Инфракрасный световод с большим диаметром поля моды
Владельцы патента RU 2682603:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" (УРФУ) (RU)
Изобретение относится к радиационностойким фотонно-кристаллическим световодам для длины волны 10,0 мкм, в которых одномодовый режим работы соблюдается за счет влияния двух механизмов: фотонных запрещенных зон (ФЗЗ) и полного внутреннего отражения (ПВО). Инфракрасный световод с большим диаметром поля моды включает сердцевину с центральным стержнем, оболочку, состоящую из стержней того же диаметра, согласно изобретению сердцевина диаметром 172,0-188,0 мкм, центральный стержень диаметром 13,0-19,0 мкм и восемь стержней того же диаметра расположены в октагональном порядке в оболочке диаметром 0,24-0,26 мм на расстоянии 67,0-69,0 мкм между их центрами, при этом центральный стержень выполнен из кристаллов твердых растворов бромида серебра - иодида одновалентного таллия при следующем соотношении компонентов, мас. %: бромид серебра 79,6-80,4; иодид одновалентного таллия 20,4-19,6, сердцевина и оболочка выполнены из кристаллов твердых растворов при следующем соотношении компонентов, мас. %: бромид серебра 81,6-82,5; иодид одновалентного таллия 18,4-17,5, стержни в оболочке имеют состав при следующем соотношении компонентов, мас. %: бромид серебра 83,6-84,5; иодид одновалентного таллия 16,4-15,5. Технический результат – увеличение диаметра поля моды ИК-световода с целью обнаружения экзопланет. 1 ил.
Изобретение относится к радиационностойким фотонно-кристаллическим световодам для длины волны 10,0 мкм, в которых одномодовый режим работы соблюдается за счет влияния двух механизмов: фотонных запрещенных зон (ФЗЗ) и полного внутреннего отражения (ПВО).
Инфракрасные (ИК) телескопы, помещенные в космические корабли и оснащенные ИК-световодами с большим диаметром поля моды на основе радиационно-стойких кристаллов системы AgBr-TlI, позволяют выделить частоту отдельного космического объекта из широкого диапазона принимаемых длин волн (телескоп «Спитцер» от 3,0 до 180,0 мкм) и обеспечат быструю идентификацию экзопланет на длине волны 10,0 мкм.
Известен одномодовый двухслойный кристаллический инфракрасный световод [Патент РФ №2504806 от 20.01.2014 / Корсаков А.С., Жукова Л.В., Кортов С.В., Врублевский Д.С.], включающий сердцевину диаметром 10,0-250,0 мкм и оболочку диаметром 0,6-1,1 мкм, изготовленных из кристаллов на основе бромида серебра, содержащего твердый раствор бромид-иодида одновалентного таллия (TlBr0.46I0.54).
Методом экструзии изготовлен двухслойный ИК-световод с сердцевиной диаметром 100 мкм (пример 2 в патенте) для работы на длине волны 10,6 мкм состава, в мас. %: бромид серебра 80,0; твердый раствор TlBr0.46I0.54 20,0. Оболочка диаметром 0,9 мм имеет состав, в мас. %: бромид серебра 80,5; твердый раствор TlBr0.46I0.54 19,5.
Недостатком данного световода является его структура, т.е. наличие сердцевины и оболочки, не содержащей стержней. При этом распространение ИК-излучения в таком одномодовом световоде осуществляется только за счет механизма ПВО. Такой механизм не позволяет получить диаметр поля моды более 100,0 мкм на длине волны 10,0 мкм. Кроме того, для одномодового световода в оболочке диаметром от 0,9 до 1,1 мм снижается величина радиуса изгиба, а также увеличивается его вес.
Известен инфракрасный световодов с большим диаметром поля моды [Патент РФ №2506615 от 10.02.2014 / Корсаков А.С., Жукова Л.В., Жуков В.В., Врублевский Д.С.], включающий сердцевину и оболочку, которая состоит из стержней диаметром 42,0-48,0 мкм, расположенных в гексагональном порядке на расстоянии 70,0-80,0 мкм между их центрами. Сердцевина, оболочка и стержни изготовлены из кристаллов различного состава на основе бромида серебра, содержащего твердый раствор бромид-иодида одновалентного таллия (TlBr0.46I0.54).
Такая структура, а именно отсутствие центрального стержня в сердцевине, расположение в гексагональном порядке шесть стержней в оболочке и химический состав сердцевины, оболочки и стержней, т.е. значения показателей преломления, не позволяют получить одномодовый ИК-световод с диаметром поля моды до 180,0 мкм.
