Лекции по Физико-технологическим основам волоконно-оптической техники   

7. ОВ для видимого и среднего ИК - диапазонов

         Как отмечалось ранее и видно из рис. 2.1, кварцевые ОВ используются, в основном, в УФ - диапазоне и в ближнем ИК - диапазоне (до ~ 2 мкм). Это обусловлено следующими причинами:

- нет материала более прозрачного в УФ-диапазоне, чем кварцевое стекло,

- с ростом рабочей длины волны потери, связанные с рэлеевским рассеянием, уменьшаются как λ-4 и соответственно снижаются общие потери кварцевых ОВ до уровня ~ 0,2 дБ/км на λ = 1,55 мкм;

- на длинах волн более 1,6 мкм наблюдается рост потерь, вызванный фундаментальной причиной, а именно - фононным поглощением за счет колебаний атомов в решетке стекла;

- в видимой области спектра потери в кварцевых ОВ составляют  ~ 225 дБ/км и ~ 45 дБ/км на длинах волн 0,4 и 0,6 мкм соответственно, что значительно превышает допустимый уровень потери для ВОСПИ.

В связи с этим представляет интерес использование новых материалов для световодов в видимой области, которые в отличие от кварцевых ОВ были бы более дешевыми и технологичными. В качестве таких материалов используются натриево-кальциево-силикатные (Na2O-CaO-SiO2) или натриево-боро-силикатные (Na2O-B2O3-SiO2) стекла.

Рис. 7.1. Оценка минимальных оптических потерь для высокопрозрачных ИК-материалов

Для смещения границы пропускания в область больших длин волн с целью уменьшения рэлеевского рассеяния необходимы материалы с меньшей частотой колебательных переходов за счет тяжелых атомов, входящих в их состав, и более слабой связи между ними. К таким материалам относятся фторидные (lраб. = 2,5…4 мкм) и халькогенидные (lраб. = 3,5…6 мкм) стекла, а также кристаллические материалы на основе галогенидов таллия и серебра (lраб. = 5,5…10,6 мкм). Для кристаллических материалов характерно рассеяние Мандельштам-Бриллюэна , которое имеет зависимость от длина волны проходящего света λ-4 (как и рэлеевское рассеяние). На рис. 7.1 приведены выполненные к настоящему времени оценки области минимальных собственных оптических потерь для этих материалов. Эти оценки предсказывают возможность достижения потерь на 1÷3 порядка ниже, чем потери в кварцевом стекле в среднем ИК-диапазоне (2,5…20 мкм). Поэтому ОВ, изготовленные из перечисленных материалов, называют ИК-световодами. Помимо потерь большое значение для ВОСПИ имеют и дисперсионные характеристики материалов.

На рис. 7.2 приведены спектральные зависимости материальной дисперсии и ее наклона для некоторых ИК-материалов. Сравнение с кварцевым стеклом говорит о том, что у высокопрозрачных ИК-материалов зависимость М(λ) имеет вблизи ДВНД более пологий вид. Поэтому и по ширине полосы пропускания ИК-световоды могут, в принципе, превосходить кварцевые ОВ.

Рис. 7.2. Спектральные зависимости: а) – материальная дисперсия М(λ), б) – ее наклона S(λ) для высокопрозрачных ИК - материалов

Важным обстоятельством, также способствующим, разработке ИК-световодов является наличие мощных газовых и твердотельных лазеров, таких как HF (2,5÷2,9 мкм), YAG:Er+3 (2,94 мкм), DF (3,2…3,8 мкм), CO (5,3…6,6 мкм)  CO2 (10,6 мкм), излучающих в среднем ИК - диапазоне. Световоды позволят значительно упростить использование этих лазеров в науке, технике и медицине, поскольку часто необходимые длины волокон составляют 0,5…10 м, а допустимые при этом оптические потери < 300 дБ/км.

 Уровень потерь в указанных материалах определяется в значительной степени содержанием примесей, поглощающих свет, что требует глубокой очистки всех компонентов того или другого материала. Схема процессов получения ОВ из многокомпонентных стекол (включая фторидные и халькогенидные стекла) является общей и состоит из следующих этапов:

         -очистка компонентов стекол,

         -смешение компонентов и синтез (варка) стекол для светоотражающей оболочки и световедущей сердцевины,

         -вытяжка ОВ из полученных стекол методом "двойного тигля" или методом "штабик в трубке".

         Ниже более подробно рассмотрены методы получения и свойства ОВ на основе многокомпонентных силикатных стекол, фторидных и халькогенидных стекол, поликристаллических материалов.



*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.