ОДНОМОДОВЫЙ ИНФРАКРАСНЫЙ СВЕТОВОД С БОЛЬШИМ ДИАМЕТРОМ ПОЛЯ Российский патент 2025 года по МПК G02B6/14 

Изобретение относится к одномодовым инфракрасным (ИК) световодам, предназначенным для доставки оптического сигнала в диапазоне длин волн 8,9-9,9 мкм с большим диаметром поля моды для получения информации о температуре биологического объекта в диапазоне температур 20-50°С в медицинских волоконных тепловизорах и пирометрах.

В качестве источника излучения выступает поверхность биологического объекта: кожа человека, мышечная ткань, хрящевая ткань и прочее, которая нагревается под воздействием лазерного излучения при проведении косметических и хирургических манипуляций. Сгенерированный тепловой сигнал может передаваться по инфракрасным световодам с целью доставки к оптическому приемнику и высокоточному, экспрессному определению температуры нагретого участка без контакта с диагностируемым объектом и вредного воздействия на него. Благодаря применению подобных световодов достигается возможность точечного контроля температуры за счет малой числовой апертуры, слабого влияния внешнего нагрева, возможности передачи энергии высокой интенсивности посредством увеличенного диаметра поля моды, что положительно влияет на точность измерений.

Известен инфракрасный световод с большим диаметром поля моды [Патент РФ №2682603 от 02.04.2018, Инфракрасный световод с большим диаметром поля моды // Жукова Л.В., Корсаков А.С., Корсаков В.С., Львов А.Е., Лашова А.А.], фото- и радиационно стойкий, который состоит из центрального стержня, сердцевины и оболочки, а также стержней в оболочке на основе твердых растворов системы AgBr - TlI, взятых в определенном соотношении и обеспечивающих разный состав элементов структуры. Но этот световод изготовлен из токсичных материалов, что делает невозможным его применение в медицинских приборах, а его структура является более сложной, поскольку обладает октагональной конфигурацией стержней в оболочке, что повышает трудоемкость его изготовления.

Известен инфракрасный световод с большим диаметром поля моды с элементами структуры на основе кристаллов твердых растворов системы AgCl - AgBr [Патент РФ №2634492 от 30.05.2016, Инфракрасный световод с большим диаметром поля моды // Корсаков А.С., Врублевский Д.С., Жукова Л.В., Корсаков В.С., Жуков В.В.], содержащий сердцевину и оболочку, состоящую из стержней, расположенных в гексагональном порядке и предназначенный для минимизации числовой апертуры медицинского CO₂ лазера (длина волны 10,6 мкм). Однако этот световод изготовлен из фоточувствительных, не устойчивых к радиации монокристаллов и разработан для передачи излучения только одной длины волны, что ограничивает срок службы, сокращает количество режимов эксплуатации и возможности применения.

Наиболее близким техническим решением является одномодовый кристаллический инфракрасный световод с элементами структуры на основе твердых растворов хлорид-бромида серебра [Патент РФ №2682563 от 09.04.2018, Одномодовый кристаллический инфракрасный световод // Корсаков А.С., Жукова Л.В., Корсакова Е.А., Лашова А.А., Корсаков М.С.] с сердцевиной диаметром 48,0-52,0 мкм, которая выполнена с центральным стержнем в ней диаметром 11,0-13,0 мкм, а оболочка обладает наружным диаметром 95,0-105,0 мкм с расположенными в ней в гексагональном порядке шестью стержнями диаметром 11,0-13,0 мкм на расстоянии 30,0-32,0 мкм между их центрами. Световод работает в одномодовом режиме на длине волны 5,75 мкм, поэтому применяется в качестве волоконного выхода медицинских СО-лазеров для удаления атеросклеротических бляшек. Но материал, из которого изготовлены элементы структуры, является фоточувствительным и не устойчивым к радиации, что приводит к недолговечности волокон, а световод работает в одномодовом режиме только на одной длине волны, помимо прочего размеры сердцевины волокна малы вследствие чего с их помощью невозможно диагностировать температуру всей нагреваемой области. Это не позволяет использовать световоды данной конструкции в тепловизионных системах, особенно для медицинских целей, где рабочий диапазон длин волн составляет 9-10 мкм, а область воздействия может достигать размеров в сотни микрометров.

