CC BY
6ВКВ0-2023- ВОЛОКНО
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ИНФРАКРАСНЫХ СВЕТОВОДОВ ИЗ МОНОКРИСТАЛЛОВ СИСТЕМЫ AgClo,25Bro,75 - Agi
Салимгареев Д.Д., Южакова А.А., Львов А.Е., Жукова Л.В.*, Корсаков А.С.,
Шатунова Д.В.
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, г. Екатеринбург * E-mail: [email protected] DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-172-173
Развитие современных волоконных и лазерных технологий, предназначенных для инфракрасного (ИК) диапазона, обуславливает поиск прозрачных в широкой области спектра материалов, из которых возможно изготовление пассивных или активных оптических элементов, включая ИК волокна. На сегодняшний день известны фторидные и халькогенидные стекла [1-3], волокна на основе которых прозрачны в области 0,2-12,0 мкм с окнами поглощения, а также галогенидные кристаллические материалы, такие как монокристаллы и оптическая керамика [4-7], волокна из которых прозрачны от 2 до 25 мкм [5]. Материалы последнего класса представляют высокий интерес для волоконной оптики за счет отсутствия окон поглощения, наиболее широкого диапазона пропускания, негигроскопичности, высокой гибкости волокон на их основе. Помимо прочего технология изготовления галогенидных монокристаллов экономична и экологична вследствие замкнутого цикла производства и относительно низких температурных режимов синтеза [6, 7]. На сегодняшний день широко известна галогенидная система AgCl - AgBr. Кристаллы данной системы пропускают излучение в диапазоне 0,4-30,0 мкм без окон поглощения, а световоды изготовленные методом экструзии имеют область пропускания от 2,0 до 18,0 мкм. Главным недостатком этих материалов является их высокая фоточувствительность. В связи с этим перспективным является разработка новых оптических материалов на основе галогенидов серебра для инфракрасной области спектра.
На сегодняшний день сотрудниками научной лаборатории Волоконных технологий и фотоники Уральского федерального университета разработаны два класса оптических материалов, которые обладают широким диапазоном спектрального пропускания без окон поглощения, включая видимый, средний ИК, дальний ИК и терагерцовый диапазон. Первый класс - монокристаллы и оптическая керамика на основе галогенидов серебра и одновалентного таллия. Данные материалы негигроскопичны, пластичны, обладают высокой фото- и радиационной стойкостью к различным типам облучения (ß, у и другим). Данные материалы находят широкое применение в промышленности. Однако присутствие в них одновалентного таллия сдерживает их применение в медицинской отрасли. Второй класс - монокристаллы и оптическая керамика на основе галогенидов серебра. Данный класс материалов характеризуется аналогичными свойствами (как и в предыдущем случае) и является нетоксичным, что позволяет применять их в медицине. Ко второму классу относится исследуемая в рамках данной работы кристаллическая система AgCl0)25Br0>75 - Agi. Ранее в работе [7] была исследована фазовая диаграмма этой системы, определены области гомогенности и гетерогенности, синтезированы образцы монокристаллов и оптической керамики. Помимо прочего авторами [7] при варьировании режимов синтеза были получены монокристалл и разные керамики в рамках одного состава - 20 мол. % Agi в AgCl0 25Br0 75. Полученные результаты позволяют расширить материальную базу, из которых возможно изготовление инфракрасных световодов.
Для экструзии инфракрасных световодов из выращенных ранее монокристаллов были выбраны составы 4 и 12 мол. % Agi в AgCl0)25Br075. Данные монокристаллы не обладали видимыми дефектами, имели однородную окраску и структуру, что было подтверждено сканирующей электронной микроскопией [7]. Изготовление световодов проводилось в несколько этапов. На первом этапе было проведено компьютерное моделирование процесса экструзии в программном обеспечении Comsol Multiphysics с применением физических интерфейсов модели по теплопередаче, ламинарному истечению и механике твердых тел. Моделирование позволило подобрать оптимальные режимы, включая температуру и время прогрева образца, скорость и время самого процесса выдавливания. На следующем этапе были проведены работы по подготовке образцов для экструзии. Для этого монокристаллы подвергались химико-механической обработке с целью получить заготовку требуемого размера. Далее проводился непосредственно процесс экструзии на промышленном гидравлическом прессе П0И-500. В результате пластической деформации (экструзии) из каждого состава были изготовлены световоды длиной до 2,0 м, диаметром 455 мкм. Изготовленные световоды имели равномерный диаметр по всей длине. Следует отметить, что в процессе изготовления световодов они помещались в защитную оболочку на основе PEEK (полиэфирэфиркетон).
ВКВО-2023- ВОЛОКНО
Далее, на изготовленных световодах были проведены исследования их диапазона спектрального пропускания. На рис. 1 представлено спектральное пропускание изготовленных световодов составов 4 и 12 мол. % AgI в
AgCl0,25Br0 ,75-
Как видно из рис. 1, введение иодида серебра в твердый раствор AgCl0,25Br0,75 позволяет значительно сместить дальневолновый край поглощения в сторону больших длин волн от 18,0 мкм (для AgCl0,25Br0 75) до 23,0-25,0 мкм для световодов составов 4 и 12 мол. % AgI в AgCl0,25Br0,75. Далее, на изготовленных световодах были определены оптические потери методом отрезков [4]. Минимальные оптические потери составляют 0,2 дБ/м на длинах волн от 10,0 до 15,0 мкм. Также следует отметить, что, введение в кристаллическую решетку AgCl0,25Br0,75 иодида одновалентного таллия позволяет значительно повысить фото- и
Длина волны
Рис. 1. Спектральное пропускание световодов системы AgCl02SBr07S - AgI. Регистрация спектров проводилась на ИК Фурье спектрометре IRPrestige-21, Shimadzu в режиме фона (BKG) в диапазоне длин волн от 1,28 до 30 мкм (делитель луча - CsI, детектор - DLaTGS, диапазон съемки 1,28 - 30 мкм, разрешении 4 см -1)
радиационную стойкость (к различным видам ионизирующих излучений) данных оптических материалов, включая ИК световоды [7].
Таким образом, в рамках данной работы разработан новый класс инфракрасных световодов с расширенным диапазоном спектрального пропускания. Световоды системы AgCl0 25Br0 75 - AgI перспективны для дальнейшего их применения в современном оптическом приборостроении. Кроме того, отсутствие таллия позволяет их применять в области медицины для создания нового класса диагностического медицинского оборудования.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, Государственный контракт № FEUZ-2023-021 (Н687.42Б.325/23).
Литература
1. Dianov E., et al, High-purity substances. 3, 10-34 (1987)
2. Tran D, et al, J. of Lightwave Tech. 2, 566-586 (1984)
3. Jha A., et al, Int. Mat. Rev. 57, 357-382 (2012)
4. Zhukova L, et al, Opt. and Spect. 125, 933-943 (2018)
5. Yuzhakova A., et al, Opt. Mat. 131, 112687 (2022)
6. Zhukova, L., et al, Chin. Opt. Let. 19, 021602 (2021)
7. Salimgareev D., et al, Appl. Mat. Tod. 32, 101809 (2023)
