |
Разность показателей преломления между сердцевиной и первым слоем оболочки составляет Δn=0,026 при числовой апертуре 0,32. При этом нормализованная частота равна 2, дополнительный угол ввода электромагнитного излучения в световод составляет 20° на длине волны 45 мкм.
При сканировании торца световода, как в первом примере, в поперечном его сечении вид излучения имеет гауссовскую функцию распределения энергии, что подтверждает предположение об изготовленном одномодовом кристаллическом ИК-световоде.
Технический результат позволяет получать одномодовый двухслойный кристаллический инфракрасный световод с определенным химическим составом сердцевины и двухслойной оболочки световода на основе новых твердых растворов AgBr-TlI, что обеспечивает повышенные физико-химические свойства световода по сравнению с прототипом. Наличие в составе твердого раствора T1I, имеющего молекулярный вес (331,27), т.е. значительно больше, чем у AgBr (187,77), способствует расширению спектрального диапазона прозрачности световода, повышению его фотостойкости и твердости, а также позволяет подавить процесс диффузии между сердцевиной и оболочкой. Это обеспечивает четкую круглую границу между сердцевиной и оболочкой.
Одномодовый двухслойный кристаллический инфракрасный световод, включающий сердцевину, выполненную из твердых растворов бромид серебра - йодид одновалентного таллия, и оболочку, отличающийся тем, что сердцевина диаметром от 10 до 130 мкм содержит бромид серебра и йодид одновалентного таллия при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
| бромид серебра | 97,0-90,0 |
| йодид одновалентного таллия | 3,0-10,0, |
а оболочка выполнена двухслойной, при этом первый слой оболочки диаметром от 100 до 300 мкм выполнен из твердых растворов бромид серебра - йодид одновалентного таллия при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
| бромид серебра | 99,5-97,0 |
| йодид одновалентного таллия | 0,5-3,0, |
а второй слой ее диаметром от 0,9 до 1,15 мм выполнен из твердых растворов бромид серебра - йодид одновалентного таллия при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
| бромид серебра | 94,0-98,0 |
| йодид одновалентного таллия | 6,0-2,0 |
