СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ВОЛОКНА Российский патент 2010 года по МПК C03B37/18 

Изобретение относится к области нанотехнологий, предназначенных для производства оптического волокна (ОВ), используемого для различных целей, в том числе передачи информации, современной оптики, лазерной физики, фотоники.

Фотонно-кристаллические волокна представляют собой новый тип оптических волноводов, уникальные свойства которых определяются особой структурой оболочки в виде фотонной кристаллической решетки.

Следует отметить следующие известные способы производства ФКВ [1, 2].

Первый способ предназначен для изготовления только ФКВ и состоит из трех операций, а именно:

1) изготовление заготовки ФКВ из стекла (основы волокна) путем сплавления вместе с основой центрального кварцевого стержня (будущей сердцевины) и окружающих его кварцевых стержней меньшего диаметра (будущей оболочки);

2) изготовление преформы ФКВ из заготовки путем вытягивания ее из тигля;

3) изготовление ФКВ из преформы путем вытягивания фотонно-кристаллического волокна в специальной вытяжной башне.

Второй способ предназначен для изготовления различных световодов методом нейтронного облучения заготовки из стекла после вытягивания из тигля.

Принципиальным отличием первого способа от заявляемого состоит в том, что в предлагаемом способе отсутствует первая стадия, т.е. сплавление основы заготовки ФКВ из стекла с кварцевыми стержнями. Описанная выше первая стадия производства ФКВ решает сложную технологическую задачу одновременного обеспечения строгой периодичности фотонной структуры оболочки ОВ и постоянства отношения диаметра стержней к периоду фотонно-кристаллической решетки ФКВ. Эта операция в заявляемом способе совмещается с изготовлением преформы ФКВ путем облучения заготовки потоком нейтронов после вытягивания ее из тигля. Ввиду того, что сердцевина ФКВ и стержни оболочки могут иметь диаметры порядка нескольких нанометров, свойства ФКВ очень чувствительны к небольшим изменениям их структуры. Это отражается, прежде всего, на энергетических потерях в волокне. Формирование сердцевины и оболочки облучением основы заготовки из диоксида кремния нейтронным пучком позволит избежать искажений размеров диаметров стержней и расстояний между ними. Кроме того, в первом способе относительная разница показателей преломления Δn между основой волокна и стержнями обеспечивается сочетанием разных материалов (SiO₂, Si) или легированием химическими элементами, повышающими значение коэффициента n. В заявляемом способе величина Δn достигается за счет повышения концентрации тяжелых изотопов кремния в стекле для облучаемых областей заготовки.

Таким образом, к недостаткам первого способа следует отнести сложность изготовления ФКВ и трудности обеспечения геометрических соотношений между элементами ОВ из-за многократного нагрева и вытягивания заготовки волокна.

Кроме того, в заявляемом способе преформа непосредственно получается из однородной заготовки (преимущественно диоксида кремния) путем вытягивания из тигля с последующим облучением нейтронами, что является экономически более эффективным. Точность изготовления диаметров отдельных элементов волокна обеспечивают современные ядерные технологии за счет высокой разрешающей способности по энергии нейтронов, обеспечиваемой современными монохроматорами источников нейтронов. Поэтому заявляемый способ обеспечит более точное соблюдение размеров и пропорций структуры ФКВ, что снизит энергетические потери в волокне.

Второй способ изготовления ОВ может быть использован для производства широкого класса световодов путем облучения потоком нейтронов определенных участков однородной заготовки из стекла, полученной с помощью операции вытягивания из тигля. В результате происходят изменения изотопического состава кремния в стекле, проявляющиеся в повышении процентного содержания более тяжелых изотопов в облученных слоях заготовки, а следовательно, и показателя преломления света n.

