Двухслойный галогенидсеребряный инфракрасный световод Российский патент 2024 года по МПК G02B6/02 

Изобретение относится к новому классу радиационно стойких галогенидсеребряных световодов для инфракрасного (ИК) диапазона, а также для терагерцевой области от 0,1 до 10,0 ТГц, что соответствует среднему и дальнему ИК диапазону до 30,0 мкм.

Лазерные и ИК волоконные оптические технологии тесно связаны между собой, поскольку их комбинация позволяет создавать волоконные лазеры и каналы доставки сгенерированного когерентного излучения. Для этих целей применяют двухслойные, однослойные и фотонно-кристаллические ИК световоды.

Известны устойчивые к ультрафиолетовому и радиационному облучениям ИК световоды, включающие сердцевину и оболочку определенных диаметров и длины, которые изготавливают из кристаллов на основе бромида серебра, содержащего твердый раствор бромид-иодида одновалентного таллия (TlBr_0,46I_0,54). ИК световоды получают методом экструзии согласно концентрационным составам гомогенных областей для левой и правой частей фазовой диаграммы системы AgBr - TlBr_0,46I_0,54 [Корсаков А. С., Жукова Л. В., Кортов С. В., Врублевский Д. С. Патент РФ № 2504806 от 20.01.2014 Одномодовый двухслойный кристаллический инфракрасный световод; Корсаков А. С., Салимгареев Д. Д., Львов А. Е., Жукова Л. В., Гулько Д. Я. Патент РФ № 2686512 от 29.04.2019, Двухслойный кристаллический инфракрасный световод для спектрального диапазона 2 - 50 мкм]. Но такие световоды являются токсичными, так как в их составе присутствуют галогениды одновалентного таллия. Это исключает их применение в лазерной и диагностической медицине, а также в ТГц оптике при замене токсичного рентгеновского излучения.

Наиболее близким техническим решением являются двухслойные ИК световоды на основе монокристаллов системы AgCl - AgBr [Y. Raichlin, A. Katzir. Fiber-Optic Evanescent Wave Spectroscopy in the Middle Infrared. Applied Spectroscopy. Vol. 62, Issue 2, 2008. P. 55A-72A]. Но авторы не приводят химических составов сердцевины и оболочки, а также структуру торца световодов, т. е. диаметров сердцевины и оболочки. Следует также отметить что световоды системы AgCl - AgBr светочувствительны, особенно к ультрафиолетовому и радиационному облучениям и не могут использоваться в условиях повышенной радиации, что значительно сдерживает их применение. Кроме того, для ТГц и инфракрасной оптики требуются световоды прозрачные в более длинноволновом диапазоне, чем ИК световоды системы AgCl - AgBr прозрачные от 2,0 до 15,0 - 18,0 мкм.

Существует техническая задача по созданию двухслойных галогенидсеребряных световодов устойчивых к ультрафиолетовому и радиационному облучениям, нетоксичных, пропускающих без окон поглощения в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах, а также в ТГц области от 0,1 до 10,0 ТГц, что соответствует спектральному диапазону от 3000,0 до 30,0 мкм. Такие ИК световоды предназначены для изготовления в лазерных системах волоконных каналов доставки инфракрасного и терагерцового излучений, в том числе при работе в условиях с повышенной радиацией.

Проблема решена за счет созданного двухслойного галогенидсеребряного инфракрасного световода, включающего сердцевину и оболочку, выполненных из галогенидсеребряных кристаллов твердых растворов системы AgCl - AgBr, отличающийся тем, что сердцевина выполнена диаметром 400,0 мкм из кристаллов твердых растворов состава AgCl_0,25Br_0,75, содержащих иодид серебра при следующем соотношении ингредиентов в мол %:

твердый раствор AgCl_0,25Br_0,75 86,0-90,0 иодид серебра 14,0-10,0,

а оболочка изготовлена диаметром 525,0 мкм из тех же кристаллов при следующем соотношении ингредиентов в мол %:

твердый раствор AgCl_0,25Br_0,75 92,0-96,0 иодид серебра 8,0-4,0.

Сущность изобретения состоит в том, что создан новый класс устойчивых к ультрафиолетовому и радиационному (бета) излучениям, нетоксичных и негигроскопичных галогенидсеребряных двухслойных ИК световодов, которые получают методом экструзии из кристаллов системы AgCl_0,25Br_0,75 - AgI. Сердцевина световода диаметром 400,0 мкм, а оболочка диаметром 525,0 мкм изготовлены из кристаллов близких химических составов (см. формулу). При этом формируется маломодовая структура с высокой концентрацией излучения в сердцевине двухслойного световода и низкими оптическими потерями до 0,18 дБ/м на длине волны CO₂ лазера (10,6 мкм). Кроме того, внедрение иодида серебра в кристаллическую решетку твердого раствора AgCl_0,25Br_0,75 расширяет спектральный диапазон пропускания двухслойного ИК световода в длинноволновую область до 27,0 мкм, а также обеспечивает устойчивость к ультрафиолетовому и бета облучениям, по сравнению со светочувствительными световодами системы AgCl - AgBr, которые прозрачны в более узком спектральном диапазоне до 15,0 - 18,0 мкм.

Пример 1.

Вертикальным методом Бриджмена выращены монокристаллы системы AgCl_0,25Br_0,75 - AgI определенных составов для сердцевины и оболочки двухслойного ИК световода. Методом экструзии изготовлена сердцевина диаметром 400,0 мкм из кристаллов при следующем соотношении ингредиентов в мол. %:

AgCl_0,25Br_0,75 86,0 иодид серебра 14,0,

а оболочка изготовлена диаметром 525,0 мкм из кристаллов при следующем соотношении ингредиентов в мол. %:

AgCl_0,25Br_0,75 92,0 иодид серебра 8,0.

