АКТИВНОЕ ПОЛИМЕРНОЕ ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО
ACTIVE POLYMER OPTICAL FIBRE

Изобретение относится к области полимерного оптического волокна (ПОВ), в частности к активным полимерным оптическим волокнам (АПОВ) с высоким световыходом (число фотонов люминесценции при поглощении энергии излучения) и может быть использовано в волоконных усилителях, перестраеваемых лазерах, спектрометрах, в качестве сцинтилляционных и спектросмещающих ПОВ.
Эффективность активного полимерного оптического волокна определяется как эффективностью красителя, так и площадью захвата излучения, которая зависит в том числе и от величины апертуры АПОВ. Для увеличения апертуры волокна и площади захвата излучния необходимо использовать полимеры светопроводящего ядра и отражающей оболочки с большей разницей показателей преломления.
Известен способ получения АПОВ(1) при котором краситель вводится только в полимер отражающей оболочки, а в качестве полимера ядра используют полистирол, при этом отражающая оболочка из полиметилметакрилата с красителем наносится из расплава. Недостатком данного АПОВ является малый световыход, что позволяет его использовать в основном в декоративных изделиях.
Основными производителями активных полимерных оптических волокон являются фирма Kuraray и фирма Saint Gobain. В качестве ядра активных ПОВ используют полистирол с показателем преломления 1,59 и полимеилметакрилат с показателем преломления 1,49 в качестве первой отражающей оболочки, в качестве второй отражающей оболочки применяется фторполимер с показателем преломления 1,42. Вторая отражающая оболочка из фторполимера используется для увеличения апертуры и наносится из жидкой фазы, причем наносить ее можно только на полиметилметакрилат первой отражающей оболочки, так как растворитель нарушает целостность ядра из полистирола, что приводит к резкому ухудшению оптических характеристик АПОВ. Апертура ПОВ с ядром из полистирола с одной отражающей оболочкой на основе полиметилметакрилата равна 0,55, апертура ПОВ с двумя отражающими оболочками на основе полиметилметакрилата и фторполимера равна 0,72, при этом угол захвата ПОВ с апертурой 0.55 равен 33,7°, с апертурой 0.72 равен 45,7°. Недостатком предложенных методов получения АПОВ является невозможность достижения максимальной апертуры и, следовательно увеличения площади захвата при применении одной отражающей оболочки. Применение второй отражающей оболочки с показателем преломления 1,42 несколько увеличивает апертуру ПОВ, но усложняет технологический процесс и увеличивает себестоимость спектросмещающих и сцинтилляционных ПОВ.
Задачей предлагаемого изобретения является получение активного полимерного оптического волокна, обеспечивающего получение технического результата, заключающегося в расширении области применения АПОВ за счет увеличения площади захвата излучения при нанесении из расплава одной отражающей оболочки фторпоимера с показателем преломления 1,363, что позволяет увеличить апертуру АПОВ на 14% до 0,82 с углом захвата 52,7°.
Полимерное оптическое волокно получают из расплава полимера, материалом для светопроводящего ядра служат полистирол (ПС) или сополимер стирола с показателем преломления 1,546 и пара-метилстирола с показателем преломления 1,542, или сополимера стирола с метилметакрилатом (ММА), в качестве материала отражающей оболочки используется фторполимер THV-221. В полимер ядра полимерного оптического волокна вводится один или смесь люминофоров: OSL15, OSL16, NOL10 либо NOL19. При необходимости вместе с люминофорами в полимер ядра может быть введен нафталин или пара-терфенил, либо их смесь в концентрации от 0,5% до 5,0%. Нафталин и пара-терфенил обладают сопряженной системой двойных связей, которые принимают на себя излучение и переизлучают его на люминофоры. Использование в качестве мономера пара-метилстирола при получении сополимера со стиролом, показатель преломления которого близок к показателю преломления стирола, позволяет получить полимер ядра ПОВ с апертурой 0,82 и высокой термостойкостью.
Вводимые люминофоры имеют следующие спектральные характеристики: OSL15 имеет максимум поглощения при длинах волн 316 нм и 455 нм, максимум излучения при длине волны 590 нм; OSL16 соответственно поглощение при 348 нм и 424 нм, излучение при 591 нм; NOL10 соответственно поглощение при 337 нм и 513 нм, излучение при 655 нм; NOL19 максимум поглощения при 340 нм и 385 нм, излучения при 438 и 468 нм. В светопроводящее ядро активного полимерного оптического волокна могут быть введены один или несколько люминофоров. Люминофоры OSL15, OSL16, NOL10, NOL19 - новые эффективные кремнийсодержащие люминофоры отечественного производства выпускаются обществом с ограниченной ответственностью «Люминнотех» (г. Москва). Наибольшей чувствительностью к излучению обладает полимерное оптическое волокно, содержащее люминофоры, у которых максимум люминесценции близок или совпадает с окном прозрачности ядра полимерного оптического волокна.
Отечественные активные ПОВ, полученные методом нанесения из расплава отражающей оболочки фторполимера THV-221 на ядро из полистирола и сополимеров полистирола, содержащего отечественные кремнийорганические люминофоры, по основным параметрам превосходят зарубежные аналоги активных волокон.