Наиболее близкое техническое решение в качестве прототипа является инфракрасный световод в большим диаметром поля моды [Патент РФ №2634492 от 31.10.2017 / Корсаков А.С., Врублевский Д.С., Жукова Л.В., Корсаков B.C., Жуков В.В.], содержащий сердцевину и оболочку, состоящую из стержней, расположенных в гексагональном порядке. При этом сердцевина диаметром 92,5-97,5 мкм содержит центральный стержень диаметром 10,6-11,7 мкм, оболочка выполнена диаметром 0,3-0,5 мм, а стержни в оболочке того же диаметра, что и центральный стержень, расположены на расстоянии 52,7-58,3 мкм между их центрами. Центральный стержень, сердцевина и оболочка, а также стержни в оболочке выполнены из кристаллов твердых растворов хлорид-бромида серебра, но различного состава. Световод предназначен для работы на длине волны 10,6 мкм медицинских CO2 лазеров.
Недостатком световодов является фоточувствительность и тем более неустойчивость к радиационному излучению. Кроме того, структура, размеры и расположение стержней в гексагональном порядке в оболочке, и состав также не позволяют получать одномодовые ИК световоды с диаметром поля моды до 172,0-188,0 мкм для работы в космических условиях на длине волны 10,0 мкм.
Существует проблема получения радиационностойкого одномодового ИК световода с диаметром сердцевины до 188,0 мкм для работы в космических условиях в качестве модового фильтра пространственных частот на длине волны 10,0 мкм с целью обнаружения экзопланет.
Проблема решается за счет того, что инфракрасный световод с большим диаметром поля моды, включающий сердцевину с центральным стержнем, оболочку, состоящую из стержней того же диаметра, отличающейся тем, что сердцевина диаметром 172,0-188,0 мкм, центральный стержень диаметром 13,0-19,0 мкм и восемь стрежней того же диаметра, расположенные в октагональном порядке в оболочке диаметром 0,24-0,26 мм на расстоянии 67,0-69,0 мкм между их центрами, при этом центральный стержней выполнен из кристаллов твердых растворов бромида серебра-иодида одновалентного таллия при следующем соотношении компонентов, мас. %
бромид серебра 79,6-80,4;
иодид одновалентного таллия 20,4-19,6,
сердцевина и оболочка выполнены из кристаллов твердых растворов при следующем соотношении компонентов, мас. %:
бромид серебра 81,6-82,5;
иодид одновалентного таллия 18,4-17,5,
стержни в оболочке имеют состав при следующем соотношении компонентов, мас. %:
бромид серебра 83,6-84,5;
иодид одновалентного таллия 16,4-15,5.
Разработана волоконная структура одномодового ИК-световода с диаметром сердцевины от 172,0 до 188,0 мкм для работы в космических условиях на длине волны 10,0 мкм. ИК-световод изготовлен методом экструзии на основе фото- и радиационностойких кристаллов системы AgBr-TlI. В сердцевине ИК-световодов распространяется одна фундаментальная мода низшего порядка, ограниченная запрещенной зоной, какой является оболочка, где электромагнитное излучение не распространяется (см. фиг. 1). На фиг. 1 представлена схема ИК-световода с большим диаметром поля моды MFD=180,0±8,0 мкм, центральный стержень и восемь стержней в оболочке имеют диаметр d=16,0±3,0 мкм, стержни в оболочке диаметром (D)=0,24-0,26 мм расположены в октагональном порядке на расстоянии Δ=68,0±1,0 мкм между их центрами.
Применение новых фотонно-кристаллических ИК-световодов в космических условиях обусловлено их стойкостью к радиационному воздействию и высокими прочностными характеристиками по сравнению с одномодовыми световодами в прототипе на основе хлорид-бромида серебра.
Благодаря совокупности отличительных признаков, а именно сложной структуры ИК-световода, имеющего в сердцевине центральный дефект - стержень с показателем преломления (n=2,340), чем материал матрицы (n=2,335) и расположенных в октагональном порядке стержней в оболочке с меньшим n=2,330, чем материал матрицы, соблюдается одномодовый режим работы фотонного световода за счет влияния суперпозиции двух механизмов: фотонных запрещенных зон и полного внутреннего отражения.
ИК-световоды изготавливают методом экструзии (см. примеры) из кристаллов, содержащих иодид одновалетного таллия, наличие которого обеспечивает радиационную стойкость к ионизирующему (гамма) излучению до 500 кГр (килогрей) и более.
Пример 1.
Из кристаллов на основе твердых растворов бромид серебра - иодид одновалентного таллия изготовлен световод методом экструзии с диаметром сердцевины 172,0 мкм, в которую помещен центральный стержень диаметром 13,0 мкм. Состав сердцевины и оболочки в мас. %:
хлорид серебра 81,6;
иодид одновалентного таллия 18,4.
Состав центрального стержня в мас. %:
хлорид серебра 79,6;
иодид одновалентного таллия 20,4.
В оболочку световода диаметром 0,24 мм помещены в октагональном порядке восемь стержней диаметром 13,0 мкм на расстоянии 67,0 мкм между их центрами, имеющие состав в мас. %:
хлорид серебра 83,6;
иодид одновалентного таллия 16,4.
