Инфракрасные волоконные световоды

Сообщение №11 от Alexander 14 февраля 2002 г. 15:19
Тема: Инфракрасные волоконные световоды

Инфракрасные волоконные световоды

Мартин Г. Дрексгейдж, Корнелиус Т. Мойнихэн
В МИРЕ НАУКИ, январь 1989 / SCIENTIFIC AMERICAN, November 1988, v.259, No.5

Новые стеклянные и кристаллические световоды, более прозрачные для излучения в длинноволновой области оптического диапазона, чем кварцевые световоды, находят сейчас применение в системах оптической связи, медицинской диагностической аппаратуре и в волоконно-оптических лазерах

Ещё 300 лет назад египетские стеклодувы ухитрялись делать из стекла рыбок с синей головой, белой чешуей и желтыми плавниками. Преднамеренное введение окислов металлов в силикатные стекла - кобальта для синего цвета, олова для белого и сурьмы для желтого - позволяло получать цветных рыбок. В то же время, поскольку исходные вещества всегда содержали следы этих и многих других металлических примесей, древние египтяне не знали прозрачного стекла. Лишь спустя многие века, благодаря развитию химии и разработке новых технологий производства стекла, мастерам уже другого поколения удалось получить чистое прозрачное стекло. Успешным итогом этого достижения стали стеклянные линзы, появившиеся в начале XX в., которые в 10000 раз были более прозрачными, чем первые стекла Древнего Египта. К 60-м годам прозрачность стекол удалось увеличить еще в 10000 раз за счет усовершенствования технологии получения чистой двуокиси кремния - технологии, которая привела к появлению волоконной оптики. Сейчас телефонные разговоры, информация в компьютерных системах и телевизионные изображения передаются импульсами света по волоконным жгутам из высокочистых кварцевых стекол.

В 1979 г. в волоконных световодах из кварцевых стекол был достигнут максимально возможный для них предел прозрачности. В настоящее время появляется второе поколение материалов для волоконной оптики, которые позволяют передавать излучение более длинноволновой инфракрасной области спектра. Имеется три класса таких материалов: галогенидные кристаллы, халькогенидные стекла и стекла на основе фторидов тяжелых металлов.

Все эти материалы могут быть более прозрачными в инфракрасной области, чем световоды на основе кварцевых стекол, поэтому их уже сейчас испытывают для многих новых применений. Инфракрасные световоды могут передавать простые инфракрасные изображения предметов или информацию о температуре труднодоступных или сильно удаленных объектов. Такие световоды в виде гибкого оптического кабеля можно будет использовать для передачи мощного лазерного излучения, применяемого в промышленности для резки, сварки или сверления металлов. Их можно также использовать и в медицине для подведения лазерной энергии к закупоренному бляшками месту в артериях животных - процедура, которая скоро станет обычной в хирургии наряду с аортокоронарным шунтированием и балонно-катеторной ангиопластикой.

Особый интерес инфракрасные световоды представляют для дальней оптической связи. Если в них удастся достичь максимально возможной прозрачности, то они будут иметь явное преимущество перед другими световодами, используемыми в более коротковолновой области спектра.

При прохождении излучения по световоду от источника к приемнику часть световой энергии теряется, и сигнал может стать настолько слабым, что выйдет за пределы чувствительности приемника и окажется потерянным. Поэтому передаваемые на большие расстояния сигналы должны периодически усиливаться. Но производство, эксплуатация и ремонт таких усилителей требуют немалых затрат. Оптические сигналы, передаваемые по промышленным кварцевым световодам, должны усиливаться через каждые 10-50 км, а электрические сигналы, передаваемые по медным проводам, - через каждые 4-6 км. В системах же связи на основе инфракрасных световодов расстояние между усилителями-ретрансляторами может составлять сотни и даже тысячи километров.

Для разработки новых методов получения волоконных световодов на пути к достижению этой и других целей было исследовано множество различных стекол и кристаллов, прозрачных в инфракрасной области спектра. После тщательного изучения межатомных сил и структуры материалов, от которых зависит уровень затухания излучения в световоде, наиболее перспективными оказались галогенидные кристаллы, халькогенидные стекла и стекла на основе фторидов тяжелых металлов.