Основные отличия второго способа от заявляемого заключаются в схеме облучения, в облучаемых областях и параметрах облучения заготовки. Во втором способе потоки нейтронов воздействуют только на центральную часть (сердцевину) заготовки, намотанную на специальную катушку. Такая схема облучения не позволяет формировать стержни оболочки и обеспечить требуемую точность изготовления периодической структуры ФКВ. Кроме того, интенсивность потока нейтронов и время облучения не соответствуют поставленной задаче изготовления ФКВ.

Таким образом, основным недостатком второго способа является его непригодность для получения ФКВ. С помощью этого способа можно изготовить оптическое волокно только простой конструкции, состоящей из центральной части (сердцевины) и оболочки. Заявляемый способ предлагает схему облучения, состоящую из нескольких облучателей, каждый из которых формирует с помощью пучка нейтронов определенный стержень в оболочке и сердцевину ОВ. В этом случае гарантируется равномерное облучение заготовки со всех сторон и получение фотонно-кристаллической структуры волокна. Кроме того, в заявляемом способе предлагается облучать нагретую заготовку по мере вытягивания из тигля, что упрощает технологический процесс.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является второй способ, который взят за прототип.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что используют заготовку из однородного химического вещества, преимущественно диоксида кремния, и воздействуют по всей длине заготовки потоком нейтронов с заданной глубиной поглощения в процессе вытягивания из тигля с помощью специальной центрированной установки, состоящей из нескольких облучателей, количество которых равно числу стержней в ФКВ, которые расположены по диаметру заготовки на расстояниях друг от друга, соответствующих положению стержней в волокне, и которые формируют пучки медленных нейтронов со следующими параметрами: диаметром облучаемого пятна на заготовке для каждого облучателя d≤0,01 мм; значением разрешения по энергии нейтронов ΔE≤10^-7 эВ; величиной интегрального потока нейтронов Ф₀≥10²² нейтр./см².

Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение и удешевление производства ФКВ, повышение точности изготовления геометрических размеров волокна, улучшение качественных характеристик, в том числе уменьшение энергетических потерь.

Новизна заявляемого изобретения заключается в формировании внутренней структуры ФКВ из одного и того же материала (преимущественно диоксида кремния) путем нейтронного облучения. Необходимая разница в показателях преломления стержней и основы волокна достигается благодаря повышению концентрации более тяжелых изотопов кремния в стекле. В результате одновременно формируются сердцевина и оболочка в виде двумерного фотонного кристалла (ФК), обеспечивающего отличный от обычного ОВ физический механизм удержания света в волокне.

Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами:

на фиг.1 изображена структура ФКВ, где 1 - оболочка ФКВ, 2 - твердотельные стержни оболочки, 3 - сердцевина ФКВ, 4 - расстояние между центрами стержней (Λ); 5 - расстояние между центрами сердцевины и стержня (Λ¹); 6 - d диаметр стержня; 7 - d¹ диаметр сердцевины;

на фиг.2 представлена установка вытяжки волокна с помощью специальной башни [1], состоящей из стержневой заготовки (преформы) в центрирующем патроне - 8, электрической печи - 9, лазерного микрометра для контроля диаметра OB - 10, устройства нанесения первичного покрытия - 11, устройства отвердения с помощью УФ-излучения - 12, приемного устройства - 13;

на фиг.3 изображена схема облучения заготовки с помощью способа изготовления оптического волокна, взятого за прототип [2], которая состоит из оболочки ОВ - 14, сердцевины ОВ - 15, потока нейтронов - 16;

на фиг.4а изображена схема облучения заготовки ФКВ, которая состоит из тигля - 17, заготовки ФКВ - 18, центрированной системы - 19, нейтронных облучателей - 20, стойки для закрепления центрированной системы с облучателями - 21, лазерного микрометра - 10, приемного устройства - 22;

на фиг.4б представлены размеры облучаемого пятна на заготовке ФКВ: поток нейтронов - 16; ширины пятна d - 23, высоты пятна h - 24;

на фиг.5 изображена структура поперечного разреза облучаемой заготовки ФКВ в виде шестиугольника, где 1 - оболочка ФКВ, 2 - стержни оболочки, 3 - сердцевина, 16 - нейтронный пучок, 25 - расстояние l₁, 26 - расстояние l₂;

на фиг.6 представлена зависимость сечения поглощения от энергии нейтронов σ_n=f(Е_н), где 27 - энергия , 28 - энергия , 29 - энергия Е_р, 30 - ширина резонансного пика поглощения нейтронов Г_γ.