При гамма облучении ИК-световода дозой 600 кГр оптико-механические свойства не изменяются. Проведена съемка выходящего излучения из торца световода в дальнем поле. В качестве источника излучения использован перестраиваемый СО2 лазер на длине волны 10,0 мкм. Излучение имеет вид гауссовской функции. Оно распространяется под углом 8,1° при числовой апертуре NA=0,141, что указывает на существование одной фундаментальной моды низшего порядка, т.е. подтверждается одномодовый режим работы ИК-световода.
Пример 2.
Методом экструзии получен радиационностойкий световод (доза облучения 550 кГр). Диаметр сердцевины световода 180,0 мкм, в которой расположен стержень диаметром 16,0 мкм. В оболочке диаметром 0,25 мм расположены в октагональном порядке 8 стержней диаметром 16,0 мкм на расстоянии между их центрами 68,0 мкм.
Как в примере 1 провели съемку световода в дальнем поле. Угол распространения ИК излучения составил 8,4° при NA=0,145, что подтверждает одномодовый режим работы ИК-световода и позволяет выделить частоту космического объекта (экзопланеты) на длине волны 10,0 мкм.
Пример 3.
Изготовлен методом экструзии ИК-световод с сердцевиной диаметром 188,0 мкм, в которую помещен центральный стержень диаметром 19,0 мкм. Оболочка световода диаметром 0,26 мм состоит из восьми стрежней того же диаметра, что и центральный стержень, расположенных в октагональном порядке на расстоянии 69,0 мкм между их центрами.
При гамма облучении ИК-световода дозой 500 кГр оптико-механические свойства не изменяются. Проведена съемка выходящего излучения из торца световода под углом 8,8° и NA=0,154. Излучение имеет гауссовскую функцию распределения излучения. Световод такой структуры является одномодовым в пределах фундаментальной запрещенной зоны.
При изготовлении ИК-световода, имеющего состав сердцевины и оболочки менее 81,6 мас. % или более 82,5 мас. % бромида серебра в твердом растворе бромид серебра-иодид одновалентного таллия при диаметре сердцевины менее 172,0 мкм или более 188,0 мкм, а также при изготовлении центрального стержня и восьми стержней в оболочке диаметром менее 13,0 мкм или более 19,0 мкм и на расстоянии между центрами стержней в оболочке менее 67,0 мкм или более 69,0 мкм при составе центрального стержня менее 79,6 мас. % или более 80,4 мас. % бромида серебра в твердом растворе бромид серебра-иодид одновалентного таллия и составе стержней в оболочке менее 83,6 мас. % и более 84,5 мас. % бромида серебра в твердом растворе, не удается получить одномодовый режим работы ИК-световода на длине волны 10,0 мкм. Кроме того, диаметр оболочки не должен быть менее 0,24 мм и более 0,26 мм.
Технический результат
Схема структуры световода и распределение z-компоненты светового вектора представлены на фиг. 1 Основная часть плотности светового потока S в сердцевине удовлетворяет условию 
и приходится на площадь в 25470±2250 мкм2 что соответствует диаметру MFD=180,0±8,0 мкм. Исходя из последнего заданы параметры микроструктуры: диаметр стержней в оболочке d=16,0±3,0 мкм и шаг микроструктуры Δ=68,0±1,0 мкм, т.е. расстояние между их центрами.
В центре сердцевины расположен стержень состава с большим показателем преломления, чем сердцевина, оболочка и восемь стержней в оболочке. За счет этого вклад в поддержание моды дает не только механизм фотонных запрещенных зон, но и механизм полного внутреннего отражения.
Увеличение диаметра поля моды ИК-световода повышает обнаружительную способность телескопа «Спитцер» по поиску экзо планет (подобных Земле) на длине волны 10,0 мкм. ИК-световод работает в качестве модового фильтра пространственных частот. Одномодовость ИК-световода подтверждается гауссовским распределением интенсивности выходящего излучения.
Инфракрасный световод с большим диаметром поля моды, включающий сердцевину с центральным стержнем, оболочку, состоящую из стержней того же диаметра, отличающийся тем, что сердцевина диаметром 172,0-188,0 мкм, центральный стержень диаметром 13,0-19,0 мкм и восемь стержней того же диаметра расположены в октагональном порядке в оболочке диаметром 0,24-0,26 мм на расстоянии 67,0-69,0 мкм между их центрами, при этом центральный стержень выполнен из кристаллов твердых растворов бромида серебра - иодида одновалентного таллия при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| бромид серебра | 79,6-80,4 |
| иодид одновалентного таллия | 20,4-19,6, |
сердцевина и оболочка выполнены из кристаллов твердых растворов при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| бромид серебра | 81,6-82,5 |
| иодид одновалентного таллия | 18,4-17,5, |
стержни в оболочке имеют состав при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| бромид серебра | 83,6-84,5 |
| иодид одновалентного таллия | 16,4-15,5 |
