Волоконный световод из сульфидно-мышьяковых стекол Российский патент 2022 года по МПК C03C13/04 C03C3/32 G02B6/02 

Изобретение относится к области оптического материаловедения и может быть использовано для создания специальных оптических приборов и функциональных элементов ИК-фотоники - устройств для передачи ИК-излучения для микрохирургии глаза, бесконтактных волоконных пирометров для контроля температуры тела при лечении онкологических заболеваний, волоконных разветвителей для среднего ИК-диапазона, волоконных лазеров, волоконно-оптических микрорезонаторов и многих других устройств фотоники среднего ИК-диапазона. Волоконные ИК-световоды на основе высокочистых сульфидно-мышьяковых стекол могут быть использованы для контроля температуры генераторов в условиях сильных магнитных полей, ионизирующей радиации, для передачи тепловой энергии через жгуты из ИК-световодов.

Изобретение направлено на улучшение важной функциональной характеристики волоконных световодов из стекол системы мышьяк-сера (As-S), определяющей максимально возможную длину используемых световодов, - прозрачности (оптических потерь) в спектральном интервале 5 - 6 мкм. Прозрачность световодов количественно характеризуют оптические потери - ослабление светового потока, передаваемого по волокну.

Интервал 5 - 6 мкм интересен тем, что в нем расположен теоретически предсказываемый минимум оптических потерь в световодах из сульфидно-мышьяковых стекол, оцениваемый величиной 6*10^-2 дБ/км. Малые оптические потери на этом спектральном участке важны для ряда практических применений световодов.

В современных световодах из сульфидно-мышьяковых стекол режим полного внутреннего отражения обеспечивается более высоким показателем преломления стекла сердцевины с более высоким содержанием мышьяка.

Типичный состав стекол сердцевины - от As₄₀S₆₀ до As₃₇S₆₃. Достигнутые оптические потери в этих световодах составляют 30 - 100 дБ/км и определяются химической чистотой и макросоставом стекол сердцевины и оболочки. Макросостав стекол сердцевины и оболочки существенно влияет на оптические потери световода в спектральном интервале 5 - 6 мкм, составляющие 400 - 1200 дБ/км. В этом интервале расположены собственные полосы поглощения стекла (1950 и 1820 см^-1), обусловленные гомосвязями «сера-сера».

Присутствие этих связей в стекле стехиометрического состава As₄₀S₆₀ обусловлено их более высокой прочностью по сравнению с остальными гомо - и гетеросвязями, присутствующими в стекле. По этой причине гомосвязи сера-сера присутствуют в стеклах со стехиометрическим и сверхстехиометрическим содержанием мышьяка, влияя на их показатель преломления и прозрачность в интервале 5-6 мкм. Оптические потери в этом интервале составляют 400 - 600 дБ/км.

В стекле отражающей оболочки содержание серы на 1- 2 ат.% выше. Световоды из этих стекол рассматриваются как прототип по отношению к заявленному изобретению. [1]. Study of the Glass Transition Temperature of As-S Glasses for the Fabrication of Chalcogenide Optical Fibers. I. V. Skripachev, M. El-Amraoui, Y. Messaddeq, S. H. Santagneli //International Journal of Applied Glass Science 4 [3] 256-265 (2013). DOI:10.1111/ijag.12020

Недостаток световодов по прототипу заключается в высоких оптических потерях в спектральном интервале 5-6 мкм (см. * в таблице).

Улучшение пропускания световодов в интервале 5-6 мкм сопряжено в первую очередь со снижением концентрации гомосвязей сера-сера в стеклах сердцевины и оболочки.

Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, предполагает оптимизацию состава стекол сердцевины и оболочки и их комбинаций, имеющих низкое общее содержание гомосвязей сера-сера в волокне, и изготовление световодов из них.

Технический результат от использования изобретения заключается в снижении уровня оптических потерь в спектральном интервале 5-6 мкм.