Существует проблема получения фотостойкого, устойчивого к радиации одномодового световода с оптимальной структурой для поддержания одномодового режима работы в диапазоне длин волн 8,9-9,9 мкм (температурный диапазон 20-50°С) с большим диаметром сердцевины - более 200 мкм (диаметром поля моды более 200 мкм). Световод предназначен для бесконтактной передачи теплового излучения от биологического объекта нагретого до 20-50°С, то есть в диапазоне длин волн 8,9-9,9мкм, в частности для медицинских волоконных тепловизоров и пирометров.

Решение проблемы достигается за счет одномодового инфракрасного световода с большим диаметром поля моды, включающего сердцевину и оболочку, состоящую из стержней, расположенных в гексагональном порядке, отличающийся тем, что сердцевина диаметром 290-310 мкм содержит центральный стержень диаметром 18-20 мкм, оболочка выполнена диаметром 1,1-1,2 мм, а стержни в оболочке того же диаметра, что и центральный стержень, расположены на расстоянии 145-155 мкм между их центрами в виде двух колец, при этом центральный стержень выполнен из кристаллов твердых растворов бромид-йодида серебра при следующем соотношении компонентов, мас. %

Бромид серебра 78,0-82,0 Йодид серебра 18,0-22,0,

сердцевина и оболочка выполнены из кристаллов твердых растворов при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Бромид серебра 84,0-86,0 Йодид серебра 14,0-16,0,

стержни в оболочке имеют состав при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Бромид серебра 94,0-96,0 Йодид серебра 4,0-6,0

За счет описанной выше конструкции волокна решена задача по получению фотостойкого и устойчивого к радиации световода, работающего в диапазоне длин волн 8,9-9,9 мкм в одномодовом режиме с большим диаметром поля моды, что обеспечивает его долговечность, низкую числовую апертуру и высокую эффективность передачи энергии, то есть повышает точность измерения температуры, а также удобство и безопасность эксплуатации за счет гибкости и нетоксичности волокон на основе монокристаллов системы AgBr - AgI (см. примеры и чертеж). Представленный на чертеже световод с примером распределения излучения на длине волны 9,2 мкм (температура 42°С) передает до 70% ИК излучения с диаметром поля моды 290±5 мкм за счет химического состава и структуры световода с внешним диаметром оболочки D = 1,15±0,05 мм, в которую помещена сердцевина, образованная двумя кольцами стержней, диаметром MFD = 300,0±10,0 мкм с центральным стержнем диаметром 19,0±1,0 мкм и стержнями оболочки того же диаметра, расположенных в гексагональном порядке на расстоянии между их центрами Δ = 150,0±5,0 мкм.

Пример 1

Одномодовый инфракрасный световод изготовлен по методу семистадийной экструзии наружного диаметра 1,1 мм и сердцевиной диаметра 290 мкм, в центр которой помещен стержень диаметром 18 мкм. В оболочке в гексагональном порядке расположены два кольца стержней: шесть в первом кольце на расстоянии 145 мкм между центрами друг друга, двенадцать - во втором на расстоянии 145 мкм между центрами друг друга и центрами ближайших стержней первого кольца. Химический состав элементов структуры световода, мас. %, в случае центрального стержня:

Бромид серебра 78,0 Йодид серебра 22,0,

для сердцевины и оболочки, мас. %:

Бромид серебра 84,0 Йодид серебра 16,0,

в случае стержней в оболочке, мас. %:

Бромид серебра 94,0 Йодид серебра 6,0

Проведена регистрация выходящего излучения нагретого объекта из торца световода в дальнем поле. В качестве источника применялась поверхность, нагретая до 20-50°С и обладающая возможностью перестройки температуры с шагом 2°С в указанном диапазоне. Коэффициент излучения объекта совпадал с аналогичным для кожи человека. Излучение регистрировалось камерой Spiricon, согласно изображению с которой для всех значений температуры (длины волны) характерно распределение энергии, совпадающее с гауссовской функцией, то есть волокно работает в одномодовом режиме. При этом площадь поля моды достигала 17788 мкм² на длине волны 9,9 мкм.

Пример 2

По методу семистадийной экструзии изготовлен одномодовый инфракрасный световод. Структура световода состоит из оболочки диаметром 1,2 мм, в которой размещены стержни диаметром 20 мкм в гексагональном порядке в виде двух колец на расстоянии между центрами соседних стержней 155 мкм. В центре сердцевины расположен стержень диаметром 20 мкм. Элементы структуры световода имеют следующий химический состав, мас. %. Для центрального стержня:

Бромид серебра 82,0 Йодид серебра 18,0,

для сердцевины и оболочки:

Бромид серебра 86,0 Йодид серебра 14,0,

для стержней в оболочке:

Бромид серебра 96,0 Йодид серебра 4,0

Аналогично примеру 1 были зарегистрированы режимы передачи выходящего из торца световода излучения, подтвержден одномодовый режим работы в диапазоне температур 20-50°С с достижением на длине волны 9,9 мкм (20°С) площади поля моды 14612 мкм².