Исследование свойств отечественных спектросмещающих и сцинтилляционных ПОВ и сравнение их со свойствами АПОВ фирмы Kuraray и Saint Gobain осуществлялось ИЯФ СО РАН (г.Новосибирск) по методике изложенной в статье (3).
При проведении сравнительных замеров интегральную эффективность переизлучения сцинтилляционного излучения АПОВ марки Y-11 производства фирмы Kuraray условно приравняли к 1. В результате замеров было установлено, что эффективность переизлучения отечественного полимерного оптического волокна материалом для светопроводящего ядра которого служит сополимер стирола и метилметакрилата в пропорции 50/50% с добавкой люминофора NOL19 составила 1,33 и 1,39 условных единиц для полимерного оптического волокна материалом для светопроводящего ядра которого служит 100%) полистирол, в качестве материала для отражающей оболочки использовался фторполимер THV-221. Световыход АПОВ со светопроводящим ядром из 100% полистирола с люминофором NOL19 сравним со световыходом АПОВ со светопроводящим ядром из 100% полистирола с добавкой люминофора BCF20 (Saint Gobain). Длина затухания отечественных спектросмещающих и сцинтилляционных АПОВ при проведении замеров составляла 1,5 м, что сравнимо с импортным спектросмещающим АПОВ с люминофором 0-2, но меньше, чем у импортным спектросмещающих ПОВ с люминофором Y-11. Однако, эффективность АПОВ определяется комплексом свойств, за который отвечает такие характеристики АПОВ, как световыход и площадь захвата излучения.
Предлагаемый метод нанесения из расплава отражающей оболочки из фторполимера THV-221 на светопроводящее ядро из полистирола или сополимеров полистирола позволяет получать полимерное оптическое волокно с различными люминофорами и высокими оптическими характеристиками, которое используется в качестве спектросмещающих и сцинтилляционных ПОВ. Разработка метода поучения эффективных отечественных спектросмещающих и сцинтилляционных ПОВ позволит снизить зависимость предприятий РФ от зарубежных фирм.
Пример 1. Спектросмещающее полимерное оптическое волокно диаметром от 0,25 до 1,5 мм со светопроводящим ядром из полистирола(ПС) или сополимера 50% стирола с 50% метилметакрилата (ММА), или сополимера стирола с пара-метилстиролом, в которое добавлен кремнийорганический люминофор NOL15 в количестве 50-350 мг/кг и отражающей оболочкой на основе термопластичного фторполимера THV-221 или смеси THV-221 с полиметилметакрилатом (ПММА) получают подачей на фильеру с помощью штоков, шнеков или с помощью давления газов расплавов полимеров ядра и отражающей оболочки в результате на выходе из фильеры образуется полимерная струя, которая при остывании с помощью тянущего устройства вытягивается в ПОВ, тянущее устройство позволяет менять скорость вытягивания ПОВ в ручном или автоматическом режимах, что приводит к получению необходимого диаметра ПОВ, при ядре из полистирола апертура АПОВ равна 0,82, а световыход (интегральное количество фотонов в условных единицах) на 39% выше, чем у импортного АПОВ с люминофорами Y-11 (Kuraray) и в 2 раза превосходит АПОВ с люминофором 0-2, световыход при ядре из сополимера 50% стирола с 50% метилметакрилата (апертура равна 0,72), на 33% выше, чем у импортного ПОВ с люминофором Y-11 (Kuraray).
Пример 2. Сцинтилляционное полимерное оптическое волокно диаметром от 0,25 до 1,5 мм со светопроводящим ядром из полистирола(ПС) или сополимера стирола с пара-метилстиролом или сополимера стирола с метилметакрилатом(ММА), в которое добавлены люминофоры NOL10 и NOL19 количестве 50-350 мг/кг, а так же нафталин или пара-терфенил, или их смесь в количестве от 0,5% до 5,0% и отражающей оболочкой на основе термопластичного фторполимера THV-221 или смеси THV-221 с полиметилметакрилатом(ПММА) получают подачей на фильеру с помощью штоков, шнеков или с помощью давления газов расплавов полимеров ядра и отражающей оболочки в результате на выходе из фильеры образуется полимерная струя, которая при остывании с помощью тянущего устройства вытягивается в ПОВ, тянущее устройство позволяет менять скорость вытягивания ПОВ в ручном или автоматическом режимах, что приводит к получению необходимого диаметра ПОВ, при ядре из полистирола апертура АПОВ равна 0,82, световыход (интегральное количество фотонов в условных единицах) сравним с импортным АПОВ с люминофором BCF20(Saint Gobain).
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1. Патент РФ №2018890, 28.04.1990, опубликован 30.08.94, бюл. №16.
2. Г.В. Майер, Т.Н. Копылова, В.А. Светличный, В.М. Подгаевский, С.М. Долотов, О.В. Пономарева, А.Е. Монич, Е.А. Монич. Квантовая электроника, 2007, т. 37, №.1, с. 53-59.
3. С.С. Афанасенко, Р.Р. Ахметшина, Д.Н. Григорьев, В.Ф. Казанин, В.В. Поросев, А.В. Тимофеев, Р.И. Щербаков. Автометрия, 2021,т. 57, №2, с. 82-92.