CC BY
31вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
КРИСТАЛЛЫ СИСТЕМЫ AgBr - Т1Вг0,4б1о,54 ДЛЯ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНФРАКРАСНЫХ СВЕТОВОДОВ
*
Салимгареев Д.Д., Львов А.Е., Лашова А.А., Жукова Л.В.
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, г. Екатеринбург
* E-mail: l.v.zhukova@urfu.ru
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16073
В настоящее время ведется поиск и разработка нового поколения материалов для волоконной оптики, позволяющих передавать излучение в более длинноволновой инфракрасной области спектра (до 50,0 мкм и более). В последние десятилетия бурное развитие волоконной оптики в основном связано с кварцевыми волокнами, однако недостатком кварца как материала является его малый диапазон пропускания - от 0,2 до 2,0 мкм, который захватывает ближнюю инфракрасную (ИК) область спектра, тогда как в настоящее время большую информационную емкость имеет излучение с большей длиной волны, например, излучение углекислотного (CO2) лазера (10,6 мкм). Поэтому разработка фото- и радиационно-стойких, негигроскопичных и пластичных кристаллов, не обладающих эффектом спайности, из которых можно изготавливать методом горячего прессования оптические изделия (окна, линзы), а методом экструзии световоды для среднего ИК диапазона, является решением важной научной и прикладной задачи. Всеми вышеупомянутыми свойствами обладают кристаллы твердых растворов системы AgBr - TlBr0 46I0 54 [1].
Используя дифференциально-термический и рентгенофазовый анализы, была изучена и построена фазовая диаграмма системы AgBr - TlBr0 46I0 54 (Рис. 1). Диаграмма построена от 0 до 100 мол. % TlBr0 46I0 54 в AgBr, в температурном интервале от 25 до 450 оС (от 298 до 723 К), при давлении 1 атм.
Рис. 1. Квазибинарный разрез диаграммы состояния системы AgBг - НБго^о.я: 1 - расплав системы; а1 - высокотемпературная ромбическая фаза AgBг; а - твердый раствор системы AgBг - Т1Вгд 461д 54 на основе низкотемпературной кубической гранецентрированной модификации AgBг; р - твердый раствор системы AgBг - ТШго^ом на основе кубической модификации ТШгд^ды; Х1, Х2, Х3 -химические соединения; Х1, Х2, Х3 - высокотемпературные фазы химических соединений X¡, Х2 и Х3
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
www.fotonexpres.rufotonexpres@mail.ru 147
вкво-2019 -- вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
Согласно рис. 1, на изученной фазовой диаграмме присутствуют две области гомогенности. Предложены механизмы их образования: в области от 0 до 31 мол. % формируются твердые растворы на основе бромида серебра легированные TlBr0,4eI0,54, а в области от 73 до 100 мол. % происходит внедрение бромида серебра в кристаллическую решетку твердого раствора TlBr0,46I0,54. Существование твердых растворов замещения подтверждено рентгенофазовым анализом, из которого следует, что в области от 0 до 31 мол. % TlBr0,46I0,54 в AgBr при температуре 25 оС присутствует одна низкотемпературная кубическая фаза структурного типа NaCl (характерная для AgBr), а в области от 73 до 100 мол. % AgBr в TlBr0 46I0 54 - одна кубическая фаза структурного типа CsCl, соответствующая модификации TlBr0 46I0 54. В центральной части исследуемой диаграммы от 31 до 73 мол. % TlBr0 46I054 в бромиде серебра (при 25 оС) присутствует, по всей видимости, три химических соединения X1, X2, X3 с содержанием 31, 42 и 73 мол. % TlBr0 46I0 54 в AgBr. Предположительно, данные химические соединения имеют составы TlAgI2, Tl2AgI3 и Tl2AgBr3. Однако не следует исключать и то, что возможно происходит образование совершенно нового химического соединения, о котором в настоящее время неизвестно, т. к. фазовая диаграмма новая. Кроме того, в данной области диаграммы зафиксированы два полиморфных перехода при температурах 130 и 165 оС. Поэтому, при повышении температуры в центральной области диаграммы происходит перекристаллизация химических соединений в их высокотемпературные фазы X1 , X2 , X3 .
Опираясь на исследованную диаграмму системы AgBr - TlBr0,46I0,54 были подобраны режимы для получения гидрохимическим методом гомогенной по химическому составу высокочистой шихты и выращивание кристаллов методом Бриджмена. В результате проведенной работы были выращены монокристаллы различных составов и исследованы их основные функциональные свойства. Установлено, что кристаллы системы AgBr - TlBr0 46I0 54 негигроскопичные, пластичные, не обладают эффектом спайности в зависимости от состава прозрачны от 0,46 до 50,0 мкм без окон поглощения [2], их показатель преломления изменяется от 2,165 до 2,389 на длинах волн от 3,0 до 14,0 мкм [2], а также они обладают высокой фотостойкостью [3] и радиационной стойкостью [1]. Из данных кристаллов применяя метод горячего прессования можно изготавливать оптические изделия - линзы, окна, оптические слои, пленки и получать методом экструзии однослойные, двухслойные и фотонно-кристаллические световоды для среднего ИК диапазона. Такие оптические изделия и ИК световоды необходимы для создания волоконных лазеров и усилителей, волоконно-оптических систем для ИК спектроскопии, в том числе в условиях повышенного радиационного фона, низкотемпературной ИК пирометрии, для передачи СО (5,3 - 6,2 мкм) и СО2 лазеров (9,2 - 10,6 мкм). С помощью ИК-Фурье спектрометра с применением разработанных зондов на основе кристаллов системы AgBr - TlBr0 46I0,54 можно проводить измерения химического состава веществ в режиме реального времени в хранилищах радиоактивных отходов, горячих камерах, и других объектов при ионизирующем (гамма) излучении дозой до 1000 кГр и более. Еще одним видом применения является изготовление инфракрасных телескопов, помещенные в космические корабли и оснащенные фотонно-кристаллическими ИК световодами с большим диаметром поля моды, позволяющие выделить частоту отдельного космического объекта из диапазона принимаемых длин волн и обеспечить быструю идентификацию экзопланет на длине волны 10,0 мкм. Кроме того, новые кристаллы системы AgBr - TlBr0 46I0,54 являются уникальным материалом для изготовления планарных волноводов для среднего инфракрасного диапазона (2,0 - 50,0 мкм).
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 18-73-10063). Литература
1. Zhukova L, et al, Optics and Spectroscopy 125, 933-941 (2018)
2. Korsakov A., et al, Optics and Laser Technology 93, 18-23 (2017)
3. Korsakov A., et al, Optical Materials 62, 534-537 (2016)
148 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