В фотонном кристалле диэлектрические частицы (стержни) образуют решетку с расстояниями между ними, сравнимыми с длиной волны видимого света (Фиг.1). В такой решетке показатель преломления n меняется по периодическому закону [3].

Известно, что при пересечении границы раздела областей с разными n часть света проходит, часть отражается, но существует спектральная область, в которой происходит наибольшее отражение. Для длин волн, удовлетворяющих условию брэгговского отражения, а именно:

,

где Λ - постоянная решетки ФК,

λ - длина волны падающего света,

θ - угол падения между волновым вектором и плоскостями ФК,

коэффициент отражения максимальный.

Зеркальный эффект создается из-за разницы в коэффициентах преломления n, например, стержней из кремния (Si n=1,45) и основы ФК из стекла (SiO₂ n=1,44) для λ=1,55 мкм.

Таким образом, если разность хода двух волн, отразившихся от соседних плоскостей, образованных стержнями ФК, равна , то отраженные волны интерферируют (гасят друг друга) и свет не распространяется в ФК. В этом случае диаметры стержней одинаковы (d=d¹) и постоянная фотонно-кристаллической решетки не изменяется (Λ=Λ¹). Если в решетке ФК создать дефект, то волна из запрещенного диапазона будет двигаться вдоль него. Дефектом можно считать изменение расстояния Λ¹ (5) между центральным стержнем и стержнями оболочки (в этом случае d=d¹) или разницу в их диаметрах (d<d¹). Поэтому свет будет распространяться вдоль сердцевины, в то время как в остальной части волокна (оболочке) света не будет.

Основными достоинствами ФКВ являются возможности обеспечения:

1) одномодового режима для всех длин волн используемого диапазона;

2) изменения в широких пределах площади пятна основной моды;

3) постоянного значения коэффициента дисперсии.

В твердотельных ФКВ, рассматриваемых в заявке на изобретение, удержание света обеспечивается за счет полного внутреннего отражения и эффекта запрещенной зоны для распространения света, образованной в фотонном кристалле оболочки.

Промышленный способ изготовления твердотельных ФКВ иллюстрируется на фиг.2.

Технология заявляемого изобретения основывается на том, что вещества с различными концентрациями тяжелых изотопов отдельных элементов имеют разные показатели преломления света.

Добиться требуемого значения показателей преломления можно путем облучения потоком нейтронов определенных слоев заготовки и повышения в них концентрации тяжелых изотопов. Возможность использования нейтронов для изготовления ОВ объясняется их свойствами и особенностями ядерных реакций, происходящих в процессе облучения. Способ изготовления стандартного оптического волокна, взятый за прототип, основывается на высокой проникающей способности нейтронов (фиг.3). При взаимодействии нейтронов с ядрами химических элементов облучаемого вещества образуются возбужденные составные ядра, которые распадаются в результате ядерных реакций [4]. В заявляемом способе используются медленные нейтроны с энергией Е_н в диапазоне 0,1-1 эВ, для которых характерны два типа ядерных реакций: упругого рассеивания и радиационного захвата (поглощения).

Реакция упругого рассеивания: нейтрон в результате столкновения с ядром теряет энергию, скорость и замедляется. Потеря энергии нейтроном зависит от толщины слоя и свойств вещества, в котором осуществляется замедление.

Реакция поглощения: нейтрон в результате столкновения захватывается ядром и более легкий изотоп химического элемента превращается в более тяжелый.

