Систематические исследования по разработке кристаллических световодов для среднего ИК-диапазона начались в мире с 1978 г., когда Пинноу с сотрудниками изготовили методом экструзии поликристаллические световоды из кристаллов галогенидов таллия (TlBr-TlJ), обычно называемых KRS-5. Целью этих исследований сначала были попытки реализовать фундаментальные ультрамалые потери (10^-2…10^-3 дБ/км) в кристаллических материалах, у которых многофононное поглощение сдвинуто в более дальнюю ИК-область (рис. 7.1.). Однако до сегодняшнего дня реализовать столь малые потери не удалось. В 1981 г. Сакураги с соавторами удалось передать по подобным световодам излучение СО₂-лазера мощностью 68 Вт, а затем последовало сообщение о передаче излучения мощностью до 130 Вт. Поэтому в настоящее время кристаллические ОВ (из галогенидов таллия, серебра, щелочных металлов и т.д.) разрабатываются для передачи излучения лазеров большой мощности (СО₂-лазеров) для медицинских и технологических целей.

Для получения ОВ из кристаллических материалов сейчас в основном используется два метода: пластическое деформирование через фильеру (экструзионный метод) и выращивание из расплава. При первом методе получения волокна имеют поликристаллическое, а при втором – монокристаллическое строение. Хотя монокристаллические волокна должны обладать меньшими общими потерями, чем поликристаллические (из-за отсутствия в них зерен и границ раздела, приводящих к дополнительному рассеянию проходящего излучения), тем не менее наибольшее распространение получил экструзионный метод, как более технологичный. Исходя из этого, требования к кристаллическим материалам следующие:

• кристаллы должны пластически деформироваться в приемлемом температурном диапазоне (100…600⁰С) со скоростями выше 1 см/мин.;
• кристаллы должны быть оптически изотропными ввиду разориентации зерен и блоков в волокнах;
• статическая рекристаллизация в таких световодах должна быть блокирована при обычных температурах, чтобы воспрепятствовать деградации механических и оптических свойств ОВ в процессе эксплуатации.

Этим требованиям отвечают прежде всего галогениды таллия и серебра, причем первые в настоящее время применяются значительно реже из-за своей высокой токсичности. Для синтеза исходных порошков твердых растворов галогенидов серебра (72…78 масс. % AgBr и 28…22 масс. % AgCl) использовали кристаллизацию соли в растворе смеси соответствующих галогеноводородных кислот. Полученные соли очищались многократной перекристаллизацией в этих растворах при создании специального температурного градиента. Для удаления кислородсодержащих примесей (SO₄^-2, CO₃^-2), вызывающих значительное поглощение в ИК-области, применяют фильтрование раствора. Сами кристаллы обычно выращивали в запаянных кварцевых ампулах методом Бриджмена-Стогбаргера.

Рис. 7.22. Схема установки для получения поликристаллических световодов методом экструзии: 1 – давление, 2 – плунжер, 3 – фильера, 4 – нагреватель, 5 - заготовка, 6 - волокно

На рис. 7.22 приведена схема установки для получения поликристаллических световодов методом экструзии. Полученные кристаллические слитки механически обтачивают, придавая им форму цилиндра, заготовки помещают в контейнер и экструдируют через алмазную фильеру под высоким давлением. Температуру процесса поддерживают в диапазоне 200…350⁰С, скорость – несколько сантиметров в минуту. Поверхность получаемых поликристаллических волокон из галогенидов серебра достаточно гладкая, размер зерен обычно составляет10…30 мкм, хотя имеются сообщения и о среднем размере зерен 5…10 мкм. Размеры зерен сильно зависят от температуры и скорости экструзии. Световоды чаще всего защищают свободной полимерной пленкой, как показано на рис. 7.23. Однако в настоящее время разработана технология получения так называемых оболочечных ОВ, в которых в качестве оболочки используют поликристаллический материал несколько отличного состава от состава сердцевины и имеющий соответственно ПП меньше ПП материала сердцевины. При изготовлении оболочечных ОВ используют технологии как прямой, так и обратной экструзии, а также коэкструзионные технологии. В НЦВО при ИОФ РАН получены оболочечные ОВ с числовой апертурой от 0,2 до 0,6 и с диаметром сердцевины от 50 мкм до 1 мм.

Рис. 7.23. Свободная полимерная оболочка для поликристаллических световодов

Как отмечалось выше, ультрамалые потери, предсказываемые для кристаллических ИК-световодов, на сегодняшний день не достигнуты. Это связано с тем, что помимо предполагаемого рассеяния и фононного поглощения за счет колебаний атомов решетки, потери в реальных ОВ определяются следующими физическими механизмами:

• рассеянием на вакансионных микропорах; возникающих в результате сильной пластической деформации монокристалла и формировании поликристаллического ОВ. Зависимость потерь на рассеяние имеет вид λ^-η, где 0<η<4. Это находится в соответствии с теорией Ми, в которой рассматриваются рассеивающие центры, соизмеримые с длиной волны излучения;
• поглощением, вызванным разнообразными анионными комплексами с участием гидроксила, окислов, сульфидов, нитратов и нитридов металлов в кристалле и гетерофазных включений в нем, в том числе коллоидов серебра.

Термообработка поликристаллических волокон ведет к уменьшению оптических потерь, что, вероятно, связано с уменьшением числа дефектов кристаллической решетки (рис. 7.24).

Лучшим достижением является получение методом экструзии в НЦВО при ИОФ РАН поликристаллических световодов из галогенидов серебра с потерями 40 дБ/км и менее на длинах волн 10…16 мкм, как это видно из рис. 7.25. Это достигнуто благодаря улучшению уровня очистки кристаллов от анионных примесей до 10 ppb и снижению рассеяния в ОВ в 10 раз. Уровень потерь меньше 1 дБ/м простирается от 2,5 до 22 мкм. Применение тройных композиций (хлорида, бромида и иодида серебра) позволило довести упругую деформацию кристаллических световодов до 1 % и прочность до 170…200 МПа вместо 40…60 МПа.

Рис. 7.24. Спектры оптических потерь световодов из TlBr – TlI после термообработки при температуре 150 ^оС. Длительность обработки: 1 – без термообработки, 2 – 15 часов, 3 – 30 часов, 4 – 120 часов

Рис. 7.25. Спектр потерь в световоде на основе галогенидов серебра диаметром 0.7 мм

Поскольку описанные ОВ применяются для передачи мощного лазерного излучения, то на торцы волокон наносят просветляющие покрытия, которые эффективно уменьшают отражение на них лазерного излучения. Потери из-за отражения на торцах в световодах из KRS-5 достигают 28 % вследствие высокого коэффициента преломления (n = 2,38). Трехслойное просветляющее покрытие, показанное на рис. 7.26 и нанесенное напылением в вакууме, позволило снизить потери на отражение до 2 % и менее, причем это покрытие оказалось очень стабильным даже при фокусировке на него излучения СО₂-лазера мощностью 150 Вт.

Рис. 7.26. Структура просветляющего покрытия на торце световода из KRS – 5: 1 – лазерное излучение, 2 – фокусирующая линза,3 – просветляющее покрытие, 4 - световод