На ИК-Фурье спектрометре IR Prestige-21 Shimadzu (1,28 - 41,7 мкм) с тестовым волокном (фиг. 1) сняты спектры пропускания световода. Световод пропускает без окон поглощения в оптическом диапазоне от 3,0 до 27,0 мкм с высокой прозрачностью до 75 %, а также в терагерцовом диапазоне от 11,1 до 30,0 ТГц (27,0 - 10,0 мкм). Оптические потери составили 0,18 дБ/м на длине волны 10,6 мкм. Они определены по методу отрезков при снятии спектров пропускания в режиме фона [S. Israeli, A. Katzir. Attenuation, absorption, and scattering in silver halide crystals and fibers in the mid-infrared. J. Appl. Phys. 115, 023104 (2014)].

Оптические свойства ИК световода не изменяются при ультрафиолетовом и видимом облучении длинами волн от 200 до 500 нм в течении 10 часов и более, а также при бета облучении на линейном ускорителе электронов модели УЭЛР-10-10С дозой до 1000 кГр и более.

Пример 2.

Методом экструзии изготовили двухслойный ИК световод на основе кристаллов системы AgCl_0,25Br_0,75 - AgI. Сердцевина диаметром 400,0 мкм изготовлена из кристаллов состава в мол. %:

AgCl_0,25Br_0,75 90,0 иодид серебра 10,0,

а оболочка диаметром 525,0 мкм выполнена из кристаллов состава в мол. %:

AgCl_0,25Br_0,75 96,0 иодид серебра 4,0.

Измерение оптико-радиационных свойств ИК световода проводили как в примере 1. Световод устойчив к ультрафиолетовому и бета излучениям, пропускает в спектральном диапазоне от 3,0 до 27,0 мкм без окон поглощения, а также в ТГц области от 11,1 до 30,0 ТГц, что соответствует среднему и дальнему ИК диапазону от 27,0 до 10,0 мкм. Оптические потери составили 0,18 дБ/м на длине волны 10,6 мкм.

Пример 3.

Изготовили методом экструзии двухслойный ИК световод с аналогичными диаметрами сердцевины и оболочки как в примере 1. Химические составы компонентов в мол. %:

для сердцевины AgCl_0,25Br_0,75 88,0 иодид серебра 12,0, для оболочки AgCl_0,25Br_0,75 94,0 иодид серебра 6,0.

Оптико-радиационные свойства двухслойного ИК световода аналогичны как в примере 1.

При отклонении от химических состава, а также от размеров диаметров сердцевины и оболочки, указанных в примерах, не удается максимально сконцентрировать излучение в сердцевине двухслойного световода и получить низкие оптические потери до 0,18 дБ/м на длине волны CO₂ лазера.

Технический результат.

Совокупность отличительных признаков в структуре новых двухслойных радиационно-стойких галогенидсеребряных инфракрасных световодах, а именно устойчивость к ультрафиолетовому и бета облучениям с широким диапазоном пропускания в ИК и ТГц области от 3,0 до 27,0 мкм с оптическими потерями на длине волны CO₂ лазера (10,6 мкм) - до 0,18 дБ/м, что достигается химическим составом и геометрическими размерами диаметров сердцевины и оболочки. Это обеспечивает их широкое применение, в отличие от прототипа, при конструировании нового поколения лазерных и ИК волоконно-оптических систем, предназначенных для работы в том числе в условиях с повышенной радиацией.

Изобретение относится к новому классу радиационно стойких галогенидсеребряных световодов для инфракрасного (ИК) диапазона, а также для терагерцевой области от 0,1 до 10,0 ТГц, что соответствует среднему и дальнему ИК диапазону до 30,0 мкм. Лазерные и ИК волоконные оптические технологии тесно связаны между собой, поскольку их комбинация позволяет создавать волоконные лазеры и каналы доставки сгенерированного когерентного излучения. Для этих целей применяют двухслойные, однослойные и фотонно-кристаллические ИК световоды. Двухслойный галогенидсеребряный инфракрасный световод включает сердцевину, выполненную диаметром 400,0 мкм из кристаллов твердых растворов состава AgCl_0,25Br_0,75, содержащих иодид серебра, при следующем соотношении ингредиентов в мол.%: твердый раствор AgCl_0,25Br_0,75 86,0-90,0; иодид серебра 14,0-10,0, и оболочку, изготовленную диаметром 525,0 мкм из тех же кристаллов при следующем соотношении ингредиентов в мол.%: твердый раствор AgCl_0,25Br_0,75 92,0 -6,0; иодид серебра 8,0 - 4,0. Техническим результатом является устойчивость к ультрафиолетовому и бета-облучениям с широким диапазоном пропускания в ИК и ТГц области от 3,0 до 27,0 мкм с оптическими потерями на длине волны CO₂ лазера (10,6 мкм) - до 0,18 дБ/м. 1 ил., 3 пр.

Двухслойный галогенидсеребряный инфракрасный световод, включающий сердцевину и оболочку, выполненные из галогенидсеребряных кристаллов твердых растворов системы AgCl – AgBr, отличающийся тем, что сердцевина выполнена диаметром 400,0 мкм из кристаллов твердых растворов состава AgCl_0,25Br_0,75, содержащих иодид серебра, при следующем соотношении ингредиентов в мол.%:

твердый раствор AgCl_0,25Br_0,75 86,0–90,0 иодид серебра 14,0–10,0,

а оболочка изготовлена диаметром 525,0 мкм из тех же кристаллов при следующем соотношении ингредиентов в мол.%:

твердый раствор AgCl_0,25Br_0,75 92,0–96,0 иодид серебра 8,0–4,0