Распространение всех световых волн в световоде начинается от источника излучения, которым обычно является лазер или светоизлучающий диод. Источник помещается у торца световода, состоящего из двух концентрических цилиндров: сердцевины и оболочки. Излучение от источника попадает в сердцевину; часть его будет распространяться прямолинейно вдоль оси световода, а другая его часть, которая войдет в сердцевину под углом к оси, попадет на границу между сердцевиной и оболочкой. Лучи света, падающие под большими углами к границе, попадают в оболочку и в дальнейшем поглощаются пластичным полимерным покрытием, предохраняющим световод от механических повреждений. Лучи же, попадающие на границу под малыми углами, полностью отражаются обратно в сердцевину световода. Этот процесс полного внутреннего отражения, постоянно повторяясь, обеспечивает распространение излучения вдоль световода.

Полное внутреннее отражение является следствием неодинаковой скорости распространения света (как и всех других видов электромагнитных волн) в различных средах. Скорость света в данном материале определяется его показателем преломления, численно равным отношению скорости света в вакууме (максимально возможной) к скорости света в данном материале. Поскольку в сердцевине свет распространяется медленнее, чем в оболочке, сердцевина имеет больший показатель преломления. Всякий раз, когда свет попадает из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим его значением, часть света полностью отражается, а оставшаяся часть проходит через границу раздела. Доля отраженного света зависит как от угла падения, так и от соотношения показателей преломления двух сред.

Правильным подбором соотношения показателей преломления сердцевины и оболочки, а также диаметра сердцевины можно увеличить световодный эффект, добившись чтобы все падающие под углом составляющие передаваемого сигнала оставались внутри световода и одновременно попадали на приемник излучения (см. J.S. Cook. Communication by Optical Fiber, "Scientific American", November 1973). Если все подобрано удачно, то часть света от источника достигнет дальнего конца световода и приемника, в качестве которого обычно используется светочувствительный элемент на слоистых структурах.

Даже если свет введен в световод и распространяется по сердцевине, эффекты рассеяния и поглощения внутри ее препятствуют прохождению света и могут привести к полному его затуханию. В высокопрозрачном твердом материале затухание света обусловливается тремя независимыми процессами: электронным поглощением, рассеянием света и колебательным поглощением. Хотя влияние этих процессов на проходящее излучение в разных материалах может быть неодинаковым, они обязательно присутствуют во всех прозрачных твердых материалах.

Электронное поглощение определяет затухание сигналов с короткими длинами волн. Световод в своей основе состоит из атомов, соединенных между собой электронами, образующими химические связи. Когда излучение с некоторой длиной волны вводится в световод, оно может быть поглощено электронами и затем потеряться в виде тепла. Поскольку в твердых материалах именно короткие длины волн соответствуют энергиям химических связей, коротковолновое излучение будет поглощаться за счет этого процесса более интенсивно, чем длинноволновое.

Рассеяние света определяет затухание излучения на более длинных волнах. Одним из общих видов рассеяния, присущих жидкостям, газам и многим твердым средам, включая стекла, является рассеяние Рэлея. Оно возникает из-за непостоянства показателя преломления среды, обусловленного флуктуациями ее плотности и состава. Интенсивность рэлеевского рассеяния быстро падает с увеличением длины волны света и зависит от конкретного состава материала. Проведенные со многими кварцевыми стеклами эксперименты позволили сделать вывод, что к наиболее важным параметрам стекла, определяющим ослабление излучения за счет рэлеевского рассеяния, относятся показатель преломления и температура стеклования. При температурах, близких к температуре стеклования, расплавленная масса стекла затвердевает, "замораживая" в себе локальные неоднородности показателя преломления. Материалы с низкой температурой стеклования и низким показателем преломления будут иметь слабое рэлеевское рассеяние.

Колебательное поглощение является основным фактором ослабления для излучения еще более длинноволновой области. Оно сложным образом зависит от масс, размеров и эффективных зарядов атомов, из которых состоит данное твердое вещество. В кристаллах или стеклах связи между атомами могут рассматриваться как притяжение между положительно и отрицательно заряженными ионами (катионами и анионами соответственно). Два иона, соединенные между собой химической связью, непрерывно колеблются подобно двум грузикам, сцепленным жесткой пружиной. Если на грузики воздействовать периодической силой, согласованной с периодом их собственных колебаний, то грузикам будет эффективно передаваться энергия, и амплитуда колебаний возрастет. Такой эффект называется резонансом. Если на атомные связи воздействовать светом с соответствующими резонансными длинами волн, то энергия света будет преобразовываться в колебательную энергию ионов. Интенсивность светового сигнала при этом уменьшится из-за поглощения его энергии колебательной системой. По мере все большего уменьшения длины волны света по сравнению с резонансной длиной волны колебательное поглощение падает и материал становится все более прозрачным.