Пример 3

На основе монокристаллов системы AgBr - AgI по методу семистадийной экструзии изготовлен одномодовый инфракрасный световод следующей структуры: оболочка диаметром 1,1 мм, сердцевина - 300 мкм, центральный стержень - 19 мкм, оболочка содержит два кольца стержней диаметром 19 мкм на расстоянии 150 мкм от центров соседних стержней. Химический состав ИК световода, мас. %:

центральный стержень

Бромид серебра 80,0 Йодид серебра 20,0,

сердцевина и оболочка:

Бромид серебра 82,0 Йодид серебра 18,0,

стержни в оболочке:

Бромид серебра 95,2 Йодид серебра 4,8

В качестве источника ИК излучения принималась поверхность переменной в диапазоне 20-50°С температуры, в качестве приёмника - камера Spiricon. Измерение проводилось в дальнем поле. Выходящее из торца световода излучение во всем диапазоне температур имеет вид гауссовской функции, что указывает на существование одной фундаментальной моды. Площадь поля моды при температуре 20°С составила 13685 мкм².

При изготовлении инфракрасных световодов не соответствующих структуре и составам, приведенных в примерах, наблюдается многомодовый режим работы.

Технический результат

Совокупность отличительных признаков в структуре и химическом составе ИК световода по сравнению с прототипом, а именно наличие центрального стержня диаметром 18-20 мкм в сердцевине; оболочке, состоящей из двух колец стержней такого же диаметра, с шагом структуры 145-155 мкм; большим внешним диаметром 1,1-1,2 мм; а также применение фотостойких и нетоксичных материалов системы AgBr - AgI для производства всех перечисленных элементов структуры, позволила получить световод, работающий в одномодовом режиме в широком диапазоне длин волн 8,9-9,9 мкм и обладающий высокой фотостойкостью. Это обеспечивает долговечность и безопасность световода, высокую точность контроля температуры биологических объектов в диапазоне 20-50°С, то есть набор всех необходимых параметров для применения волокон в тепловидении и пирометрии для неинвазивных медицинских технологий, включающих косметические и хирургические процедуры.

Использование: изобретение относится к одномодовым инфракрасным световодам, предназначенным для получения информации о температуре биологического объекта в диапазоне температур 20-50°С в медицинских волоконных тепловизорах и пирометрах. Сущность: световод работает в диапазоне длин волн 8,9-9,9 мкм в одномодовом режиме с большим диаметром поля моды, волокна выполнены на основе монокристаллов системы AgBr - AgI. Представленный на чертеже световод с примером распределения излучения на длине волны 9,2 мкм (температура 42°С) передает до 70% ИК излучения с диаметром поля моды 290±5 мкм за счет химического состава и структуры световода с внешним диаметром оболочки D = 1,15±0,05 мм, в которую помещена сердцевина, образованная двумя кольцами стержней, диаметром MFD = 300,0±10,0 мкм с центральным стержнем диаметром 19,0±1,0 мкм и стержнями оболочки того же диаметра, расположенными в гексагональном порядке на расстоянии между их центрами Δ = 150,0±5,0 мкм. Технический результат: получение световода, обладающего долговечностью, безопасностью и высокой точностью контроля температуры биологических объектов в диапазоне 20-50°С. 1 ил.

Одномодовый инфракрасный световод с большим диаметром поля моды, включающий сердцевину и оболочку, состоящую из стержней, расположенных в гексагональном порядке, отличающийся тем, что сердцевина диаметром 290-310 мкм содержит центральный стержень диаметром 18-20 мкм, оболочка выполнена диаметром 1,1-1,2 мм, а стержни в оболочке того же диаметра, что и центральный стержень, расположены на расстоянии 145-155 мкм между их центрами в виде двух колец, при этом центральный стержень выполнен из кристаллов твердых растворов бромид-йодида серебра при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Бромид серебра 78,0-82,0 Йодид серебра 18,0-22,0,

сердцевина и оболочка выполнены из кристаллов твердых растворов при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Бромид серебра 84,0-86,0 Йодид серебра 14,0-16,0,

стержни в оболочке имеют состав при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Бромид серебра 94,0-96,0 Йодид серебра 4,0-6,0