Рис. 8. Схема сканирования излучения ИК - световода в дальнем поле
Рис. 9. Нормальное распределение энергии в дальнем поле моды для трех образцов ИК-световодов
Данный стенд позволяет определить распределение интенсивности в дальнем поле вытекающего из световода излучения (рисунок 9) на длине волны 10,6 мкм.
Составы изготовленных световодов, отвечающих кривым на рисунке 9: 1 - сердцевина: AgCl0,25Br0,75; оболочка: AgCl0,30Br0,70; 2 - сердцевина: Ag0,98Tl0,02Cl0,20Br0,77I0,03; оболочка: AgCl0,25Br0,75; 3 - матрица - Ag0,95Tl0,05Cl0,22Br0,73I0,05; вставки: Ag0,99Tl0,01Cl0,25Br0,74I0,01.
Рис. 10. Оптические потери в ИК - световоде в зависимости от времени воздействия УФ-излучения (состав - Ag0,95Tl0,05Cl0,20Br0,75I0,05)
Рис. 11. Оптические потери в ИК_световодах в зависимости от времени воздействия УФ - излучения (л=320 нм).
Структурно-чувствительные свойства кристаллов определяются составом и степенью дефектности кристаллов. Твердые растворы замещения AgClxBr1-x, AgxTl1-xClyBrzI1-y-z, AgxTl1-xBrxI1-x являются дефектными кристаллами. По сравнению с кристаллами AgCl и AgBr, они более устойчивы к видимому и ИК-излучению, что иллюстрируют рисунки 10 и 11.
Составы ИК - световодов, соответствующие кривым на рисунке 11: 1 _ Ag0,92Tl0,08Br0,92I0,08; 2 _ Ag0,95Tl0,05Br0,95I0,05; 3 _ Ag0,99Tl0,01Cl0,20Br0,79I0,01; 4 _ AgCl0,25Br0,75.
Исследованы механические свойства кристаллов и ИК-световодов: предел прочности ИК-световодов на разрыв (рисунок 12), коэффициент Пуассона, модуль Юнга и модуль сдвига кристаллов в зависимости от их состава. Полученные закономерности позволяют сделать вывод, что увеличение содержания иодида одновалентного таллия в кристаллах твердых растворов на основе галогенидов серебра и TlI приводит к повышению прочности экструдируемых из кристаллов световодов.
Рис. 12. Диаграмма растяжения ИК-световода состава в мас. %: AgBr- 95,0, TlI - 5,0
В пятой главе рассмотрено применение новых кристаллов, а также ранее разработанных кристаллов системы AgCl-AgBr и ИК-световодов на их основе в таком направлении как анализ химических соединений и мониторинг реакций между ними методом ИК-Фурье спектроскопии.
Автором совместно с коллегами разработаны три конструкции оптоволоконных зондов для ИК-Фурье спектрометрии с различными типами съемного чувствительного элемента, предназначенного для работы с разными типами сред с точки зрения температуры, давления и показателя кислотности исследуемой среды. На рисунке 13 изображен оптоволоконный зонд с чувствительным элементом типа «петля». При использовании КРТ детектора возможно определение состава исследуемого вещества в диапазоне длин волн от 1,28 до 15,38 мкм, где левая граница обусловлена рабочим диапазоном спектрометра, а правая - самим КРТ-детектором. Чувствительность измерений составляет десятые доли процента с точностью ±5%.
1 2
Рис. 13. Оптоволоконный зонд с петлей для ИК-Фурье спектрометра (1); ИК-зонд в действии (2)
Проведенные исследования выявили возможности использования фотостойких, с расширенным диапазоном пропускания фотонно-кристаллических ИК-световодов на основе галогенидов серебра и таллия в ряде перспективных и инновационных направлений.
Выводы
1. Впервые в программе SMTP проведены моделирование геометрии распространения волоконных мод и визуализировано поле моды для множества эффективных показателей преломления одно- и многомодовых ИК-световодов, изготовленных из кристаллов систем AgCl-AgBr и AgBr-TlI, для работы на длине волны 10,6 мкм. Рассчитаны фундаментальные характеристики фотонных ИК-световодов, предназначенных для работы в спектральном диапазоне 2,0 - 40,0 мкм.
