СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФРАКРАСНЫХ ВОЛОКОННЫХ СБОРОК НА ОСНОВЕ ГАЛОГЕНИДСЕРЕБРЯНЫХ СВЕТОВОДОВ
METHOD OF PRODUCING INFRARED FIBER ASSEMBLIES BASED ON SILVER HALIDE LIGHT GUIDES

Предлагаемый способ относится к области получения ИК волоконных сборок из галогенидсеребряных световодов, получаемых методом экструзии из кристаллов твердых растворов системы AgCl-AgBr. Упорядоченные ИК волоконные сборки предназначены для передачи теплового изображения в среднем инфракрасном диапазоне (2-20 мкм) и востребованы для применения в промышленной и медицинской термографии с целью визуализации распределения теплового поля от удаленного объекта.
x
1-x
y
1-y
2
Первые работы, посвященные ИК волоконным сборкам (пучкам) на основе двуслойных галогенидсеребряных световодов, опубликованы в статье [Paiss, I. Properties of silver halide core–clad fibers and the use of fiber bundle for thermal imaging / I. Paiss, F. Moser, A. Katzir // Fiber and Integrated Optics. – 1991. – Vol. 10. – P. 275–290]. Авторы получали экструзией методом «штабик в трубке» двуслойное волокно из монокристаллов твердых растворов AgClBr – состав штабика (сердцевины); состав трубки (матрицы) – AgClBr, где y > x. Затем двуслойные волокна гексагонально укладывали в трубку, экструдировали, нарезали на сегменты, снова экструдировали и процесс повторяли несколько раз с целью получения волоконных сборок из 70 волокон общим диаметром сборки 2 мм и  длиной 40 см. Диаметр волокон после многостадийной экструзии составил 80 мкм с расстоянием между их центрами 160 мкм. С помощью тепловизора показана возможность сборки к передаче теплового изображения на длине волны 10,6 мкм (СО лазер). Но авторы не приводят функциональных свойств световодов: оптические потери, химические составы, перекрестные помехи и пространственное разрешение волоконной сборки.
о
Известен способ получения ИК волоконных сборок общим диаметром 1-3 мм и длиной 100 см. Волоконные сборки изготовлены из 70-250 волокон диаметром 60-100 мкм, которые получены трехкратной экструзией двуслойных галогенидсеребряных световодов, сегменты из которых помещали в трубку из AgCl и снова экструдировали [Paiss, I. Thermal imaging by ordered bundles of silver halide crystalline fibers / I. Paiss, A. Katzir // Applied Physics Letters. – 1992. – Vol. 61. – P. 1384–1386]. В этой же работе описаны сборки с плотной упаковкой из 1000-2000 волокон диаметром 20-40 мкм и длиной 30 см. Авторы отмечают, что не удалось добиться хорошей регулярности сборок, поэтому зарегистрированы высокие оптические потери на пропускание, обусловленные пиками поглощения в ИК спектрах. Тем не менее были переданы тепловые изображения по волоконным сборкам при температурном разрешении в 5-10С.
Также известен модернизированный способ получения ИК волоконных сборок и сообщается о сборке из 100-2500 галогенидсеребряных волокон диаметром 50-250 мкм, полученных многократной экструзией. Оптические потери для сборки из 900 световодов на длине волны 10,6 мкм составили 13,7 дБ/м; пространственное разрешение 4-5 линий на мм [Rave, E. Thermal imaging through ordered bundles of infrared–transmitting silver–halide fibers / E. Rave, D. Shemesh, A. Katzir // Applied Physics Letters. – 2000. – Vol. 76, № 14. – P. 1795–1797]. Перекрестные помехи между соседними волокнами - 25%, т.е. перетекание сигнала из одного волокна в другое [Rave, E. Ordered bundles of infrared–transmitting AgClBr fibers: optical characterization of individual fibers / E. Rave, L. Nagli, A. Katzir // Optics Letters. – 2000. – Vol. 25, № 17. – P. 1237–1239]. При этом высокие оптические потери 1,92 дБ/см (192 дБ/м) на длине волны 10,6 мкм для сборок из 900 волокон диаметром 25 мкм связаны с избыточным рассеянием на границе волокна и матрицы, а также с ИК излучением, которое передается оболочкой двуслойного волокна. Кроме того, сборки негибкие.
