Фотонно-кристаллический световод с большим диаметром поля моды Российский патент 2025 года по МПК G02B6/02 C03C13/04 

Изобретение относится к радиационно-стойким фотонно-кристаллическим световодам для работы на длинах волн 12,0-14,0 мкм, в которых поддерживается одномодовый режим работы.

Космические аппараты, помещенные на борт космического корабля и оснащенные инфракрасными (ИК) световодами с большим диаметром поля моды на основе радиационно-стойких кристаллов системы TlBr_0,46I_0,54 – AgCl_0,25Br_0,75, позволяют проводить мониторинг космического пространства на длинах волн 12,0-14,0 мкм и обеспечивают качественную передачу информации без воздействия протонов космических лучей и электронов, входящих в состав корпускулярного излучения Солнца, на элементы бортовой аппаратуры.

Известен одномодовый кристаллический инфракрасный световод для спектрального диапазона 5,0-30,0 мкм с определённым диаметром сердцевины и оболочки [Патент РФ № 2340920 от 10.12.2008 / Жукова Л.В., Чазов А.И., Примеров Н.В., Корсаков А.С., Жуков В.В.], содержащий твердые растворы хлорид-бромида серебра, легированные йодидом одновалентного таллия в соотношениях ингредиентов в мас. %: хлорид серебра 19,5-15,0, бромид серебра 80,0-82,0, йодид одновалентного таллия 0,5-3,0.

Недостатком данного световода является проникновение в сердцевину внешнего излучения через оболочку вследствие высокой прозрачности данного световода, что приводит к понижению его оптических характеристик.

Известен одномодовый двухслойный кристаллический инфракрасной световод для спектрального диапазона от 2,0 до 50,0 мкм [Патент РФ № 2504806 от 20.01.2014 / Корсаков А.С., Жукова Л.В., Кортов С.В., Врублевский Д.С.], у которого сердцевина выполнена диаметром 10-250 мкм и изготовлена на основе бромида серебра в мас. %: 98,8-65,0 и твердого раствора TlBr_0,46I_0,54 в мас. %: 1,2-35,0, а оболочка диаметром 0,6-1,1 мкм выполнена из тех же кристаллов в мас. %: бромида серебра 99,0-69,5 и твердого раствора 1,0-30,5.

Недостатком аналога является его структура, т.е. наличие только сердцевины и оболочки, не содержащих стержней, за счет этого в световоде одномодовый режим работы поддерживается только за счет механизма полного внутреннего отражения, создавая диаметр поля моды не более 100,0 мкм на длине волны 10,0 мкм.

Наиболее близким техническим решением является инфракрасный световод с большим диаметром поля моды [Патент РФ № 2682603 от 19.03.2019 / Жукова Л.В., Корсаков А.С., Корсаков В.С., Львов А.Е., Лашова А.А.], содержащий сердцевину и оболочку, состоящую из стержней, расположенных в октагональном порядке. При этом сердцевина диаметром 172,0-188,0 мкм, содержит центральный стержень диаметром 13,0-19,0 мкм и восемь стержней того же диаметра расположены в октагональном порядке в оболочке диаметром 0,24-0,26 мм на расстоянии 67,0-69,0 мкм между их центрами. При этом центральный стержень, сердцевина и оболочка, а также стержни в оболочке, выполнены из кристаллов твердых растворов бромида серебра-иодида одновалентного таллия, но различного состава.

Недостатком данного световода является то, что его структура, размеры и расположение стержней в октагональном порядке в оболочке, а также состав всех элементов световода, не позволяют получать одномодовые ИК-световоды с диаметром поля моды больше 180,0 мкм для работы в космических условиях на длинах волн 12,0-14,0 мкм.

Существует проблема по созданию фотонно-кристаллических одномодовых инфракрасных световодов с большим диаметром поля моды до 300,0 мкм для работы в условиях повышенного радиационного фона в качестве волоконно-оптического кабеля передачи излучения на длинах волн 12,0-14,0 мкм.

Проблема решается за счет того, что инфракрасный световод с большим диаметром поля моды, включающий сердцевину и оболочку, состоящую из стержней одного диаметра, отличающийся тем, что сердцевина выполнена диаметром 290-300 мкм, а оболочка выполнена диаметром 1,1-1,2 мм, в которой находятся стержни диаметром 18-20 мкм, расположенные в гексагональном порядке на расстоянии 145-155 мкм между их центрами, при этом стержни выполнены из кристаллов на основе твердых растворов бромид-иодида одновалентного таллия состава TlBr_0,46I_0,54, содержащих хлорид-бромид серебра состава AgCl_0,25Br_0,75 при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

TlBr_0,46I_0,54 8,0 – 12,0; AgCl_0,25Br_0,75 92,0 – 88,0,

при этом сердцевина и оболочка выполнены из кристаллов на основе твердых растворов при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

TlBr_0,46I_0,54 14,0 – 16,0, AgCl_0,25Br_0,75 86,0 – 84,0.

