Волоконные световоды среднего инфракрасного диапазона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

российская академия наук

НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ВШКШНШ' ОПТИКИ при ИНСТИТУТЕ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

р -" г Л

- О ^ 1395

На правах рукописи удк 535.8.32.34.36 535.15 Р10:ббб.189.211

1ШОТНИЧЕНКО ВИКТОР ГЕННАДИЕВИЧ ВОЛОКОННЫЕ СВЕ10В0Д1 СРЕДНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА

(oi.o4.io - физика полуп]эр§£>дников в диэлектриков)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в форме научного доклада

МоСКВа, 1995 г.

)

Работа выполнена в Научном центре волоконной оптики при Институте общей физики РАН

Официальные оппоненты: 1. ЕЕЛАНОВ Анатолий Семенович

профессор, доктор физ.-мат. нау!

2. МАКСИМОВ Георгий Артурович профессор, доктор химических на;

3. НЕУСТРУЕВ Владимир Борисович доктор физ.-мат. наук

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники :

№

Защита состоится "Ау" ис? 1995 г. в № час на заседании Специализированного совета № 1 (Д.ооз.49. Института общей физики Российской Академии Наук по адресу Москва В-ззз, ул. Вавилова, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ Р Доклад разослан »//» 02 1995 Г.

Ученый секретарь Специализированного совета профессор, доктор физ.-мат. наук ^^^МЛ^'С—

ИЕИСОВА Н.М

ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ СРЕДНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА

содержание

I. ВВЕДЕНИЕ 2

:1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. 4

:1. МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОКОПРОЗРАЧНЫХ ИК-МАТЕРИАЛОВ И ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ НА ИХ ОСНОВЕ. 13

1. Измерение коэффициентов поглощения в объемных образцах ИК-материалов. 13

2. Методика измерения оптических потерь в ИК волоконных световодах. 19

:ч. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОПРОЗРАЧНЫХ

ИК-МАТЕРИАЛОВ И ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ НА ИХ ОСНОВЕ. 22

1. Собственные оптические потери и дисперсия показателя преломления. 22

2. Исследование объемного и поверхностного поглощений '

в высокопрозрачных ИК-материалов. 31

3. Вклад примесных полос поглощения в оптические потери

в среднем ИК-диапазоне. 35

4. Исследование оптических характеристик и прочности ИК

ВОЛОКОННЫХ СВеТОВОДОВ. 46

5. Одномодовые световоды из халькогенидных стекол. б б V. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИК-СВЕГОВОДОВ. 69 п. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ. 77 [I. ЛИТЕРАТУРА. 81

i. введение.

Волоконная оптика постепенно становится неотъемлемой ча научно-технического прогресса наравне с такими направлениями лазерная техника и микроэлектроника. Успехи волоконной оптики < ли возможны в первую очередь благодаря разработке особочистых 1 нологий изготовления волоконных световодов с низкими оптичес: потерями на основе кварцевого стекла.

Такие световоды находят широкое применение в различных ли телефонной или компьютерной оптической связи, в кабельном тел дении, в медицине, в разнообразных волоконно-оптических датчик; во многих других специальных применениях. Область малых оптиче потерь, а следовательно и область наиболее эффективного испол: вания кварцевых световодов простирается от 0,4-0,5 до 1,8-2,0 i

Новые области использования, а зачастую и значительное pai рение уже имеющихся областей, могут дать волоконные световода других материалов, у которых область высокой прозрачности (ни: оптических потерь) сдвинута в более длинноволновый по сравнен] кварцевыми стеклами - средний инфракрасный (ИК) диапазон cnei (от 2 до 25 мкм). Хотя первые работы по получению волоконных < товодов из таких материалов (ИК-световодов) были выполнены еп начале бох годов [1,2], всплеск интереса к ним произошел в к< 7ох, когда в волоконных световодах на основе кварцевого стекла ли достигнуты близкие к предельно возможным для них (o,is дБ/кг длине волны 1,55 мкм) оптические потери (они показаны на рис.: когда часть разработчиков кварцевых световодов переключилась изучение других классов высокопрозрачных твердотельных материа. Благодаря работам [3-5] начался целенаправленный поиск матери; с наиболее низкими собственными оптическими потерями, а также \ работка методов очистки и способов получения из них световодов,

- г -

УФ Вшмым Инфракрасным

Рис.1. Спектральная зависимость собственных оптических-потерь в волоконных световодах из кварцевого стекла.

^,55 Л,мкм

Согласно выполненным к настоящему времени оценкам собственные элтические потери в некоторых классах ИК-материалов, к которым в первую очередь можно отнести кристаллы галогенидов таллия, серебра я щелочных металлов, а также халькогенидные и галогенидные стекла, иогут быть на i-з порядка ниже, чем в кварцевых стеклах. Создание ПК-световодов со столь низкими оптическими потерями может сделать к конкурентно способными по сравнению с кварцевыми в наиболее

i

зажной области использования световодов - волоконно оптической звязи на сверхдальние расстояния. Это обстоятельство обусловливает эсобый интерес к ИК-световодам. На базе активированных редкоземельными ионами Ж-световодов надеется также создать высокоэффективные лазеры, усилители и преобразователи Ж излучения.

Разработанные к настоящему времени ИК-световоды уже начинают -использоваться в системах тепловидения, низкотемпературной шгро-< летрии, газового контроля, в дистанционной ИК-спектроскопии, а также для передачи излучения мощных ИК-лазеров, таких как df-, if-, yag:Er-, со- и со2-лазеры, для медицинских и технологических хелей. На базе ИК-световодов возможно создание волоконно-оптичес-шх датчиков различных физических полей (температуры, давления, мещения и др.) с еще более высокой чувствительностью, чем датчики

со световодами из кварцевых стекол.

Рост интереса к проблеме разработки ИК-световодов хорошо слеживается по увеличению количества научных публикаций по тематике, которых к настоящему времени насчитывается уже неско десятков тысяч. Особенно широко исследования проводятся в США, глии, Франции и Японии. Несколько фирм (к примеру, infrared в Systems И Amorphous Materials В США И Le Verre Pluore ВО ФраЕ

выпускают ИК волоконные световоды на продажу. С i98i года щ: дятся специализированные международные конференции по ИК-свеа дам, а в обычных конференциях по проблемам волоконной оптики г тают секции, посвященные свойствам ИК-световодов.

ii. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Исследования по теме данной работы были начаты в 1977 году, гда в отечественной литературе отсутствовали сообщения о разрг ке и исследовании свойств световодов среднего инфракрасного да зона, а в иностранной литературе имелось лишь несколько сообп о получении волоконных световодов из халькогенидных стекол [i, о выращивании монокристаллических волокон из kci [6]. Не были достаточно развиты методы измерения оптических характеристик i копрозрачных твердотельных материалов в среднем ИК-диапазоне. сутствовали публикации, посвященные метрологии ИК-световодов.

Поэтому целью данной работы было исследование механизмов с ческих потерь в высокопрозрачных в среднем ИК-диапазоне тве тельных материалах, а также в световодах на их основе в рамказ лее общей задачи - разработки ИК волоконных световодов с мг оптическими потерями, пригодных для практических применений.

Разработка волоконных световодов с малыми оптическими по; ми связана с решением следувдих основных проблем:

- проблемой получения исходных веществ особой чистоты и

- проблемой изготовления из них волоконных световодов с необходимыми характеристиками (такими как оптические потери, числовая апертура, диаметр, длина, прочность и др.).

Успешное решение этих проблем было невозможно без создания высокочувствительных методик измерения уровня оптических потерь как в исходных материалах, так и в самих световодах, а также без понимания вклада различных механизмов в оптические потери в них.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие конкретные задачи:

1.Разработать прецизионные методики измерения в среднем ИК-диапа-зоне оптических потерь (на уровне ю-4-ю-6 см-1 с точностью ю - 20 %) и показателя преломления (п < з,5 с точностью не хуже ю-3) в высокопрозрачных твердотельных материалах.

2.Разработать прецизионные методики измерения апертуры, оптических потерь и прочности ИК волоконных световодов.

3.Изучить механизмы собственных и несобственных оптических потерь и спектральную зависимость материальной дисперсии в ИК-материа-лах с целью оценки уровня минимально достижимых оптических потерь в них и выбора наиболее перспективных материалов для получения ИК-световодов для различных применений.

4.Разработать лабораторные методы получения Ж волоконных световодов, пригодных для различных практических щжменений.

5.Выяснить вклад различных механизмов в оптические потери в разрабатываемых ИК-световодах и влияние различных технологических параметров и параметров окружавшей среды на оптические потери с целью снижения их до минимально возможного уровня.

6.Определить возможность применения разрабатываемых ИК-световодов в различных областях науки и техники.

Отметим, что технологическая часть работ по разработке ИК-ма териалов и световодов на их основе, которые исследованы в данно работе, выполнялась, в основном, в Институте химии высокочисты веществ РАН, в ГИРЕДМЕГе, в НИИТСе и ИОФ РАН.

Методы исследования. Измерения оптических потерь в объемны образцах и волоконных световодах проводились методами абсорбцион ной, излучательной, калориметрической и фотоакустической спектрос копии на автоматизированных с помощью рс 1вм экспериментальных ус тановках с использованием спектрометров ИКС-29, ЖС-зг и мощны инфракрасных уав:ш3+-, уас:ег3+-, со- и со2-лазеров. Спектральна зависимость показателя преломления измерялась на фурье спектромет ре 1Р5-изу. Исследования прочности ИК-световодов выполнялись ме тодом двухточечного изгиба. В качестве вспомогательных методик работе использовались рентгеновский микроанализ, лазерная ультра микроскопия, рзлеевское и манделыптамм-бриллюэновское рассеяние, также гамма актквационный анализ, эмиссионный спектральный аналн и газовая хроматография.

Практическая ценность настоящей работы заключается в следующем

1. Созданная спектральная аппаратура и методики измерения опти ческих потерь и показателя преломления высокопрозрачных тверда тельных материалов в среднем ИК-диапазоне, а также основных опта ческих характеристик ИК волоконных световодов могут быть использо ваны для метрологических и аналитических целей при получении ИК материалов и волоконных световодов.

2. Выработанные на основе проведенных исследований рекомендаци

позволили:

- снизить объемное поглощение в монокристаллах галогенидов таллк (совместно с ГИРЕДМЕТ) и халькогенидных стеклах (совместно с ИХЕ РАН) более чем на два порядка (с кГ2-ю~3 см-1 до ю-4-1<Гбсм-1)

- получить двухслойные монокристаллические волоконные световоды а основе галогенидов таллия и цезия с оптическими потерями на ровне i дБ/м (совместно с ГИРЕДМЕТ и НИИТС), а также однослойные двухслойные световоды из халькогенидных стекол с минимальными птическими потерями менее зо дБ/км (совместно с ИХВВ РАН).

3. Разработанные ИК-световода на основе халькогенидных стекол нс-эльзуются во многих научных исследованиях, а также испытываются в истемах низкотемпературной пирометрии, газового анализа, в медиане и для других специальных применений.

4. Полученные результаты по исследованию оптических характеристик прочности Ж волоконных световодов.из различных материалов необ-эдимо учитывать при дальнейшей разработке ИК-свеговодов с малыми птическими потерями и при их практическом использовании.

Аппробация работы. Результаты работы докладывались на Всесоюзах конференциях "Методы получения и анализа высокочистых веществ" [•.Горький, 1978, 1980, 1982, 1985 И 1988 ГГ.), ВС6С0ЮЗНЫХ КОНфе-знциях "Оптика лазеров" (г.Ленинград, i980 и 1984 гг.), Всесоюз-эй конференции "Волоконно-оптические линии связи-78" (г.Москва, Э78 г.), Всесоюзных конференциях "Стеклообразные полупроводники" [\Ленинград, 1Э85 г.) и "Тройные полупроводники и их применение", г\Кишинев, 1987 г.), Мездународных конференциях "Аморфные полу-роводники" (Пардубице, ЧССР, 1978 г., Габрово, НРБ, 1984 г.), Ме-задународных конференциях Общества инженеров-оптиков по ик-мате-юлам и световодам на их основе (г.Бостон, США, 1986, 1987, 1989, 590, 1991 и 1992 гг.), Мевдународной конференции "Лазеры и медиана" (г.Ташкент, 1989 г.), 5-ой Международной конференции по гэ-здным стеклам (Сусоно, Япония, 1988 г.), 5-ой Мевдународной школе з физике конденсированного состояния (Варна, Болгария, 1988 г.),

Международном конгрессе по стеклу (Ленинград, 1989 г.), 4-ой Ме дународной конференции по физике инфракрасного диапазона (Цюри Швейцария, 1988 г.), 8-ом Международном симпозиуме по галидв стеклам (Перрос-Гирек, Франция, 1992 г.) и 9-ом Международном сн позиуме по неоксидным стеклам (Хангжу, КНР, 1994 г.). Результат полученные в диссертации, содержатся в чп научных публикациях, и речисленных в списке литературы, и 5 авторских свидетельствах. С новные результаты содержатся также в 29 докладах на отечественв и международных конференциях, перечисленных выше.

Полученные в работе результаты можно разделить на три осно ные группы*.

1. Создание аппаратуры и методик фотометрических измерений спек ральных зависимостей оптических потерь и показателя преломлен в среднем ИК-диапазоне в высокопрозрачных твердотельных матер алах и волоконных световодах на их основе.

2. Получение Ж-световодов и исходных материалов для них с рекор ными характеристиками. Исследование возможности использован ИК-световодов в различных областях науки, техники и медицины.

3. Получение с помощью созданной аппаратуры и методик измерен новых данных по оптическим характеристикам высокопрозрачных И материалов и волоконных световодов на их основе.

Более конкретно для каждой группы результата

По первой группе:

1.1. Создана автоматизированная фотометрическая установка д измерения спектров пропускания образцов высокопрозрачных тверд тельных материалов в диапазоне длин волн от i до 20 мкм. При дли образцов в 250 мм установка позволяет исследовать примесные поло

—4 —Ч —1

поглощения с чувствительностью на уровне i-ю - 2-10 см .

1.2. Создана автоматизированная установка по измерению спект->в излучения твердотельных образцов в диапазоне длин волн от 1 до ) мкм. Установка позволяет измерять суммарный коэффициент погло-зния образцов твердотельных материалов длиной до ю см с чувстви-эльностыо не хуже 1-ю-3 в диапазоне длин волн 4-16 мкм и ю-4 в диапазоне 5-9 мкм при температуре образца более юо°с и юктральном разрешении в о,о7 мкм. При спектральном разрешении в мкм и более высоких температурах исследуемых образцов чувстви-зльность измерений может быть повышена примерно на два порядка.

1.3. Создана высокочувствительная установка для раздельного змерения спектральных зависимостей коэффициентов объемного и по-зрхностного поглощения образцов твердотельных материалов методом ша0этической лазерной калориметрии. Использование в установке заработанных конструкций мощных перестраиваемых по длинам волн ззеров на окиси (5,3-6,2 мкм> и двуокиси (9,2-и,з мкм) углерода )зволило измерять в области их перестройки коэффициенты поверх-

_ с

зстного и объемного поглощений с чувствительностью не хуже 1-ю

с _ 1

1-ю см , соответственно.

1.4. Создана высокочувствительная установка для измерения ко-(фициентов объемного и поверхностного поглощения твердотельных зтериалов лазерным фотоакустическим методом. При мощности излуче-1я используемого лазера в 1 Вт установка позволяет измерять при жнатной температуре коэффициенты объемного и поверхностного пог-' зщения с чувствительностью не хуже 2-ю~б см-1 и 2-ю~б, соответ-свенно.

1.5. Создана методика определения спектральной зависимости «азателя преломления твердотельных материалов в области их высо-й прозрачности, основанная на анализе интерференции в спектрах

пускания плоскопараллельных пластин из исследуемых материалов.

Разработан метод математической обработки интерференционных спек: ров, позволяющий определить абсолютный номер максимума интерфере] ции, а затем показатель преломления материала (с точностью , ю-3- ю-4) во всем спектральном диапазоне измерений. Измере: спектральная зависимость показателя преломления различных состав халькогенидных и фторидных стекол.

1.6. Разработана методика определения коэффициентов Селмейе для экстраполяции спектральных зависимостей показателя преломлен твердотельных материалов в области их высокой прозрачности. Найд ны коэффициенты Селмейера для некоторых стеклообразных (as2s

ИКС—25, ИКС—29, ZBLAN. Ge02 И Др. ) И КрИСТаЛЛИЧвСКИХ (AgCl, Cs

krs-5, krs-6 и др.) инфракрасных материалов, что позволило уте нить значения длины волны нулевой материальной дисперсии, a raí спектральные зависимости дисперсии, материальной дисперсии и i клона материальной дисперсии для этих материалов.

1.7. Разработана методика измерения спектров полных оптич! ких потерь в инфракрасных волоконных световодах в диапазоне д

ВОЛН ОТ 2 ДО 25 МКМ.

По второй группе:

2.1. в результате проведенных исследований впервые получен - монокристаллы галогенидов таллия с объемным поглощением

ю дБ/км на длинах волн излучения СО и С02-лазеров (совмести* ГИРЕДМЕГ),

- халькогенидные стекла As2Se3 с объемным поглощением в дБ/км в области излучения СО лазера (совместно с ИХВВ РАН ).

2.2. и разработаны методы получения:

- однослойных и двухслойных монокристаллических волош световодов с полными оптическими потерями на уровне i дБ/м на нах волн СО и С02 лазеров (совместно с НИИТС и ГИРЕДМЕГ),

- однослойных и двухслойных световодов из халькогенидных гекол с оптическими потерями менее зо дБ/км в диапазоне длин волн ,з - 2,6 мкм (совместно с ИХВВ РАН).

2.3. На примере стекол системы Аэ-Бе изучена возможность из-этовления волоконных световодов из заготовок, получаемых из высо->чистых летучих неорганических гидридов послойным осаждением элькогенидных стекол внутри стеклянной или полимерной опорной зубки (совместно с ИХВВ РАН).

2.4. Исследована возможность использования ИК-волоконных све-эводов из различных материалов в оптической пирометрии. Создан зкет волоконного низкотемпературного пирометра, работающего в ди-1азоне длин волн от 2 до 8 мкм, позволяющего при длине световода э 2х метров и использовании неохлаадаемых приемников излучения змерять температуру нагретых тел от 40 до юо°С с точностью в 1 радус и в 1-2 % для более высоких температур.

2.5. Исследована возможность использования' ИК-световодов для зредачи излучения мощных ИК-лазеров для медицинских и технологи-зских целей. Через монокристаллические световоды передано непре-авное излучение СО- и С02-лазеров мощностью в 15Вт, а через халь-эгенидные световоды - излучение СО-лазера мощностью в ю Вт и изучение импульсного УАб:Ег3+-лазера с плотностью мощности 150-200

9 2

ж/см и интенсивностью в максимуме в 1,5 МВт/см .

2.6. Изучена возможность использования ИК-световодов в систе-ах аналитической ИК-спектроскопии твердых, жидких и газообразных еществ, в частности в системах дистанционного контроля содержания есислов азота и углерода в окружающей атмосфере.

о третьей группе:

3.1. Исследовано влияние на оптические потери в высокочистых алькогенидных стеклах и световодах на их основе в среднем ИК-диа-

пазоне основных поглощающих примесей, таких как водород-, углерс и кислородсодержащие комплексы, и определены параметры соотвек вугацих им полос поглощения (частота, полуширина, форма). Найде коэффициенты экстинкции для полос поглощения примесных моле! аэ2о3 и н2бе в стеклообразном эе, молекул н2э и н2бе соответстве но в стеклообразных сульфиде и селениде мышьяка.

3.2. Исследовано примесное поглощение введенных в высокочисч кристаллы галогенидов таллия комплексов бо^Г со^Г Ш3 и н2о. Ощ делены параметры полос поглощения и коэффициенты экстинкции } полос поглощения одной из основных примесей - иона ю~. Показа! что для достижения оптических потерь, менее юо дБ/км в световод из кристаллов галогенидов таллия в области излучения мощных С0-С02-лазеров концентрация этого иона должна быть ниже 1-ю"5 вес.

з.з Исследовано влияние на оптические потери и прочность г изгибе волоконных световодов из халькогенидных стекол с различив полимерными покрытиями. Показано, что наилучшим классом мaтepиaJ для однослойных волоконных световодов из ХС, объединяющим свойсз как отражающей оболочки, так и защитного покрытия, являются фтог пласты. Нанесение на однослойные световоды из сульфидных стек покрытия из фторопласта Ф-42 толщиной 10-15 мкм позволяет сохр нить среднюю прочность при изгибе световодов диаметром 300-400 к на уровне 700-900 МПа при дополнительных оптических потерях 0,1-0,7 дБ/м в диапазоне длин волн 2-6,5 мкм.

