Световод для инфракрасной области спектра

 

Использование в качестве прозрачного в среднем и дальнем ИК-диапазоне гибкого волоконно-оптического световода. Сердцевина световода выполнена из твердых растворов хлорид-бромид-иодида серебра, мас.%: AgCl 17,99 - 20,95; AgBr 82,00 - 79,00; AgJ 0,01 - 0,05, а отражающая оболочка световода имеет показатель преломления меньше, чем в его сердцевине, на величину 0,01 - 0,05. Световод прозрачен в широкой области спектра - от 2 до 40 мкм. Это свойство позволяет передавать не только лазерное излучение, но и является волоконным сенсором. Полные оптические потери составляют 0,1 дБ/м, прочность на разрыв 200 - 250 МПа, радиус упругого изгиба 5 - 6 мм. Повышена фотостойкость световода вследствие оптимального состава и введения иодида серебра.

Изобретение относится к оптическим устройствам, а конкретно к волоконным световодам, прозрачным в среднем и дальнем ИК-диапазоне.

Основными физико-химическими свойствами являются их прозрачность в широком диапазоне спектра; малые полные оптические потери, т.е. ослабление проходящего через световод излучения, измеряемого в децибеллах на единицу длины световода; устойчивость к видимому и инфракрасному (ИК) излучению, а также минимальный радиус упругого изгиба и высокая прочность на разрыв. Известны инфракрасные поликристаллические световоды из кристаллов КРС-5 (T1Br-T1J), имеющие диапазон прозрачности от 0,5 до 40 мкм. Недостатком их является увеличение оптических потерь вследствие роста зерен и низкая прочность на разрыв [1]. Кроме того, эти световоды очень токсичны.

Известны световоды [2] с сердцевиной из хлорида серебра с добавлением щелочноземельных металлов и световоды с сердцевиной из хлорида серебра с добавкой бромида серебра 1-10 вес.% [3,4]. Но в таких световодах большие оптические потери и низкие механические свойства, т.е. большой радиус упругого изгиба (20 см и более) и малая прочность на разрыв (25 МПа).

Наиболее близким техническим решением является инфракрасный световод с сердцевиной на основе твердых растворов из галогенидов серебра состава: AgCl (22-28%) - AgBr (78-72 вес.%), а оболочка - воздух, либо хлорид серебра, либо твердые растворы AgCl_xBr_1-x, в которых содержание AgCl больше, чем в сердцевине, т.е. в этих материалах показатель преломления меньше, чем в сердцевине.

Недостатком таких световодов является неустойчивость к излучению, т.е. низкая фотостойкость, быстрое "старение" - увеличение со временем оптических потерь и неудовлетворительные механические свойства прочность на разрыв 150 МПа, а радиус упругого изгиба 4,5 - 6 см.

Целью изобретения является получение световодов, устойчивых к видимому и инфракрасному излучению, прозрачных в широком диапазоне спектра, обладающих высокими механическими свойствами.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известном (согласно прототипу) инфракрасном световоде на основе твердого раствора хлорид-бромида серебра и отражающей оболочки из твердых растворов AgCl_xBr_1-x, в качестве сердцевины используют твердые растворы на основе хлорида, бромида и иодида серебра при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: Хлорид серебра - 17,99 - 20,95 Бромид серебра - 82,00 - 79,00 Иодид серебра - 0,01 - 0,05 а отражающая оболочка световода имеет показатель преломления меньше, чем в сердцевине, на величину 0,01 - 0,05.

Сущность изобретения состоит в том, что в твердые растворы хлорид-бромида серебра состава, мас.%: AgCl 17,99 - 20,95; AgBr 82,00 - 79,00 вводят AgJ в количестве 0,01 - 0,05%, что позволяет получить следующие преимущества, в сравнении с прототипом: - расширить диапазон прозрачности от 2 до 40 мкм (в прототипе 2 - 25 мкм); - уменьшить оптические потери от 0,1 дБ/м (прототип 1-3 дБ/м); - увеличить прочность на разрыв до 250 МПа (прототип - 150 МПа); - уменьшить радиус упругого изгиба 5-6 мм (прототип 4,5 - 6 см); - повысить фотостойкость в два раза в сравнении с прототипом.

Введение в состав твердого раствора AgCl_xBr_1-x иодида серебра, имеющего более высокий порядковый номер галогена, позволяет расширить диапазон прозрачности световода, т.к. при излучении CO₂-лазера (10,6 мкм) фундаментальные оптические потери сдвигаются в длинноволновую область (дальний ИК -диапазон).

При уменьшении содержания AgJ в твердом растворе AgCl_xBr_1-x менее 0,01% (пример 4), либо увеличении AgJ более 0,05% (пример 5) ограничивается область прозрачности световода, возрастают полные оптические потери, ухудшаются механические свойства и понижается устойчивость к видимому и ИК-излучению.

При содержании в твердом растворе AgCl менее 17,99% и AgBr более 82,0% (пример 4), а также увеличение содержания AgCl более 20,95% и уменьшении AgBr менее 79,0% (пример 5) ухудшаются все оптико-механические свойства световодов.

В качестве отражающей оболочки для световода необходимо использовать твердые растворы хлорид-бромида серебра с показателем преломления меньшим, чем в сердцевине, на величину 0,01 - 0,05, т.е. такой состав твердых растворов, у которых механические свойства существенно не отличаются от механических свойств сердцевины. Иначе при эксплуатации световода оболочка разрушается в первую очередь и ухудшаются его свойства (пример 4, показатель преломления более 0,05).

При показателе преломления менее величины 0.01 состав оболочки максимально приближается к составу сердцевины, что приводит к ликвидации оболочки как таковой.

