ИНФРАКРАСНЫЙ СВЕТОВОД С БОЛЬШИМ ДИАМЕТРОМ ПОЛЯ МОДЫ
INFRARED LIGHT GUIDE WITH LARGE MODE FIELD DIAMETER

Изобретение относится к инфракрасным (ИК) световодам с большим диаметром поля моды, которые востребованы для изготовления волоконных лазеров и сенсоров, усилителей, волоконно-оптических кабелей среднего и дальнего ИК-диапазона спектра, предназначенных для молекулярного анализа в различных областях техники.
Распространение излучения в одномодовом световоде сосредоточено в малом диаметре сердцевины на большой длине световода. Это приводит к возрастанию нелинейно-оптических эффектов и искажению спектра импульса. Нелинейность световода можно снизить за счет увеличения диаметра поля моды и уменьшения длины световода [Семенов С.Л., Егорова О.Н., Косолапов А.Ф. и др. Световоды с фотонной запрещенной зоной и большим диаметром поля моды. Научно-технический журнал «Фотон-Экспресс». 2009. №6. С.25-26].
Известны наноструктурные кристаллические световоды с фундаментальными оптическими потерями на длинах волн 7-12 мкм [Бутвина Л.Н., Бутвина А.Л., Дианов Е.М., Загороднев В.Н., Личкова Н.В. Наноструктурные кристаллические световоды с фундаментальными оптическими потерями на длинах волн 7-12 мкм. Научно-технический журнал «Фотон-Экспресс». 2011. №6. С.204-205]. Диаметр наноструктурного световода 500 мкм, длина 20 м, состав 50AgCl - 50AgBr. Но этот световод является многомодовым.
1-x
x
1-y
y
1-x
x
y
z
1-y-z
Известны нано- и микрокристаллические ИК-световоды на основе кристаллов твердых растворов AgTlBrI; AgTlClIBr [Чазов А.И., Жукова Л.В., Корсаков А.С., Врублевский Д.С., Корсакова Е.А. Исследование и разработка нано- и микрокристаллических ИК-световодов. Научно-технический журнал «Фотон-Экспресс». 2011. №6. С.200-201]. Но авторы не указывают структуру световода, т.е. отношение диаметра вставок (стержней) к расстоянию между ними, а также их связь с размером поля моды. Кроме того, не указаны фундаментальные характеристики световода - числовая апертура, диаметр поля моды, разность показателей преломления материалов вставок (стержней) и матрицы.
Наиболее близким техническим решением является световод с фотонной запрещенной зоной и большим диаметром поля моды [Семенов С.Л., Егорова О.Н., Косолапов А.Ф. и др. Световоды с фотонной запрещенной зоной и большим диаметром поля моды. Научно-технический журнал «Фотон-Экспресс». 2009. №6. С.25-26]. Оболочка световода состоит из кварцевого стекла, в котором расположены в гексагональном порядке стержни из легированного кварцевого стекла, а сердцевина, как и оболочка, состоит только из чистого кварцевого стекла. Для получения большого диаметра поля моды авторы использовали отношение (менее 0,4) диаметра стержней (элементов) оболочки (d) к расстоянию между ними (Δ). Это позволяет получать малую числовую апертуру сердцевины при большом диаметре поля моды. Но такие световоды работают в ближнем ИК-диапазоне спектра, т.е. от 0,8 до 1,6 мкм (см. рис.2 [Семенов С.Л., Егорова О.Н., Косолапов А.Ф. и др. Световоды с фотонной запрещенной зоной и большим диаметром поля моды. Научно-технический журнал «Фотон-Экспресс». 2009. №6. С.25-26]).
0,46
0,54
Задачей изобретения является получение инфракрасных световодов для работы на длине волны 10,6 мкм с большим диаметром поля моды, сердцевина и оболочка которых изготовлены из кристаллов на основе AgBr, содержащего твердый раствор (TlBrI), а стержни выполнены из тех же кристаллов, но другого состава.
0,46
0,54
Поставленная задача решается за счет того, что инфракрасный световод с большим диаметром поля моды имеет сердцевину диаметром 98-112 мкм, изготовленную из кристаллов на основе бромида серебра, содержащего твердый раствор бромид-йодида одновалентного таллия (TlBrI) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
бромид серебра
91,0-61,0
твердый раствор (TlBr<sub>0,46</sub>I<sub>0,54</sub>)
9,0-39,0
а в оболочке, выполненной из тех же кристаллов и того же химического состава, расположены стержни диаметром 42-48 мкм на расстоянии 70-80 мкм между их центрами и состава при следующем соотношении компонентов, мас.%:
бромид серебра
92,0-64,5
твердый раствор (TlBr<sub>0,46</sub>I<sub>0,54</sub>)
8,0-35,5
В световодах такой структуры и состава распространяется только одна мода низшего порядка в пределах фундаментальной запрещенной зоны.