2. Построен фрагмент фазовой диаграммы системы AgBr-TlI с содержанием TlI до 8 мол. % в AgBr. На основании этих данных подобраны режимы выращивания новых фотостойких кристаллов. Составы кристаллов твердых растворов Ag1-xTlxClyIzBr1-y-z (0,003?x?0,040; 0,066?y?0,246; 0,004?z?0,048) подобраны на основании экспериментальных исследований.
3. С помощью моделирования и экспериментально установлено, что для экструзии световодов на основе кристаллов галогенидов серебра, легированных TlI и имеющих кубическую сингонию (структурный тип NaCl), необходимо применять монокристаллические заготовки ориентации [100]. Рассчитаны и изготовлены три контейнера с набором матриц различного диаметра для экструзии микроструктурированных ИК-световодов.
4. Впервые для работы на длине волны 10,6 мкм смоделированы световоды с увеличенным диаметром поля моды 98 и 40 мкм, с составом матрицы Ag0,86Tl0,14Br0,86I0,14 и вставками состава Ag0,89Tl0,11Br0,89I0,11. Изготовлен световод с рассчитанным диаметром поля моды 40 мкм и подтвержден его одномодовый режим работы.
5. Впервые проведены исследования по определению оптических и механических свойств кристаллов и ИК-световодов: показатель преломления (AgCl0,25Br0,75 - 2,200, Ag0,98Tl0,02Br0,98I0,02- 2,220, Ag0,95Tl0,05Br0,95I0,05 - 2,230 с точностью ±0,001), оптические потери (0,1 - 0,4 дБ/м в зависимости от состава на длине волны 10,6 мкм), спектральное пропускание (от 0,4 до 40,0 мкм), фотостойкость. Изучено пространственное распределение вытекающих из световода мод в дальнем поле. Определена прочность на разрыв ИК_световодов из кристаллов системы AgBr-TlI, содержащих TlI от 0,5 до 7,0 масс. %.
6. Установлена зависимость оптических и механических свойств от содержания иодида таллия (I) в составе исходных кристаллов: увеличение концентрации TlI в материале ИК-световода обеспечивает нанокристаллическую структуру световодов, что обуславливает повышенную фотостойкость, расширение диапазона пропускания, уменьшение оптических потерь и упрочнение структуры ИК-световода.
7. Разработан и изготовлен оптоволоконный зонд с различными типами датчиков. На примере систем «ацетон-этиловый спирт» и «C8H8Fe(CO)3 - этиловый спирт» определена чувствительность двух типов датчиков: с одинарной и двойной петлей. Также рассмотрены иные перспективные направления использования ИК-световодов: лазерная медицина, космические исследования, волоконные лазеры.
Список цитируемой литературы
1. Lewi T., Shalem S., Tsun A., Katzir A. Silver halide single-mode fibers with improved properties in the middle infrared. // Applied physics letters. 2007. V. 91. P. 251112-1 - 251112-3.
2. Корсаков А.С., Жукова Л.В., Корсакова Е.А., Жуков В.В., Корсаков В.С. «Термодинамическое исследование кристаллов системы AgBr-TlI и получение ИК-световодов нанокристаллической структуры на их основе».// «Цветные металлы» № 4. 2013 г. С. 62-66.
3. Wallner O., Leeb. W.R., Flatscher R. Design of spatial and modal filters for nulling interferometers. // Proc. SPIE. 2003. V. 4838. P. 668-679.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
1. Жукова Л.В., Примеров Н.В., Корсаков А.С., Чазов А.И. «Кристаллы для ИК-техники AgClxBr1-x и AgClxBryI1-x-y и световоды на их основе».// Неорганические материалы. 2008. Т.44. №12. С.1516-1521.
2. Корсаков А.С., Жукова Л.В., Корсакова Е.А., Чазов А.И. «Термодинамическое исследование диаграмм фазовых равновесий кристалл - расплав в гетерогенной системе AgBr- TlI».//«Расплавы» № 6. 2010 г. С. 76 - 84.
3. Zhukova L., Korsakov A., Chazov A. Vrublevsky D., Zhukov V. «Photonic crystalline IR fibers for the spectral range of 2-40 мm». // Applied optics, Vol. 51 Issue 13, pp. 2414-2418 (2012)
4. Zhukova L.V., Primerov N.V., Chazov A.I., Korsakov A.S. «Single-mode crystal infra-red light pipe 36th international exhibition of inventions, new techniques and products». // Geneva. 2008. P. 133.