Пример 1.

Световод диаметром 1 мм с сердцевиной (0,7 мм) из твердого раствора состава, мас. %: AgCl - 17,99; AgBr - 82,00; AgJ - 0,01 и оболочки из твердого раствора AgCl - 25,0; AgBr - 75,0, получен методом экструзии - выдавливанием через фильеру. Показатель преломления сердцевины n = 2,22, а оболочки 2,21, т.е. Δn = 0,01.

Световод прозрачен в диапазоне от 2 до 40 мкм, имеет оптические потери 0,1 дБ/м на длине волны 10,6 мкм, радиус упругого изгиба 5 мм, прочность на разрыв 250 МПа. Фотостойкость выше, чем в прототипе, в два раза.

В прототипе диапазон прозрачности от 2 до 25 мкм, оптические потери (1-3 дБ/м) на длине волны 10.6 мкм, радиус упругого изгиба 4.5 - 6 см, прочность на разрыв 140 - 150 МПа.

Пример 2.

Устойчивый к видимому и ИК-излучению световод диаметром в 1 мм получен выдавливанием через фильеру. Сердцевина (0,7 мм) и оболочка состоят из твердых растворов галогенидов серебра состава, масс.%: сердцевина - хлорид серебра 20,02; бромид серебра 79,95; иодид серебра 0,03 и показатель преломления 2,22; оболочка - хлорид серебра 30,0 и бромид серебра 70,0 показатель преломления 2,19 ( Δn = 0,03).

Световод прозрачен от 2 до 40 мкм (прототип 2-25 мкм), имеет оптические потери 0,2 дБ/м на длине волны 10.6 мкм (в прототипе 1-3 дБ/м), прочность на разрыв 220 МПа (140-150 МПа в прототипе) и радиус упругого изгиба 5 мм (4,5-6 см в прототипе).

Пример 3.

Пластичный (R= 6 мм), устойчивый к видимому и ИК- излучению световод диаметром 1 мм получен методом экструзии. Сердцевина (0,7 мм) и оболочка выполнены из твердых растворов галогенидов серебра, содержащих, мас.%: сердцевина - хлорид серебра 20,95; бромид серебра 79,00; иодид серебра 0,05 и показатель преломления 2,22; оболочка - хлорид серебра 35,0 и бромид серебра 65,0, показатель преломления 2,17 ( Δn = 0,05).

Световод прозрачен в спектральном диапазоне от 2 до 40 мкм (2-25 мкм, прототип), имеет оптические потери 0,1 дБ/м при λ = 10,6 мкм (1-3 дБ/м, прототип), прочность на разрыв составляет 220 МПа (140-150 МПа, прототип). Фотостойкость такого световода в два раза выше, чем в прототипе.

Пример 4.

Световод диаметром 1 мм получен как в примере 1, но сердцевина, диаметром 0,7 мм, выполнена из твердого раствора состава, мас.%: AgCl - 14,995; AgBr - 85,00; AgJ - 0,005; n - 2,24, а оболочка содержит AgCl - 50,00; AgBr - 50,0; n - 2,13 (Δn = 0,11).

Световод прозрачен в диапазоне 5-25 мкм, оптические потери составили 3 дБ/м ( λ = 10,6 мкм), радиус упругого изгиба 5 см, прочность на разрыв 120 МПа. Световод быстро разрушается, причем в первую очередь оболочка.

Пример 5.

Световод получен как в примере 1. Состав, мас.%: сердцевина - AgCl - 25,0; AgBr - 74,8; AgJ - 0,2; n = 2,21, оболочка - AgCl - 30,0; AgBr - 70,0; n = 2,19 ( Δn = 0,02).

Свойства световода: прозрачен в диапазоне от 2 до 25 мкм; оптические потери 5 дБ/м ( λ = 10,6 мкм); радиус упругого изгиба 6 см; прочность на разрыв 140 МПа.

Таким образом, в предлагаемом световоде расширен диапазон прозрачности до дальней ИК-области, уменьшены оптические потери до 0,1 дБ/м, в 10 раз уменьшен радиус упругого изгиба и в 1,5 раза механическая прочность на разрыв, а также повышена фотостойкость в 2 раза в сравнении с прототипом.

Преимущественное применение световодов состоит в том, что из них можно изготавливать гибкие волоконно-оптические как лазерные, так и сенсорные системы различного назначения: лазерные технологии и медицина, внутриобъектовые волоконно-оптические линии связи, волоконно-оптические сенсоры для дистанционной ИК-спектроскопии жидких, газообразных и твердых объектов, неконтактной пирометрии и т.д.

Литература
1. Кацуяма Т., Мацамура Х. Инфракрасные волоконные световоды. М., 1992, с.175.

2. Патент Великобритании N 2077927A, 1981.

3. Garfunkel Y.H. et. al. Infrared Transmitting Fibers jf Policrystalline Silver Halides. IEEE Y.Quant. Elect., 15, (1979) 49 p.

4. K. Takanashi et. al. Optical Fibers for Transmitting High-Power CO₂ Laser Beam. Sumitomo Electric Review 23, 1984, 203-210 pp.

Формула изобретения

Световод для инфракрасной области спектра, включающий сердцевину и отражающую оболочку, выполненные из твердых растворов хлорид-бромида серебра, отличающийся тем, что сердцевина дополнительно содержит иодид серебра при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Хлорид серебра - 17,99 - 20,95
Бромид серебра - 82,00 - 79,00
Иодид серебра - 0,01 - 0,05
а отражающая оболочка световода с показателем преломления меньшим, чем в его сердцевине на величину 0,01 - 0,05.