Оптика

Фотоника — отрасль техники, в которой используются информационные или энергетические свойства фотонов. Фотон — квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света), безмассовая частица, двигающаяся в вакууме со скоростью света. Электрический заряд фотона — 0. Людям привычней фотоны в видимом спектре. Выделяют еще ультрафиолетовые фотоны (длина волны 10-380 нм) и инфракрасные фотоны (длина волны 1-150 мм).

текст Лия Жукова, доктор технических наук, профессор

Александр Корсаков, кандидат химических наук, Центр инфракрасных волоконных технологий, Уральский федеральный университет

иллюстрации Мария Краснова-Шабаева

Объект инфракрасной (ИК) волоконной оптики — волокна, пропускающие излучение с длиной волн более 1 мкм. Появление ИК-волоконной оптики связано как с доставкой широкополосного длинноволнового излучения к удаленным фотодетекторам для военных приложений, так и с передачей излучения CO2 лазера (длина волны 10,6 мкм).

Переход в длинноволновую область связан с поиском новых материалов для указанного спектрального диапазона. Эти материалы необходимы для изготовления волоконных лазеров и усилителей, сенсоров, волоконно-оптических систем, для дистанционной ИК-спектроскопии жидких, газообразных и твердых объектов, радиометрии, низкотемпературной ИК-пирометрии, для передачи мощного излучения CO (5,3-6,2 мкм) и CO2 лазеров (9,2-10,6 мкм). Благодаря достижениям в области интерферометрии стало возможным создание систем поиска экзопланет, то есть планет, подобных Земле. В силу того, что при температуре 300 К Земля и подобные ей планеты излучают на длине волны 10,6 мкм, пропускающий эту длину волны ИК-световод является идеальным фильтром, способным обнаружить экзопланету, отсекая видимое излучение звезды.

Для этих целей требуются одномодовые ИК-световоды с изменяющимся — за счет создания фотонной структуры — показателем преломления, получаемые методом экструзии из кристаллов. Нами разработаны мировой новизны кристаллы AgClxBr1 х, Ag1 xTlxBr1 хIх, Ag1 xTlxClyIzBr1 y z, а также фотонно-кристаллические ИК-световоды на их основе, схема производства которых представлена на рисунке [рис.01 ].

Рис. 1 Схема ключевых этапов производства кристаллов и фотонных ИК-световодов

В состав кристаллов твердых растворов галогенидов серебра входит йодид одновалентного таллия, который придает структуре кристалла высокую нанодефект-ность, а дефектность, в свою очередь, обеспечивает фотостойкость, твердость, увеличение показателя преломления, что является определяющим фактором при изготовлении фотонных ИК-световодов для спектрального диапазона от 2 до 45 мкм.

На основе пионерских научных исследований создан коммерческий продукт — оптоволоконные зонды для ИК-спектроскопии [рис.02 ], который выпускается инновационно-внедренческим Центром инфракрасных волоконных технологий Уральского федерального университета.

Рис. 2 ИК-Фурье-спектрометр с волоконно-оптическим зондом

С помощью новых оптоволоконных зондов возможно определение содержания органических веществ до уровня десятых долей процента с точностью до 0,5%. Конструкция и комплектующие зонда могут меняться в зависимости от характеристик образца и рабочей среды. Зонды с алмазной призмой позволяют работать с сыпучими, жидкими и пастообразными образцами при высоких температурах и агрессивности; зонды с петлей применимы для анализа жидкостей при средних и нормальных температурах и минимальной агрессивности среды. Информация о калибровочных кривых позволяет использовать систему не только для определения состава смеси, но и для контроля протекания реакции. Это возможно благодаря тому, что аналитический сигнал, передаваемый по оптическому волокну, после взаимодействия с исследуемым образцом мгновенно попадает на детектор спектрометра.

Использование волоконно-оптических зондов, прозрачных в средней инфракрасной области спектра, в научных лабораториях и на промышленном производстве значительно расширит применение методов ИК-Фурье -спектроскопии для экспресс-анализа веществ и образцов продукции.

Другое применение световодов - авиационное приборостроение. В ближайшем будущем большинство оптико-локационных станций военного назначения должны быть, как минимум, трехдиапазонными. Использование трех и более спектральных диапазонов при спектральной оптической фильтрации заметно повышает эффективность работы оптико-электронной системы. Дополнительное преимущество: оптимальный диапазон для обнаружения того или иного объекта может быть один, а для его идентификации — другой.

Наши световоды, прозрачные в среднем ИК-диапазоне, позволят разработать и изготовить многофункциональные, многоспектральные системы целенаведения, целеуказания с улучшенными массо-габаритными характеристиками. Улучшение этих показателей критически важно для беспилотных летательных аппаратов.

Также разработанные фотонно-кристаллические световоды находят применение в волоконно-оптических приборах широкого спектрального диапазона от 2,0 до 45,0 мкм — в области спектроскопии, медицины, низкотемпературной пирометрии, лазерной техники, космических исследований.

На основе твердых растворов галогенидов серебра, легированных Tl, I и галогенидами Eu, Ce и Cr, разработан новый класс кристаллических неорганических сцинтилляторов (КНС). Нами было разработано несколько видов галогенидсеребряных сцинтилляторов. Найден способ активации, обеспечивающий повышенный выход сцинтилляции. Монокристаллы обладают хорошим техническим выходом в широкой области спектра (0,4-45,0 мкм). Благодаря высокой плотности и большому атомному весу они могут быть использованы для исследования ?-излучения. Важно и то, что их спектральная характеристика совпадает со спектральной чувствительностью наиболее распространенных фотоумножителей с сурьмяно-цезиевым фотокатодом. В отличие от известных сцинтилляторов NaI (Tl), CsI (Tl), разработанные галогенидосеребряные КНС негигроскопичны и не обладают эффектом спайности, поэтому из них получают методом экструзии гибкие световоды различного диаметра и длины.