В заявляемом способе используются обе ядерные реакции, каждая из которых характеризуется вероятностью σ, называемой сечением реакции (σ_n - сечение поглощения, σ_р - сечение рассеивания). Эти параметры ядерных реакций зависят от свойств вещества и энергии нейтронов. Они определяются на основании графиков σ_n=f(Е_н), σ_p=f(Е_н), полученных экспериментальным путем. Последовательность происходящих ядерных реакций при облучении заготовки (рассеивание, затем поглощение) определяет необходимость использования горизонтальной схемы облучения (фиг.4а, б).

Процесс изготовления ФКВ заявляемым способом делится на два этапа:

1) вытягивание из тигля (17) нагретой до 2000°С заготовки из диоксида кремния (18);

2) облучение заготовки пучками нейтронов (16) для формирования центрального стержня (3) и стержней оболочки (2).

Схема облучения состоит из центрированной системы (19) с нейтронными облучателями (20), которая закреплена на специальной стойке (21). Количество облучателей определяется числом одновременно формируемых стержней, включая сердцевину. Размещение их внутри установки (19) зависит от расположения структурных элементов внутри ФКВ. Диаметр готового волокна контролируется лазерным микрометром (10). Полученное ФКВ наматывается в катушку приемного устройства (22). Параметры облучаемого участка заготовки, на который воздействуют нейтроны в течение времени t от одного облучателя, пока волокно проходит через установку (19), имеют размеры: ширину d (24) и высоту h (25).

Структура поперечного разреза облученной заготовки ФКВ в виде шестиугольника с центральным стержнем (сердцевиной) изображена на фиг.5. Нейтронные пучки (16) проникает через основу оболочки (1) и поглощаются в определенных местах, соответствующих расположению сердцевины (3) и стержней (2) оболочки.

Таким образом, нейтроны в заготовке пролетают расстояние l₁ (25) или l₂ (26), замедляются, теряют энергию за счет реакции упругого рассеивания. Энергия нейтронов в пучке (27) уменьшается до значения (28), которое соответствует началу резонанса поглощения нейтронов. В результате происходит реакция радиационного захвата нейтронов. На фиг.6 представлена типичная зависимость сечения поглощения большинства химических элементов от энергии резонансных нейтронов σ_n=f(Е_н) [4].

Разница между значениями сечений у основания резонансного пика и в его центре для резонансной энергии Е_р (29) составляет несколько десятков тысяч барн (1 барн=10^-24 см²). Это позволяет представить зависимость на фиг.6 в виде дельта-импульса с Е_р>>Г_γ (30), где Г_γ - энергетическая ширина резонансного пика.

Так, пролетев в заготовке расстояние l₁ или l₂ (в зависимости от формируемого стержня), нейтроны начинают резко поглощаться ядрами вещества, увеличивая концентрацию более тяжелых изотопов кремния в стекле. Чем ближе стержень к наружной границе оболочки (1), тем меньше расстояние замедления l, тем ближе расположена начальная энергия к значению . Следовательно, изменяя величину , можно добиться формирования необходимой структуры фотонного кристалла оболочки с дефектом ФКВ, например, за счет разницы в параметре решетки Λ¹ (5).

Размеры облучаемого пятна в ширину d (23) определяются диаметрами стержней, в высоту h (24) - величиной интегрального облучения Ф_о и скоростью вытягивания волокна V.

Точность изготовления стержней ФК зависит от разрешения нейтронов по энергии ΔЕ_н. Современные источники нейтронов имеют монохроматоры, позволяющие достичь ΔЕ_н<10^-7 эВ. Величина интегрального потока определяется необходимой концентрацией тяжелых изотопов кремния в стекле для формируемых стержней ФКВ, которая в свою очередь, зависит от требуемой величины Δn относительной разницы коэффициентов преломления света в стержнях и основе ФКВ.

Возможность изготовления ФКВ предложенным в заявке способом рассмотрим на конкретном примере.

За основу расчетов принято фотонно-кристаллическое волокно, выпускаемое зарубежными и отечественными компаниями, такими как Coming, Blaze Photonics (UK), TEGS (РФ) [1].