Указанный технический результат достигается тем, что волоконном световоде из сульфидно-мышьяковых стекол, состоящем из сердцевины и оболочки, сердцевина выполнена из стекла состава от 40 до 42 ат.% мышьяка и от 58 до 60 ат.% серы, а отражающая оболочка выполнена из стекла состава от 38 до 42 ат.% мышьяка и от 58 до 62 ат.% серы.

Улучшение пропускания световодов в интервале 5-6 мкм сопряжено в первую очередь со снижением концентрации гомосвязей сера-сера в стеклах сердцевины и оболочки.

Для уменьшения интенсивности поглощения в интервале 5 - 6 мкм сердцевина изготавливается из стекол состава As₄₀S₆₀ - As₄₂S₅₈, имеющих минимальное содержание гомосвязей сера-сера. Ранее в качестве сердцевинных не применялись стекла с содержанием мышьяка более 40 ат.%.

Новым в заявляемом решении является изготовление световодов с сердцевиной из стекла составов As₄₀S₆₀ - As₄₂S₅₈ при составе стекол отражающей оболочки As₃₈S₆₂ - As₃₉S₆₁. Новой является также комбинация стекол сердцевины состава As₄₀S₆₀ с отражающими оболочками из стекол состава As₄₁S₅₉ - As₄₂S₅₈.

Способ изготовления волоконного световода из сульфидно-мышьяковых стекол осуществляют следующим образом.

Получение стекол для сердцевины и оболочки осуществляют из мышьяка квалификации ОСЧ 19-5 и серы ОСЧ 19-5, предварительно очищенных вакуумной сублимацией и дистилляцией соответственно. Взвешивание компонентов шихты с заданным соотношением веществ и загрузку в кварцевый контейнер для синтеза стекла проводят в боксе в осушенной инертной атмосферой. Кварцевый контейнер с шихтой вакуумируют до остаточного давления (2-5)х10^-6 мм.рт.ст., ампулу запаивают, помещают в электропечь, шихту плавят при температуре 700⁰С с последующим отверждением расплава в стекло. Показатель преломления стекол определяют соотношением мышьяк:сера, т.е. количеством мышьяка и серы в шихте для синтеза каждого из стекол. Такой способ обеспечивает получение стекол с точным заданным составом. Волоконные световоды изготовливают вытяжкой расплава методом двойного тигля.

Измерения оптических потерь в световодах проводят стандартным двухточечным методом. О величине потерь в интервале 5 - 6 мкм судят по интенсивности полос 5,14 и 5,55 мкм, которые характеризуют прозрачность световодов из сульфидно-мышьякового стекла.

В результате проведенных экспериментов выявлены составы стекол сердцевины и оболочки световодов, позволяющие приблизить оптические потери к минимальным.

В качестве сердцевины использовали стекла составов As₄₀S₆₀ - As₄₂S₅₈.

Как показали эксперименты, использование этих стекол в качестве сердцевины заметно снижает уровень оптических потерь в спектральном интервале 5 - 6 мкм. При содержании серы в стекле сердцевины выше 60 ат.% интенсивность полос поглощения на длинах волн 5,14 и 5,55 мкм увеличивается. При увеличении концентрации мышьяка в стекле сердцевины от 40 до 42 % интенсивность полос поглощения 5,14 и 5,55 мкм уменьшается. В качестве стекол отражающей оболочки использовали стекла составов As₃₈S₆₂ - As₄₂S₅₈.

Упомянутые признаки являются существенными и достаточными для решения поставленной задачи - получение волоконных световодов из сульфидно-мышьяковых стекол с пониженными оптическими потерями в спектральном интервале 5 - 6 мкм. Это достигается снижением содержания гомосвязей сера-сера при увеличении содержания мышьяка в стеклах до стехиометрического и более высоких соотношений.

Пример 1

Изготовлены особо чистые сульфидно-мышьяковые стекла с разным соотношением серы и мышьяка при общем содержании последнего не более 40 ат.%, необходимые для изготовления сердцевины и отражающей оболочки световодов - прототипов.

