Автореферат: Исследование функциональных свойств ИК световодов на основе кристаллов твердых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия

Публикации. По материалам диссертации опубликована 31 работа, из них 2 - в журналах ВАКа, 7 - в зарубежных изданиях, 5 - в трудах международного оптического конгресса «Оптика ХХI века», 4 - в отечественных сборниках, 5 - в тезисах конференций, получено 5 патентов РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложения, содержит 125 страниц машинописного текста, включая 22 таблицы и 58 рисунков, библиографический список из 161 наименования цитируемой литературы.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, определены цели и задачи диссертации, описаны научная новизна и практическая значимость работы. Кратко изложено основное содержание работы по главам.

В первой главе дано описание материалов современной инфракрасной (ИК) техники и волоконной оптики, представленных двумя основными классами: стеклами на основе различных соединений (фториды тяжелых металлов, германий, элементы III группы периодической таблицы) и кристаллами. Показано, что за счет уникальных оптических и механических свойств именно кристаллы на основе твердых растворов (ТР) галогенидов серебра являются единственными пригодными кристаллами для создания из них методом экструзии ИК-световодов, потребность в которых в последние несколько десятилетий сильно возросла.

Дано краткое описание технологической схемы получения ИК_световодов методом экструзии. Подробно рассмотрены физико-химические и оптические методы анализа, используемые для определения свойств кристаллов и оптических волокон. Для определения химического состава используются методы атомно-эмиссионной спектроскопии и рентгенофлюоресцентного анализа. Исследования оптических свойств включают методы лазерной калориметрии, ИК- и УФ-спектроскопии, рентгеновской люминесценции. Помимо этого, приведены данные по исследованию механических свойств материалов (твердость, прочность, пластичность).

Поскольку материалы на основе галогенидов серебра являются достаточно дорогими, а технология получения ИК-волокон, особенно в виде фотонно-кристаллических (микроструктурированных) волокон - трудоемкой, необходимо использование математического аппарата и специализированного программного обеспечения для того, чтобы смоделировать структуру и поведение излучения в оптоволокне без его изготовления. Краткое описание некоторых современных программ, используемых для моделирования различных типов оптических волокон, также приведено в первой главе.

Как показывают производственная и экспериментальная практики, значительная часть свойств ИК-волокна определяется качеством кристаллов, из которых его изготавливают.

Вторая глава содержит сведения о термодинамическом исследовании новой диаграммы системы AgBr-TlI, в котором принимал участие автор. Методами ДТА и РСА изучен фрагмент этой системы и установлена область существования твердых растворов замещения структурного типа NaCl в диапазоне температур 298-763 К и составов до 12 мас. % TlI в AgBr.

Кроме того, в главе приведено описание использованных при получении образцов методик подготовки сырья и роста кристаллов на основе твердых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия.

В таблице 1 приведены составы кристаллов, которые выращены из шихты, полученной методом термозонной кристаллизации-синтеза. Для изготовления фотонных ИК-световодов использовали кристаллы систем AgCl_AgBr и AgBr-TlI (см. гл. 3 и 4), кристаллы же системы AgCl_AgBr_AgI(TlI) не являлись объектом настоящей работы с точки зрения получения из них ИК_световодов. Рост кристаллов осуществлялся по методу Бриджмена с аксиальной вибрацией расплава на специальной установке КПЧ-02, изготовленной при участии автора. В состав разработанных кристаллов входит TlI (таблица 1), который обеспечивает расширенный диапазон пропускания кристаллов и придает структуре кристаллов высокую нанодефектность, а дефектность, в свою очередь, обеспечивает радиационную стойкость, увеличение показателя преломления и твердость кристаллов, что является определяющими факторами при изготовлении одно- и многомодовых ИК_световодов.

Таблица 1 Кристаллы на основе твердых растворов галогенидов серебра и таллия (I)

Приведены данные по параметрам экструзии световодов с использованием специально разработанной технологической оснастки. При этом установлено, что для экструзии необходимо использовать монокристаллические заготовки ориентации [100].

В третьей главе описана работа по моделированию фотонно-кристаллических ИК-волокон. Моделирование проводилось с помощью программы Source-Model Technique Package (SMTP), интегрированной с Matlab.

В основе алгоритма SMTP лежит методика анализа жестко связанных мод, распространяющихся по ИК-световоду. Установлена геометрия распространения мод при расчете эффективного показателя преломления n_eff (л=10,6 мкм). Моделируемое поле моды представлено суперпозицией электрического и магнитного полей в области стыка сердцевины (вставок) и оболочки (матрицы) световода. Результатом моделирования являлось построение изображения распределения мод по сечению волокна, с расчетом конкретного их количества в зависимости от структуры волокна и показателей преломления составляющих его элементов. Для удобства двумерное (2D) изображение SMTP переводили в трехмерное (3D) в программе Wolfram Mathematica. Примеры смоделированных ступенчатых волокон представлены на рисунках 1, 2.