5. A. Chazov, A. Korsakov, L. Zhukova, D. Vrublevsky, V. Zhukov, S. Kortov «Modeling and experimental research of nano- and microstructurized IR fibers (2_40 µm) based on defective crystals».// Advanced Photonics Congress, Nonlinear Photonics Conference, OSA Technical Digest (online), Specialty Optical Fibers (SOF) 2012, paper: STu3F.3, 17-21 June 2012, Colorado Springs, Colorado, USA.
6. Zhukov V.V., Piljugin V.P., Chazov A.I. «Single and multi mode silver halide photonic fibers»// 4th International Symposium on Instrumentation Science and Technology, Harbin, 2006. Journal of Physics: Conference Series (JPCS). P. 109.
7. Zhukova L.V., Zhukov V.V., Shulgin B.V., Gorkunova S.I., Raikov D.V., Chazov A.I. «Mixed silver hallide scintillators. Book of abstract 6th».// European Conference on Luminiscent Detectors and transformers of Ionizing Radiation, Lviv, Ukraine, 2006, p.79.
8. A. Chazov, L. Zhukova, D. Vrublevsky, V. Korsakov, V. Zhukov, N. Terlyga «AgBr-TlI, AgBr-KRS-5 photonic crystals and fibers based on them for Middle and Far infrared».// Advanced Photonics Congress, Nonlinear Photonics Conference, OSA Technical Digest (online), Nonlinear Photonic (NP), Bragg Grating, Photosensitivity, and Poling in Glass Waveguides (BGPP) 2012, paper: SM2E.3, 17-21 June 2012, Colorado Springs, Colorado, USA.
9. A. Korsakov, L. Zhukova, D. Vrublevsky, A. Chazov, V. Korsakov, V. Kortov «Fiber probe for the spectral range of 2-45 µm for IR-Fourier spectrometer».// Imaging and Applied Optics Congress, OSA Technical Digest (online), Fourier Transform Spectroscopy (FTS) 2013, paper: FTu3D.5, 23-27 June 2013, Arlington, Va., USA.
10. Жукова Л. В., Гусельников А. В., Корсаков А. С., Чазов А. И. «Инфракрасные световоды на основе твёрдых растворов галогенидов серебра».// Вестник Уральского государственного технического университета - УПИ, серия химическая. Екатеринбург. 2005. №5(57). С. 219-221.
11. Жукова Л. В., Булатов Н. К., Гусельников А. В., Корсаков А. С., Чазов А. И. «Высокочистые кристаллы галогенидов серебра для ИК-волоконной оптики».// Вестник Уральского государственного технического университета - УПИ, серия химическая. Екатеринбург. 2005. №5(57). С. 78-81.
12. Жукова Л.В., Чазов А.И., Примеров Н.В., Жуков В.В. «Дефектные галогенидосеребряные кристаллы для инфракрасной волоконной оптики».// Сборник трудов IV Межрегиональ- ной молодежной научной школы ''Материалы нано-, микрооптоэлектроники: физические свойства и примене-ние''. Саранск: изд-во Мордовского Университета. 2005. С. 152.
13. Жукова Л.В., Чазов А.И., Примеров Н.В., Жуков В.В. «Нанокристалли чес-кие световоды на основе твердых растворов галогенидов серебра».// VII Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, С.-Пб: изд-во Санкт-Петербург, 2005, С. 109.
14. Жукова Л.В., Гусельников А.В., Корсаков А.С., Чазов А.И. «К вопросу технологии получения наноструктурированных ИК-двухслойных световодов на основе галогенидов серебра».// Сборник тезисов окладов 12ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2005», Москва: изд-во МИЭТ, 2005. С. 63.
15. Жукова Л. В., Примеров Н.В., Шульгин Б.В., Корсаков А.С., Чазов А.И. «Новые сцинтилляционные кристаллы и световоды на их основе».// Сб. тр. пятой межрегиональной молодежной научной школы «Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение». Саранск. 2006. С. 132-133.
16. Жукова Л. В., Булатов Н. К., Гусельников А. В., Корсаков А. С., Чазов А.И. «Растворимость галогенидов серебра и таллия (I) в воде и неводных растворителях». // Вестник Уральского государственного технического университета - УПИ, серия химическая. Екатеринбург. 2005. №5(57). С. 68-70.