3.4. Исследована спектральная зависимость и кинетика обрат мых фотоиндуцированных оптических потерь (в среднем ИК-диапазон в волоконных световодах из халькогенидных стекол различного сост ва. Показано, что этот вид потерь имеет экспоненциальную завис мость от длины волны, при этом константа в показателе экспонен зависит от ширины запрещенной зоны стекла. Наибольшей фоточувств

льностыо халькогенидные световоды обладают в спектральном интер-1ле вблизи длины волны, соответствующей ширине запрещенной зоны. |йденная зависимость объяснена Соколовым В.О. и Сулимовым В.Б. на 1зе модели, использущей представление о критических потенциалах.

з.5. Выполнена оценка чувствительности ИК-световодов в датчи-IX различных физических полей. Показана перспективность использо-1ния в фазовых волоконно-оптических датчиках давления и темпера-•ры волоконных световодов из различных ИК-материалов.

:1. МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫС0К0ПР03РАЧНЫХ ИК-МАТЕРИАЛОВ И ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ НА ИХ ОСНОВЕ.

:1.1. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПОГЛОЩЕНИЯ В ОБЪЕМНЫХ ОБРАЗЦАХ ИК-МАТЕРИАЛОВ.

Метод спектроскопии пропускания с использованием выпускаемых :ечественной промышленностью приборов позволяет измерять козффи-сент пропускания твердотельных образцов толщиной в несколько см с (чностыо не выше х%, что соответствует чувствительности метода >и определении оптических потерь около 1 дБ/м (2-ю~3см-1). Этого ¡но недостаточно для изучения высокопрозрачных материалов для во-жонной оптики. Поэтому нами была создана автоматизированная мет-»логическая установка на базе однолучевого вакуумного спектромет-1 ИКС-31 и приставки для длинных образцов ИСДО-76, которая позво-¡ла измерять спектры пропускания твердотельных образцов длиной до ¡о мм (при двойном прохождении через них излучения) и исследовать диапазоне длин волн от 1,5 до го мкм примесные полосы поглощения чувствительностью на уровне 1-ю-4- 1-ю-5см-1 (50 - ю дБ/км) асчет поглощения /з(а.) в исследуемых образцах проводился по выра-нию: э(а) = + 2ев = ю1од{1х(ь1)/1л(ь2)}/[ь1 - ь2), (1)

где р и 0В - коэффициенты объемного и поверхностного поглощения образца, а ^(Ц) и 1х(ь2) - интенсивность излучения, прошедшего через длинный и короткий образцы материала, соответственно.

Зта ке установка использовалась нами для измерения излучатель-ной способности Еа(Т) твердотельных образцов [7*.8*], которая е случае высокоцрозрачных материалов следующим образом связана с коэффициентами поглощения: ЕЛ(Т)= Запись спектров излучения позволила измерять суммарный коэффициент поглощения образцов твердотельных материалов длиной до ю см с чувствительностью не хуке

—3 __—4

1-ю ° в диапазоне длин волн 4 — 16 мкм и з-ю в диапазоне 5-9 мкм (что соответствует 1-ю-4 см-1- и 3-ю-5 см-1 для случая чисто объемного поглощения) при температуре образца более юо °С и спектральном разрешении, в 0,07 мкм. При спектральном разрешении в 1 мкм и более высоких температурах исследуемых образцов чувствительность измерений могла быть повышена примерно на два порядка. На рис.2 показаны результаты измерения поглощения в одном и том же образце, выполненные с использованием промышленного спектрометра ИКС-29 и созданной нами установки.

/

Рис.2. Спектры пропускания образца Т1С1 длиной б см, измеренные на спектрометре ИКС-29 (1) и созданной нами установке (2), а также спектральные зависимости поглощения в этом образце, полученные методом излуча-тельной спектроскопии при

температурах 200 (з) и

100°С (4) [7*].

—I—|—I—I—I—|—I—|—I—1—I—1-

ч б 8 Ю Я Н 16 Л, МКМ

Для раздельного измерения коэффициентов объемного и поверхност-юго поглощения мы использовали метод адиабатической лазерной ка-юриметрии, высокая чувствительность которого достигается как за ¡чет применения монохроматических источников излучения большой мо-[ности (обычно от о,1 до юо Вт), так и чувствительных индикаторов •емпературы. Совмещение же конструкций мощных перестраиваемых по [линам волн лазеров на окиси [9*—12*] и двуокиси углерода с возмо-сностями калориметрического метода позволило измерять в области [ерестройки этих лазеров (5>з-б,2 мкм и 9,2-10,9 мкм) спектральные (ависимости объемного и поверхностного поглощений в Еысокопрозрач-их ИК-материалах с чувствительностью не хуже 2-ю-6 см-1 и 1-ю-5 юответственно [i3*-is*]. Ранее такие измерения были выполнены для кристаллов Nací и kci с использованием С02-лазера [19,20].

Перестраиваемый СО-лазер позволял получать генерацию на более гем 90 колебательно-вращательных переходах с мощностью в линии от 1,01 до 2,0 Вт, а С02-лазер - более 70 линий генерации мощностью it 0,1 до го Вт. Поскольку область перестройки СО-лазера совпадает : областью минимальных оптических потерь в халькогенидных стеклах, i С02-лазера - с областью малых оптических потерь в кристаллах га-югенидов серебра, таллия и цезия, такие измерения, несмотря на их юлыпую сложность, могут быть исключительно полезными при разра-ютке различных технологий получения высокопрозрачных ИК-материа-юв. Схема экспериментальной установки для измерения спектральных ¡ависимостей коэффициентов объемного и поверхностного поглощения шзерным калориметрическим методом приведена на рис.з.

Для правильного расчета коэффициентов поглощения из калоримет-жческой кривой нагрева необходимо знание влияния на ее вид геометрических и теплофизических параметров исследуемого образца, коэффициента его теплообмена с окружающей средой и соотношения между

объемным и поверхностным поглощением. Теоретическое рассмотрение задачи определения коэффициентов поглощения из калориметрических измерений основывается на анализе уравнения теплопроводности:

с. начальным

6Т(г,1;)/^ = + д(гД)/о р,

Т(г^) « Т , Ъ * О,

(2) (3)

И граничным условиями квТ(Г^)/8п + Н[Т(г^)-То]8 = О, (4)

где т(г,-ь) - температура в точке г образца в момент времени ь, д(г,ь)~ плотность тепловых источников внутри образца, т - температура окружащей среды, а=к/ср- коэффициент температуропроводности, к - теплопроводность, с - теплоемкость, ар- плотность образца.

1"

2Г

- -^Чк

а-

г/-^- ......—Ф

I». Аз'

Рис.з. Схема установки для измерения коэффициентов объемного ] поверхностного поглощения в высокопрозрачных • ИК-материалах калориметрическим методом: 1,1'- перестраиваемые*' СО- и С02-лазеры 1'- юстировочный не-ие-лазер; 2,2^2'- зеркала; з,8 - линзы; 4 ■ модулятор; 5 - монохроматор; 6 - приемник излучения; 7,12 - самописцы; э - термопары; ю- измерительная камера с образцами; и • усилитель; 13 - измеритель мощности [16*].

Обычно расчет кривых нагрева образцов при прохождении чере: них лазерного излучения выполняется путем упрощения формулы общег< решения уравнения теплопроводности в предположении малости коэффи циента теплообмена и возможно лишь при условии симметрии задач относительно оси образца. Нами предложен другой подход, основанны

на численном решении уравнений (2)-(4) с использованием локально-одномерного метода переменных направлений [21], что позволило рассчитывать температурное распределение внутри образца и на его поверхности цри известнбм ее начальном распределении [22?гз*]. При таком подходе нет необходимости накладывать ограничения на форму образца, вид функции тепловых источников д(г,1г) или величину коэффициента теплообмена н.

Выполненные расчеты и эксперименты позволили найти оптимальные размеры образцов различных ИК-материалов и условия раздельного измерения коэффициентов объемного и поверхностного поглощения в них. Было также показано, что метод лазерной калориметрии можно использовать для исследования постоянства коэффициента объемного поглощения по сечении и длине (см. рис.4) цилиндрических образцов (заготовок для волоконных световодов) или постоянства полного коэффициента поглощения по сечению тонких образцов (лазерных окон) [24*]

Для надежного разделения объемного и поверхностного поглощений калориметрическим методом необходимы образцы, длина которых должна составлять от 4 до ю см и превышать в 4-6 раз их диаметр. Изготовление таких образцов из некоторых материалов часто либо

Р I ■ I . I

Ю 30 50

т—I-1—I—I—1-[-III

т—г—г

Рис.4. Результаты измерения коэффициента объемного поглощения по длине (а) и сечению (б) образца крис-

-8-4 0 4 8 е1,мм

связано с рядом технологических трудностей, либо нецелесообразно Поэтому для образцов в виде пластин толщиной в несколько мм (в чг стности лазерных окон) мы использовали фотоакустическую методик! в которой регистрируется изменение давления Др газа, находящегос в контакте с исследуемым образцом [25]:

Др = АР{105+(1+1)М/зу/2}/П(кср)1/2,

где р и п - мощность и частота модуляции проходящего излученш д-константа, зависящая от конструкции ячейки и свойств заполнящс го ее газа, ц = (2к/срП)1/2- длина тепловой диффузии, а к, сир теплопроводность, теплоемкость и плотность исследуемого материале В общем случае, когда вклады поверхностного и объемного поглс щений в измеряемый сигнал сравнимы, т.е. при частотная зг

висимость Др(п) имеет вид: п-ь, где 1аЪз1,5, при этом ь=1 соотвеч ствует чисто объемному (эу» р3/д), а ь=з/2 - чисто поверхностно» (р « ц/з ) поглощению. Из выражения (5) видно также, что фазовь

8 V

сдвиг между измеряемым сигналом и проходящим через образец излз чением изменяется от эо°(объемное поглощение) до 45°(поверхности: поглощение). Схемы использованной нами и стандартной фотоакуси ческих ячеек, а также частотная зависимость измеряемого сигнао 1(£2), показаны на рис.5. Конструкция использованной нами ячейга

которая была предложена в [27] для измерения поглощения излучеш

з+ л

ТАв-ш -лазера, позволила как устранить интерференционные эффект

на параллельных поверхностях исследованных образцов, так и провс

Дить раздельное измерение поглощения вблизи кавдой из этих поверз

ностей [26*]. В случае использования обычной ячейки вклад в изые

ряемый сигнал, как видно из рис.5, вносят внутренние поверхност

обоих окон, что затрудняет интерпретацию получаемых результатов.

При мощности проходящего через образец излучения лазера в 1 I

установка позволяла измерять при комнатной температуре коэффищш

и объемного и поверхностного поглощения в диапазоне значений ю ■ 1<гб см-1 (для в) и ю-1- 1<Гб (для /зя) [26*].

100:

10

1

•г

\

Ь

\

si

Й

\

\

\

\

\

№

гттП-

100

Рис.5, схеш стандартной (а) и ис-ользованной нами (б) фотоакустических ячеек для раздельного изме-ения коэффициентов объемного и поверхностного поглощений высоко-розрачных ИК-материалов: 1,2 - исследуемые образцы, з - корпус :чейки, 4 - измерительный микрофон, 5 - призма для ввода излуче-ия. Справа приведена частотная зависимость интенсивности фотоаку-тического сигнала х(п) для образца халькогенидного стекла as_s, с

_1 _з * z j

v=0,81+0,04 CM И Э3=(0,9±0,1)-10 [26 ].

11.2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В ИК ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ.

Методы измерения оптических потерь в волоконных световодах в идимом и ближнем ИК-диапазонах детально развиты и используются олее 20 лет, что значительно облегчает аналогичную задачу для Сове длинноволнового диапазона. Однако прецизионные оптические из-:ерения в среднем ИК-диапазоне сопряжены с рядом экспериментальных рудноетей, связанных с отсутствием как мощных источников широко-олосного ИК-излучения, так и высокочувствительных приемников, равнимых по своим параметрам с источниками и приемниками видимого

и ближнего ИК-диапазонов. Кроме того еще не разработаны оптически элементы для ввода в ИК-световоды и вывода из них излучения, связи с этим используется зеркальная оптика, которая имеет мног недостатков. Дополнительные осложнения возникают из-за сильног поглощения излучения атмосферными парами воды и молекулами углеки слого газа, для исключения которого требуется вакуумирование спер тральных приборов. Применение ЭВМ и современной элементной баг

позволяет в 'значительной мере преодолеть эти трудности.

)

Экспериментальная установка для спектральных измерений полнь оптических потерь в волоконных ИК-световодах |28*-3i*] состояла i однолучевого вакуумируемого спектрометра ИКС-31 (от i до 25 мю или монохроматора МДР-12 (от 0,2 до г мкм) и вычислительного кош лекеа, включающего■хвм-совместимый компьютер с устройствами ото( ражения и вывода информации и комплект специально разработанш' модулей для управления спектрометром, съема и обработки исследу! мых сигналов. В качестве источника излучения использовались лам накаливания с галогенным циклом и кварцевой колбой или глобар, и таемые от стабилизированного источника тока. Излучение источник прошедшее через модулятор, подавалось на монохроматор, после кот poro оно фокусировалось эллиптическим зеркалом на входной тор световода. Прошедший через световод сигнал собирался сферическ зеркалом на приемник ИК-излучения, в качестве которого в зависим сти от диапазона измерений мы использовали кремниевый или герман евый фотодиоды, болометр или охлаждаемые приемники на основе m или ндсате. Входной и выходной торцы световода юстировались да ы ксимуму проходящего через световод сигнала при помощи прецизионн трехкоординатных подвижек, запись спектров выполнялась по точкам заданным шагом сканирования по длине волны или по частоте. Поле оптические потери Э(Х) в световоде рассчитывались с помощью ЭВМ

формуле (1).

На точность измерения оптических потерь кроме параметров экспериментальной установки сильно влияет длина световода. На рис.6 представлена зависимость относительной погрешности измерения оптических потерь от ослабления сигнала в отламываемом куске световода. При расчете данной зависимости предполагалось, что погрешность юстировки торцов не превышала 1%, а отношение сигнал/шум тракта усиления и обработки сигнала составляло 37 дБ (кривая 1).

Для малых уровней оптических, потерь в исследуемом куске световода (менее 2 - з дБ) погрешность измерений в основном обусловливалась точностью изготовления и юстировки торцов световода в о,б дБ, что при длине световода в юо м позволяло измерять оптические потери в них с точностью не хуже б дБ/км. Из рис.6 видно, что для измерения потерь с точностью выше, ю% необходимо, чтобы отламываемый кусок ослаблял сигнал по крайней мере на 20% (около 1 дБ), а максимальная точность измерений в о,5% достигается при ослаблении сигнала примерно в 40 раз (около 16 дБ). При недостаточных уровнях сигнала (например, на краях рабочих диапазонов решеток монохрома-тора или при больших потерях в коротком куске световода) данашче-ский диапазон цриемно-усилительного тракта перестает использоваться полностью и погрешность измерений сильно возрастает. Кривая 2 на рис.6 дает величину ошибки измерений оптических потерь для сиг-^ налов, в 50 раз меньших максимальных. Видно, что при этом особенно сильно погрешность измерений возрастает при больших уровнях потерь в отламываемом куске световода.

Раздельное измерение оптических потерь в ИК-световодах на поглощение и рассеяние проводилось методом лазерной микрокалориметрии, подробно описанном в [34,35]. Установление стационарного мо-дового распределения и определение эффективной числовой апертуры

исследовалось как цри возбуждении световода параллельным лазерным пучком [зз*], так и, по аналогии с [36], путем введения в световод излучения с различной апертурой и анализа формы выходящего из световода излучения в дальней зоне в зависимости от угла и длины световода. На рис.7 показана зависимость углового распределения излучения в дальней зоне от длины для двухслойного халькогенидного световода.

<01 8 6420

т—г

I ' I

0 « 20 30 р-1,с)Б

Рис.б. Зависимость относительной ошибки измерений полных оптических потерь р от ослабления сигнала в отламываемом куске световода: 1 - при номинальном уровне сигнала, 2 - щит уровне сигнала 2% от номинального [31*].

т

Рис.7. Распределение интенсивности излучения в дальней зоне при апертуре одз ввода излучения в двухслойный халькогенидный световод различной длины: 1-0,5; 2-5; з-ю; 4-20; 5->зо м.

1-1-1—I-г

-60 -40 -20 0 20 40 60

IV. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОПРОЗРАЧНЫХ ИК-МАТЕРИ-

АЛОВ И ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ НА ИХ ОСНОВЕ. IV. 1. СОБСТВЕННЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ И ДИСПЕРСИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ.

Разработка новых видов световодов обязательно включает в себя

яализ вклада различных механизмов собственных и несобственных оп-ических потерь в полные оптические потери в световодах. Такое 1азделение экспериментально измеренных полных оптических потерь на вставляющие возможно лишь при наличии математических выражений, 'пределящих спектральную зависимость оптических потерь за счет :авдого механизма, и при знании значений материальных констант, ¡ходящих в эти выражения. Необходимо также понимание влияния на штические потери структуры световодов, технологии их получения, юздействия окружающих условий и других факторов. К сожалению к [ачалу выполнения данной работы было довольно мало публикаций, по-:вященных этому вопросу.

>ценка минимально возможных оптических потерь в ИК-световодах. Со-■ласно существующим представлениям область малых оптических потерь высокой оптической прозрачности) твердотельного материала распо-южена между электронными и колебательными переходами, определяющий соответственно коротковолновую и длинноволновую границы про-гускания материала световода. При этом аналогично кварцевому стек-¡у (см. рис.1) длина волны хт и величина минимума Рт(*га) оптичес-мх потерь в световоде определяется тремя собственными механизма-и: электронным эе поглощением, колебательным многофононным др по-■лощением и рассеянием (рэлеевским гЕ для стекол и манделыптам-¡риллюэновским г^щ для кристаллов). Как электронное, так и много-зононное поглощение приближенно описываются экспоненциальными функциями частоты I/ излучения:

0е(>О - Аеехр(у/1^е), р (у) = Арехр(-^р), (б)

где Ае, 1>е, Ар и V - материальные константы.

Коротковолновая граница пропускания (граница Урбаха) определяйся переходами связанных электронов в зону проводимости, а длин-юволновая - ИК-активными колебательными модами материала. Рэлеев-

ское рассеяние в стеклах, вызываемое вариациями показателя прелоь ления, связанными с флуктуациями плотности и состава стекла, пре обладает над другими собственными видами рассеяния. При этом миш мально возможные собственные оптические потери за счет рэлеевско1 рассеяния в однокомпонентных стеклах, в которых вариациями состаь стекла можно пренебречь, обычно оцениваются по следующему выраже

НИЮ [35]: Га(А) - (8/3)713п8(Х)р2/ЗткТдХ-4 = ГОКп8(Л)Х~4, (7

где п(а.) - показатель преломления, р - коэффициент фотоупр} гости, зт - коэффициент изотермической сжимаемости, к - консташ Больцмана, а тд - температура стеклования.

Следует отметить более важную роль рэлеевского рассеяния д; халькогенидных стекол по сравнению с оксидными и фторидными стек лами как фактора, ограничивающего с коротковолновой стороны мини мум оптических потерь. Это является следствием более высоких зна чений показателя преломления халькогенидных стекол (п=2+3), кото рый входит в выражение (7) в восьмой степени. Анализ краев дагло щения (б) и физических параметров, определяющих рэлеевское рассея ние (7) позволяет считать, что для большинства составов халъкоге нидных стекол, пригодных для изготовления волоконных световодов минимум собственных оптических потерь лежит в диапазоне 4-6 мкм составляет от о,1 до 0,01 дБ/км. Этот вывод подтверждается работо [36], в которой тот же уровень собственных потерь получен для сте кол системы бе-р-Б, и работой [37], в которой выполнены оценки рэ леевского рассеяния в халькогенидных стеклах различных составов.

Собственные оптические потери г^Сх) за счет манделыдтам-брил люэновского рассеяния в кристаллах зависят от направления распрос транения излучения и его поляризации. В [38*] В.Б.Сулимовым полу чено следующее выражение для г^Л) в случае направления волновогс вектора излучения и его поляризации вдоль основных векторов (юо)

(ою) и (001) кубического кристалла: *мб<л> - (п8Т/рх4с4и^){р21/4 + 5р^4/3 + 23р22/12 - 2р12р44/3 +

+ РЦР«/2 + си1/и<:)2[5р|4 + (Р11-Р12)2/4 - Р44СР1ГР12)1}'

8 -4 = г0Ипа(Х)Л 4,

(8)

где р и п - плотность и показатель преломления кристалла, и - скорости продольных и поперечных упругих волн в нем, а р.. -упругооптические постоянные кристалла.