Рис. 1. 2D- и 3D-картины распределения излучения ( = 10,6 мкм) по сечению одномодового ИК световода на основе кристаллов состава сердцевины Ag_0.98Tl_0.02Br_0.98I_0.02 и оболочки Ag_0.99Tl_0.01Br_0.99I_0.01; d_core = 31 мкм, n_eff =2,2148

Рис. 2. 2D- и 3D-картины картины распределения излучения ( = 10,6 мкм) по сечению многомодового световода на основе кристаллов состава сердцевины Ag_0.98Tl_0.02Br_0.98I_0.02 и оболочки Ag_0.99Tl_0.01Br_0.99I_0.01; d_core = 450 мкм, n_eff = 2,2118

Кроме того, в данной главе приведена эмпирически выведенная формула расчета нормализованной частоты световода с большим диаметром поля моды и шестью вставками. Для ее вывода предложена формула расчета эффективного показателя преломления волокна с произвольным количеством вставок (Z):

n_i,eff= ,(1)

где N - общее число колец вставок; б - расстояние между крайними границами вставок соседних рядов, включая расстояние между внешней границей последнего ряда и границей ИК-световода, мкм. Эффективный диаметр сердцевины может быть определен как

, (2)

где Л_i - расстояние между вставками, мкм; d_i - диаметр вставок, мкм.

Рис. 3. Пространственное распределение излучения (л = 10,6 мкм) по поперечному сечению одномодового световода состава сердцевины Ag_0,86Tl_0,14Br_0,86I_0,14 с вставками состава Ag_0,89Tl_0,11Br_0,89I_0,11; d_i = 42 мкм, Л_i = 70 мкм, n_eff=2,2840

Проведена серия расчетов для одно- и многомодовых ступенчатых световодов и одномодовых световодов с большим диаметром поля моды для длин волн 10,6 и 40,0 мкм (таблица 2). Для работы на длине волны 10,6 мкм смоделирован и изготовлен световод с диаметром сердцевины 98 мкм (рисунок 3).

Четвертая глава посвящена методам измерения физических свойств разработанных кристаллов и получаемых из них методом экструзии ИК_световодов. В ней излагаются сведения о химическом составе кристаллов, степени их чистоты и спектрах пропускания.

Таблица 2 Структура ИК-световодов и их фундаментальные характеристики

Рис. 4. Реализация метода измерения показателей преломления кристаллов по Майкельсону: 1 - делитель луча; 2 - CCD камера Spiricon; 3,5 - зеркала; 4 - держатель с образцом. Стрелки - направления хода лучей CO₂-лазера (л=10,6 мкм)

Рис. 5. График зависимости числа интерференционных максимумов от угла, дополнительного к углу падения излучения. Аппроксимирующий полином выражен уравнением y = 0,00358x² - 0,00018х, величина достоверности аппроксимации R² = 0,999

Показатели преломления в кристаллах измеряли на тонких плоскопараллельных пластинках дифференциальным методом с применением интерферометра Майкельсона на длине волны 10,6 мкм (рисунок 4). Расчет показателей преломления проводили по формуле (3):

,(3)

где б = 0,5mл₀/l_s, m -число порядка интерференционного максимума; л₀ - длина волны падающего излучения, мкм; l_s - толщина образца, мкм; и _ угол вращения от нормального падения, рад.

После проведения серии измерений строился график зависимости числа интерференционных максимумов от угла падения излучения (рисунок 5).

Снимая с аппроксимирующего графика значение угла падения и соответствующее ему число интерференционных максимумов и подставляя в уравнение (3), получаем значение показателя преломления образца.

Результаты расчета полученных данных приведены ниже (таблица 3).

Таблица 3 Зависимость показателя преломления (л=10,6 мкм) пленок галогенидов металлов (толщина 200 мкм) от состава

Измерения показателей преломления кристаллов также проводили с помощью ИК-Фурье спектрометра Shimadzu IRPrestige-21, реализующего метод Майкельсона для широкого диапазона длин волн. Показатель преломления меняется с изменением длины волны, что приводит и к изменению периодичности пиков интерференции в ИК-спектре пропускания образца. Расчет производился по формуле:

n = 10⁴/(2·дk·d),(4)

где дk - изменения волнового числа, d - толщина пластинки, мм.

Измерение спектрального пропускания (рисунок 6) проводилось с помощью ИК-Фурье спектрометра Shimadzu IRPrestige-21 в диапазоне от 1,28 до 41,6 мкм.

Выявлена зависимость поглощения излучения от размера зерен и состава световода, через который оно проходит: с увеличением доли одновалентного таллия в составе световодов наблюдается уменьшение среднего размера зерна его поликристаллической структуры и уменьшение поглощения.

Рис. 6. Спектральное пропускание ИК-световодов длиной 50 мм состава Ag_0,92Tl_0,08Br_0,92I_0,08 (1) и AgCl_0,25Br_0,75 (2)

Измерение оптических потерь на 1 метр волокна проводили на специальном стенде (рисунок 7), а расчет производился методом отрезков по формуле:

б = 10·lg(p₂/p₁)/(l₂-l₁)(5)

где p₂ и p₁ - мощности излучения (мВт) на выходе из образца световода длиной l₂ (причем l₂ > 1м) и отрезка световода длиной l₁, соответственно. Также на указанном стенде определяли распределение энергии излучения на выходе из торцов волокон различной структуры для подтверждения их режима действия (рисунок 8).

Рис. 7. Стенд для измерения оптических потерь: 1 - СО₂-лазер; 2 - Si окно; 3 - ZnSe линза; 4 - держатель ИК_волокна; 5 - термоголовка; 6 - ИК_световод; 7 - CCD камера Spiricon; 8 - дисплеи термоголовок

Оптические потери измерялись во всех получаемых ИК-световодах указанным выше способом и имеют значения в диапазоне от 0,1 и менее до 0,4 дБ/м в зависимости от состава световода.

Для исследования распределения вытекающих из ИК-световода мод в дальнем поле был собран стенд, состоящий из CO₂-лазера, линзы из ZnSe и КРТ-детектора.