Разработана волоконная структура фотонно-кристаллического одномодового ИК-световода с большим диаметром поля моды от 290,0 до 300,0 мкм для работы в естественных условиях и в условиях повышенного радиационного фона на длинах волн 12,0-14,0 мкм. Методом компьютерного моделирования были подобранны оптимальные режимы получения световода, его структура и состав. ИК-световод изготовлен методом экструзии на основе фото- и радиационностойких кристаллов системы TlBr_0,46I_0,54 – AgCl_0,25Br_0,75. По сердцевине фотонно-кристаллического световода распространяется одна фундаментальная мода низшего порядка, ограниченная запрещенной зоной, по которой не распространяется электромагнитное излучение (см. фиг. 1). На фиг. 1 представлена структура ИК-световода с большим диаметром поля моды MFD = 295,0 ± 5,0 мкм с отсутствующим центральным стержнем, диаметр оболочки световода (D) = 1,15 ± 0,05 мм, стержни в оболочке имеют диаметр d = 19,0 ± 1,0 мкм и расположены в гексагональном порядке на расстоянии Δ = 150,0 ± 5,0 мкм между их центрами.

Применение новых фотонно-кристаллических ИК-световодов для работы в естественных условиях и в условиях повышенного радиационного фона в качестве волоконно-оптического кабеля передачи излучения обусловлено их стойкостью к ультрафиолетовому и ионизирующему воздействию и высокими прочностными характеристиками по сравнению с одномодовыми световодами в прототипе на основе хлорида серебра и иодида одновалентного таллия.

Благодаря совокупности отличительных признаков, а именно сложной структуры ИК-световода, имеющего сердцевину и оболочку с большим показателем преломления (n = 2,178), чем материал стержней, расположенных в гексагональном порядке в оболочке, с меньшим показателем преломления (n=2,153), поддерживается стабильный одномодовый режим работы фотонного световода за счет влияния суперпозиции двух механизмов: фотонных запрещенных зон и полного внутреннего отражения.

ИК-световоды изготавливают методом экструзии (см. примеры) из кристаллов на основе твердых растворов бромид-иодида одновалентного таллия состава TlBr_0,46I_0,54, наличие которого обеспечивает радиационную стойкость к ионизирующему (гамма) облучению до 800 кГр (килогрей) и более.

Пример 1.

Из кристаллов на основе твердых растворов бромид-иодида одновалентного таллия состава TlBr_0,46I_0,54, содержащих хлорид-бромид серебра состава AgCl_0,25Br_0,75 изготовлен световод методом экструзии с диаметром сердцевины 290,0 мкм. Состав сердцевины и оболочки в мас. %:

TlBr_0,46I_0,54 14,0; AgCl_0,25Br_0,75 86,0.

В оболочке световода диаметром 1,1 мм размещены в гексагональном порядке стержни диаметром 18,0 мкм на расстоянии 145,0 мкм между их центрами, имеющие состав в мас. %:

TlBr_0,46I_0,54 8,0; AgCl_0,25Br_0,75 92,0.

Исследование воздействия ионизирующего облучения на свойства световода проводилось на линейном ускорителе электронов УЭЛР-10-10С. При ионизирующем облучении ИК-световода дозой 800 кГр оптико-механические свойства не изменяются. Проведена регистрация выходящего излучения из торца световода. ИК-световод прозрачен в диапазоне от 3,0 до 24,0 мкм. На длине волны 12,0 мкм наблюдается максимальная мощность излучения, что указывает на существование одной фундаментальной моды, т.е. поддерживается одномодовый режим работы ИК-световода.

Пример 2.

Методом экструзии получен радиационно-стойкий световод (доза облучения 900 кГр). Диаметр сердцевина 295,0 мкм. В оболочке диаметром 1,15 мм помещены стержни диаметром 19,0 мкм в гексагональном порядке на расстоянии между их центрами 150,0 мкм. Состав сердцевины и оболочки в мас. %:

TlBr_0,46I_0,54 15,0; AgCl_0,25Br_0,75 85,0.

Стержни, расположенные в оболочке, имеют состав в мас. %:

TlBr_0,46I_0,54 10,0; AgCl_0,25Br_0,75 90,0.

Как в примере 1 провели съемку выходящего излучения из торца световода. На длине волны 13,0 мкм поддерживается одномодовый режим работы световода с большим диаметром поля моды до 300,0 мкм. Световод был подвержен ионизирующему облучению дозой 850 кГр, оптико-механические свойства не изменились, что подтверждает его устойчивость к радиационному излучению и позволяет использовать ИК-световод в космической аппаратуре для мониторинга космического пространства на длинах волн 12,0-14,0 мкм.

Пример 3.

Из кристаллов на основе твердых растворов бромид-иодида одновалентного таллия состава TlBr_0,46I_0,54, содержащих хлорид-бромид серебра состава AgCl_0,25Br_0,75 изготовлен световод методом экструзии с диаметром сердцевины 300,0 мкм. В оболочке диаметром 1,2 мм помещены стержни диаметром 20,0 мкм в гексагональном порядке на расстоянии между их центрами 155,0 мкм.