Выражения (б)-(8) были использованы нами для оценки минимально возможных оптических потерь в халькогенидных стеклах (аз2б3 и аб2зе3) и кристаллах галогенидов таллия (киз-б и кяб-б) и галоге-нидов цезия (сб1). Результаты оценки показаны на рис.8 и в табл.1. Константы а0, Ар и ур определялись из спектров пропускания наиболее совершенных образцов стекол и кристаллов (см. далее табл.з) различной длины [38*-41*]. Собственные потери на рассеяние рассчитывались по выражениям (7) и (8). Примерное положение области минимальных собственных оптических потерь для кристаллов галогенидов таллия получено также в [4,5,42], однако без строгого определения материальных констант. ^ ^ ^^

Рис.8. Область минимальных собственных оптических потерь для

халькогенидных стекол (ай-б, и *

Аз2Бе3) [39 ], кристаллов галогенидов таллия (КНБ-5 и киэ-6) [38? 40*] и галогенидов цезия (сз1) [41*]. _

< 5 6 7 8 9« 20 л,яш Выполненные оценки показывают принципиальную возможность достижения в высокопрозрачных ИК-материалах более низких оптических

потерь, чем в кварцевых стеклах. Они также позволили уточнить материальные константы (см.табл.1) для исследованных кристаллов ] стекол. Конечно, эти оценки, полученные экстраполяцией края много-фононного поглощения с уровня ю4-ю2 дБ/км до пересечения с кривой рассеяния на уровне ю~2-10~4 дБ/км носят приближенный характер (из-за ограниченной точности измерения и влияния примесных полос поглощения и других несобственных механизмов оптических потерь) и в дальнейшем по мере совершенствования технологии получения ИК-материалов и световодов на их основе будут уточняться. Кроме того, при столь низких значениях потерь в ю~2-ю~4 дБ/км дл: некоторых материалов возможно будет необходимо учитывать и другие более слабые механизмы собственных оптических потерь, такие, на-

Таблица 1. Результата расчета материальных констант и минимально достижимее оптических потерь в высокопрозрачных ИК-материалах [38*-41*].

АЗ^З А823е3 кеб-6 к115-5 св1

Ае 3,0-ю-10 1,3-10~7 1,1-10~31 -12 5,3-10 -

"в 468 404 311 418 -

ар 3, 47-ю11 3,91-10® 9 4,7-10 9 9,0-10 д

"р 74 72 43 25 19

1,47-10~2 1,24-10~2 2, 0-ю"2 1,7-10"2 5,0- ю-3

Рго1п 5,7-10 * 5,1-10~2 3,3-10_3 7,9-10~4 1.1-10"5

1» Ш1П 2340 1780 1290 805 690

\tiin 4,3 5,6 7,7 12,4 14,5

Примечание: размерность Ае< др - ДБ/км, рт1п- спГ1,

тг0 - см4дБ/км, а яш;.п - мкм.

ример, как поглощение на свободных носителях, электрон-фононное оглощение или "слабое" поглощение. Эти механизмы могут увеличить инимум оптических потерь, например в кристаллах галогенидов талия и серебра [43] на 1-2 порядка. Точный расчет и измерение вкла-;а этих механизмов будет возможен только при получении более со-(ершенных образцов ИК-световодов из исходных материалов с содержащем примесей на несколько порядков ниже, чем в полученных к на-:тоящему времени.

Показатель преломления и материальная дисперсия. При разработке юлоконных световодов или расчете параметров различных оптических шстем необходимо знание спектральной зависимости показателя преломления п(л) твердотельных материалов в области их высокой прозрачности, а также материальной дисперсии М(х), ее наклона s(А) и длины волны нулевой материальной дисперсии aq.

Для расчета длины волны нулевой материальной дисперсии в ИК-¡латериалах применяют два подхода. Первый, называемый теоретическим, развит в работах [44,45j, в которых получено следующее выражение ДЛЯ Яо = 2,96(d2fn/E3Z)1/4, (9) где е - средняя энергия электронных возбуждений, f - приведенная сила осциллятора, приведенная масса основных элементов вещества, а - расстояние между атомами, a z - валентность.

Точность определения xQ при таком подходе не превышает несколько десятых долей мкм, что явно недостаточно' для решения практических задач. Значительно более высокую точность определения xq, вплоть до 0,01 мкм, можно достичь так называемым "экспериментальным" путем из спектральной зависимости показателя преломления материала, измеренной в области его высокой прозрачности.

Обычно показатель преломления твердотельных образцов измеряют методом наименьшего отклонения с использованием треугольной призмы

из исследуемого материала. Однако многие новые материалы, в часг. ности фторидные и халькогенидные стекла, удается получать только виде тонких пластин (например, при газофазных методах), из которь невозможно изготовить призму необходимых размеров, поэтому для т< ких материалов этот метод неприменим.

Нами разработана методика [4б?47*] определения показателя прс ломления п(Х) твердотельных материалов в области их прозрачное^ основанная на анализе интерференции в плоскопараллельных пластин? из исследуемого материала, регистрируемой при измерении спектрс пропускания пластин с помощью высокоразрешающего спектрально1 прибора. Методика позволяет однозначно определить номер m максим} мов интерференции за счет сравнения кривых пропускания двух плас тин- из одного и того же материала с близкими толщинами и зате рассчитать спектральную зависимость показателя преломления во все диапазоне измерений. Для этого интерференционная кривая аппроки мировалась косинусоидой, аргумент которой представлялся в вщ суммы двух функций: дробной «Кv), рассчитываемой из спектров, неизвестной целой ш: 2hn(v)i> = i/i(v) + т. (к

Тогда для двух образцов из одного и того же материала с отне шением толщин &i2~bi/h2 имеем:

Учитывая, что значение п^ должно быть целым, можно определив т2 из условия, что дробная часть от [K12{02(v)+m2} - y^v)] равг. нулю. Подставляя найденное таким образом значение п^ в выражен* (10), находим m1, а следовательно и n(v) во всем спектральном иг тервале измерений:

n(v) = {^(v) + m1}/2h1v = W2(v) + m2}/2h2v. (i;

Спектры пропускания плоскопараллельвых пластин измерялись i фурье-спектрометре xfs-ii3v в диапазоне длин волн от 1 до 20 мкм

разрешением 0,1-0,25 см-!' Математическая обработка спектров осуществлялась на персональном компьютере 1вм дт. При толщинах измеряемых пластин около 1 мм расстояние между соседними максимумами составляло от 2 до з см~* поэтому на один период интерференции приходилось не менее ю экспериментальных точек. Абсолютная погрешность измерения показателя преломления этим методом определялась точностью измерения толщины пластин, которая в нашем случае была около 0,5 мкм. Были измерены спектральные зависимости показателя преломления различных составов фторидных и халькогенидных стекол. Для $торвдных стекол (п=а, 5) погрешность составила 1-ю~? а для халькогенидных (п=£,5) - 1,5-ю-? В качестве примера на рис.9 приведены результаты измерения показателя преломления халькогенидного стекла Аб2Б3 и фторидного стекла 54ггГ420ВаР24ЬаР32Л1Р320НаР.

Рис.9. Спектральная зависимость показателя преломления халько-■енидного стекла аб^сэ): 1- наши измерения, 2 - данные работы 48]; и фторцирконатных стекол (б): 1- наши измерения для стекла ¡42гГ420ВаР24ЬаР32А1Р32(ЖаР, 2 -ДЭННЫе рабОТЫ [49] ДЛЯ бЛИЗКОГО НО

¡оставу стекла 53ггР420ВаР2ЬаР3ЗА1Р320ЯаР.

Для аппроксимации полученных значений п(х) использовалось по-иномиальное приближение:

n2(a) - 1 = аа~4 + бл~2 + с +• da2 + еа4 (13

и приближение Селмейера:

п2(а) - 1 - а + е каа2/сх2-л^а). (14

По нашим расчетам первое приближение по точности (среднеквадра тичному отклонению r от исходных данных) обычно значительно усту пает второму при одинаковом количестве используемых констант. Од нако разработанные к настоящему времени численные методы расчет дают возможность однозначно определять константы для полиномиаль ного приближения, в то время как предложенные алгоритмы для нахоя дения коэффициентов Селмейера имеют плохую сходимость и не имех однозначных решений. Поэтому нами был разработан метод расчет этих коэффициентов, заключающийся в последовательной одномерно минимизации среднеквадратичного отклонения r, которое получается несколько раз ниже, чем для приводимых в справочниках (см. нащ [51]) коэффициентов Селмейера. Рассчитанные нами для различных мг териалов значения констант для обоих приближений приведены в [si' Знание спектральной зависимости показателя преломления п(А) ш зволяет рассчитать материальную дисперсию M(x)=(x/c)d2n/ax2, ( наклон s(A)=dM/dA и длину волны нулевой материальной дасперс: Ао(м(Ао)=0) - параметры, необходимые для прогнозирования и оптим! зации дисперсионных харакеристик волоконно-оптических систем.

В табл.2 приведены значения aq, а на рис.ю спектральные зас: симости м(а) и s(á) для ИК-материалов, рассчитанные путем дифф ренцирования полиномиального приближения или приближения Селмейе; с найденными нами коэффициентами [50*]. Видно,-"что у высокопро рачных ИК-материалов спектральная зависимость м(а) имеет более п логий вид и существенно меньшие значения s(a) вблизи длины вол а0, чем у оксидных стекол, что может иметь большое значение п передаче информации по световодам на их основе.

Мж/нм«м

Ю S, tt/HM-KM-MKM

0 -

-50 -

40 О

Рис.ю. Спектральше зависимости материальной дисперсии м(х) и ее наклона s(x) для различных ИК-материалов [50*]

Таблица 2.

as2s3 икс-25 икс—29 KRS-5 krs-6 AgCl Csl GeOg

Xq, MKM 4,89 7, 15 6,44 5,06 6,62 4,06 5,83 J.,74

iv. 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЪЕМНОГО И ПОВЕРХНОСТНОГО ПОГЛОЩЕНИИ В ВЫСОКОПРОЗРАЧНЫХ ИК-МАТЕРИАЛАХ.

Несмотря на то, что в литературе имелись отдельные сообщения о получении образцов ИК-материалов с достаточно низким объемным поглощением, вплоть до ю-5 см-1(для кс1), как выпускаемые промышленностью, так и получаемые в лабораторных условиях образцы этих материалов (согласно нашим измерениям и опубликованным данным) имеют в области высокой прозрачности оптические потери на уровне ю_2-ю~4 см-1. Столь высокий уровень потерь, на несколько порядков превышающий необходимый для волоконной оптики, обусловлен главным образом наличием различных примесных комплексов, имеющих собственные полосы поглощения в области высокой прозрачности ИК-материалов [52], а также поглощением и рассеянием излучения на включениях, размеры которых составляют от долей до десятков и даже

сотен микрон. Информацию о виде, количестве и форме вхождения таких примесей можно получить из спектров объемного и поверхностногс поглощения, измерение которых даже на уровне ю-3- ю-4 см-1 является довольно сложной и недостаточно решенной задачей.

Разработанная аппаратура и методики измерения оптических потерь использовались нами для контроля различных методов получеши и очистки кристаллических [41?53*-58*] и стеклообразных [59*-б4*; ИК-материалов.Кристаллы галогенидов таллия выращивались (ГИРВДМЕТ, группа Лисицкого И.С.) способом Стокбаргера из исходных компонентов, прошедиих многократную кристаллизационную очистку. Некоторые из кристаллов дополнительно подвергались зонной очистке.

В качестве примера контроля эффективности многократной кристаллизационной очистки на рис.и приведены спектральные зависшоси объемного поглощения в области излучения СО-лазера в кристаллам галогенидов таллия киБ-б и кеб-5, прошедших различное число n циклов такой очистки или очищенных зонной плавкой [58*]. Полосы поглощения с максимумами на частотах вблизи 1619 и 17зо см-1 отнесеш к деформационному колебанию примесных молекул воды и валентном; колебанию связи С=0. Аналогичные спектральные зависимости наблюдались нами также в оптической керамике и монокристаллах т1с1 [14*] Наличие в кристаллах молекул воды и органических соединений с< связью С=0 были затем подтвервдены масс-спектроскопическими исследованиями. Из рисунка видна высокая эффективность зонной и многократной кристаллизационной очистки, которые при увеличении количества этапов очистки могут привести к дальнейшему снижению поглощения в таких кристаллах.

Для получения халькогенидных стекол использовали в основно! прямой синтез из высокочистых простых веществ и глубокую очистк; стеклообразущих соединений [б4*-б7*]. Оказалось, что стекла, син-

см

-Г

то ад та ш

Л

/ЙШ-бСК-й) (гг3

' у^-т-ыгю 1 :

V, ГО

I .1 I I I I I

«п

КК8-6

Кг

)>ибвсм

~т—I—1—I—I-:—

( 2 5 4 5 Л

Рис.11. Спектральные зависимости коэффициента объемного поглощения полученные лазерным калориметрическим методом, в образцах кристаллов галогенидов таллия, прошедших различное число N кристаллизационных очисток или очищенных зонной плавкой (ги) [58*].

тезированные из промышленных особо чистых веществ, не подвергнутых дополнительной очистке, как и промышленные халькогенидные стекла имели большие оптические потери в ИК-диапазоие, обычно превышающие несколько дБ/м. Это обусловлено тем, что в промышленных исходных веществах не лимитируется содержание легких элементов, таких как водород, кислород и углерод. Очистка промышленных компонентов дис-тилляционными методакта, позволила снизить неселективные оптические потери в стеклах до 350-250, а в отдельных случаях до 60 дБ/км.

Синтез халъкогенвдных стекол обычно проводят в кварцевых ампулах, из которых в расплав стекла поступает водород и диоксид кремния и образуются окислы мышьяка, которые ограничивают прозрачность стекол в ИК-диапазоне. По этой причине предпринимаются попытки получения халъкогенвдных стекол из летучих соединений. Наш также была исследована возможность получения стекол и заготовок для волоконных световодов в системах ав-б^е) и се-р-з(зе) путем разложения смесей соответствующих гидридов в гелиевой плазме (41 МГц) пониженного давления [68?6Э*]. Оказалось, что благодаря более высокой чистоте летучих соединений и более низким температурам процесса, получаемые при этом стекла содержали значительно меньше

примесей переходных металлов, кислорода и кремния, но значительно больше (до нескольких ат.%) водорода. Наличие в стеклах водорода не позволило снизить поглощение в них до уровня менее 500 дБ/км.

В табл.з приведены полученные фотоакустическим методом значения поверхностного поглощения в имеющих вид тонких дисков образцах киб-б, киБ-б, 2пБе и А&28е3. Фото акустические прямые для всех образцов имели близкий к единице наклон, что свидетельствует о преобладании в образцах поверхностного поглощения. Образцы кеб-5 №1 и №2 и ккБ-б были вырезаны из цилиндрических заготовок с коэффициентом объемного поглощения /зу= 5-10_5см-1), а образцы киб-б №з и №4 имели (Зу= 5-ю-4 см-} Объемное поглощение в заготовках измерялось калориметрическим методом. Из таблицы видно, что коэффициент образцов кеб-5 Ш. и №2 меньше, чем у 1з и №4. Это связано с уровнем их объемного поглощения. Об уменьшении уровня поверхностного поглощения, связанном с уменьшением объемного поглощения, говорят и результаты калориметрических измерений [15*16*] цилиндрических образцов кристаллов кеб-б, кг^-б и Сб1. Отметим, что измеренные значения коэффициентов поверхностного поглощения рз2 для вторых поверхностей исследованных образцов несколько отличаются 01 значений Рз1 для первых поверхностей, что указывает на необходимость измерения поверхностного поглощения на каждой поверхности образцов отдельно. Шло также показано, что хранение образцов кристаллов киб-б и ккБ-б в лабораторных условиях приводило к росту поверхностного поглощения в них за первую неделю примерно в г раза; следующее удвоение уровня поверхностного поглощения происходило примерно за з-4 месяца. Для образцов халькогенидных стекол роса поверхностного поглощения был в несколько раз более медленным.

Измерения показали также, что для большинства исследованных материалов /зв1+ т.е. потери излучения, вызванные поглоще-

нием на двух поверхностях, превышают потери, вызванные объемным поглощением образцов толщиной ь от з-4 до ю см и более. Поэтому для оптических элементов из ИК-материалов, особенно для ИК-свето-водов, огромное значение имеет защита рабочих поверхностей от воздействия окружающей атмосферы и механических повреждений.

Материал 05г1()3 е32'1С)3

К1«-5

№ 1 0, 33 0,54

* 2 0,52 -

№ 3 0, 77 1,0

№4 0,66 -

КйЗ-б 0,096 -

Zn.Se 1,2 0,8

АБ2Зе3 1,7 - -

Таблица з. Уровень поверхностного поглощения излу-излучения С02-лазера раз-различными Ж-магериалами.

В результате проведенных исследований разработаны лабораторные методики получения кристаллов галогенидов таллия с коэффициентом объемного поглощения р в области излучения СО- и С02- лазеров менее ю дБ/тал [58*] и образцов халькогенидных стекол аз2з3 и Аз2зе3 - с коэффициентом объемного поглощения в области излучения СО-лазера менее юо дБ/км [б5*-б7*]. В таблице 4 приведены значения коэффициентов объемного поглощения в лучших образцах ИК-материалов, исследованных в данной работе.

iv. 3. ВКЛАД ПРИМЕСНЫХ ПОЛОС ПОГЛОЩЕНИЯ В ОПТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В СРЕДНЕМ ИК-ДИАПАЗОНЕ. Одним из основных механизмов несобственных оптических потерь в высокопрозрачных ИК-материалах и световодах на их основе является

примесное поглощение. К настоящему времени для ИК-световодов выработаны требования к чистоте по переходным и редкоземельным элементам и гидроксильной группе, но только для световодов из фторидных стекол).

Таблица 4. Достигнутый уровень объемного поглощения дБ/км) в образцах высокоцрозрачных ИК-материалов в области излучения СО- и СО.-лазеров.

Материал

СО-лазер

С02-лазер

КЕ^-б КИБ-б КС1 CSJ

АЗ^З

Ав28е3

3,3 (1885 см

3,0 (1885 СМ"

4,5 (1818 сМ"

4,3 (1805 сМ"

80 (1864 сМ"

60 (1851 сМ"

6,5 ( 943 сМ )

5,0 { 943 сМ-1)

40 (1020 СМ""1)

3,9 ( 943 СМ-1)

600 (1020 сМ )

В спектрах полных оптических потерь получаемых в настоящее время ИК волоконных световодов всегда присутствуют ярко выраженные полосы поглощения, которые соответствуют в основном примесным комплексам "легких" элементов, содержащим водород, кислород и углерод, при этом за наиболее интенсивные полосы в спектрах монокристаллических световодов ответственны примесные ионы гидроксила он7 СО37 и молекулы н2о и со2. Для халькогенидных стекол эти полосы обусловлены ионами гидроксила, связями водород-халькоген, а также связями Ав-о, со-з(Бе), с-б(Эе), ве-н, ве-о и молекулами н2о и со2. Иногда в коротковолновом диапазоне проявляются полосы поглощения переходных элементов, чаще всего железа. Положение и другие параметры примесных полос зависят от состава стекла и способа изготовления из него световода. Большой вклад в оптические потери в халькогенидных световодах могут вносить различные гетерофазные включения [70,71], к которым в первую очередь относятся частицы

диоксида кремния и углерода.

В рамках данной работы проводились исследования примесного поглощения в ИК-материалах и световодах, при этом для некоторых примесей удалось определить коэффициенты экстинкции и выработать количественные требования к их предельному содержанию в материалах и световодах для различных применений.

Концентрационная зависимость селективного поглощения в области высокой прозрачности халькогенидных стекол ранее исследовалась только для примеси кислорода. В [72] найдено, что поглощение в полосе 12,5 мкм в стеклах Ge20se80 и Ge30As15se55 линейно связано с концентрацией кислорода, а из [73] следует, что коэффициент экстинкции примесного кремния, связанного с кислородом, в стеклах

Ge2gSb12Se60 (TI1173) и Ge3QAs15Se55 на ДЛИНаХ ВОЛН 9,4 И 10,6 МКМ

составляет соответственно около 95 и 88 см~1/ррш (1ррт=ю~4мас.%). Зависимость интенсивности полосы поглощения на длине волны ю,б мкм (связь se-o) от концентрации кислорода в se приведена в [74]. Для кристаллических ИК-материалов концентрационная зависимость примесного поглощения легкими элементами ранее исследовалась только для щелочно-галоидных кристаллов, в основном для ксх и Nací. Форма примесных полос поглощения. Для анализа параметров полос поглощения и определения вклада каждой из них в оптические потери в среднем ИК-диапазояе мы использовали программу разложения сложных" контуров полос на составляющие, разработанную на основе результатов, полученных в [75]. Контур симметричной полосы поглощения описывался функцией следующего вида:

= V^í/tl + C(V - vo)2 + E(v - vo)4], (15)

где ^-частота максимума полосы (ее положение), i0(»0) - интенсивность в максимуме полосы; сие- параметры, через которые ширина полосы s и ее форма n выражаются следующим образом:

Э = 2 {[(С2 + 4Е)1/2 - С]1/2/2Е}1/2, (16)

N - 100/(1 + СБ2 + ЕБ4). (17)

ПрИ N * 8,4 КОНТУР ПОЛОСЫ бЛИЗОК К ГЭУССОВУ, 3 ПРИ N « 20 - К ЛО-

ренцеву. В случае несимметричных полос их контур описывался минимально возможным числом симметричных полос, параметры которых подбирались методом дифференциальных моментов с последующей минимизацией среднеквадратичного отклонения экспериментальных и расчетных значений поглощения в этих полосах.