Для характеристики ядерных реакций при облучении резонансными нейтронами необходимо знать сечение поглощения σ_n и сечение рассеивания σ_p нейтронов. Основными расчетными параметрами источников нейтронов являются интегральный поток нейтронов Ф_о=φt (φ - интенсивность потока нейтронов, t - время облучения), разрешение по энергии нейтронов ΔЕ_н.

Так, величина резонансного сечения поглощения можно оценить по формуле Брейта-Вигнера [4]:

где Г_н=0,001 эВ - нейтронная ширина, характеризующая вероятность реакции рассеивания;

Г=0,1 эВ - полная энергетическая ширина, характеризующая вероятность распада составного ядра;

см - длина волны нейтрона.

Для резонансных нейтронов с Е_р=1 эВ длина волны равна λ_о=4,5·10^-10 см. Отсюда, после подстановки в формулу (1) получим: σ_n=25434 барн.

Глубина l_n поглощения нейтронов должна соответствовать диаметру формируемого стержня, например, d=8 мкм [1].

Средняя величина l_n рассчитывается по следующей формуле [4]:

где K=5,04·10²² ат/см³ - число атомов кремния в одном см³.

Полученное значение l_n=7,83·10^-6 см свидетельствует о возможности формирования стержней с помощью резонансных нейтронов.

Для получения эффекта запрещенной зоны в фотонном кристалле - главное, чтобы все стержни были одинаковых диаметров. Это значит, все облучатели должны гарантировать одно и то же значение резонансной энергии (29), что достигается с помощью современных монохроматоров с высокой разрешающей способностью нейтронов по энергии.

На следующем этапе расчетов нужно оценить величину энергии замедления , которая зависит от расстояний l₁=36 мкм, l₂=34 мкм, взятых в качестве примера. Эти расстояния можно выразить следующим образом:

где - средняя длина замедления после одного столкновения нейтрона с ядром вещества;

- среднее число столкновений нейтрона с ядрами вещества в процессе замедления;

А=28 - массовое число ядра кремния.

Так, для σ_p=1,7 барн [2], эВ, l₁=36 мкм получим следующие цифры: l_p=11,67 см; n^ст=0,0003085; ΔE=0,000022036 эВ.

Для расстояния l₂=34 мкм имеем следующие цифры: n^ст=0,0002913; ΔE=0,00002087 эВ.

На основании приведенных расчетов можно сделать вывод, что начальные энергии нейтронов для формирования стержней, находящихся на расстояниях друг от друга порядка 2 мкм, должны отличаться в шестом знаке после запятой. Для этого требуется разрешающая способность монохроматора источника нейтронов не хуже, чем ΔЕ_н=10^-7 эВ.

Величину интегрального потока нейтронов φt, которая определяет концентрацию тяжелых изотопов, достигаемую в результате облучения, можно подсчитать по следующей формуле [2]:

где N_0i - концентрация j-того изотопа кремния;

K - количество атомов кремния в 1 см³;

K_i - относительное содержание i-того изотопа в исходной смеси;

σ_n - сечение поглощения (барн);

φ - величина интенсивности потока нейтронов (нейтр./см²с);

t - время облучения (с).

Величина N_oj в облучаемых областях заготовки должна быть достаточной, чтобы относительная разница в показателях преломления света облученных и необлученных областей обеспечила свойства фотонного кристалла.

Так, концентрацию более тяжелых изотопов можно принять равной:

где m - число, характеризующее увеличение исходной концентрации j-того изотопа, получаемого из i-того изотопа в результате облучения.

Если принять m=4, то после подстановки в формулу (6), получим Ф_о=φt=0,04·10¹⁷ нейтр./см². Для источника нейтронов с интенсивностью φ=10¹⁸ нейтр./см²·с время t облучения участка заготовки площадью, соответствующей размерам пятна облучателя (d·h), должно быть равно 0,004 с.