Состав стекол и комбинация стекол сердцевины и оболочки, использованных для изготовления световодов, приведены в таблице. Из сопоставления световодов 1 и 2, таблица, следует, что снижение содержания сверхстехиометрической серы в сердцевине волокна заметно уменьшает оптические потери.

Оптические потери на участке 5 - 6 мкм в полученных световодах приведены в таблице.

Таблица № п/п Состав стекла Оптические потери (дБ/км) в интервале 5 - 6 мкм (на λ, мкм) Сердцевины, ат.% Оболочки,
ат.% 5,14 5,55 1^* As_37,4 S_62,4 As_36,0S_64,0 800 1200 2^* As_39,8S_60,2 As_38,7S_61,3 120 130 3 As₄₀S₆₀ As₄₂S₅₈ 45 60 4 As₄₁S₅₉ As_38,5S_61,5 65 110 5 As₄₂S₅₈ As₃₈S₆₂ 60 95

(*) световоды - прототипы.

Пример 2

Изготовлены световоды с сердцевиной из стекол состава As₄₁S₅₉ и As₄₂S₅₈ с отражающими оболочками из стекол состава As_38,5S_61,5 и As₃₈S₆₂, соответственно (образцы 4 и 5, соответственно). Оптические потери в них существенно ниже, чем в световодах - прототипах, образцы 1,2. Это свидетельствует об определяющем вкладе поглощения в сердцевине в общие потери световода, т.е. о более низком содержании гомосвязей сера-сера в стекле сердцевины.

Пример 3

Изготовлен волоконный световод (световод №3 в таблице) со стехиометрическим содержанием мышьяка в стекле сердцевины As₄₀S₆₀ и сверхстехиометрическом в стекле оболочки As₄₂S₅₈. Стекло состава As₄₂S₅₈ имеет показатель преломления ниже, чем у стекла с содержанием As 40 ат.%, т.е. может быть использовано в качестве стекла оболочки световода. Оптические потери в световоде №3 на контрольных длинах волн также значительно ниже, чем в световодах-прототипах. Стекла составов As₄₀S₆₀, As₄₁S₅₉ и As₄₂S₅₈, используемые в заявленном изобретении в качестве сердцевинных и оболочечных, обеспечивают в световодах существенно более низкие оптические потери в интервале 5-6 мкм по сравнению с прототипом.

Таким образом, предлагаемые волоконные световоды из сульфидно-мышьяковых стекол позволяют снизить уровень оптических потерь в спектральном интервале 5 - 6 мкм.

Эта работа поддержана грантом Российского научного фонда №. 22-13-00226.

Изобретение относится к области оптического материаловедения и может быть использовано для создания специальных оптических приборов и функциональных элементов ИК-фотоники - устройств для передачи ИК-излучения для микрохирургии глаза, бесконтактных волоконных пирометров для контроля температуры тела при лечении онкологических заболеваний, волоконных разветвителей для среднего ИК-диапазона, волоконных лазеров, волоконно-оптических микрорезонаторов и многих других. Волоконные ИК-световоды на основе высокочистых сульфидно-мышьяковых стекол могут быть использованы для контроля температуры генераторов в условиях сильных магнитных полей, ионизирующей радиации, для передачи тепловой энергии через жгуты из ИК-световодов. В волоконном световоде из сульфидно-мышьяковых стекол, состоящем из сердцевины и оболочки, сердцевина выполнена из стекла состава от 40 до 42 ат.% мышьяка и от 58 до 60 ат.% серы, а отражающая оболочка выполнена из стекла состава от 38 до 42 ат.% мышьяка и от 58 до 62 ат.% серы. Технический результат от использования изобретения заключается в снижении уровня оптических потерь в спектральном интервале 5-6 мкм. 1 табл., 3 пр.

Волоконный световод из сульфидно-мышьяковых стекол, состоящий из сердцевины и оболочки, отличающийся тем, что сердцевина выполнена из стекла состава от 40 до 42 ат.% мышьяка и от 58 до 60 ат.% серы, а отражающая оболочка выполнена из стекла состава от 38 до 42 ат.% мышьяка и от 58 до 62 ат.% серы.