Концентрационная зависимость. Коэффициент экстинкции. При малом содержании примесных атомов или молекул, когда их можно считать не взаимодействующими мевду собой, примесное поглощение %р(х) линейно связано с концентрацией Сдр цримеси:

Рпр(я) = Сцр(х)Сцр (правило вера), (18)

где епр(л)-удельный коэффициент поглощения или коэффициент экс-' тинкции, зависящий в общем случае, кроме длины волны х излучения от температуры, Форш вхождения примеси, а также от материала, в котором данная цримесь находится.

Обычна коэффициенты экстинкции определяют для максимумов наиболее интенсивных примесных полос поглощения, что вполне достаточно для аналитических целей. Знание же спектральной зависимости е(х) позволяет оценить вклад примеси в оптические потери и на основе этого выработать требования к чистоте материала световодов.

Для определения коэффициентов экстинкции и их спектральной зависимости для ИК-материалов необходимо решить следующие проблемы:.

- получения высокочистых кристаллов или стекол с концентрацией других примесей, влияющих на оптическую прозрачность в ИК-диапазо-не или на точность определения концентрации цримеси, много меньшей, чем исследуемая примесь,

- получения кристаллов или стекол с различной, отличающейся по

крайней мере на порядок, концентрацией исследуемой примеси,

- определения концентрации примеси в исследованных методом ИК-спектроскоши образцах каким-либо химическим или физико-химическим методом анализа, и наконец,

- измерения и интерпретации спектров поглощения э(а) исследуемых образцов, проверки линейности зависимости (18) и непосредственно определения коэффициента с(а).

Совместно с ГИРЕДМЕГ (группа Лисицкого И.С.) нами было исследовано влияние ряда кислородсодержащих примесей (ш~, со^-, н2о п2о и т12о4) на спектры пропускания высокочистых кристаллов гало-генидов таллия в среднем ИК-диапазоне [7б?77*]. Ранее подобше исследования были выполнены в [78], однако недостаточная чистота исходного сырья и кристаллов не позволили однозначно интерпретировать полученные результаты.

Нитрат-ион. Одной из основных технологических примесей для галоге-нидных кристаллов является нитрат-ион да", который имеет интенсивные полосы поглощения в среднем ИК-даапазоне спектра. Нитрат-ион вводили в кристаллы либо в виде соли т1ыо3, либо в виде 1% лигатуры (к примеру Т1вг + 1% Т1Ш3). Скорость, атмосфера и другие условия выращивания подбирались таким образом, чтобы примесь не разлагалась и не взаимодействовала с основными компонентами кристаллов. Для определения концентрации нитрат-ионов использовали методику -измерения кислорода и азота в кристаллах г'алогенидов таллия, разработанную Б.А.Чапыжниковым в Институте физических проблем РАН на базе гамма-активационного метода анализа.

Для примесного нитрат-иона удалось определить коэффициенты зкс-тинкции для основных валентного у3(е) и деформационного ^2<а2) колебаний, а также оценить спектральную зависимость вклада поглощения за счет этого иона в среднем ИК-диапазоне [76*]. Форма обеих

полос поглощения оказалась близкой к лоренцевой:

ее»') = + (Л1>/2)2) (19)

с полушириной ау/2 в 15 см-1 и 1,5 см-1 для полос 1>3(1373 см-1) и 1?2(835 см-1), соответственно. Отношение поглощений в максимумах этих полос составило 13±1, а коэффициент экстинкции для полосы 1>3 оказался равным 74800+8000 дБ/км/ррт. Спектральная зависимость вклада этого иона в оптические потери в среднем ИК-диапазоне в кристаллах галогенидов таллия и волоконных световодах на их основе показана на рис.12. Видно, что основной вклад вносит полоса поглощения колебания у3 вследствие ее большей полуширины и интенсивности. На частотах излучения С02(94з см-1)- и СО(1воо см-1)-лазеров 1 ррт примесных нитрат-ионов приводит к поглощению около юо дБ/км. Поэтому для получения кристаллов галогенидов таллия и световодов на их основе с оптическими потерями менее ю дБ/км необходимо, чтобы концентрация только нитрат-ионов в них была менее 0,1 ррт.

Рис.12. Спектральная зависимость вклада поглощения примесными ионами ыо~ в оптические потери

СО-лазер ед _____ 1в кристаллах галогенидов

таллия и волоконных световодах на их основе *.

«00 ш Щ Ъ СМ'

-I

9 6 ? 5 <0 Х.ит & [76 1.

Водород в халькогенидных стеклах. В спектрах пропускания промыш-

ленных образцов халькогенидных стекол и всех халькогенидных световодов вблизи предсказываемого минимума собственных оптических потерь всегда присутствует широкая полоса поглощения с максимумом на длине волны от 4 до 5,о мкм, которая связана с примесными атомами

водорода [62*66*]. Согласно литературным данным [79,80] эта полоса обусловлена валентным колебанием связи водород-халькоген, однако количественные данные о зависимости положения и параметров этой полосы и сопутствующих ей полос (положения, полуширины, формы и интенсивности) от состава стекла отсутствовали. Не было известно, какой основной источник поступления водорода в халькогенидные стекла и световоды на их основе и какая часть водорода связывается с халькогеном.

Исследования показали, что при отсутствии в халькогенидных стеклах систем аб-б и дз-бе и стеклообразном Бе молекул н2о и ионов гидроксила он" почти весь водород в них связан с халькогеном. Методом газовой хроматографии было найдено, что содержание молекулярного водорода н2, физически растворенного в стекле и неактивного в спектрах ИК-поглощения, не превышает 1,5% от химически связанного водорода. Другие формы вхождения водорода в халькогенидные стекла при этом также не превышают При плазмохимическом методе получения халькогенидных стекол в условиях избытка арсина азн3 возможно связывание водорода с мышьяком, при этом в спектрах пропускания стекол вблизи 5,1 мкм проявляется полоса поглощения связи аэ-н. При наличии азота в реакционной смеси на длинах волн 7,2; з,5 и з,1 мкм появляются полосы поглощения примесного иона N11*.

На рис.1з приведена спектральная зависимость коэффициента экс-тинкции для связей водород-халькоген для стекол аб2б3, Аз2Бе3 и стеклообразного бе, а на рис.14 - зависимость коэффициента экстин-

кщш в максимуме наиболее интенсивной полосы поглощения связи зс-н

* *

для стекол системы аб—Бе от содержания Аб в них [81 -аз ]. Видно, что как положение, так и другие параметры полос поглощения водорода сильно зависят от состава стекла. Это позволяет для каждой рабочей длины волны выбирать наиболее оптимальный состав стекла све-

товода с точки зрения минимизации примесного поглощения. Так, вблизи з мкм (область излучения и уас:Ег-лазеров) лучше использовать световоды из стекол системы аб—зе, а в интервале длин волн от з,5 до б мкм (важной для контроля загрязнения окружающей среды), - световоды из стекол системы аэ-б. Видно также, что для достижения в халькогенидных световодах оптических потерь менее ю дБ/км, например в диапазоне их наибольшей прозрачности от 5 до б мкм, необходимо, чтобы концентрация примесных атомов водорода в них не превышала ю-4 атЛ.

Рис.13. Спектральная зависимость поглощения связями б-н в

Ае2Б3(1), Бе-Н В Ав23е3(2) И Бе-Н В 5е(3).

// "

п-В

ат.%

о

Бе

ж

-г" 10

20

"зо"

~ч0

Рис.14. Зависимость коэффициента экстинкции для основной полосы поглощения связи Бе-н от состава стекол системы Ав-Бе [82*].

7

Кислород в халькогенидных стеклах. При попадании кислорода в расплав халькогенидного стекла он связывается как с халькогеном и мышьяком, так и с такими примесными элементами, как водород и углерод. Поэтому многие полосы поглощения в спектрах пропускания халькогенидных световодов обусловлены различными связями кислорода (он, н2о, со, со2 и др.). При этом пока не удается получить образцы с одной формой вхождения кислорода в них. Перераспределение кислорода между различными примесями в халькогенидных стеклах зависит от чистоты исходного сырья, температуры и времени синтеза, а также от материала контейнера. Одной из основных, поглощающих в среднем ИК-диапазоне примесей для халькогенидных стекол является окись мышьяка аз2о3, которая присутствует в стеклах в виде различных модификаций (форм).

Нами были изучены параметры полос поглощения и определена спектральная зависимость коэффициента экстинкции с (л) примесных молекул дз2о3 в одном из основных компонентов халькогенидных стекол -стеклообразном селене [84*]. Содержание примеси аз2о3 в образцах рассчитывали из содержания в них мышьяка, концентрация которого определялась с помощью эмиссионного спектрального анализа. В табл.5 приведены параметры полос поглощения, связанных с молекулами ав2о3, которые входят в Бе в виде оксидной формы I. Коэффициент экстинкции для наиболее интенсивной полосы поглощения аз2о„ на частоте 791 см-1 составляет 17600±3500 дБ/км/ррш.

Значение коэффициента экстинкции для полосы 791 см-1 может также использоваться и для определения концентрации аб2о3 в стеклах системы Аз-Бе в области небольших концентраций лэ (до 5 ат.Я, т.к. согласно нашим измерениям в спектрах пропускания таких стекол полос:поглощения, вызванных присутствием других модификаций ай2о3, не наблюдается. В области больших концентраций аз2о3 для аналити-

ческих целей можно использовать наряду с полосой 791 см-1 также и более слабые полосы, например полосу 1051 см-1, поглощение в максимуме которой в 55±з раз слабее.

Таблица 5. Параметры полос поглощения аб2о3 в стеклообразном бе.

№ полосы Относит, интенсивность Частота максимума «, CM-1 Ширина s, см"1 Форма N. б.р.ед

1 100 791,oto,1 13,5±0,5 13+1,0

2 1,82 1051 31,3 -

1 0,809 j 1053,6 i 19,4 1 10,5

| 0,515 1 1040,2 » ,«" | 18,4 j 14,3

0,105 1018,8 I 22,4 17,5

3 0,29 1267,6 27,6 11,6

4 0,10 1342,1 14,6 7,1

' 5 0,09 1163,2 22,7 17,1

Спектральная зависимость вклада примесных молекул аэ2о3 в оптические потери в стеклообразном селене в среднем ИК-диапазоне показана на рис.15. Здесь же приведены собственные полосы поглощения (область второго и третьего обертонов) связей Бе-Бе. По нашим оценкам, суммарная концентрация кислорода, находящегося в других кислородсодержащих цримесях в образцах Бе не превышала 1-ю-3 мас.&. Так, наиболее интенсивная полоса поглощения для таких примесей на частоте 936,4 см-1 обусловлена связью селена с кислородом, концентрация которого была ниже 4-ю-4 мас.%. (Здесь использован коэффициент экстинкции для этой полосы в 0,021 см-1/ррш, рассчитанный нами на основании данных работы 172]).

В области 4-6 мкм, в которую попадает диапазон излучения СО-лазера в спектрах пропускания халькогенидных стекол и световодов на их основе с уровнем неселективных потерь выше зро дБ/км проявляет-

ся только полоса деформационного колебания примесных молекул воды

С МаКСИМуМОМ На Частоте 1587,1 СМ-1 (ДЛЯ ASgSg) И 1580,5 см-1 (для As2se3), форма которой близка к лоренцевой [85*]. Имея малую ширину около 17 см-1(для as2s3) и 18,8 см-1(для as2se3), эта полоса вносит незначительный вклад в оптические потери в области излучения СО-лазера. При уровне неселективных потерь 200-150 дБ/км и ниже в спектрах потерь начинают проявляться полосы поглощения угле-родсодержащих примесных комплексов, таких как cs2, eos, со [86* 87*], основным источником которых являются исходные компоненты As, s и se. Решение проблемы глубокой очистки халькогенидных стекол от углеродсодержащих примесей (которая сейчас проводится [90*91*]), позволяющей снизить оптические потери в световодах до уровня юо-ю дБ/км, даст возможность передавать по ним излучение СО-лазера мощностью до юо Вт, а также использовать такие световоды длиной до юо м и более для различных дистанционных применений в этом важном для аналитических целей спектральном диапазоне.

10

юЧ

Ш,0Дм/ррт

Se-5e

-t—1—1—1—1—

12 14 16

Х.МКМ

Рис.15. Вклад поглощения примесными молекулами АБ2Од И СВЯЗЯМИ эе-о в оптические потери в стеклообразном Бе [84*].--

Положение основных примесных полос поглощения в халькогенидных стеклах и световодах на их основе приведено в таблице 6. По нашим оценкам для дос-

тижения оптических потерь менее ю дБ/км концентрация "легких"при-месей в них не должна превышать 10~4-10~5ат.Я [бб*б7?92*].

Таблица 6. Основные примесные полосы поглощения в халькогенидных стеклах и световодах на их основе.

Хим.связь Длина волны, Хим.связь Длина волны,

или или

соединение мкм соединение мкм

он 2,9 со2 4,26; 15,0

Б-Н 4,1; 2,5; 2,1; 6,8 СО-Б 4,9

Бе-Н 4,6; 4,1; 3,5; 5,2 сз2 6,6

7,8; 15,9

ве-Н 4,9 Аз4о6 (оксид- 12,7;9,5;7,9;

Ав-Н 5,1 ная форма I) 7,5

Р-Н 4,35 аб-о-Аб(ок- 15,4;8,9

Н„0 6,3;2,84;2,78 сидная форма

£л и)

вё-О 12,8; 7,9 аб-о (оксид- 10,6

Бе-0 10,6 ная форма ш)

Р-0 8,3 Б1-0 9,1-9,6

IV. 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ПРОЧНОСТИ ИК-ВОЛО-КОННЫХ СВЕТОВОДОВ. Получение световодов из халькогенидных стекол осуществлялось вытягиванием либо из заготовок в виде цилиндров диаметром от ю до 20 ММ И ДЛИНОЙ до 150 ММ, либо тигельным методом [93*-108*3 . Вытягивались как однослойные, так и двухслойные световоды диаметром от юо до 800 мкм и длиной до зоо м. Для защиты поверхности световодов от окисления вытяжка проводилась в атмосфере гелия особой чистоты. В случае необходимости на световоды наносилось полимерное покрытие, предохраняющее поверхность световодов от воздействия атмосферы, механических повревдений и в ряде случаев одновременно

выполняющее роль отражающей оболочки. Температура вытяжки в зависимости от состава стекла составляла от зоо до 400°С и поддерживалась с точностью до о,2°С. Скорость вытяжки составляла от 1 до 1 о м/мин.

Монокристаллические волоконные световода диаметром от о,з до 1 мм и длиной до нескольких метров выращивались в атмосфере аргона методом капиллярного формообразования из галогенидов таллия (Т1С1, Т1ВГ, КЕБ-5 И КИБ-б), серебра (АдС1 И АдВг) и цезия (СэВг и Сз1). Скорость выращивания составляла от ю до зо мм/мин. Для защиты поверхности от воздействия атмосферной влаги, световоды помещались во фторопластовые трубки, либо на них наносилось полиэтиленовое покрытие [зо^юэ*- 114*]. (Выращивание монокристаллических световодов проводилось в НШТС Дмитруком Л.Н. ив НИИКА Даниловым В. В.) Полукристаллические волоконные световоды диаметром от о,25 до 1,2 мм и длиной до 16 м изготавливались экструзионным методом в ИОФ РАН (лаб. Артшенко В.Г., группа Бутвины Л.Н.), и в НИИЗС (лаб. Сахарова В.В.).

Специфика распространения излучения в ИК волоконных световодах.

Одной из особенностей однослойных ИК-световодов является то, что вследствие высоких значений показателя преломления ИК-материалов (от 1,5 до з и выше) их теоретическая числовая апертура ма? = (п^-п2)1/2/п0, где по, п1 и п2 соответственно показатели преломления окружающей среды, материала световода и его покрытия, превышает единицу. У таких световодов вследствие большой разницы между п1 и п0 имеются направляющие моды, которые не могут выйти из плоских торцов световода (зо*). Область распространения таких мод внутри световода ограничивается углами в, удовлетворяющими условию: е1«э< <е2, где в1= агсз1п(по/п1), а 92=агсз1п(п2/п1)/размеры этой "слепой" области зависят от соотношений и п2/п1> Она появляется

при условии е1<02, что эквивалентно ыат>1. Зависимость углового размера "слепой" зоны от показателя преломления сердцевины п1 при различных значениях показателей г0 и п2 приведена на рис.16. "Слепая" зона для световодов является паразитной, поскольку ввиду ее больших размеров даже при малых коэффициентах связи мод в нее перекачивается часть вводимой в световод мощности излучения. Это приводит к дополнительным, слабо зависящим от длины волны оптическим потерям. Во избежание такого вида потерь при разработке ИК-световодов необходимо стремиться к тому, чтобы теоретическое значение ыат числовой апертуры световода было меньше единицы. Потерями именно такого рода в значительной мере обусловливается высокий уровень нееелективных потерь в халькогенидных световодах.

Рис.16. Зависимость углов ех и &2 и углового размера "слепой" зоны от показателей преломления сердцевины и оболочки световода [зо ].

Если меамодовая конверсия превалирует над дифференциальными модовыми потерями, что реализуется в ИК-световодах на основе халькогенидных стекол и в кристаллических световодах, то эффективная числовая апертура тадф перестает зависеть от угла и определяется соотношением между этими двумя механизмами. Анализ угловых зависимостей распределения мощности излучения внутри однослойных халькогенидных световодов показал, что такие световоды обладают сильной зависимостью межмодовой конверсии от угла распространения и поэтому не могут характеризовать-

зю -

2,г-1.81,4-

'< I

-Г ' <==.

ТТ т'тгтг_

м----

30

^ град

60 ' '• 30

ся используемым для кварцевых световодов параметром конверсии d 1/2

lD=eu/(i.) ], где l - длина световода, а е1А- угол возбуждения световода параллельным пучком, при котором появляется минимум в середине распределения излучения в дальнем поле [И5ь Такие световода удобнее характеризовать отношением мощности, распространяющейся под углом elt к мощности, распространяющейся под тем углом, где она максимальна сзо*I. Для однослойных халькогенидных световодов это отношение составляет ъ-ь%, а для однослойных кристаллических - иногда превышает 10-15%.

На рис.17 показаны близкие к стационарным нормированные угловые распределения мощности излучения в световоде из халькогенидного стекла Ge5As38Se57 с покрытием из Ф-42 длиной около 14 м при возбуждении световода параллельным пучком СО-лазера при различных углах ввода от о до зо? Излучение, вводимое в световод под большими углами, затухало при значительно меньших длинах и поэтому не вносило вклада в стационарное распределение. Значение ИАдф по уровню 90% распространяющейся по световоду мощности составило около о,65, что значительно ниже теоретического значения (na=2,37) для данного световода.

Рис.17. Угловые зависимости распределения мощности Р(е) излучения внутри световода из халькогенидного стекла Ge5As38Se57 С покрытием ИЗ Ф-42 длиной

около 14 м при возбуждении параллельным пучком под разными углами к оси свето-

фщ.

вода: 1-о , 2-ю", з-го^

4-30° [30*).

Знание тадф необходимо как при использовании ИК-световодов, так [ для корректных измерений оптических потерь в них, поскольку из-

за отсутствия мощных перестраиваемых источников излучения измере ние потерь обычно проводят на световодах длиной от з до ю м. этом случае стационарное распределение можно достичь только щ правильном выборе числовой апертуры возбуждения световода.