Преимущества перед прототипом:
2
1. Новый световод предназначен для работы на длине волны 10,6 мкм (CO-лазер), а в прототипе - от 0,8 до 1,6 мкм.
2. Новая структура световода, а именно стержни диаметром от 42 до 48 мкм, расположенные в оболочке на расстоянии между их центрами от 70 до 80 мкм, позволяет получать большой диаметр поля моды - 98-112 мкм - при сохранении одномодового режима работы.
3. Благодаря определенным химическим составам сердцевины, оболочки и расположенных в оболочке стержней режим работы световода является полностью одномодовым в пределах фундаментальной запрещенной зоны.
Пример 1
Для работы на длине волны 10,6 мкм изготовили ИК-световод с диаметром сердцевины 98 мкм состава, мас.%:
бромид серебра
91,0
твердый раствор (TlBr<sub>0,46</sub>I<sub>0,54</sub>)
9,0
Оболочка световода имеет тот же состав. В нее помещены в гексагональном порядке стержни диаметром 42 мкм на расстоянии между их центрами 70 мкм, которые изготовлены из кристаллов состава, мас.%:
бромид серебра
92,0
твердый раствор (TlBr<sub>0,46</sub>I<sub>0,54</sub>)
8,0
Отношение диаметра стержней к расстоянию между их центрами составляет
. Разность показателей преломления между сердцевиной и вставками составляет Δn=0,006. Числовая апертура NA=0,12, угол ввода электромагнитного излучения в световод - 14° при нормализованной частоте V=1,95. Проведена съемка торца световода; излучение на выходе из сердцевины имеет вид гауссовской функции, что указывает на распространение одной фундаментальной моды, т.е. подтверждает одномодовый режим работы световода на длине волны 10,6 мкм.
Пример 2
Методом экструзии изготовили световод с диаметром сердцевины 105 мкм. Сердцевина и оболочка имеют состав, мас.%:
бромид серебра
78,0
твердый раствор (TlBr<sub>0,46</sub>I<sub>0,54</sub>)
22,0
В оболочку помещены стержни диметром 45 мкм на расстоянии между их центрами 75 мкм и состава, мас.%:
бромид серебра
79,7
твердый раствор (TlBr<sub>0,46</sub>I<sub>0,54</sub>)
20,3
Фундаментальные характеристики световода следующие: Δn=0,005, NA=0,11, угол ввода в световод - 13° при V=2,11, и отношение диаметра стержней к расстоянию между их центрами составляет
. Световод работает на длине волны 10,6 мкм; в нем распространяется одна мода низшего порядка, что подтверждает одномодовый режим работы.
Пример 3
Получен световод с диаметром сердцевины 112 мкм для работы на длине волны 10,6 мкм. Сердцевина имеет следующий состав, мас.%:
бромид серебра
61,0
твердый раствор (TlBr<sub>0,46</sub>I<sub>0,54</sub>)
39,0
Оболочка, представленная кристаллической матрицей такого же состава, что и сердцевина, в которой в гексагональном порядке размещены стержни диаметром 48 мкм с расстоянием в 80 мкм между их центрами. Стержни имеют состав, мас.%:
бромид серебра
64,5
твердый раствор (TlBr<sub>0,46</sub>I<sub>0,54</sub>)
35,5
Световод обладает следующими фундаментальными характеристиками:
разность показателей преломления Δn=0,003, числовая апертура NA=0,10, угол ввода в световод - 13° при V=2,20. Отношение диаметра стержней к расстоянию между их центрами составляет
. При съемке торца световода электромагнитное излучение в поперечном его сечении подчиняется гауссовскому закону распределения энергии, что подтверждает одномодовый режим работы кристаллического ИК-световода.
0,46
0,54
0,46
0,54
При изготовлении ИК-световода с составом сердцевины и оболочки менее 9 мас.% или более 39 мас.% твердого раствора (TlBrI) в бромиде серебра, а также при изготовлении стержней диаметром менее 42 мкм или более 48 мкм и расстоянием между их центрами менее 70 мкм или более 80 мкм и составом соответственно менее 8 мас.% или более 35,5 мас.% твердого раствора (TlBrI) в бромиде серебра не удается достигнуть одномодового режима работы ИК-световода.
2
Технический результат позволяет получать инфракрасный световод с большим диаметром поля моды (98-112 мкм), который достигается за счет размещения в матрице определенного состава стержней, имеющих другой состав и диаметр 42-48 мкм с расстоянием в 70-80 мкм между их центрами. Благодаря такой структуре и можно получать малую числовую апертуру сердцевины при большом диаметре поля моды. ИК-световод является одномодовым при работе на длине волны 10,6 мкм (CO-лазер) в пределах фундаментальной запрещенной зоны.