ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ФОТОННЫХ ИК-СВЕТОВОДОВ НА ОСНОВЕ ДЕФЕКТНЫХ КРИСТАЛЛОВ

Бревнова А.Д.¹, Шмыгалев А.С.², Гулько А. Я.³, Корсаков А.С.⁴,    Жукова Л.В.⁵

¹Магистрант; ²аспирант; ³магистрант; ⁴кандидат химических наук, старший научный сотрудник, Уральский Федеральный Университет; ⁵профессор, доктор технических наук, старший научный сотрудник, Уральский Федеральный Университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ФОТОННЫХ ИК-СВЕТОВОДОВ НА ОСНОВЕ ДЕФЕКТНЫХ КРИСТАЛЛОВ

Аннотация

Сегодня для работы в среднем и дальнем ИК-диапазоне необходимы оптические материалы с такими свойствами, как широкий диапазон спектрального пропускания, малые оптические потери, фотостойкость, высокая пластичность и негигроскопичность. В связи с этим были разработаны новые кристаллы на основе твердых растворов системы         Ag_1-xTl_xBr_1-xI_x. На основании разработанных кристаллов методом экструзии изготавливаются фотонные ИК-световоды для широкого применения. Данное исследование посвящено изучению свойств полученных кристаллов и световодов.

Ключевые слова:  ИК-световоды; галогениды серебра и таллия (I); показатель преломления; диапазон пропускания; оптические потери в световодах.

Brevnova A.D.¹, Shmygalev A.S.², Gulko A.Y.³, Korsakov A.S.⁴, Zhukova L.V.⁵

¹Master student; ²postgraduate student; ³master student; ⁴PhD in Chemistry, Senior Researcher, Ural Federal University; ⁵professor, Doctor of Technical Sciences, Senior Researcher, Ural Federal University

STUDY OF THE FUNCTIONAL PROPERTIES OF IR WAVEGUIDES BASED ON DEFECTIVE CRYSTALS

Abstract

Presently, for operating in the Middle and Far infrared, there exists a need in optical materials possessing such properties as wide transparency range, reduced optical losses, photostability, high plasticity, and non-hydroscopicity. That is why we developed new crystals based on Ag_1-xTl_xBr_1-xI_x system solid solutions. The  photonic infrared fibers for widespread application are extruded from the crystals elaborated. Current research is devoted to the investigation of designed crystals and fibers properties.

Keywords: IR fibers; silver and thallium (I) halide; refraction index; transparency range; optical losses.

Показатель преломления кристаллов

Знание показателя преломления, а также его зависимости от длины волны проходящего излучения является обязательным при работе с оптическими материалами. Для простых твердых растворов галогенидов серебра ранее были проведены исследования показателя преломления n. Однако для галогенидов серебра, легированных таллием, таких исследований не проводилось.

Определение показателя преломления для системы Ag_0,97Tl_0,03Br_0,97I_0,03 проводилось дифференциальным методом с помощью интерферометра Майкельсона [1]. Была найдена зависимость изменения интерференционного порядка, вызванного поворотом образца на угол θ, от величины этого угла (рис. 1).

Рис. 1 - Интерференционная картина, полученная при прохождении излучения с длиной волны 10,6 мкм через пластину Ag_0,97Tl_0,03Br_0,97I_0,03 толщиной 300 мкм

Процедура определения показателя преломления данным методом следующая: в интерферометр запускается излучение заданной длины волны (в данном случае λ=10,6 мкм); образец, закрепленный на высокоточном вращающемся держателе, устанавливается нормально к падающему лучу; затем образец медленно вращается и регистрируется изменение интерференционного порядка.

После проведения  серии измерений строится график зависимости числа интерференционных максимумов от угла падения излучения (рис. 2). Чем больше количество измерений, тем выше точность определения показателя преломления. Данные для построения зависимости приведены в табл. 1. На практике наблюдается небольшой разброс значений, поэтому усредним график с помощью линии тренда.