Для источника нейтронов с φ=10¹⁷ нейтр./см²·с время облучения увеличивается (t=0,04 c).

Если повысить концентрацию изотопов до значения m=3, потребуется интегральный поток на порядок больше предыдущего случая, а именно: при φ=10¹⁸ нейтр./см²·с время t составит 0,04 с; при φ=10¹⁷ нейтр./см²·с получим t=0,4 c.

Следующим важным параметром схемы облучения заготовки являются размеры облучаемого пятна (ширина d и высота h). Как уже отмечалось, ширина должна соответствовать диаметру формируемых стержней и, следовательно, быть менее 10 мкм [1]. Выбор высоты определяется скоростью V вытягивания волокна и временем облучения t. Известно, что скорость вытягивания из тигля имеет величину (1-10) м/с [1]. Отсюда, для t=0,004 c и V=1 м/с высота должна быть равна h=0,4 см.

Если время увеличится на порядок t=0,04 c, а скорость останется той же, получим значение h=4 см.

Отсюда, при повышении времени облучения или скорости вытягивания увеличивается требуемая высота h.

На последнем этапе расчетов оценим, как изменится показатель преломления облученных участков заготовки ФКВ, если концентрация тяжелых изотопов повысится на величину 10^-3·K·K_i. Для этого воспользуемся формулой Лоренц-Лорентца [5], характеризующей молекулярную рефракцию, а именно:

где K - число атомов вещества в 1 см³,

а - величина поляризуемости молекулы вещества,

n - показатель преломления вещества.

Выражение уравнения Лоренц-Лорентца для диоксида кремния (n=1,44) имеет вид:

где а₂₈ - величина поляризуемости изотопа ²⁸Si,

K₂₈=0,9218 - естественная концентрация изотопа ²⁸Si в стекле,

K₂₉=0,0471 - естественная концентрация изотопа ²⁹Si в стекле,

K₃₀=0,0312 - естественная концентрация изотопа ³⁰Si в стекле.

Коэффициенты Δа и Δa¹ показывают относительное изменение величин поляризуемости различных изотопов кремния. Известно, что значение а - прямо пропорционально размерам молекул вещества [6]. Сечения поглощения σ_n прямо пропорциональны размерам ядер изотопов кремния [4]. С ростом числа нейтронов в ядре изотопа размер ядра сначала увеличивается (²⁹Si), затем снижается (³⁰Si). Поэтому коэффициенты Δа и Δа¹ имеют разные значения.

После преобразования уравнения (9) получим:

0,26355=1,12877·B,

где - постоянный коэффициент в уравнении молекулярной рефракции (9).

Для составления аналогичного уравнения для облученных областей заготовки необходимо подсчитать:

1) количество изотопов ²⁸Si, перешедших в результате ядерной реакции в изотопы ²⁹Si;

2) количество изотопов ²⁹Si, перешедших в результате ядерной реакции в изотопы ³⁰Si;

3) количество изотопов ³⁰Si, перешедших в результате ядерной реакции в изотопы ³¹Si.

После облучения нейтронами заготовки из диоксида кремния уравнение Лоренц-Лорентца примет вид:

где К¹=10^-3 - коэффициент, характеризующий степень перехода одного изотопа в другой;

n_x - показатель преломления света после облучения нейтронами.

После подстановки значений соответствующих коэффициентов получим:

Отсюда, n_x=1,4487≈1,45.

Относительная разница в показателях преломления Δn облученных и необлученных частей заготовки составит:

Полученная величина относительной разницы показателей преломления света достаточна для реализации физических свойств ФКВ [3].

Расчеты относительной разницы показателей преломления для m=4 (формула (7)), приведенные в прототипе [2], свидетельствуют о том, что значение Δn получилось на порядок меньше (Δn=0,0002), что затрудняет реализацию свойств ФКВ. Поэтому величина интегрального потока Ф_о, предусмотренного в прототипе, недостаточна для изготовления ФКВ.

