ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩЕЕ КВАРЦЕВОЕ ВОЛОКНО Российский патент 1995 года по МПК C03B37/25 

Изобретение относится к волоконной технике и может быть использовано для изготовления люминесцирующих волокон для применения их в качестве детекторов ионизирующих и фотоизлучений. Известна конструкция световода, в которой центральная световедущая сердцевина состоит из кварцевого стекла, легированного оксидом германия (GeO₂), и окружена отражающей оболочкой с более низким показателем преломления, состоящей из кварцевого стекла, легированного оксидом бора (В₂О₃) или фосфора (Р₂О₅). Отражающая оболочка окружена чистым кварцевым стеклом. В процессе вытяжки наносится полимерное покрытие [1]
Однако данное волокно не обладает люминесцирующими свойствами.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предложенному изобретению является конструкция волокна, полученная методом штабик-трубка. Данное волокно содержит сердцевину, легированную одним из оксидов редкоземельного элемента (Се₂О₃, EnO, Tb₂O₃, Sm₂O₃) и светоотражающее покрытие [2]
Между сердцевиной и светоотражающим покрытием расположен слой чистого кварцевого стекла.

Недостатком известной конструкции является то, что люминесценция, возникающая в сердцевине при воздействии ионизирующего или фотоизлучения, распространяясь в волокне по промежуточному слою из чистого кварцевого стекла и сердцевине из легированного стекла, претерпевает полное внутреннее отражение на границе светоотражающее полимерное покрытие чистое кварцевое стекло. Это является дополнительным источником оптических потерь в волокне, поскольку при отражении от полимерного покрытия происходит проникновение излучения (на величину порядка длины волны) в полимер, потери которого составляют 10³-10⁵ дб/км. Вклад в оптические потери волокна полимерного светоотражающего покрытия видимой и ультрафиолетовой областях спектра весьма значителен и зависит от партии полимера, при этом последние не нормируются по спектральным потерям.

Цель изобретения снижение оптических потерь люминесцентного волокна и за счет этого увеличение светового выхода люминесценции волокна.

Поставленная цель достигается тем, что в известном волокне, содержащем сердцевину или кварцевого стекла, легированного оксидом одного из редкоземельных элементов, слой чистого кварцевого стекла и светоотражающее полимерное покрытие, между сердцевиной и слоем чистого кварцевого стекла расположены слои кварцевого стекла, легированного оксидом германия или фосфора и оксидом бора.

При данной конструкции в волокне формируют профиль показателя преломления, обеспечивающий распространение люминесцентного сигнала в сердцевине или легированного кварцевого стекла и в слое кварцевого стекла, легированного оксидом германия, обладающего малыми собственными потерями, за счет светоотражения, возникающего на границе слоя кварцевого стекла, легированного оксидом германия и слоя кварцевого стекла, легированного оксидом бора.

На фиг. 1 представлена конструкция волокна, которая состоит из сердцевины из кварцевого стекла 1, легированного оксидом редкоземельного элемента, слоя 2 кварцевого стекла, легированного оксидом германия, слоя 3 кварцевого стекла, легированного оксидом бора, оболочки 4 из чистого кварцевого стекла и светоотражающего силоксанового покрытия 5; на фиг. 2 профиль показателя преломления, формирующийся в волокне данной конструкции. Распространение люминесцентного сигнала, возбуждаемого в сердцевине, осуществляется в сердцевине, и слое легированного оксидом германия кварцевого стекла, так как светоотражение в волокне данной конструкции, для излучения возбуждаемого в сердцевине волокна, осуществляется на границе слоев кварцевого стекла, легированных оксидами германия и бора, за счет разницы показателей преломления данных слоев.

Данную конструкцию волокна получают путем помещения штабика кварцевого стекла, легированного одним из оксидов редкоземельных элементов, в трубку из чистового кварцевого стекла с предварительно нанесенными слоем кварцевого стекла, легированного оксидом германия, и слоем кварцевого стекла, легированного оксидом бора, методом MCVD. Затем проводят вытяжку волокна с одновременным схлопыванием трубы и нанесением силоксанового покрытия.

П р и м е р 1. Получено кварцевое люминесцентное волокно диаметром 240 мкм. Диаметр сердцевины из кварцевого стекла, легированного оксидом самария (Sm₂О₃) cоставляет 80 мкм, толщина слоев кварцевого стекла, легированных оксидом германия и бора, составляла по 15 мкм, толщина оболочки из кварцевого стекла 65 мкм.

На фиг. 3 показаны спектры оптических потерь в спектральном диапазоне излучения активатора волокна, полученного по примеру 1 (кривая 1), и волокна-прототипа (кривая 2). Оптические потери волокна, полученного по примеру 1, в области излучения активатора (Sm²+) в 2,5-3 раза меньше потерь волокна-прототипа.

На фиг. 4 приведены спектры люминесценции волокна, полученного по примеру 1 (кривая 1) и волокна-прототипа (кривая 2). За счет изменения конструкции волокна и вследствие уменьшения оптических потерь возрастает интенсивность люминесценции, а соответственно, и световой выход люминесценции и уменьшаются искажения контура люминесценции иона Sm²⁺.

П р и м е р 2. Получено кварцевое волокно диаметром 260 мкм.

Диаметр сердцевины из кварцевого стекла, легированного оксидом церия (Ce₂O₃) составлял 145 мкм. Толщина слоев кварцевого стекла, легированных оксидами германия и бора, по 4 мкм, толщина оболочки из чистого кварцевого стекла 50 мкм.

На фиг. 5 приведены спектры оптических потерь волокна, полученного по примеру 2 (кривая 1) и волокна-прототипа с жилой из легированного оксидом церия кварцевого стекла (кривая 2). Оптические потери волокна, полученного по примеру 2, значительно уменьшаются в коротковолновой части спектра, а на длине волны 450 нм (максимум полосы люминесценции) потери уменьшаются в 2 раза по сравнению с потерями волокна-прототипа (кривая 2). Уменьшение потерь, как следует из фиг. 6, где представлены спектры люминесценции волокна по примеру 2 (кривая 1) и волокна-прототипа (кривая 2), приводит к увеличению интенсивности люминесценции за счет уменьшения реарсорбции излучения активатора (Се³⁺) в волокне по примеру 2.

Сущность изобретения: люминесцирующее кварцевое волокно включает сердцевину из кварцевого стекла, легированного оксидом редкоземельного элемента, слой чистого кварцевого стекла и светоотражающее полимерное покрытие. Между сердцевиной и слоем чистого кварцевого стекла расположены от центра к периферии два слоя кварцевого стекла, легрированные оксидами германия и бора соответственно. 6 ил.

ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩЕЕ КВАРЦЕВОЕ ВОЛОКНО, включающее сердцевину из кварцевого стекла, легированного оксидом редкоземельного элемента, слой чистого кварцевого стекла и светоотражающее полимерное покрытие, отличающееся тем, что между сердцевиной и слоем чистого кварцевого стекла расположены от центра к периферии два слоя кварцевого стекла, легированные оксидами германия и бора соответственно.