Выполненные исследования показали, что стационарное модовое рас пределение в однослойных халькогенидннх световодах с покрытием I ф—42 и полными оптическими потерями более 1 дБ/м устанавливаете на длинах в несколько метров. При потерях от 1 до 0,5-0,4 дБ; длина установления стационарного распределения составляет уз ю-15 м, а в двухслойных световодах с потерями менее о,1 дБ/м около зо м (см. рис.18). При этом распределение мощности излученз в дальней зоне для однослойных световодов имеет гауссову фор! только вблизи своего максимума. Крылья распределения существен превышают гауссову зависимость и их вклад значительно возрастает увеличением угла ввода излучения. Это говорит о том, что крыл обусловлены в большей степени наличием рассеивающих центров на и верхности световода, такими как продольные борозды и точечные д фекты, которые можно наблюдать в оптический или электронный микр скопы. Для двухслойных халькогенидных световодов гауссова фор распределения благодаря лучшему качеству поверхности между сердц виной и оболочкой охватывает более половины распределения мощное

Рис.18. Зависимость полушири распределения интенсивности излуч ния в дальней зоне для двухслойно халькогенидного световода аз40б6 аз35з65 от длины. Апертура вво излучения : 1-одз, 2-0,65.

О Ю 20 50 40 50

излучения в дальней зоне, при этом иАдф оказывается ближе к теоретической, чем у однослойных.

В монокристаллических световодах с потерями на уровне 1-2 дБ/м стационарное распределение устанавливается на длинах менее о,5 м. Исследование зависимости уровня излучения, выходящего из двухслойного монокристаллического световода, от апертуры возбуждения с ис-польванием пространственных фильтров показало, что у них эффективная числовая апертура ЫАЭф составляла от о,з до о,6 и была близка-к теоретической, в отличие 6т однослойных, для которых иАдф составляла около 0,4-0,5 от теоретической. Это обусловлено сильной зависимостью оптических потерь от угла распространения излучения в световоде, связанной с несовершенством поверхности, в основном ростового происхождения. В лучших однослойных поликристаллических световодах из галогенидов серебра с. оптическими потерями на уровне юо дБ/км вблизи ю,б мкм стационарное модовое распределение устанавливается на длинах, превышающих ю м. Эффективная числовая апертура таких световодов составляет от о,з до 0,5 и определяется качеством поверхности световода и распределением размера зерен и пустот (пор) внутри световода.

Полные оптические потери в лучших однослойных и двухслойных халь-когенидных световодах,, полученных и исследованных в данной работе, приведены на рис.19. Видно, что в значительной части области высокой прозрачности халькогенидных световодов основным механизмом оптических потерь является селективное примесное поглощение. Влияние чистоты исходных компонентов и способа получения световодов на примесное поглощение исследовано в работах [67Д08Л16*-И8*], в которых показано, что наименьших оптических потерь в настоящее время удается достичь в халькогенидных световодах, вытянутых из стекол, синтезированных из особочистых простых веществ. В "окнах"

прозрачности между примесными полосами поглощения оптические потери в основном обусловлены двумя механизмами: рассеянием на включениях и "слабым" поглощением. &,<рЛн

Рис.19. Спектральная зависимость полных оптических потерь,в лучших однослойных (а) и двухслойных (б) халькогенидных световодах исследованных в данной работе [Ю4?ю7*].

Как уже отмечалось выше, основными включениями в халькогенидных стеклах и световодах явлются частицы углерода и диоксида кремния, первые из которых попадают в световод главным образом из исходных веществ, а вторые - в процессе синтеза стекла за счет взаимодействия с контейнером [б7?7о,71]. измерения методом микрокалориметрш с использованием СО-лазера показали, что потери на излучение в лучших сульфидных световодах составляют менее 5%, а в селенидных -ю% от полных оптических потерь. Согласно же исследованиям рассеяния в заготовках, в них преобладает малоугловое рассеяние вперед, которое на 1-2 порядка превышает собственное. Уровень неселективных оптических потерь в световодах коррелирует с количеством включений в заготовках, которые можно наблюдать с помощью, ИК-микроскопа [65*]. Малые же оптические потери на излучение в халь-

2 з 5 ю

* 5 У Р

•

когенидных световодах можно объяснить их большим показателем преломления, благодаря которому рассеиваемое на включениях излучение перекачивается в другие моды световода (в его "слепую" зону - в случае однослойных, а также в оболочечные мода и в "слепую" зону для оболочки - в случае двухслойных световодов):

Расчет вклада поглощения и рассеяния на таких включениях показал, что для достижения оптических потерь менее ю дБ/км их концентрация не должна превышать ю-6 об.%, что уже реализуется в лучших халькогенидных световодах [88*]. Вклад в общие потери в халь-когенидных световодах флуктуаций его диаметра и шкроизгибов, приводящих к нарушению условий полного внутреннего отражения и высвечиванию части излучения за пределы сердцевины, благодаря более высокому значению показателя преломления заметно слабее, чем в кварцевых световодах. Его вклад в общие потери удается однозначно интерпретировать только при флуктуациях диаметра,превышающих 10-15&. При обычном же уровне флуктуаций в з-5% влияние этого механизма на полные оптические потери в халькогенидных световодах при их уровне в десятки дБ/км наблюдать не удается. Достигнутый уровень оптических потерь в халькогенидных световодах, исследованных в данной работе, приведен в табл.7.

Исследование оптических потерь в однослойных монокристаллических световодах показало, что кроме сильного примесного поглощения, вызванного загрязнением расплава в процессе выращивания, большой вклад в них вносит рассеяние на поверхностных дефектах ростового происхождения, а также поглощение адсорбируемыми поверхностью из окружающей атмосферы примесями.

Для устранения влияния боковой поверхности монокристаллического световода на оптические потери была исследована возможность создания светоотражающей оболочки в процессе выращивания световодов.

Таблица 7. Минимальный достигнутый уровень Рц(^) оптических потерь и спектральный да. диапазон возможного использования (Э<400 дБ/км) разработанных халькогенидных световодов.

Сердцевина Оболочка ах, мкм /з®, дБ/км а®, мкм

As40S60 1-2,8;3,1-4;4,2-5,75 44 2,4

As40S60 AS35S65 1-2,8;3,1—4;4,4-5,5 23 2,5

AS40Se60 1,4-2,8; 3,1-8,0 76 4Д

Ge5As38Se57 - 1,5-4,0; 5,35-8,8 98 2,7

Использовались две схемы [U3?ii4*]. Б первой составы сердцевины и оболочки подавались по двум коаксиальным капиллярам, в результате чего профиль показателя преломления световодов был близким к ступенчатому, а во второй - выращивание осуществлялось с помощью одного капилляра при сильном радиальном градиенте температур, приводящем к плавному изменению показателя преломления по диаметру световода. При выборе составов для двухслойных монокристаллическю световодов учитывалась совместимость сердцевины и оболочки по параметрам элементарной ячейки, значениям коэффициента тепловой расширения, а также температурам ликвидуса [И?-]. В основном использовались две комбинации составов:

Т1Вг(СерДЦ) - TlBl^Clj (ОбОЛ) , ПРИ 0,5<Х<1 и

ИВх^СЛ^ССерДЦ) - Т1С1(ОбОЛ), при 0<Х<0,5.

Несмотря на худшее структурное совершенство, двухслойные моно кристаллические световоды имели существенно более низкие оптичес кие потери, чем однослойные, полученные из того же исходного мате риала. Защита поверхности световода от воздействия атмосферных па ров вода, С02, пыли и механических повреждений покрытием из полиэ

тилена позволила еще больше снизить полные оптические потери в двухслойных све товодах (см.рис.20.).

Раздельное измерение оптических потерь на поглощение и рассеяние методом лазерной микрокалориметрии с использованием СО- и С02-лазеров показало, что в однослойных монокристаллических световодах доминируют Потери на рассеяние, а в двухслойных световодах оба вида потерь примерно одинаковы. Спектральная зависимость полных оптических потерь в области высокой прозрачности в монокристаллических световодах близка к х~р, где р лежит в интервале от о до 2, что говорит о большом вкладе поверхности, поэтому кроме примесного поглощения в таких световодах большое значение имеет рассеяние на границе сердцевина-оболочка, неоднородностях диаметра и структурных неоднородностях.

При вырзщиванш по второй схеме наилучшие результаты были получены для твердых растворов сбБг-ивг (концентрация ивг составляла эт о,5 до 5 мол.&). Исследование оптических потерь показало, что такие световоды имели в 5-ю раз меньшие неселективные потери на рассеяние по сравнению с однослойными световодами из сзвг. При ¡ушне до 50 см они позволяли передавать излучение непрерывных С0-

г С02-лазеров мощностью в ю Вт.

10010 1

р,3 5/М

-1—1—1—1—1-

2 4 8 8 Ю Х,мкм

Рис.20. Спектры полных оптических потерь в монокристаллических световодах: 1-однослойного световода из т1с1; 2-двухслойного световода: т1вг(сердц)-т1вг0 8С10 2(об), з-то же, что и 2 но с покрытием из полиэтилена [110*].

'Слабое" поглощение ^(х) [104,117,120 1. Как уже отмечалось вше, фстигнутый уровень оптических потерь в лучших халькогенидных све-

товодах составляет зо-юо дБ/км, что значительно превосходит теоретически предсказываемый. Как показали исследования, он обусловлен не только примесным селективным поглощением, но и спадающим в сторону увеличения длины волны так называемым "слабым" поглощением, связанным с наличием хвоста плотности состояний у неупорядоченных материалов. "Слабое" поглощение имеет ту же частотную зависимость, что и край Урбаха, но значительно меньший наклон: Рм(и)=Аадехр(у/ум) [121]. Как уровень, так и наклон "слабого" поглощения зависят от состава и условий получения стекла, а также от содержания примесей в нем. Анализ имеющихся данных показал, что для халькогенидных стекол и световодов значения составляют ю°-ю5 дБ/км, а значения - ю4-ю3 см-1 На рис.21 приведено положение. "слабого" поглощения для стекла аб^ с различным содержанием примесных атомов железа в нем и для лучшего световода из этого стекла. Видно, что с уменьшением концентрации примеси падает и уровень "слабого" поглощения. Авторы [80] на основе анализа зависимости "слабого" поглощения от содержания примесей в исходных материалах, условий синтеза и условий процесса вытяжки световодов, пришли к выводу , что этот механизм ограничивает минимально достижимый уровень оптических потерь в халькогенидных световодах десятками дБ/км.

К сожалению, к настоящему времени еще не выполнены теоретические расчеты вклада "слабого" поглощения в собственные потери. Н« ясно, какая часть наблюдаемого экспоненциального спада являете; собственной, а какая имеет чисто примесное происхождение. Поэтом: вопрос о природе и уровне "слабого" поглощения в халькогенидны; стеклах имеет принципиальное значение для ИК волоконной оптики Поскольку в области проявления "слабого" поглощения в спектрах. оп тических потерь лучших халькогенидных световодов (см.рис.21) вида

примесные полосы поглощения переходных элементов, концентрация которых по нашим расчетам находится на уровне ю-4- ю-5 ат.%, можно предположить, что только при ее снижении на 2-з порядка будет решен вопрос о собственном вкладе в этот вид оптических потерь в халькогенидных световодах. Отметим однако, что для лучших халько-генидных световодов, разработанных нами, уровень слабого поглощения уже ниже, чем приводимый в качестве собственного в [80].

0,5 Л,мкм (0 2,0 5ДЩ0

I-

Ш

гг2

Рзьтте рлситв

Рис.21. Положение "слабого" поглощения для халькогенидного стекла аз28з с различным содержанием примесных атомов железа [121] и для световода из стекла того же состава [80].

25 2.0 £,еУ

05 О

Согласно [122] "слабое" поглощение можно наблюдать во всех высокопрозрачных ИК-материалах, включая такие пшрокозонные кристаллы, как ыг и св1. Однако уровень "слабого" поглощения в них существенно ниже, чем в более узкозонных халькогенидных стеклах, и поэтому пока не проявляется в спектрах оптических потерь в кристаллах и световодах на их основе.

Влияние оболочки и защитных отражающих покрытий на оптические по-

ри в ИК волоконных световодах. В двухслойных световодах определенная часть излучения передается оболочкой, которая вносит дополнительные оптические потери. В соответствии с [123 ]. они приближенно могут быть рассчитаны по следующему выражению:

AVA) " 2^InA^c<A>- 0oU>](NA9i))2/NA2, (20)

где РСМ и ро(а.)- оптические потери в сердцевине и оболочке, соответственно, а - длина волны, га -диаметр сердцевины световода, na -теоретическая, а ыаэф-эффективная числовая апертуры световода.

В выражении (20) считается, что оболочка имеет достаточную толщину, при которой распространявшееся по световоду излучение не достигает ее границы. В случае малой толщины оболочки или ее отсутствия часть излучения выходит в полимерное покрытие световода, оптические потери в котором в среднем ИК-диапазоне обычно на несколько' порядков выше, чем в сердцевине или оболочке световода. Dpi этом в спектрах оптических потерь световода проявляются полосы по-глощенияоболочки и покрытия, и их интенсивность позволяет судить о правильности выбора конструкционных параметров световода.1

В однослойных световодах типа стекло-полимср или кристалл-полимер оптические потери в среднем ИК-диапазоне могут определять^ главным образом покрытием вследствие больших собственных потерь i полимере и пропорциональности дополнительных потерь длине волны ; распространяющегося излучения.

Для выбора оптимального отражающего покрытия для однослойных И световодов нами были изучены спектральные зависимости оптически потерь в пленках различных полимеров, пригодных для использовани в среднем ИК-диапазоне. Исследовались покрытия из различных фторо пластов, полиэтилена, поликарбоната и др. Оказалось, что наимень

шими потерями в диапазоне до 7 мкм и наибольшей простотой нанесения на ИК-световоды обладают фторопласты (Ф-42 и Ф4МБ). Для более длинноволнового диапазона в качестве защитного покрытия, одновременно выполняющего функции и отражающей оболочки наиболее подходит полиэтилен. Нанесение фторопласта Ф-42 осуществляется из раствора в метилэтижетоне, фторопласт же Ф4МБ термопластичен, поэтому покрытия из него получают вытягиванием стеклянной заготовки с предварительно надетой на нее трубкой из фторопласта.

Было показано [124*], что дополнительные оптические потери в халькогенидных световодах, обусловленные покрытием-из фторопласта Ф-42, даже при учете различия между теоретической и эффективной числовыми апертурами обычно в несколько раз меньше, чем рассчитанные (см. рис.22) по выражению (20). Этот факт может быть объяснен тем, что из раствора в процессе вытяжки удается нанести на световод покрытие из Ф-42 толщиной в 5 - ю мкм, которое довольно неплотно прилегает к нему, вследствие чего площадь оптического контакта покрытия со световодом составляет несколько десятков .процентов. Нанесение вторичного полимерного покрытия на такие световода приводит к существенному росту дополнительных оптических потерь вплоть до согласующихся с выражением (20).

Шиоомкм Рис.22, Дополнительные опти-шкяю мкм ческие потери в среднем ИК-

диапазоне в однослойных световодах различного диаметра, обусловленные покрытием из фторопласта Ф-42 (ыа=ыа

'эф

2

3 4 5 (0 я.,мкм

Выполненные расчеты и измерения оптических потерь в однослойных ИК-световодах с полимерной оболочкой из фторопласта Ф-42 показали, что в них могут быть достигнуты оптические потери в 150-500 дБ/км в диапазоне длин волн менее 7 мкм. В более длинноволновом диапазоне оптические потери в таких световодах существенно выше и превышают, например, бооо дБ/км на длине волны С02-лазера. Поэтому для использования в диапазоне длин волн, превышающих 7 мкм, необходимы либо однослойные световоды со свободной полимерной оболочкой, либо двухслойные световоды, в которых оболочка устраняет влияние полимерного покрытия на полные оптические потери в световоде. Фотоиндуцированное поглощение в волоконных световодах из халькогенидных стекол. Известно, что под действием различных видов излучений (гамма, рентгеновского, ультра-фиолетового, видимого и ближнего ИК-диапазонов в халькогенидных стеклах появляется дополнительное поглощение, которое широко исследовалось вблизи коротковолнового края пропускания стекол, где оно наиболее сильно выражено, измерения этого вида дополнительных оптических потерь в более длинноволновом диапазоне, в котором находится область высокой прозрачности халькогенидных стекол, ограничены как чувствительностью метода абсорбционной спектроскопии, так и малостью области взаимодействия возбуждающего излучения с обычно используемыми в исследованиях образцами стекол в виде пленок или пластин небольшой толщины. Создание волоконных световодов из халькогенидных стекол позволило существенно увеличить область взаимодействия с излучением путем его воздействия на боковую поверхность исследуемого световода и накопления эффекта потемнения по длине световода. Так в [125] удалось наблюдать фотоиндуцированное поглощение в таких световодах в диапазоне длин волн от 0,5 до 1,6 мкм и исследовать его зависимость от интенсивности и времени засветки.

Снижение оптических потерь в световодах до уровня 200-300 дБ/км позволило нам исследовать спектральную зависимость и кинетику фо-тоиндуцированного поглощения в световодах из халькогенидных стекол различного состава в области их высокой прозрачности (от 2 до 7 мкм) [126?127*].

На рис.23 приведены спектральные зависимости обратимого фэтоин-дуцированного поглощения Л3ф(х) для световодов различного состава, находящихся при комнатной температуре. Было показано, что они хорошо описываются выражением':

Л0ф(\> = Аехр(-ВХ) = Аехр(-Е/Е), (21)

где айв (или а и е* ) - постоянные, зависящие от состава и температуры световода, а е - энергия.

Рис.23. Спектральная зависимость: а - фотоиндуцированных оптических потерь в однослойных световодах из различных халькогенидных стекол, б - фоточувствительносги световода из стекла Аз25е3 [127 ]

Шло найдено, что с увеличением ширины запрещенной зоны Ед стекла общий уровень наведенного поглощения (характеризуемый постоянной а) падает, но растет постоянная е*(определяющая наклон прямых на рис.2за), при этом отношение е*/е слабо изменяется с составом

стекла, близко к 1,5 и зависит от структуры стекла. Оказалось также, что при комнатных температурах наведенные потери в халькогени-дных световодах пропорциональны квадрату освещенности, а наибольшей фоточувствительностью (см. рис.гзб) световоды обладают в узком спектральном интервале вблизи длины волны лд, соответствующей ширине запрещенной зоны стекла, т.е. вблизи лд[мкм]=1,24/Ед[эВ].

Спектральная зависимость (21) и кинетика роста наведенного поглощения и его релаксация были качественно объяснены В.О.Соколовым и В.Б.Сулимовым [127*), использовавшими для этого представление об автолокализованных состояниях электронных и дырочных пар в халько-генидных стеклах.

Исследование наведенного поглощения показало, что при измерении .оптических потерь в волоконных световодах из халькогенидных стекол следует учитывать уровень их боковой засветки, поскольку фотонаведенные потери могут существенно превышать, особенно в коротковолновой части области высокой прозрачности стекол, другие виды оптических потерь в световодах. Для исключения фотопотемнения при использовании халькогенидных световодов из сульфидных стекол необходимо, чтобы они были в светозащитном покрытии, позволяющем снизить уровень засветки поверхности световода до уровня ниже . ю ж, а при низких температурах - ниже единиц лк. Для световодов из селенидных стекол эти требованная ужесточаются примерно на порядок.

Прочность световодов. ИК-световоды с оптическими потерями менее 400-500 дБ/км вполне пригодны для передачи излучения на расстояния вплоть до десятков метров, при этом в качестве основного параметра, определяющего эффективность, а иногда и саму возможность использования световодов выступает их механическая прочность. Теоретические оценки, основывающиеся на использовании понятия критичес-

кого коэффициента растягивающих напряжений к1С, предсказывают прочность световодов из халькогенидных стекол примерно в з раза меньшую, чем у кварцевых световодов, т.е. около з-5 ГПа. Реальная же прочность халькогенидных световодов пока значительно ниже из-за наличия в них как поверхностных, так и объемных дефектов. Измерения прочности халькогенидных световодов проводили по методу двухточечного изгиба между параллельными пластинами, подробно описанном в. [128]. Для этого использовалось устройство, позволяющее изменять скорость сближения пластин на 4 порядка (1,5; 0,15; 0,015 и о,оо15 мм/сек). Начальное расстояние между пластинами составляло от ю до 4 см. Количество образцов в каждой серии измерений было не менее зо. Остановка сближения пластин в момент излома световода осуществлялась опто-электронной системой, позволявшей измерять расстояние меаду пластинами с точностью, превышающей х%. Разрывное напряжение а или разрывное относительное удлинение е рассчитывались по формуле:

с = 1,198 <а/(Ь-П), сг = Е с , (22)

где й и р - соответственно диаметры оболочки и покрытия световода, ь - расстояние между пластинами в момент излома световода, а е - модуль Юнга стекла световода.