Таким образом, сравнение заявляемого способа изготовления ФКВ с прототипом позволяет сделать следующие выводы:

1) с помощью одного облучателя, используемого в прототипе, нельзя формировать несколько стержней фотонно-кристаллической структуры, для чего требуются несколько облучателей с разными значениями энергии нейтронов;

2) для формирования стержней ФКВ заготовка должна быть доступна облучателям со всех сторон, что невозможно обеспечить в заготовке, намотанной на катушку, как в прототипе;

3) точность изготовления размеров ФКВ в заявляемом способе выше, чем в прототипе по двум причинам:

а) предусматривается использование источников нейтронов с разрешающей способностью по энергии значительно выше, чем в прототипе;

б) схема облучения заготовки в прототипе происходит в скрученном виде, что препятствует проникновению нейтронов в заданные поверхности заготовки;

4) принятый в прототипе процент повышения тяжелых изотопов кремния (10^-4·100%) в результате облучения нейтронами недостаточен для ФКВ [1, 3]. В заявляемом способе параметры облучения рассчитаны для цифры 10^-3·100%, что позволяет обеспечить достаточную относительную разницу показателей преломления стержней и основы ФКВ.

Описание способа изготовления ФКВ на конкретном примере

В заявке на изобретение способ изготовления состоит из следующих этапов:

1) расплавленная заготовка преимущественно из диоксида кремния (18) с естественным содержанием изотопов кремния (92,18% Si²⁸O₂) вытекает из тигля (17) Фиг.4а;

2) постепенно охлаждаясь на воздухе и затвердевая, заготовка с диаметром D=87 мкм поступает на центрированную систему (19), на которой установлены нейтронные облучатели (20);

облучатели расположены по внутреннему диаметру системы (19) в виде облучающих щелей, состоящих из нескольких облучателей;

диаметр облучаемого пятна от одного облучателя равен 0,008 мм;

размеры облучающих щелей соответствуют размерам облучаемого пятна на заготовке ФКВ d×h, например, 8 мкм×40 мкм (Фиг.4б);

для рассматриваемого примера ФКВ (Фиг.5), состоящего из сердцевины с диаметром d¹=8 мкм и шести стержней с диаметрами d=1 мкм, система (19) должна иметь 7 облучающих щелей: первая щель (для формирования сердцевины) состоит из 5 облучателей (40 мкм/8 мкм), расположенных друг над другом для создания на заготовке облучаемого пятна с размерами 8 мкм×40 мкм, и шесть одинаковых щелей (для формирования стержней оболочки), каждая из которых состоит из 40 облучателей (40 мкм/1 мкм), расположенных также друг над другом для создания на заготовке облучаемого пятна с размерами 1 мкм×40 мкм;

для формирования внутренней структуры ФКВ с параметрами: а) расстояние между сердцевиной и стержнями оболочки (l₁-l₂-d)=4,5 мкм, б) величина решетки ФКВ Λ=9 мкм, в) расстояние от края заготовки до края сердцевины l₁=34 мкм, г) расстояние от края заготовки до края стержня l₂=39,5 мкм, д) диаметры d=1 мкм, d¹=8 мкм, требуются значения разрешения по энергии нейтронов ΔЕ_н=10^-7 эВ эВ и интегрального потока нейтронов Ф_о=10²² нейтр./см²;

3) медленные нейтроны из облучающих щелей с энергией Е_р+ΔЕ проникают в заготовку, теряют энергию и замедляются (в отличие от тепловых нейтронов, которые сразу вступают в реакцию поглощения);

пролетев расстояние: а) l₁=34 мкм (нейтроны с энергией Е_р+ΔЕ, где ΔЕ=2,087·10^-5 эВ для формирования стержня) или б) l₂=39,5 мкм (нейтроны с энергией Е_р+ΔЕ, где ΔЕ=2,204·10^-5 эВ для формирования сердцевины), энергия нейтронов снижается до резонансной величины (Е_р=1 эВ), которая позволяет им вступать в реакцию поглощения;