Состав сердцевины и оболочки в мас. %:

TlBr_0,46I_0,54 16,0; AgCl_0,25Br_0,75 84,0.

Стержни, расположенные в оболочке, имеют состав в мас. %:

TlBr_0,46I_0,54 12,0; AgCl_0,25Br_0,75 88,0.

При ионизирующем облучении дозой 800 кГр оптические и механические свойства световода не изменились. Проведена регистрация выходящего излучения из торца световода на длинах волн от 12,0-14,0 мкм. Световод такой структуры является одномодовым в пределах фундаментальной запрещенной зоны на длине волны 14,0 мкм.

При изготовлении ИК-световода, имеющего состав сердцевины и оболочки менее 14,0 мас. % или более 16,0 мас. % бромид-иодида одновалентного таллия состава TlBr_0,46I_0,54 в твердом растворе хлорид-бромида серебра состава AgCl_0,25Br_0,75 при диаметре сердцевины менее 290,0 или более 300,0 мкм, а также при изготовлении стержней в оболочке диаметром менее 18,0 или более 20,0 мкм при составе стержней менее 8,0 мас. % или более 12,0 мас. % бромид-иодида одновалентного таллия состава TlBr_0,46I_0,54 в твердом растворе хлорид-бромида серебра состава AgCl_0,25Br_0,75, не удается получить одномодовый режим работы ИК-световода на длинах волн 12,0-14,0 мкм. Кроме того, диаметр оболочки не должен быть менее 1,1 мм или более 1,2 мм.

Технический результат

Технический результат изобретения заключается в том, что разработанный фотонно-кристаллический световод с большим диаметром поля моды от 290,0 до 300,0 мкм, изготовленный из кристаллов на основе твердых растворов бромид-иодида одновалентного таллия состава TlBr_0,46I_0,54, содержащих хлорид-бромид серебра состава AgCl_0,25Br_0,75, предназначен для работы в условиях повышенного радиационного фона до 1000 кГр для передачи излучения на длинах волн 12,0-14,0 мкм.

В оболочке световода размещены стержни состава с меньшим показателем преломления, чем сердцевина и оболочка. За счет этого вклад в поддержание фундаментальной моды дают механизм полного внутреннего отражения и механизм фотонных запрещенных зон. Кроме того, основная часть плотности светового потока соответствует диаметру MFD = 295,0 ± 5,0 мкм. Исходя из последнего заданы параметры микроструктуры световода: диаметр стержней в оболочке d = 19,0 ± 1,0 мкм и шаг микроструктуры Δ = 150,0 ± 5,0 мкм, т.е. расстояние между их центрами.

Увеличение диаметра поля моды ИК-световода до 300,0 мкм повышает обнаружительную способность космической бортовой аппаратуры при мониторинге космического пространства на длинах волн 12,0-14,0 мкм. ИК-световод работает в качестве волоконно-оптического кабеля передачи информации. Одномодовость ИК-световода подтверждается интенсивностью выходящего излучения из торца световода.

Изобретение относится к радиационно-стойким фотонно-кристаллическим световодам для работы на длинах волн 12,0-14,0 мкм, в которых поддерживается одномодовый режим работы. Заявленный инфракрасный световод с большим диаметром поля моды включает сердцевину и оболочку, состоящую из стержней одного диаметра. Сердцевина выполнена диаметром 290-300 мкм, а оболочка выполнена диаметром 1,1-1,2 мм, в которой находятся стержни диаметром 18-20 мкм, расположенные в гексагональном порядке на расстоянии 145-155 мкм между их центрами. Причем стержни выполнены из кристаллов на основе твердых растворов бромид-иодида одновалентного таллия состава TlBr_0,46I_0,54, содержащих хлорид-бромид серебра состава AgCl_0,25Br_0,75, а сердцевина и оболочка выполнены из кристаллов на основе твердых растворов. Технический результат - повышение обнаружительной способности космической бортовой аппаратуры при мониторинге космического пространства на длинах волн 12,0-14,0 мкм. 1 ил.

Инфракрасный световод с большим диаметром поля моды, включающий сердцевину и оболочку, состоящую из стержней одного диаметра, отличающийся тем, что сердцевина выполнена диаметром 290-300 мкм, а оболочка выполнена диаметром 1,1-1,2 мм, в которой находятся стержни диаметром 18-20 мкм, расположенные в гексагональном порядке на расстоянии 145-155 мкм между их центрами, при этом стержни выполнены из кристаллов на основе твердых растворов бромид-иодида одновалентного таллия состава TlBr_0,46I_0,54, содержащих хлорид-бромид серебра состава AgCl_0,25Br_0,75, при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

TlBr_0,46I_0,54 8,0-12,0 AgCl_0,25Br_0,75 92,0-88,0,

при этом сердцевина и оболочка выполнены из кристаллов на основе твердых растворов, при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

TlBr_0,46I_0,54 14,0-16,0 AgCl_0,25Br_0,75 86,0-84,0