Наиболее близкое техническое решение в качестве выбора прототипа для «Способа получения инфракрасных волоконных сборок на основе галогенидсеребряных световодов», включает получение экструзией методом «штабик в трубке» двуслойных световодов из монокристаллов твердых растворов системы AgCl-AgBr, упаковку их в гексагональную структуру с последующей экструзией, вырезанием сегментов, которые снова экструдируют.
В итоге получают гибкую волоконную сборку длиной до 2 м, наружным диаметром 0,7 мм, содержащую 36 волокон с диаметром 40 мкм. Оптические потери сборки (коэффициент затухания) на длине волны 10,6 мкм составили 0,5 дБ/см (50 дБ/м), пространственное разрешение 4,3 линии на мм, перекрестные помехи – 30% [Rave, E. Ordered bundles of infrared transmitting silver halide fibers: attenuation, resolution and crosstalk in long and flexible bundles / E. Rave, A. Katzir // Optical Engineering. – 2002. – Vol. 41, № 7. – P. 1467–1468]. В этой же работе представлена волоконная сборка длиной до 2 м, диаметром 0,9 мм, содержащая 100 волокон диаметром 70 мкм. Оптические потери сборки на длине волны 10,6 мкм – 0,7 дБ/см (70 дБ/м), разрешение 6,5 линий на мм, перекрестные помехи – 45%. При этом, авторы отмечают, что исходное двуслойное волокно имело оптические потери в размере 0,2 дБ/м в диапазоне длин волн 9-11 мкм, но не указан диапазон прозрачности волоконных сборок в среднем ИК диапазоне, их радиус изгиба, а также химический состав волокон.
Таким образом, разработанные ИК волоконные сборки состава твердых растворов системы AgCl-AgBr имеют неудовлетворительные для практического применения оптические свойства. Конкретно, высокие оптические потери на длине волны 10,6 мкм, высокие перекрестные помехи и низкое температурное разрешение.
Существует проблема получения длинных и гибких волоконных сборок для промышленной и медицинской термографии на основе галогенидсеребряных световодов определенного химического состава, прозрачных в среднем ИК диапазоне, обладающих низкими оптическими потерями, перекрестными помехами, высоким пространственным и температурным разрешением.
Решение проблемы достигается тем, что в способе получения инфракрасных волоконных сборок на основе галогенидсеребряных световодов, включающем получение световодов методом экструзии из монокристаллов твердых растворов хлорид-бромида серебра, их упаковку в гексагональную структуру, отличающимся тем, что предварительно из монокристалла вырезают заготовку диаметром 14-16 мм, высотой 15-20 мм, после чего методом экструзии получают поликристаллическую заготовку с величиной зерна 500-600 нм, диаметром 3 мм, длиной 430±5 мм и вторично экструдируют для получения однослойных световодах диаметром 100 мкм размером зерен 50-60 нм, из которых механической сборкой формируют гексагональную структуру из 19, 37 и 61 световода с последующим их уплотнением, при этом диаметры сборок составляют 500, 700, 900 мкм и длиной 2,7±0,3 м, причем, световоды содержат ингредиенты при следующем соотношении в мас. %:
хлорид серебра
25,0–75,0;
бромид серебра
75,0–25,0.
Сущность изобретения состоит в том, что из монокристаллов определенного состава системы AgCl-AgBr вырезают заготовку, экструдируют ее с целью получения наноразмерной поликристаллической структуры (500-600 нм). Затем, поликристаллическую заготовку вновь экструдируют для создания нанокристаллического размера зерен (50-60 нм) в однослойных световодах диаметром 100 мкм, которые в определенном количестве механически собирают в гексагональную структуру, уплотняют и получают регулярные волоконные сборки для дистанционной передачи теплового изображения в инфракрасном спектральном диапазоне.
Существующая проблема решена за счет того, что разработан способ получения волоконных сборок, прозрачных в среднем инфракрасном диапазоне от 2,0 до 20,0 мкм, обладающих низкими оптическими потерями на длине волны 10,6 мкм – 0,4–0,5 дБ/м и низкими перекрестными помехами между соседними волокнами – 4,5–5%. Пространственное разрешение в сборке составляет 5 линий на мм. Вследствие получения методом экструзии световодов нанокристаллической структуры, из пластичных монокристаллов твердых растворов системы AgCl-AgBr, волоконные сборки являются гибкими.
Пример 1.