Для исключения ошибки определения с за счет вариаций диаметра световода, последний измерялся по торцу световода с помощью микроскопа для каждого излома. Результаты измерений прочности представлялись в виде графиков распределения Бейбулла, которые для лучших халькогенидных световодов представлены на рис.24. Исследования показали, что у световодов, вытянутых из заготовок обычно доминируют поверхностные [66*], а у световодов, полученных тигельным методом - объемные дефекты [129*]. Средняя прочность световодов из сульфидных стекол, вытянутых из заготовок, составляла от 200 до 400

МПа, в то время, как для тигельных световодов из стекол тех не составов за счет улучшения поверхности световода удалось достичь

средней прочности в боо-воо МПа [1зо*ь Снижение же концентрации

ч ч —ч

включений в исходных стеклах с ю до 1сг см привело к повышению средней прочности до воо-юоо Мпа.

0-2-

цыа-?))

А

Рис.24. Графики распределения ^ / Еейбулла для световодов из сте-

» / кла аз2з3, полученные вытягива-

*«' / нием из заготовки (а), или ти-

у_ б: МПа

Ч-1-1-1-г

гельным методом (б).

200 400 600 800 Ш

Однослойные монокристаллические световоды из галогенидов таллия, серебра и цезия оказались чрезвычайно пластичными. Их относительное удлинение цри пластической деформации, происходящей путем трансляционного скольжения в системе {ио}<юо>, составляло от 20 до но % и зависело от условий выращивания. При оптимальных условиях выращивания световоды не имели блочного строения, обладали наибольшей пластичностью и наименьшим светорассеянием. Для всех галогенидов наблюдалось уменьшение пластичности и увеличение предела прочности с ростом скорости выращивания, что являлось следствием увеличения термических напряжений и блочного строения волокон, затрудняющего перемещение плоскостей скольжения при пластической деформации. Предел прочности однослойных монокристаллических световодов из индивидуальных галогенидов составлял з-ю МПа, а из их твердых растворов - 20-25 МПа.

Для двухслойных монокристаллических световодов по сравнению с

■с*

однослойными характерно значительное уменьшение (в 5-8 раз) пластичности и увеличение примерно в 1,5-2 раза прочности, что вероятнее всего связано с деформационным упрочнением. Диаграмма растяжения световода (см.рис.25) имела ступенчатый вид, означающий, что разрушение оболочки и сердцевины происходило неодновременно.

Изменение оптических потерь и прочности световодов со временем. Исследования показали, что оптические потери в однослойных халько-генидных световодах, как покрытых полимером, так и непокрытых, увеличиваются со временем. При этом растут полосы поглощения (селективные потери), которые соответствуют адсорбированным на поверхности световода молекулам н2о, со2 и органическим соединениям со связями сн, с=о и др., а также полосы поглощения, обусловленные полимером, за счет его старения и более плотного обжатия (усадки) им световода. Кроме того растет общий уровень оптических потерь (неселективные потери) за счет ухудшения состояния поверхности световода из-за роста трещин и старения полимера.

Фторопластовое покрытие позволяет существенно продлить срок службы инфракрасных волоконных световодов по сравнению с непокрытыми световодами за счет защиты поверхности от воздействия влаги и механических повреждений.

Незначительное изменение потерь и прочности со временем наблюдалось для двухслойных халькогенидных световодов из стекол системы

&.107, Па

Рис.25. Диаграмма растяжения: 1 -однослойного монокристаллического световода из пег и г - двухслойного монокристаллического световода: т1вг - сердц, Т1вг - обол.

О 20 «0

аб-б (сердцевша - аэ^б^, аб35б65) в двойном полимерном покрытии (Ф-42 - ю мкм, ПВХ - зоо мкм). Общий уровень оптических потерь в таких световодах за два года после их изготовления и хранения в „_ лабораторных условиях возрос примерно на ь-1%, а средняя срочность при изгибе упала примерно на 15 % (с 700 до еоо МПа).

Рост оптических потерь в моноедисталлических световодах был значительно более быстрым. За первую неделю после выращивания в однослойных световодах неселективные оптические потери, как отмечалось выше, возрастали на го-зо % в случае галогенидов таллия и серебра и от 2 до ю раз - в случае иодида цезия. Рост потерь в двухслойных монокристаллических световодах в покрытии из полиэтилена в тех же условиях хранения замедлялся более, чем в ю раз.

iv.5. 0ДК0М0Д0ВЫЕ СВЕТОВОДЫ ИЗ ХАЛЬКОГЕНВДНЫХ СТЕКОЛ. __Влюследние годы прилагаются большие усилия для создания активных инфракрасных волоконных световодов. При этом решаются две ос. новные задачи - задача разработки высокочистой технологии изготовления одномодовых световодов из этих материалов и задача внедрения редкоземельных ионов в сами материалы, а затем и в сердцевину волоконного световода.

Поскольку частоты собственных колебаний, а следовательно и мно-гофононная релаксация, у ИК материалов значительно ниже, чем у кварцевого стекла, можно надеяться на создание высокоэффективных усилителей для всех трех спектральных интервалов работы линий волоконно-оптической связи (Вблизи 0,8, 1,3 и 1,55 мкм). Особую вэж-ность имеет интервал вблизи 1,з мкм, который недоступен для усилителей на основе световодов из кварцевого стекла из-за сильного поглощения в них возбужденных состояний редкоземельных ионов.

В литературе пока нет публикаций, посвященных одномодовым ак-

гивным световодам на основе халькогенидных стекол, т.к. еще не ре-юны обе упомянутые выше задачи изготовления таких световодов. По-жольку минимальные оптические потери в классе халькогенидных световодов к настоящему времени достигнуты в световодах из сульфидно-шшьяковых стекол Азх51_х» стекла этой системы были выбраны наш шя получения одномодовых световодов. Для сердцевины световода был ззят стехиометричный аз40б60, как наиболее изученный и получаемый $ наиболее чистом виде из всех составов системы. Для выбора соста-!а оболочки воспользовались полученной нами на основе спектральных юмерений [46*] зависимостью показателя преломления п от концент-)ации компонентов, которая для длины волны а=1,3 мкм и близких к ¡техиометричному аз40э60 составов (40>Х>39,3) может быть представ-юна в линейном виде:

П. ,(Х) = 0,0134 X + 1,9144, (23)

1 / о

1 также приведеной на рис.26 зависимостью относительной разности д юказателей преломления п1 сердцевины и оболочки п2 от диаметра :а сердцевины, рассчитанной по известному выражению для двух зна-гений (2,406 и з,о) нормированной частоты V:

(2тга/Я) (п2 - п2)1/2 = V (24)

Из рис.26 видно, что для значений д в интервале о,2-о,з и дна-1етра сердцевины примерно от 5 до 6,2 мкм при у=2,4 и от 6,5 до 8 юл при у=з состав оболочки должен отличаться от состава сердцевин примерно на о,4 - о,б % . Поэтому для оболочки был выбран сос-

'ав ,5^60, 5'

Одномодовые световоды изготавливались по следующей схеме: Сна-[ала тигельным методом вытягивались двухслойные световоды с отно-[ением диаметров сердцевины и оболочки примерно 1:5, а также труб-:а из' стекла оболочки с соотношением внутреннего и внешнего диа-ютров около 1:з или 1:10. Затем двухслойный световод вставлялся в

трубку и полученная таким образом сборка перетягивалась в световод с диаметром сердцевины от 5 до 8 мкм.

Длина волны отсечки хс полученных световодов определялась методом изгиба. Оказалось, что ее положение очень слабо зависело от радиуса изгиба световодов (вплоть до нескольких см), а зависимость от диаметра сердцевины была близка к линейной. Удалось изготовить отрезки одномодовых световодов с длиной волны отсечки в интервале от 1,1 до 1,5 мкм, при этом значения нормированной частоты V, удовлетворяющие выражению (24) для нее, были выше 2,4 и равнялись примерно 2,7 для коротковолновой И 2,6 для длинноволновой границ интервала.

10 0,8 0.6 ОД

- А, Г.

1 а, 5"

П*

1 — г, ,.1, ^ / ! I ! 1 1 1 1 1 г—■—г ' '' 1 1' -1-11 ■ ■ г 1

ЦБ 8 10 12

2а, мни

0.5

{!>

№-Х\ У,....

Рис.2б. Зависимость относительной разности д показателей преломления сердцевины и оболочки одномодового халькогенидного световода: а -от диаметра 2а сердцевины (v = 2,4 (1) и з (2)), б - от состава оболочки. Длина волны излучения: л =1,з мкм.

О

о

о

Спектральная зависимость оптических потерь в световодах измерялась методом слома на вакуумируемом инфракрасном фурье спектрометре трб-изу. Для лучшего из полученных одномодовых световодов она

приведена на рис.27. Здесь же показана зависимость оптических потерь для лучшего многомодового халькогенидного световода с сердцевиной из стекла того не состава, что и у одномодового световода. Из рисунка видно, что оптические потери в одномодовом световоде существенно выше (около 400 по сравнению с 24 дБ/км) и наблюдается широкое плато (от 1,з до 2,7 мкм), высокий уровень которого может объясняться недостаточным для одномодового режима совершенством границы между сердцевиной и оболочкой. Прочность при изгибе одко-модовых световодов оказалась значительно ниже, чем у многомодовых (150-200 МПа), что обусловливалось недостаточным, совершенством границы между двумя стеклянными оболочками. Совершенствование технологии изготовления таких световодов и снижение оптических потерь вблизи 1,з мкм до юо дБ/км позволит приступить к внедрению в сердцевину редкоземельных ионов, в частности ионов рг и ш, и исследованию люминесцентных и генерационных характеристик таких свето-

V. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИК-СВЕТОВОДОВ [131*].

водов.

Рис.27. Спектральные зависимости оптических потерь в халькогенидкых волоконных световодах: 1 -одномодовый световод (стрелкой указано положение длины волны отсечки); 2 - МНОГОМОДО-вый световод [Ю7*].

-*-1-1-1-1-11111-г——

1,0 12 14 1.6 1» £0 Р

Самой важной областью применения ИК-световодов может стать сверхдальняя оптическэя связь. В современных линиях оптической

связи, в которых используются кварцевые световоды, проходящий пс ним сигнал необходимо усиливать через кавдые 50-100 км. Если удастся разработать технологию получения одномодовых ИК-световодов с оптическими потерями около 0,01 дБ/км, то расстояние между усилителями-ретрансляторами можно будет уВеЛИЧИТЬ ВПЛОТЬ ДО 4-5 тыс.км, В табл.8 приведен уровень достигнутых к настоящему времени оптических потерь в различных видах ИК-световодов. Видно, что толы« в световодах из фгоридных стекол этот уровень ниже 1 дБ/км. Среда разработчиков ИК-световодов все более укрепляется мнение, чт< только во фторидных световодах можно будет в обозримом будуще! снизить оптические потери до 0,01 ДБ/км, что позволит им конкурировать с кварцевыми световодами в линиях дальней оптической связи

Таблица 8. Достигнутый уровень оптических потерь в различных, видах ИК-световодов.

Материал Рекордный уровень потерь, дБ/км Обычный уровень потерь, дБ/км Длина волны, мкм

сео2 - sb2o3 4 - 2

Халькогенидные 23 - 50 200 2 - 2,5

78 - 100 500 5-6

Фторидные 0,45 - 0,7 100 2,5

Кристаллические 80 - 100 300 10,6

Полые

металлические 50 300 10,6

В других же видах ИК-световодов из-за наличия таких механизмов оптических потерь, как слабое поглощение или рассеяние на объемных или поверхностных неоднородностях вряд ли удастся снизить потери до уровня менее нескольких дБ/км.

Несмотря на это, уже достигнутый уровень оптических потерь в ИК световодах достаточен для многих применений, в которых длины используемых световодов не превышают зо-бо м.

Силовая волоконная оптика. Одним из'важнейших направлений использования ИК-световодов считается передача по ним излучения мощных источников ИК-излучения, таких, как нр-(2,7 мкм), уас-ег-+ (2,94 мкм), ор- (з,8 мкм), со-(5,з—б,2 мкм) и со2-(ю,б мкм) лазеров для медицинских, технологических и военных целей. Они позволят заменить довольно громоздкие и недостаточно удобные зеркальные манипуляторы. В медицине лазерные скальпели с кварцевыми световодами, передающими излучение видимого й ближнего ИК-диапазонов, уже используются для коагуляции крови, которая сильно поглощает излучение этих диапазонов. Ткани же человека и вообще биоткани на 70-90 % состоят из воды, более эффективно поглощающей излучение среднего ИК-диапазона. Необходимая мощность лазерного излучения для хирургических целей составляет от нескольких Вт до десятков Вт, для передачи которой оптичесие потери в световодах не должны превышать 200-400 дБ/км. Достигнутый уровень оптических потерь в хадькоге-нидаых световодах на длинах волн излучения мощных ИК-лазеров приведен в табл.9 [132*1. Для каждого лазера (пока кроме лазера на С02) может быть выбран оптимальный состав стекла, методика его очистки и получения световода, позволяющие передавать непрерывное лазерное излучение мощностью в ю Вт и выше. Так по однослойным световодам из стекол аб35з65 и се5аз38ве57 диаметром 450 мкм можно было пропускать в течение нескольких часов излучение непрерывного

СО-лазера мощность до-ю Вт, при этом верхний уровень проходящего излучения ограничивался выходной мощностью используемого лазера, а не параметрами световода [133*-135*].

Таблица э. Достигнутый уровень оптических потерь в световодах из халькогенидных стекол на длинах волн излучения ИК-лазеров.

HF- YAG:Er DF- со- СО - Ис-

Состав стекла 2,7 2,94 3,8 5, 5 6,1 1076 точ-

мкм мкм мкм МКМ мкм МКМ ник

Аз^ 75 900 1180 230 670 - [80]

АЗ233 76 2000 176 255 - - [103*3

АЗ233/АБ35365 195 3800 210 2000 3200 - Ц05*]

Аз28е3 160 1500 76 85 130 4800 {104* J

Се5-А5385е57 98 170 215 230 120 6800 [102*]

Се5Аз388е57 1100 7000 280 610 580 - [80]

Бе20Бе80 290 320 440 200 270 8000 Ц35]

6в108Ь268в64 - - - - - 3000 [135]

А513Се253е27Те35 - - 3600 600 200 2000 [136]

Из рис.28, видно, что наиболее перспективен для целей лазерной хирургии уас-ег3+-лазер с длиной волны излучения 2,94 мкм, попадающей в наиболее интенсивную полосу поглощения нормальных колебаний воды (р^1,27-ю4см-1). При длительности импульса излучения уас-ег3± лазера в несколько сот икс пороговая энергия испарения биоткани составляет около 1 Дж/см2 - для мягких тканей и около ю Дж на см2 - для твердой ткани зуба (дентина). Для передачи излучения уас-ег3-лазера были изготовлены световоды с уменьшенным содержанием примесных ОН-групп, оптические потери в которых показаны на рис.29. Снижение оптических потерь на длине волны 2,94 мкм до

уровня 170 дБ/км позволило передавать по таким световодам длиной до 1 м импульсы излучения ¥АС-Ег3;!:лазера длительностью 200 мс с плотностью энергии более 150 Дж/см^, что соответствовало интенсивности в максимуме импульсов 1-1,5 МВт/см^ [102*]. Этого вполне достаточно для испарения всех видов биоткани.

|{} || I х,мкм Рис.29. Спектральная зависимость '[ I I и) '| ' ")—гттг]— оптических потерь в световодах для 0,1 1,0 10 400 передачи излучения ?дг-ег3^лазера. Рис.28. Спектральная зависимость поглощения водой и положение основных линий излучения мощных лазеров.

Поглощение биотканью излучения наиболее разработанного и широко используемого в медицине С02-лазера (ю,б мкм), как видно из рис.28, примерно на порядок ниже, чем излучения удс-ег3-лазера, эднако с его помощью за счет большей глубины проникновения излучения в биоткани удается осуществлять не только их резание, но и коагуляцию. В настоящее время для передачи излучения С02-лазера луч-пе всего подходят поликристаллические световоды на основе галоге-зидов серебра, оптические потери в которых на длине волны ю,б мкм составляют 80 - юо дБ/км (Разработаныё Бутвиной Л.Н.). По таким световодам без дополнительного охлаждения удалось передавать в те-

чение 2-з часов 27-30 Вт или в течение 4-5 часов до 20 Вт нецреры вного излучения С02-лазера, Этого вполне достаточно для многих ме дицинских применений. Для успешного внедрения ИК-световодов в ме дицинскую практику необходимы удобные и надежные конструкции сило вого волоконного кабеля, которые еще к настоящему времени не раз работаны.

Аналитическая Ж-спектроскопия. Использование световодов в аналг тических целях существенно расширяет возможности ИК-спектроскопш поскольку появляется возможность исследования газообразных, кидке и твердотельных образцов, которые по каким-либо цричинам нельг поместить в измерительную камеру спектрального прибора. Световод позволяют снять многие ограничения на размеры образцов и их форвд . В зависимости от характера регистрируемого сигнала системы ие мерения с использованием ИК-световодов можно подразделить на чезд ре основных вида. Это системы для измерения спектров излучеши пропускания, отражения и многократного нарушенного полного вну реннего отражения 1137*]. Световоды из стекол систем аб-з, Аз-эе се-АБ-Бе нашли применение для вывода ^излучения полупроводников! лазеров, работающих при температуре жидкого азота, из криостатов диодных лазерных спектрометрах сверхвысокого разрешения [138], и пользующих в частности многоходовые кюветы для анализа состава в сокочистых летучих веществ {139?140*ь

Инфракрасная пирометрия. В случае, когда объекты, температуру к торых необходимо измерять, находятся в труднодоступном месте и когда между ниш и пирометром имеется цромежуточная среда, влия щая на показания пирометра, а также в условиях сильных электрома нитных помех оказывается наиболее удобным применение волоконн световодов. Использование для этих целей кварцевых световодов с раничивается областью достаточно высоких температур, обычно прег

наших 2оо-зоо°С. Особый же интерес представляет термоконтроль биологических объектов, частей работающих электрических машин, элементов микроэлектроники и других устройств, температура которых зиже 200°С или даже близка к комнатной температуре. На рис.зо показана интенсивность излучения абсолютно черного тела при различной температуре и положение края пропускания световодов из различных ИК-материалов. В [141*142*] описан макет низкотемпературного шрометра со световодом из стекла се5дз38Бе57 длиной до 2 м. который при частоте модуляции 800 Гц и использовании в качестве прием-шка излучения неохлаждаемого фотосопротивления РЬБе позволил снизить границу измеряемой с точностью до 1°С температуры вплоть до ю°С. Возможность применения халькогенидных световодов в приборах медицинской диагностики показана в работе [144*], в которой с по-ющью жгута из 180 световодов диаметров 250 мкм контролировалась температура поверхности глазного яблока после удаления катаракты и хирургического лечения глаукомы. Создание регулярных жгутов из та-сих световодов позволит использовать их для передачи ИК-изображе-гий для медицинских, технологических и других специальных примене-

шй.

Рис.зо. Спектральная зависимость штенсивности 1(отн.ед.) излучения )бсолютно черного тела (фоновое изучение при комнатной температуре ¡ычтено) [7*]. Стрелками отмечена ушнноволновая граница пропускания К световодов из различных материа-юв.

'г-I I-ч 1 '—г-пи—Г-2 6 10 12 ад 50

Волоконно-оптические датчики. Еще одним перспективным направление использования ИК-световодов могут стать датчики различных физичес ких полей, таких как электромагнитное поле, механические смещенш давление, температура и др. Большое разнообразие ИК-материалов пс зволяет в широких пределах менять физические параметры световодс и таким образом добиваться необходимых характеристик волоконно-ог тических датчиков, чувствительность которых может значительно пре восходить датчики на основе кварцевых световодов. На рис.31 приве дены рассчитанные в [144*] спектральные чувствительности фазовь волоконно-оптических датчиков давления и температуры. Видно, чч датчики давления с ИК-световодами могут обладать на 1-2 порядо большей чувствительностью М(х), чем датчики с кварцевыми световс дами. Чувствительность же датчиков температуры Ф(х) может как пре восходить, так и быть существенно ниже, чем на основе кварцевь световодов, т.к. слагаемые, входящие в выражение для Ф(а), мои компенсировать друг друга: Ф(а) (2тг/а) {ап(а)+5п(х)/5т}. Здесь а.

Рис.31. Спектральная чувствительность датчиков давления (а) и температуры (б) с ИК световодами из различных материалов [144*]

коэффициент теплового расширения материала световода, а Т - температура. Так, для ддС1 чувствительность к колебаниям температуры низка для широкого спектрального интервала и обращается в нуль вблизи з мкм. Для Сэ1 эта длина волны близка к 8 мкм. Низкая термочувствительно сть световодов может быть исключительно полезной для тех же датчиков давления, когда необходима высокая устойчивость параметров к колебаниям температуры окружающей среды. Для реализации преимуществ ИК-датчиков необходимо решить проблему изготовления одномодовых световодов достаточной длины и прочности, к которой разработчики ИК-световодов только приступают.

vi. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

В результате выполненных исследований заложены научные основы нового направления в волоконной оптике - волоконной оптики среднего инфракрасного диапазона (ИК волоконной оптики).