Таблица 1 - Результаты измерений угла, дополнительного к углу  падения излучения (θ) и числа интерференционных максимумов (m)

Угол падения излучения (θ)	Число интерференционных максимумов (m)
-17,5	1
-24,5	2
-30	3
-45	7
-70	17
-80	23
90	29
80	23
70	17
45	7
30	3
24,5	2
17,5	1

Рис. 2 - График зависимости числа интерференционных максимумов от угла падения излучения. Толстая линия – экспериментальная кривая, тонкая линия – аппроксимирующий полином. Уравнение аппроксимирующей линии полинома - y = 0,003x² - 0,198, величина достоверности аппроксимации R² = 0,998

Снимая с усредненного графика значение угла падения и соответствующее ему число интерференционных максимумов и подставляя в уравнение (1), получаем значение показателя преломления образца.

    (1)

где,  m –число порядка интерференционного максимума, λ₀ – длина волны падающего излучения, мкм; l_s – толщина образца, мкм; θ – угол вращения от нормального падения, град..

В результате получено значение показателя преломления образца n = 2,3.

Результаты  измерения показателей преломления ранее исследованной системы AgCl - AgBr приведены в табл. 2.

Таблица  2 - Показатели преломления кристаллов некоторых составов на длине волны 10,6 мкм

Состав	AgCl	AgBr	AgCl0,25Br0,75	AgCl0,5Br0,5	AgCl0,75Br0,25
Показатель преломления n	1,978	2,213	2,201	2,02	1,99

Диапазон пропускания световодов

Далее было проведено измерение диапазона пропускания световодов состава AgCl_0,75Br_0,25 (рис. 3, линия 1) и  Ag_0,97Tl_0,03Br_0,97I_0,03 (рис. 3, линия 2). Спектр пропускания снят на ИК-Фурье спектрометре IR Prestige – 21 (Shimadzu). ИК-спектр получали в диапазоне  от 1,28 мкм до 41,6 мкм. Для измерения спектрального пропускания световоды длиной 0,5 м полировали с двух сторон, оконцовывали (устанавливали SMA-коннекторы) и подключали к устройству “fiber coupler”, установленному непосредственно в кюветное отделение спектрометра.

AgCl_0,75Br_0,25

Рис. 3 - Спектральное пропускание световодов Ag_0,97Tl_0,03Br_0,97I_0,03

По рисунку 3  видно, что диапазон пропускания световодов, легированных таллием значительно шире, чем у световодов состава AgCl_0,75Br_0,25. 

Оптические потери в световодах

Измерение оптических потерь проводилось на стенде, собранном из оптических компонентов, представленных на рис. 4.

Рис. 4 - Стенд для измерения оптических потерь:  1 – СО₂-лазер; 2 – Si окно;  3 – ZnSe линза; 4 – держатель ИК-волокна; 5 – термоголовка; 6 – ИК-световод; 7 – CCD камера Spiricon; 8 – дисплеи термоголовок

Расчет оптических потерь (α) на метр волокна производился методом отрезков по следующей формуле:

где l₂ – длины образца световода, l₁ – длина отрезка образца световода; p₁ и p₂ – значения мощности излучения на входе в ИК-световод и на выходе из световода и его отрезка, соответственно.

Оптические потери в ранее полученном волокне AgCl_0,75Br_0,25 составили 0,55 dB/м. Потери в волокне нового состава Ag_1-xTl_xBr_1-xI_x  показали лучший результат – 0,1 dB/м [2].

Исследования функциональных свойств разработанных ИК-кристаллов и фотонно-кристаллических световодов на их основе были проведены на уникальном оборудовании инновационно-внедренческого центра «Центр инфракрасных волоконных технологий». Исследования показали, что новые световоды состава Ag_1-xTl_xBr_1-xI_x обладают лучшими характеристиками, чем разработанные ранее световоды AgCl_xBr_1-x. Волокно, легированное таллием имеет более широкий диапазон пропускания и более низкие оптические потери.