в результате в объемах на глубине проникновения нейтронов, равной l₁ или l₂, начинается процесс уплотнения вещества за счет повышения концентрации тяжелых изотопов кремния в стекле (главным образом Si²⁹) и формирования сердцевины и стержней;

заканчивается процесс уплотнения (поглощения нейтронов ядрами атомов кремния) на расстоянии (l₁+d¹) или (l₂+d);

4) процесс облучения заготовки нейтронами происходит по мере вытягивания ее из тигля, которое осуществляется со скоростью V=0,1 м/с (при облучении тепловыми нейтронами заготовка неподвижна и закреплена в специальной установке);

скорость вытягивания регулируется по результатам измерений размеров структурных элементов ФКВ с помощью лазерного микрометра (10);

заканчивается процесс изготовления ФКВ в приемном устройстве (22) после наматывания волокна в катушку.

В результате изготовления ФКВ описанным выше способом:

а) повышается точность изготовления структурных элементов ФКВ (в прототипе точность изготовления оптического волокна равна ±0,1 мкм, в заявляемом способе точность изготовления составляет ±5 нм);

б) обеспечивается чистота исходного материала (отсутствие внутренних механических напряжений и дефектов, посторонних примесей, шероховатостей в сопряжениях сердцевины и стержней с основой оболочки);

в) указанные выше качественные изменения внутренней структуры ФКВ значительно улучшают характеристики ФКВ, уменьшают энергетические потери и дисперсионные искажения в волокне.

Источники информации

1. Нанотехнологии в электронике. Под редакцией Ю.А.Чаплыгина. - М.: «Техносфера», 2005.

2. Журавлева Л.М., Плеханов В.Г. Способ изготовления оптического волокна. Патент на изобретение №2302381 (прототип).

3. Слепов Н.Н. Фотонно-кристаллическое волокно - уже реальность. Новые типы оптических волокон и их применение. Электроника: Наука, Технология, Бизнес; 5/2004.

4. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. - С-П, М., Краснодар, «Лань», 2008.

5. Ландсберг Г.В. Оптика. - М.: Физматлит, 2006.

Способ изготовления фотонно-кристаллического волокна (ФКВ) относится к области производства оптического волокна на основе нанотехнологий, применяемого в волоконно-оптических системах связи и оптоэлектронике. Техническая задача изобретения - упростить технологический процесс и повысить точность изготовления отдельных элементов ФКВ, существенно влияющую на качественные характеристики волокна. Получение фотонно-кристаллической структуры осуществляют путем облучения заготовки волокна из однородного химического вещества, преимущественно диоксида кремния, потоками медленных нейтронов со строго заданной глубиной их поглощения для изменения его изотопического состава и достижения требуемых оптических свойств. Заготовку облучают с помощью специальной центрированной установки, состоящей из нескольких облучателей, количество которых равно числу стержней в ФКВ, которые расположены по диаметру заготовки на расстояниях друг от друга, соответствующих положению стержней в волокне. Облучатели формируют пучки медленных нейтронов со строго определенными заданными параметрами. 7 ил.

Способ изготовления фотонно-кристаллического волокна (ФКВ) путем вытягивания заготовки из однородного химического вещества, преимущественно диоксида кремния, и воздействия по всей длине заготовки потоком нейтронов с заданной глубиной поглощения, отличающийся тем, что заготовку в процессе вытягивания из тигля облучают с помощью специальной центрированной установки, состоящей из нескольких облучателей, количество которых равно числу стержней в ФКВ, которые расположены по диаметру заготовки на расстояниях друг от друга, соответствующих положению стержней в волокне, и которые формируют пучки медленных нейтронов со следующими параметрами: диаметр облучаемого пятна на заготовке для каждого облучателя d≤0,01 мм; значение разрешения по энергии нейтронов ΔЕ_н≤10^-7 эВ; величина интегрального потока нейтронов Ф₀≥10²² нейтр./см².