Разработанная аппаратура и методики измерений оптических параметров высокопрозрачных инфракрасных материалов и волоконных светововдов на их основе позволили:

- получить новые данные по оптическим характеристикам высокопрозрачных инфракрасных материалов и волоконных световодов на их основе ;

- разработать лабораторную технологию изготовления кристаллов га-логенидов таллия (совместно с ГИРЕДМЕТ) и халькогенидных стекол систем аб-б и аэ-Зс (совместно с ИХВВ РАН)с рекордно низким поглощением на уровне 10_5-10_6см-1

- разработать способ изготовления и получить волоконные световоды на основе халькогенидных стекол с рекордно низкими оптическими потерями на уровне 20-100 дБ/км (совместно с ИХВВ РАН).

Выполненные исследования показали возможность использования разработанных к настоящему времени ИК световодов в низкотемпературной пирометрии, дистанционной ИК спектроскопии для экологических целей, а также для целей лазерной медицины и технологии.

Основные результаты работы:

1. Разработана аппаратура и усовершенствованы методики измерения малых оптических потерь (на уровне ю-5- ю-бсм-1 с точностью ю - 20 %) и показателя преломления (п < з,5 с точностью ю-3 - ю-4) в высокоцрозрачных твердотельных материалах. Создана методика измерения оптических потерь в волоконных световодах в диапазоне ДЛИН ВОЛН ОТ 2 ДО 25 МКМ.

Это позволило осуществлять контроль технологического процесса изготовления высокочистых халькогенидных стекол (совместно с ИХВВ РАН), кристаллов галогенидов таллия (совместно с ГИРЕДМЕТ) и световодов на их основе, в результате чего оптические потери в них снижены более, чем на г порядка и получены образцы материалов и световодов с рекордными характеристиками.

Впервые с помощью предложенной интерферометрической методики измерена спектральная зависимость показателя преломления некоторых составов халькогенидных (дв^, Аз25е3, ИКС-25 й ИКС-29) и фторид-ных стекол (системы гвьди).

2. Изучен вклад различных собственных и несобственных механизмов оптических потерь в полные оптические потери в волоконных световодах среднего инфракрасного диапазона. Выполнены оценки минимально возможных оптических потерь в халькогенидных стеклах Дз2з3 и Ав2Бе3 и монокристаллах галогенидов таллия и цезия. Уточнено положение края многофононного поглощения для этих материалов. Показано, что минимум собственных оптических потерь у них находится в

¡реднем ИК-диапазонв (4 - в мкм) и составляет ю-2 - ю-3 дБ/км. [оказано также, что основным источником избыточных потерь в разработанных к настоящему времени ИК световодах является примесное по-'лощение и межмодовая конверсия за счет рассеяния на включениях и .еоднородностях геометрических параметров световодов.

з. Исследовано влияние на оптические потери в высокопрозрачных среднем ИК диапазоне твердотельных материалах основных поглощаю-их водород-, кислород- иуглеродсодержащих цримесных комплексов, первые определена спектральная зависимость коэффициента экстинк-ии для полос поглощения примесных молекул аз2о3 в стеклообразном е (совместно с ИОНХ РАН), молекул н2з и н2Бе соответственно в теклообразных сульфиде и селениде мышьяка (совместно с ИХВВ РАН), также примесных ионов то" в кристаллах галогенидов таллия (сов-зстно с ГИРЕДМЕТ). Показано, что для достижения в ИК-диапаэоне иических потерь менее ю дБ/км концентрация этих примесей не элжна превышать ю-6- ю-8 вес.£.

4. Впервые разработан способ изготовления и получены (совместно ИХВВ РАН):

- многомодовые волоконные световоды из халькогенидных стекол сис-!М Аб-Э И Ай-Зе с рекордно низкими оптическими потерями в 23±8 и >±ю дБ/км соответственно на длинах волн вблизи 2,5 и 4,5 мкм и >едней прочностью при изгибе в воо-юоо мра. • одномодовые халькогенидные волоконные световода для области гектра вблизи 1,з мкм с оптическими потерями на уровне 4оо дБ/км.

Таким образом, в результате выполненных исследований достиг-ты результаты, которые позволяют считать, что волоконная оптика еднего инфракрасного диапазона из чисто научного направления пе-шла в сферу практической деятельности людей.

Данная работа выполнена в Научном центре волоконной оптша при ИОФ РАН (ранее сектор, лаборатория и отдел ИОФ РАН), созданног и руководимом академиком РАН Диановым Е.М. Я благодарен Е.М. Диа-нову за предложенную перспективную тематику исследований и постоянную поддержку, без которой решение многих возникавших пробле! было бы невозможно.

Разработка световодов из новых материалов для использования ; новом спектральном диапазоне охватывает целый комплекс проблем связанных с получением исходных компонентов необходимого уровн чистом,и совершенства, разработкой методов изготовления светово дов и исследования их свойств. Она может быть решена только сов местными усилиями многих коллективов исследователей.

Я глубоко признателен за плодотворное сотрудничество и посто янную поддержку в работе чл.корр. РАН Чурбанову М.Ф. и сотрудника его лаборатории Скршачеву И.В., Улеватому Б.Е., Снопатину Г.Е. Ийшунову В.А. и Борисевичу В.Г. (ИХВВ РАН), а также сотрудника ГИРЕДМЕГ Лисицкому И.С. и Голованову В.Ф.

Я сердечно благодарен бывшим и настоящим сотрудникам груш Инфракрасных волоконных световодов Васильеву A.B., Войцеховско\ В.В., .Сысоеву В.К., Петрову М.Ю., фыстевой В.М., Пыркову Ю.Н. Васильеву O.A. за творческое участие в разработке аппаратуры проведении различных исследований. Выражаю также благодарюсь всем сотрудникам НЦВО при ИОФ РАН за полезные консультации, дис куссии и помощь в проведении измерений.

Особую благодарность выражаю академику Прохорову A.M. и ак; демику Девятых Г.Г., поддержка и постоянное внимание которых опр( деляют успешное развитие многих новых направлений исследований нашей стране.

I. ЛИТЕРАТУРА:

Standler R.R., Henderickson R.E. Infrared fiber optics techni-gue. - Infrared physics, 1963, V.3, PP.223-227. Kapany N.S., Sirams R.J. Recent development in infrared fiber optics. - Infrared physics, 1965, V.5, PP.69-80.

Pinnow D.A., Gentile A.L., Standlee A.G., Timper A.J., Hobrock L.M. Polycrystalline fiber optical waveguides for infrared transmission. - Appl.Phys.Letters, 1978, V.33, N.l, PP.28-29. Van Uitert L.G., Werapl S.H. ZnCl2 glass: A potential ultralow-loss optical fiber material. - Appl.Phys.Letters, 1978, V.33, N.l, PP.57-59.

Goodman C.H.L. Development and materials for 4 um - band fibre-optical communication. - Solid State Electron Devices, 1978, V.2, N. 5, PP.129-137.

Tangonan G., Pastor A.C., Pastor R.C. Single crystal K1C1 fibers for 10.6 fim integrated optics. - Appl.Optics, 1973, V.12, N.6, PP.1110-1112.

Васильев А.В., Дианов E.M., Плотниченко В.Г. Измерение коэффициентов поглощения высокопрозрачных твердотельных материалов методом излучательной спектроск. - ЖПС, 1982, т.37, n.i, с.112-116. Васильев А.В., Плотниченко В.Г., Сомсиков А.И. Влияние фона на спектры излучения высокопрозрачных твердотельных материалов. -ЖПС, 1984, т.40, n.6, с.958-961.

Масычев В.И., Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Спектральные и энергетические характеристики перестраиваемого лазера на СО для измерений оптических потерь в высокопрозрачных твердотельных материалах. - Препринт ФИАН, 1981, N.17, 51 С. Масычев В.И., Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Перестраиваемый лазер на окиси углерода. - Квантовая электроника, 1981, т.8, n.7,

С.1540-1550.

Масычев В.И., Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Спектральные характеристики лазеров на окиси углерода с различным изотопным наполнением. - Квантовая электроника, 1982, т.э, n.ii, с.гзоз-гзоб. Васильев А.В., Масычев В.И., Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Выбор дифракционной решетки для перестраиваемого СО-лазера - ОМП,

1985, N.3, С.60-61.

13? Дианов Е.М., Масычев В.И., Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Уста новка для исследования и контроля оптических потерь в высокопро зрачных твердотельных материалов с помощью дискретно перестрав ваемых лазеров на СО и С02. - Тезисы Всес.конф. "Оптика лазероЕ 84", Ленинград, 1984, с.264-265.

14? Дианов Е.М., Масычев В.И., Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Измере ние коэффициентов объемного и поверхностного поглощения высокс прозрачных твердых тел в области излучения со-лазера. - Кванте вая электроника, 1980, т.7, n.6, с.1342-1345.

is! Дианов Е.М., Митичкин А.И., Панова А.Н., Плотниченко В.Г., Сысс ев В.К., Удовиченко Л.В. измерение коэффициентов объемного и пс верхностного поглощения высокопрозрачных твердых тел в облаем излучения СО^-лазера. - Квантовая электроника, 1980, т. 7, n.i с.1345-1347.

16? Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Измерение спектров поглощения bi сокоцрозрачных инфракрасных материалов методом лазерной калор метрии. - ОМП, 1983, n.12, с.1-4.

17? Масычев В.И., Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Измерение коэффиц ентов поглощения твердотельных материалов с помощью СО лазера селективным и неселектившш резонаторами. - ШПС, 1983, т.з n.2, с.343 Деп.

18? Масычев В.И., Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Влияние вида спект поглощения материала, спектра генерации и флуктуации мощное излучения СО лазера на измерение величины коэффициента поглош ния твердотельных материалов. - Препринт ИОФАН, 1984, n 39, is

19. Hass М., Davlsson J.W., Klein P.H., Boyer ,L.L, J.Appl.Phys 1974, V.45, P.3959.

20. Rowe J.M., Harrington J.A., J.Appl.Phys., 1976, V.47, N.I P.4926.

21. самарский А.А. Ж.выч.матем.и матем.физ., 1962, n.2, c.787.

22? Плотниченко В.Г., Сысоев В.К., Фирсов И.Г. Анализ калоримет1

ческих измерений коэффициентов поглощения высокопрозрачных гве дотельных материалов.- ЖГФ, 1981, т.51, n.9, с.1903-1908.

23? Плотниченко В.Г., Сысоев В.К., Фарсов И.Г. Анализ калоримет! ческих измерений коэффициентов поглощения высокопрозрачных тв( дотельных материалов (программа счета). - Препринт ФИАН, 19i N.181, 34 с.

Плотниченко В.Г., Сысоев В.К., Фирсов И.Г. Исследование оптической однородности высокопрозрачных твердотельных материалов методом лазерной калориметрии. - Квантовая электроника, 1981, т.8,

N.7, С.1495-1503.

Bennett H.S., Forman R.A. - Appl.Opt., 1976, V.15, N.10, P.2405.

Петров М.Ю., Плотниченко В.Г. Определение коэффициентов объемного и поверхностного поглощения оптических материалов с помощью фотоакустического метода. - ОМП, 1985, N.12, c.i-4. Новиков В.П., Новиков М.А. - Тез. XI Всесоюзной конф. по когерентной и нелинейной оптике. Ереван, 1982, с.625. 1 Васильев A.B., Дианов Е.М., Дмитрук JI.H., Плотниченко В.Г. Сысоев В.К. Монокристаллические волоконные световоды среднего инфракрасного диапазона. - Квантовая электроника, i98i, т.8, n.6,

С.1378-1379.

' Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Измерение спектров полных потерь в волоконных световодах ближнего и среднего ИК диапазонов. - ЖПС,

1983, Т.38, N.3, С.509-513.

Васильев A.B., Плотниченко В.Г. Измерение оптических характеристик ИК волоконных световодов. - Квантовая электроника, 1987,

Т.14, N.4, С.827-833.

* Васильев A.B., Васильев O.A., Плотниченко В.Г. Методика -измерения оптических потерь в волоконных Ж световодах. - Высокочистые

вещества, 1988, N.3, C.194-198. . Stone Р.Т., Gardner W.B., Lovelace C.R. - Optics Letters, 1978, V.2, N.2, P.48.

. Артюшенко В.Г., Бутвина Л.Н., Войцеховский В.В. - ОМП, 1985,

N.3, с.10.

. Белов A.B. - Диссертация на соискание ученой степени кандидата

физ.-мат.наук, ФИАН СССР, Москва, 1983. . Pinnow D.A., Rich Т.С., Osterraayer f.vi., DiDomenico M. - Appl.

Phys.Lett., 1973. V.22, P.527. . Shibata S., Terumuraa Y., Manabe T. - Jap.J.Appl.Phys., 1980,

V. 19, P.L603. . Lines M.E. - J.Appl.Phys., 1984, V.55, P.4058.

* Дианов E.M., Лисицкий И.С., Плотниченко В.Г., Сулимов В.Б., Сысоев В.К. Оценка минимально возможных оптических потерь в кристаллах галогенидов галлия. - Оптика и спектроскопия, 1984, т.56,

N.3Í С.457-460.

- 34 - ■

39? Дианов Е.М., Петров М.Ю., Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Оценк минимальных оптических потерь в халькогенидных стеклах. - Кван ТОВаЯ ЭЛеКТрОНИКа, 1982, Т.9, N.4, С.798-800.

40? Dianov Е.М., Lisitsky I.S., Plotnichenko V.G., Sulimov V.B. Sy soev V.K., Butvina L.N. Evaluation of Optical Loss Minima i Thallium Halide Crystals. - Fiber and Integrated Optics, 1985 V.5, N.2, P.125-133.

4i? Плотниченко В.Г., Сысоев В.К., Фирсов И.Г. Иодид цезия перепек тивный материал для волоконных световодов, предназначенных дл работы в видимой и инфракрасной областях спектра. ОВД, 1983 n..9, с.23-26.

42. Harrington J.А. Opt. Spectra, 1981, V.S, PP.39-41.

43. Butvina b.N,, Dianov Б.М. - proc.SPIE, 1984, V.484, P.21.

44. Wemple S.H. - J.Chem.Phys., 1977, V.67, P.2151.

45. Nassau K. - Bell Syst.Techn.J., l?8l, V.6Ö, P.327.

46? Васильев A.B.> Войцеховский B.B., Плотниченко &.Г., Измерени спектральной зависимости показателя преломления твердотельны материалов в области их высокой прозрачности. - Высокочистые ве

ЩеСТВЭ, 1991, N.3, С.39-49.

47? Plotnichenko ViG., VSsiliöv A«V», Vojtsekhovsky V.V. MeaSUremen of Refiactive Index Spectral Dependence of Highly Transpaten SöliäS.. 8th Int. Syrnp. on Halide Glasses, 22-24 Sept. 1992 Perros-Guirec, France* Extended Abstracts, P.316.

48. ¡Rodney W.S-i Malit^pn J.H.* King T.A., J.Opt.Soc.Anter., 1950 V.40, P.540.

49. Tokiwa H., Mimura 4., 3,btw.Techno!., 1986, V.i.T-4, N.8, P.1260

so? Фирсов Й.Г., Плотниченко В.F., Василев O.A. Расчет коэф£вдкен тов Селмейера для высокопрозрачных твердотельных материалов. Яреоринт И0Ф АН СССР, N.6, Шсква, isso, сл-4Э.

si. Воронкова ü.M. и др. Оптические материалы дяя иафракрасвой тех никй, М.: Наука, 1965.

52. Plannery н,* Sgärks Н. * US Dep. Commer. Sat. Bur. Stand. Spes . Publ., 1977, N»509, f.5.

53? Артшенко В.Г., Голованов В.Ф., Дар&ойд Т.И., Дианой Е,М. Плот нйченко В.Г; Поглощение й рассёянйе излучения в кристаллах КРС*-и КРС-6. - Мт&риады Всес.конф."Вещества особой чистоты для во

ЛОКОННОЙ ОПЙОСИ", ГОРЬКИЙ; МЭЙ-ИЮНЬ 1978, С.33-34.

* Артшенко В.Г., Беклемишев В.Б., Голованов В.Ф., Дарвойд т.И., Дианов Е.М., Плотниченко В.Г. Поглощение ИК излучения в кристаллах Tici, т1вг и КРС-6. - Тезисы Всес. конф. "Волоконно-оптические ЛИНИИ СВЯЗИ-78", ЫОСКВЭ, дек.1978, С.55-56.

Артшенко В.Г., Дианов Е.М., Плотниченко В.Г., Панова А.Н., Ши-ран Н.В. Оптические потери в щелочно-галоидных кристаллах в среднем ИК диапазоне. - Тезисы и Всес.конф."Оптика лазеров", Ленинград, ЯНВ.1980, С.399. *. Артшенко В.Г., Дианов Е.М., Жукова Л.В., Козлов Ф.Н., Масычев

B.И., Морозов Е.Г., Плотниченко В.Г. Оптические потери в кристаллах КРС-5 и КРС-6. - Квантовая электроника, 1979, т.б, N.3,

C.646-648.

i Артшенко В.Г., Голованов В.Ф., Дарвойд Т.И., Плотниченко В.Г. Поглощение и рассеяние излучения в кристаллах КРС-5 и КРС-6. -Труды Всес.конф. "Получение веществ для волоконной оптики". Горький, май 1980, С.53-55.

* Белоусов А.П., Дианов Е.М., Лисицкий И.С., Нестерова Т.М., Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Монокристаллы галогенидов таллия с оптическими потерями. менее ю дБ/км. - Квантовая электроника,

1982, т.9, N. 4, С.796-798. .

' Артшенко В.Г., Дианов Е.М., Плотниченко В.Г., Девятых Г.Г., Скрипачев И., Улеватый Б.Е., Чурбанов М.Ф., Кратена Л., Лежал Д. Оптические потери В ASjSe^. - Proc. Int. Conf. "Amorphous Semiconductors ' 78" , Pardubice, sept.1978, PP.683-686."

Багров A.M.. Бойко В.А., Плотниченко В.Г., Пушкин A.A., Скрипачев И.В. Прямой метод синтеза при получении высскочистых халько-генщщых стекол. - Тезисы докл. п Всес.конф. по методам получ. и анализа высокочистых веществ, Горький, май 1985, 4.2, с.из. Плотниченко В.Г., Скрипачев И.В., Чурбанов М.Ф. Халькогенидные стекла в волоконной оптике. - Тезисы докл. Всес.конф. "Стеклообразные ПОЛУПРОВОДНИКИ", ЛеНИНГраД, 1985, С.345-347. Чурбанов М.Ф., Скрипачев И.В., Плотниченко В.Г. Халькогенидные стекла с малыми оптическими потерями для волоконной оптики. -Сб.докл. Межд.конф. "Аморфные полупроводники-84", Габрово, сент. 1984, т.2, С.277-279.

Dianov Е.М., Plotnichenko V.G., Devyatykh G.G., Scripachev I.V., Churbanov M.F. High purity chalcogenide glasses for infrared fiber optics. - Disordered systems and new materials. Proc.of the

Fifth Int. Scool on Condenced Matter Physics, Varna, Bulgaria 19-27 Sept.1988, PP.193-198. 64* Dianov E.M., Plotnichenko V.G., Devyatykh G.G., Churbanov M.P. Scripachev I.V. High purity chalcogenide glasses for infrare fiber optics. - Proc. Int. Congress on Glass, Leningrad, 1989 V.2a, PP.349-352.

65? Власов M.A., Девятых Г.Г., Дианов Е.М., Плотниченко В.Г., скри начев И.В., Сысоев В.К., Чурбанов М.Ф. Стеклообразный As2se3 оптическим поглощением 60 дБ/км. - Квантовая электроника, 1982

т.9, N. 7, С.1465-1466.

бб! Васильев А.В., Кръстева В.М., Плотниченко В.Г., Скрипачев И.В Чурбанов М.Ф., Шипунов В.А. Инфракрасные волоконные световоды н основе халькогенидных стекол. - Проблемы волоконной оптики: Тру

ДЫ ИОФАН, 1988, Т.15, С.33-47.