17. Жукова Л.В., Жуков В.В., Пилюгин В.П., Примеров Н.В., Чазов А.И, Корсаков А.С. «Разработка новых составов галогенидсеребряных кристаллов, фотонных ИК световодов и датчиков на их основе».// Международный оптический конгресс «Оптика ХХІ век». Сб. тр. 7 международной конференции «Прикладная оптика - 2006». Санкт-Петербург. 2006. Т.2. С. 300-305.
18. Жукова Л. В., Жуков В. В., Примеров Н. В., Чазов А. И., Корсаков А. С. «Разработка и производство нанокристаллических новых кристаллов и ИК световодов».// Международный оптический конгресс «Оптика ХХІ век».Сб. тр. 7 Международной конференции «Прикладная оптика - 2006». Санкт - Петербург. 2006. Т. 2. С. 217-221.
19. Жукова Л.В., Чазов А.И., Жуков В.В., Корсаков А.С. «Проектирование и изготовление нанокристаллических одномодовых ИК-волокон на основе кристаллов галогенидов серебра».// Международный оптический конгресс «Оптика ХХІ век». Сб. трудов междунар. конф. «Прикладная оптика - 2008». Санкт-Петербург.2008. Т.2. С.287-291.
20. Жукова Л.В., Чазов А.И., Жуков В.В., Корсаков А.С. «Дефектные кристаллы AgClxBr1-x, AgClxBryI1-x-y (TlI) для ИК-световодов».// Международный оптический конгресс «Оптика ХХІ век». Сб. трудов междунар. конф. «Прикладная оптика - 2008». Санкт-Петербург.2008. Т.2. С.133-137.
21. Жукова Л.В., Чазов А.И., Корсаков А.С. «Одномодовые кристаллические инфракрасные световоды».// Научно-технический журнал «Фотонн-экспресс». 2009. № 6(78). С. 37-39.
22. Жукова Л.В., Чазов А.И., Корсаков А.С., Жуков В.В. «Нанодефектные кристаллы твердых растворов галогенидов серебра». // Научно-технический журнал «Фотонн-экспресс». 2009. № 6(78). С. 162-165.
23. Жукова Л.В., Чазов А.И., Корсаков А.С., Жуков В.В. «Организация производства нанодефектных кристаллов и нанокристалличес-ких одно- и многомодовых ИК-световодов».// Проблемы теоретической и экспериментальной химии: тезисы докладов XIX Российской молодежной научной конференции, посвященной 175-летию со дня рождения Д.И. Менделеева. Екатеринбург: УрГУ, 2009. С. 84-87.
24. Жукова Л.В. Моделирование и выращивание новых нанодефектных ИК-кристаллов на основе твердых растворов галогенидов серебра/ Жукова Л.В., Корсаков А.С., Чазов А.И., Корсакова Е.А., Врублевский Д.С., Корсаков В.С., Жуков В.В.// Международный оптический конгресс «Оптика XXI век «Сборник трудов девятой международной конференции «Прикладная оптика 2010». С.П. 2010. Т2. С. 99-104.
25. Жукова Л.В. Синтез нанодефектных ИК-кристаллов и световодов на их основе с размерными эффектами наноструктуры/ Жукова Л.В., Корсаков А.С., Чазов А.И., Корсаков В.С., Врублевский Д.С., Корсакова Е.А., Жуков В.В.// Х Юбилейная международная научная конференция «Химия твёрдого тела: наноматериалы, нанотехнологии» Ставрополь. СевКавГТУ. 2010г. С. 310 - 313.
26. Жукова Л.В., Чазов А.И., Корсаков А.С., Врублевский Д.С., Корсакова Е.А. «Исследование и разработка нано- и микрокристаллических ИК-световодов».// Фотон-экспресс 2011. № 6. С. 200-201.
27. Жукова Л.В., Шульгин Б.В., Горкунова С.И., Райков Д.В., Чазов А.И. «Кристаллический сцинтиллятор Лия-3».// Патент РФ № 2284044. Заявл. 13.05.2005. Опубл. 20.09.2006. Бюл. № 26.
28. Жукова Л.В., Примеров Н.В., Чазов А.И., Корсаков А.С., Жуков В.В. «Одномодовый двухслойный кристаллический ИК-световод». // Патент РФ №2340920. Заявл. 23.08.2007. Опубл. 10.12.2008. Бюл. № 34.