Из монокристалла состава 25,0 % хлорида серебра, 75,0 % бромида серебра (в мас. %) вырезают заготовку диаметром 14 мм, высотой 20 мм и экструдируют ее для получения поликристаллической заготовки с величиной зерна 500 нм диаметром 3 мм и длиной 425 мм. Затем заготовку вновь экструдируют через специально изготовленную фильеру и получают световод d = 100 мкм, длиной 50 м.
Световод имеет нанокристаллическую структуру с размером зерен 50 нм, его разрезают на отрезки длиной 2,4 м и собирают механическим способом волоконную сборку диаметром 500 мкм, содержащую 19 световодов с последующим уплотнением сборки.
о
Волоконная сборка прозрачна в спектральном диапазоне от 2 до 20 мкм, оптические потери на длине 10,6 мкм составляют 0,4 дБ/м, перекрестные помехи – 4,5%, пространственное разрешение – 5 линий на мм, температурное разрешение равно 0,2 С.
Пример 2.
Из монокристалла состава 75,0 % хлорида серебра, 25,0 % бромида серебра (в мас. %) вырезают заготовку диаметром 16 мм и высотой 15 мм, экструдируют ее для получения поликристаллической заготовки (размер зерна 600 нм) диаметром 3 мм и длиной 435 мм, которую вновь экструдируют для получения световода нанокристаллической структуры (60 нм) диаметром 100 мкм, длиной 50 м. Световод разрезают на отрезки длиной 3,0 м в количестве 61 шт, собирают и уплотняют регулярную волоконную сборку с внешним диаметром 900 мкм.
Функциональные свойства сборки:
• диапазон прозрачности от 2 до 20 мкм;
• оптические потери на длине 10,6 мкм составляют 0,45 дБ/м;
• перекрестные помехи – 5%;
• пространственное разрешение – 5 линий на мм;
о
• температурное разрешение равно 0,25 С.
Пример 3.
Эксперименты проводили так же, как в примере 1, но монокристаллическая заготовка диаметром 15 мм и высотой 17 мм имела состав в мас. %: хлорида серебра – 50,0, бромида серебра – 50,0. После ее экструзии получили поликристаллическую заготовку (размер зерна 550 нм) диаметром 3 мм, длиной 430 мм, а в результате повторной экструзии изготовили 50-метровой длины нанокристаллический световод диаметром 100 мкм (размер зерна 55 нм). Световод разрезали на отрезки длиной 2,7 м и механической укладкой с последующим уплотнением сформировали регулярную волоконную сборку гексагональной структуры диаметром 700 мкм, содержащую 37 волокон.
о
Волоконная сборка прозрачна в ИК диапазоне 2,0-20,0 мкм, имеет оптические потери на длине волны 10,6 мкм 0,43 дБ/м, перекрестные помехи 4,8%, пространственное разрешение 5 линий на мм, температурное разрешение 0,3С.
В случае изготовления ИК волоконных сборок по условиям и режимам, не соответствующим формуле изобретения и подтвержденной примерами, не удается получать сборки с требуемыми оптическими свойствами, которые необходимы для практического применения.
Технический результат
Разработанный способ получения ИК волоконных сборок на основе галогенидсеребряных световодов имеет следующие преимущества перед прототипом:
1. Сокращен в 2-3 раза по времени и трудозатратам процесс изготовления сборок. В прототипе и аналогах осуществляют многократную экструзию получения двуслойных световодов, вырезания сегментов и, снова, повторения процесса экструзии с целью получения волокон определенного диаметра. В предлагаемом способе используется двукратная экструзия.
2. Разработана и изготовлена уникальная оснастка для создания нанокристаллической структуры однослойных галогенидсеребряных световодов малого диаметра 100 мкм и длиной до 50 м и более.
3. Волоконные сборки предназначены для работы в среднем ИК диапазоне (от 2,0 до 20,0 мкм); в прототипе диапазон прозрачности волоконных сборок не указан.
4. При сохранении сопоставимого пространственного разрешения для волоконных сборок на уровне 5 линий на мм (для прототипа – 4,3 – 6,5 линий на мм) происходит улучшение следующих параметров:
о
о
• повышается температурное разрешение для волоконных сборок до значений 0,2 – 0,3С против прототипа – 5 – 10С;
• уменьшаются оптические потери на длине волны 10,6 мкм в сборках 0,4-0,5 дБ/м, в прототипе – 50-70 дБ/м;
• снижаются перекрестные помехи в способе 4,5-5%, в прототипе – 30-45%.