67? Девятых Г.Г., Дианов Е.М., Плотниченко В.Г., Скрипачев И.В. Чурбанов М.Ф. Волоконные световоды на основе ''высокочистых халь когенидных стекол. - Высокочистые вещества, 1991, n.i, с.7-зб. 68? Девятых Г.Г., Улеватый Б.Е., Чурбанов М.Ф., Дианов Е.М., Плотни ченко В.Г. Оптические свойства пленок халькогенидных стекол осажденных из неравновесной плазмы. - Сб.докл. Мевд. конф. "Амо

рфные полупроводники-84", Габрово, сент.1984, т.2, с.153-155. 69? Воронин Н.И., Девятых Г.Г., Дианов Е.М., Плотниченко В.Г., Про хоров A.M., Скрипачев И.В., Улеватый Б.Е., Чурбанов М.Ф., Шипу нов В.А. Волоконные световода ИК-диапазона на основе халькоге ттптгну стекол, полученных методом плазмохимического осаждения и газовой фазы. - Доклады АН СССР, 1985, т.281, n.4, с.485-487.

70. Hilton А.е., Jones С.Е., Brau М. - Phys.Chem.Glasses, 1966, V.7 N.4, P.105.

71. Кислицкая E.A., Носов В.Б., Кокорина В.Ф., Физ.и химия стекла

1977, Т.З, N.6, С.624-629.

72. Savage J.A., Webber P.J., Pitt A.N. - Appl.Opt., 1977, V.16 N.I, PP.2938-2941.

73. Hilton A.R., Hayes R.J., Rechtin M.D.- J.of Non-Cryst.Solids 1975, V.17, P.319.

74. Voigt В., Dresler G. - Analyt.Chiai.Acta, 1981, V.127, P.87.

75. Бурлаков B.M., Митько А.Г., Рябов А.П. - Препринт Институт СПеКТрОСКОШИ АН СССР, 1988, N.15.

б* Войцеховский В.В., Лисицкий И.С., Лихолетова Т.Л., Плотниченко В.Г., Чапыжников Б.А. Влияние нитрат ионов на ;поглощение кристаллов галогенидов таллия в средней Ж области спектра. - ЖПС,

1986, Т.44, С.78-82.

7* Чапыжников А.Б., Лисицкий и.С., Лихолетова Т.Л., Плотниченко В.Г., Воронина С.А. Исследование влияния примеси воды на спектральную прозрачность монокристаллов галогенидов таллия. - Исследования в области редких металлов: Сборник научных трудов ГИРЕД-

МЕТ, 1986, С.88-95.

8. Ольская М.А., Кисловский Л.Д., Дарвойд Т.И., Попов О.В. - Научные труды ГИРДДМЕГА, 1970, т.29, с.но.

9. Young P.A. - J.Phys.C, 1971, V.4, P.93.

;0. Kanamori T., Terunuma J., Miyashita T. Rev.of the Com.Lab., 1984, V.32, N. 3, P.469.

it Борисович В.Г., Плотниченко В.Г., Скрипачев И.В., Чурбанов М.Ф. Коэффициент экстинкции эн-групп в стеклообразном сульфиде мышьяка. - ВЫСОКОЧИСТЫе вещества, 1990, n.4, С.198-202.

12* Борисевич В.Г., Войцеховский В.В., Скрипачев И.В., Плотни- ченко В.Г., Чурбанов М.Ф. Исследование влияния примесного водорода на оптические свойства халькогенидных стекол системы As-Se. - Высокочистые вещества, 1991, n.i, с.65-70.

;зТ Борисевич В.Г., Плотниченко В.Г., Скрипачев И.В., Чурбанов М.Ф. Влияние примеси водорода на оптические потери в стеклах систем As-s и As-Se. - Высокочистые вещества, 1994, n,2, с.11-21.

4? Бйчкова Т.И., Виноградова Г.З., Войцеховский В.В., Плотниченко В.Г. Примесное поглощение as2o3 в стеклообразном se. - Высокочистые вещества, 1990, N4, с.203-207.

5? Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Примесное поглощение халькогенидных стекол в области излучения СО-лазера. - Физика и химия стекла, 1985, Т.11, N. 1, С.105-107.

16? Девятых Г.Г., Лазарев С.Е., Лазукина О.П., Скрипачев И.В., Сно-патин Г.Е., Чурбанов М.Ф., Шипунов В.А., Ширяев B.C., Васильев A.B., Плотниченко В.Г. Примесные включения в высокочистых халькогенидных стеклах и световодах на их основе с малыми оптическими потерями. - Тезисы докл. и семинара-совещания "Применение халькогенидных стеклообразных полуповодников в оптоэлектонике. Кишинев, 24-25 OKT. 1989 Г. С.3-4.

87? Devyatykh G.G., Churbanov M.F., Scripachev I.V., Shipunov V Heterophase impurity inclusions in chalcogenide glass opti fibers. - Proc.SPIE, 1990, V.1228, Infrared Fiber Optics PP.116-126.

88? Девятых Г.Г., Дианов S.M., Плотниченко В.Г., Скрипачев И. Чурбанов М.Ф., Шипунов В.А. Гетерофазные примесные включена волоконных световодах из халькогенидных стекол. - Высокочис вещества, 1990, n.4, с.192-197.

89? Скрипачей И.В., Снопатин Г.Е., Плотниченко В.Г., Чурбанов М Ширяев B.C. Углеродная природа гетерофазных включений в стек образном as2s3. - Высокочистые вещества, 1993, и.4, с.186-189

90? Борнсевич В.Г., Плотниченко В.Г,., Скрипачев И.В., Снопатин Г Полосы селективного поглощения, обусловленные соединения®! уг рода, в спектрах пропускания стекол систем As-s и As-se. - Вы кошетые вещества, 1994, ы.4, с.23-27.

91? Churbaaov м.е., Scripachev l.v», Snopatin g.e., Borisevich v. Plotnichenko V.G. An ifluence of carbon impurities on As-S As-Se glass optical transmission. - 9th Int. Symp. on Non-Ox Glasses (Halide Glaaaea), 24-28 May, 1994, Hangzhou, China, tended Abstracts, P.506.

92? Devyatykh 6.G., Churbanov M.P., Scripachev I.V., Dianov E. Plotnichenko V.G, Pole of impurities ih optical losses of cb cogepide glass fibers. - Proc.SPIE, 1989, V.1048, Infrared Pi Optics, PP. 80-84.

$3? Девятых r.r.v Чурбанов М.Ф., дианов E.M., Гурьянов A.H. , Шюз чекко В.Г., Скрипачев И.В.» Власов М.И., Сысоев В.К., Волоко! световода для Ш диапазона на основе халькогеашых стекол Тезисы докл. Всес.конф."Технология волоконных световодовГс

кий, 0кг.1982, с.35-36.

94? Вечканов Н.Н., Гурьянов А.И., Девятых Г.Г., Дианов Е.М., Шю: чейко В.Г., Скрипачев и.в., Сысоев В.К., Чурбанов М.Ф. Инй>а1 сане волоконные световоды из халькогенидных стекол. - Кванте

ЗЛеКТрОНИКа, 1982, Т.Э, N.2, С.438-440.

95? Багров A.M., Байкалов П.И., васшр>ев а.в., девятых Г.г., Дш Б.М.. Шюяпгеевко В.Г., Скрипачев И.В., Сысоев В»к., Чурб; М.Ф. Волоконные световоды на основе стекол as-s и As-se с oi чейшш потерями меще 1ДВ/Ц, - Квдаойая электроника, i\ Т.10, N.9, С.1906-1907.

*

)6. Vasiliev А.V., Dianov E.M., Plotnichenko V.G., Sysoev V.K., Bag-rov A.M., Baikalov P.I., Devyatykh G.G., Scripachev I.V., Chur-banov M.F. Middle IR As-S and As-Se glass fibres with optical losses lower then 1 dB/m. - Electron.Letters, 1983, V.19, N.15, P.589-590.

>7* Девятых Г.Г., Чурбанов М.Ф., Скрипачев И.В., Плотниченко В.Г. Способ изготовления инфракрасного волоконного световода. - Авторское СВИД. N.1.179.628 ОТ 15.08.1985 Г., ЗЭЯВКа N.3767214/29-33 ОТ 6.07.1984.

18? Плотниченко В.Г., Пушкин A.A., Скрипачев И.В., Шипунов В.А. Оптические свойства высокочистых халькогенидных световодов. - Тезисы докл. 7 Всес.конф. по методам получения и анализа высокочистых веществ, Горький, май 1985, 4.2, с.112-113.

*

19. Devyatykh G.G., Churbanov M.F., Scripachev I.V., Dianov E.M. Plotnichenko V.G. Preraration and investigation of chalcogenide glass optical fibers.-Proc.SPIE, 1986, V.618, P.135-139.

.00! Васильев A.B., Девятых Г.Г., Дианов Е.М., Игнатьев C.B., Плотниченко В.Г., Скрипачев И.В., Чурбанов М.Ф., Шипунов В.А., Ширяев B.C. Исследование оптических свойств волоконных световодов на основе халькогенидных стекол.- - Тезисы докл. 5 Всес.конф. Тройные полупроводники и их применение, Кишинев, 1987, т.2, с.з.

oit Васильев A.B., Девятых Г.Г., Дианов Е.М., Плотниченко В.Г., Скрипачев И.В., Снопатин Г.Е., Чурбанов М.Ф., Шипунов В.А. Волоконный световод из высокочистого стекла системы As-se с малыми оптич. потерями. - Высокочистые вещества, 1987, n.4, с.227-228.

02? Васильев A.B., Девятых Г.Г., Дианов Е.М., Зубов Б.В., Колпашни-ков В.П., Мурина Т.М., Плотниченко В.Г., Прохоров A.M., Скрипачев И.В., Снопатин Г.Е., Чурбанов М.Ф. Волоконные световоды из халькогенидных стекол с малым содержанием ОН-групп для передачи излучения УАС:Ег3+-лазера. - Высокочистые вещества, 1987, n.6, С.206-208.

оз* Борисевич В.Г., Васильев A.B., Винокуров А.К., Дианов Е.М., Ко-лпашников В.П., Кузнецов В.В., Плотниченко В.Г., Скрипачев И.В., Снопатин Г.Е., Чурбанов М.Ф., Шипунов В.А., Ширяев B.C. Волоконные ИК-световоды с малыми оптическими потерями из стекол системы As-s. - Высокочистые вещества, 1988, n.5, с.197-200.

104t Dianov E.H., Plotnichenko v.g., Devyatykh g.g., Churbanov M.F. Scripachev I.v. Middle-infrared chalcogenide glass fibers wit losses lower than 100 dB/km.- Infrared Phys., 1989, v.29, n.2-4 PP. 303-307.

105? Devyatykh G.G., Churbanov M.F., Scripachev I.V., Dianov E.M. Plotnichenko V.G. Middle Infra-red As-S, As-Se, Ge-As-Se Chalcc genide Glass Fibres. - Intern.J.of Optoelectronics, 1991, v.l N.2, P.237-254.

106. Devyatykh G.G., Churbanov M.F., Scripachev I.V., Snopatin G.E. Shipunov V.A., Dianov E.M., Plotnichenko V.G., Pypkov Yu.N. Lov Loss Core-Clad Chalcogenide Glass Optical Fifers. - 8th Int Syrap. on Halide Glasses, 22-24 Sept. 1992, Perros-Guirec, Fra: ce, Extended Abstracts, PP.535-537.

107? Васильев A.B., Девятых Г.Г., Дианов E.M., Плотниченко В.Г, Скрипачев И.В., Снопатин Г.Е., Чурбанов М.Ф., Шипунов В.А. Двуз слойные халькогенидные волоконные световоды с оптическими пот« рями менее 30 дБ/км. - Квантовая электроника, 1993, т.го, ы.:

С.109-110.

юв? Скрипачев И.В., Плотниченко В.Г., Снопатин Г.Е. Пушкин А.А Чурбанов М.Ф. Изготовление двуслойных световодов на основе выс< КОЧИСТЫХ стекол систем As-S, As-Se И Ge-As-Se. - ВЫСОКОЧИСТ1 вещества, 1994, N.4, С.34-42.

109? Васильев A.B., Дианов Е.М., Дмитрук Л.Н., Плотниченко. В.Г. Дв; слойные монокристаллические волоконные световоды. - Квантов!

ЭЛеКТрОНИКа, 1985, Т.12, N.12, С.2488-2489.

110? Vasiljev А.V., Dianov E.M., Draitruk L.N., Plotnichenko V.< Single-crystal two-layer fibres for visible and infrared tran: mission. - Electron. Letters, 1987, V.23, N.3, P.117-118.

in? Данилов B.B., Плотниченко В.Г. Устройство для выращивания вол кна из расплава. - Авторское свидетельство n.1483988 от i фев] 1989 г. {Заявка n.4006518, Приоритет изобр. 9 ЯНВ.1986 г.).

112? Плотниченко В.Г., Васильев A.B., Голованов В.Ф., Чапыжник А.Б. Способ резки оптического световода и устройство для е: осуществления. - Авторское свидетельство n.1351005 oi в ив 1987 г., заявка n.3879098 от 6 февр.1985 г.

113. Dianov E.M., Dmitruk L.N., Plotnichenko V.G. Two-layer sing crystal fibres grown by Stepanov's method. - Proc.SPIE, 198 V.799, PP.84-88.

.14? Дмитрук JI.H., Плотниченко В.Г. Получеше монокристаллических волокон методом капиллярного формообразования. - Проблемы волоконной ОПТИКИ: Труды ИОФАН, 1988, Т.15, С.48-64. 15. Gambling W.A., Payne D.N., Matsumura H. - Appl.Optics, 1975, V.14, P.1538.

16? Скрипачев И.В., Кузнецов В.В., Плотниченко В.Г., Пушкин A.A., Чурбанов М.Ф., Шипунов В.А. Исследование примесного состава стекол системы Ge-s, полученных прямым синтезом из простых веществ. - Высокочистые вещества, 1987, n.6, с.208-210. 17? Александрова Е.А., Базакуца В.А., Базик Н.Г., Вельский Н.К., Бычкова Т.И., Виноградова Г.3., Мусил В.В., Плотниченко В.Г. Исследование стекол as-s различной степени чистоты в области слабого оптического поглощения. - Тезисы 8 Всесоюзной конференции по методам получения и анализа высокочистых веществ. Горький,

1988, 4.1, С.48-49.

18? Скрипачев И.В., Снопатин Г.Е., Плотниченко В.Г., Колпашников

B.П., Винокуров А.К. Волоконные световоды с малыш оптическими потерями на основе стекол системы мышьяк-сера. - Тезисы s Всесоюзной конференции по методам получения и анализа высокочистых веществ. Горький, 1988, 4.1, с.50-51.

l9. Дмитрук Л.Н. - Изв.АН СССР, Сер.физ., 1985, т.49, n. 12, с.2432. *

20. Dianov Е.М., Plotnichenko V.G., Churbanov M.F., Scripachev I.V. Middle-infrared chalcogenide glass fibers with losses lower than 100 dB/km. - Pros. 4 Int.Conf.on Infrared Physics, Zurich, Switzerland, August 1988, PP.349-351. >1. Wood G.L., Taue J. - Phys.Rev., 1972, V.5, N.8, P.3144. !2. Mori H., Isawa T. - J.Appl.Phys., 1980, V.51, N.4, P.2270.

!3. Беланов A.C., Дианов E.M. - Квантовая электроника, 1978, т.5,

C.2046.

'.4? Багров A.M., Васильев A.B., Девятых Г.Г,, Дианов Е.М., Игнатьев C.B., Плотниченко В.Г., Пушкин A.A., Скрипачев И.В., Чурбанов М.Ф., Шипунов В.А. Влияние полимерной отражающей оболочки на оптические потери световодов из халькогенидных стекол. - Квантовая электроника, 1985, т.12, n.io, c.2167-2169. 5. Андриеш A.M., Большаков О.В., Куляк И.П. и др. - Тез.докл.конф. "Аморфные ПОЛУПрОВОДНИКИ-84", Габрово, НРБ, 1984, т.2, с.244.

126? Борисевич В.Г., Девятых Г.Г., Дианов Е.М., Игнатьев C.B., Плотниченко В.Г., Скрипачев И.В.,Чурбанов М.Ф., Шипунов В.А., Ширяе! B.C. Низкотемпературные фотоиндуцированные изменения оптически: потерь в волоконных световодах на основе халькогенидных стекол

- Письма В ЖГФ, 1987, Т.13, Ы.1, С.35-38. 127? Васильев A.B., Дианов Е.М., Плотниченко В.Г., Соколов В.О., Су-лимов В.Б. Фотоицдуцированное поглощение в волоконных световода: на основе стеклообразных халькогенидов мышьяка. - Высокочисш вещества, 1988, N.4, С.234-243. 128. France P.W., Paradine M.J., Reeve M.H., Newns G.R. - J. Materi als Science, 1980, V.15, P.825.

129? Дианов Е.М., Кръстева В.M., Плотниченко В.Г., Семенов С.Л. йфипачев И.В., Чурбанов М.Ф. Прочность волоконных световодов н основе халькогенидных стекол, получещых тигельным методом. Высокочистые вещества, 1990, n.4, с.208-214.

130. Dianov Е.М., Krasteva V.M., Plotnichenko V.G., Churbanov M.F. Scripachev I.V. Mechanical properties of chalcogenide glass 01 tical fibers. - Proc. SPIE, 1190, V.1228, Infrared Fiber Optic II, PP.92-100.

131? Плотниченко В.Г. Современные и перспективные области использс вания ИК-световодов.- Высокочистые вещества, 1994, N.4, С.42-5: 132? Васильев A.B., Девятых Г.Г., Дианов Е.М., Плотниченко В.Г, Прохоров A.M., Скрипачев И.В., Снопатин Г.Е., Чурбанов М.Ф., im пунов В.А. Волоконные световоды на основе халькогенидных стею для передачи излучения ИК лазеров. - Доклады АН СССР, 198/

Т.300, N.4, С.859-861. 133? Dianov Е.М., Masychev V.l., Plotnichenko V.G., Sysoev V.K . Baikalov P.I., Devyatykh G.G., Konov A.A., Scripachev I.V Churbanov M.F. Fibre-optic cable for CO laser transmission. Electron. Letters, 1984, V.20, N.3, P.129-130. 134? Байкалов П.И., Девятых Г.Г., Дианов Е.М., Коннов A.C., Масыч В.И., Плотниченко В.Г., Скрипачев И.В., Сысоев В.К., Чурбан М.Ф., Алейников B.C. Макет волок.-опгич. силового кабеля для п редачи мощности излучения СО лазера. - ОМП, 1985, N.2, с.58-59

135. Katsuyama T., Ishida К., Satoh S., Matsuraura H. - Appl.Phy Lett., 1984, V.9, P.025.

136. Wehr M., Le Sergent C. - Proc. SPIE, 1986, V.618, P.135. ;

-37? Дианов Е.М., Плотниченко В.Г. Инфракрасные волоконные световода. - М:"Знание", 1991, 64с. (Новое в жизни, науке, технике. Сер. "Физика", n.3.)

.38. Засавицкий И.И., Максимов Г.А., Радионов А.Р. и др. - Высокочистые вещества, 1987, n.s, с.202.

.39. Artjushenko V.G.,Plotnichenko V.G., Stepanov E.V., Nadezchdins-kii A. I,, Kuznetsov A. I., Moskalenko K.L. Infrared diode laser chemical sensor with multipass cell based on silver halide and chalcogenide fibers.- Proc. SPIE, 1991, V.1591, PP.2Q6-217.

*

,40. Kuznetsov A.I., Nadezshdinskii A.I., Moskalenko K.L., Stepanov E.V., Davarashvilli O.I., Zasavitskii, Plotnichenko V.G., Artjushenko V.G. Tunable diode laser spectroscopy accessories based on middle IR halide and chalcogenide fibers. - Proc. SPIE, 1992, N. 1724, PP.104-118.

4if Васильев А.В., Девятых Г.Г., Дианов Е.М., Плотниченко В.Г., Скрипачев И.В., Сысоев В.К., Чурбанов М.Ф. Использование Ж волоконных световодов в пирометрических измерениях. - ЖПС, 1985,

т.42, n. 5, с.862-864.

42? Свет Д.Я., Клинг Б.Н., Девятах Г.Г., Васильев А.В., Дианов Е.М., Плотниченко В.Г., Скрипачев И.В., Чурбанов М.Ф. Низкотемпературный пирометр с гибким волоконным световодом. - Приборы и системы управления, 1985, n.2, с.18-19.

43? Девятых Г.Г., Иванцов В.А., Лебедев B.C., Лычев В.В., Орлов И.Я., Плотниченко В.Г., Скрипачев И.В., Снопатин Г.Е., Соловьев В.М., Чурбанов М.Ф. Световодный ИК-радиометр для медицинской диагностики. - Высокочистые вещества, 1991, n.i, с.224-227.

44* Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Оценка чувствительности волоконно оптических датчиков на основе ИК световодов. - Квантовая электроника, 1984, Т.11, n. 1, с.194-196.