Резонансная длина волны определяется массами ионов и силой связи между ними. Она тем короче, чем меньше массы ионов и чем сильнее межатомные связи. В диоксиде кремния, например, каждый катион кремния окружен четырьмя анионами кислорода. Кремний сильно связан с кислородом, а массы обоих атомов малы по сравнению с массами атомов в инфракрасных оптических материалах. Поэтому у кварцевого стекла (диоксида кремния) наблюдается значительное поглощение в коротковолновой части инфракрасной области спектра и оно может пропускать излучение только до 2,5 мкм.

Для разупорядоченных атомных структур, которые характерны для стекол и даже для хорошо упорядоченных решеток кристаллов, колебательное поглощение начинает проявляться и постепенно растет при приближении к резонансным длинам волн. Это приводит к так называемой колебательной границе поглощения (пропускания) материала. Для многих веществ, как удалось определить, интенсивность поглощения экспоненциально падает при удалении от резонансной области в сторону коротких длин волн.

Электронное поглощение, рэлеевское рассеяние и колебательное поглощение считаются собственными видами оптических потерь, поскольку они присущи самому материалу. Знание собственных свойств позволяет предсказать уровень максимальной прозрачности, который может быть достигнут в каждом твердом материале. При выборе материала также должны учитываться несобственные оптические потери, обусловленные присутствием нежелательных примесей и несовершенством технологии его получения. К несобственным потерям относятся те, которые вызваны поглощением примесями, рассеянием на больших включениях или пустотах, а также потери за счет непостоянства диаметра световода по его длине и отклонений от требуемых значений показателя преломления по сечению световода.

Суммарные потери мощности света за счет собственных и несобственных механизмов характеризуются коэффициентом затухания, выражаемым в децибелах на километр (дБ/км). Так, при введении в световод длиной 1 км и с коэффициентом затухания 1 дБ/км оптического сигнала мощностью 10 Вт на его выходе будет принят сигнал мощностью 7,9 Вт. Обычное оконное стекло имеет затухание в несколько тысяч децибел на километр. Для систем оптической связи необходимо, чтобы оптические потери по всей длине 50-километрового световода не превышали 1 дБ/км. Более протяженные линии связи требуют снижения уровня потерь до 0,01 дБ/км. Если бы такой прозрачностью обладали оконные стекла, то улицу можно было бы видеть через стекло толщиной 200 км.

Помимо низкого оптического затухания следует принимать во внимание и другие характеристики материалов для световодов. Идеальный материал должен быть прочным, гибким, невосприимчивым к химическим воздействиям и простым в получении. К сожалению, низкое затухание и хорошие структурные характеристики обычно несовместимы. Многие свойства стекла, обеспечивающие прозрачность в длинноволновой области спектра, такие как низкая температура стеклования, слабые межатомные связи, присутствие более тяжелых, чем кислород, анионов, часто придают материалам нежелательные физические, химические и механические свойства. Тем не менее имеется ряд кристаллических и стеклообразных материалов с улучшенной прозрачностью в длинноволновой области, у которых эти свойства еще приемлемы для волоконной оптики. Такие материалы могут пропускать инфракрасное излучение с очень малыми потерями на рэлеевское рассеяние и электронное поглощение. Поэтому теоретически их прозрачность может быть выше, чем достигнутая для кварцевых световодов.

Наименьшее затухание, достигнутое в настоящее время в кварцевых световодах, составляет 0,2 дБ/км на длине волны 1,5 мкм. Это хорошо согласуется с собственным пределом прозрачности кварцевых стекол, рассчитанным на основании учета характерных для них рэлеевского рассеяния, электронного поглощения и граничной величины колебательного поглощения, определяемой силой межатомной связи кремний-кислород. Столь низкое затухание достигнуто путем тщательной отладки процессов получения кварцевого стекла и световодов из него, при которых все источники несобственных потерь в них были фактически устранены.

СОБСТВЕННОЕ ЗАТУХАНИЕ в световоде определяется тремя процессами. Электронное поглощение отбирает энергию, когда коротковолновый свет возбуждает связанные электроны в атомах. Колебательное поглощение возникает в случае, когда длинноволновый свет заставляет колебаться атомы материала. На промежуточных длинах волн, на которых ни один из механизмов поглощения не является определяющим, неоднородности плотности и состава приводят к рассеянию Рэлея. Эти механизмы и определяют кривую затухания света в материале. СТЕКЛООБРАЗНЫЕ МАТЕРИАЛЫ поглощают свет за счет колебаний атомов. Массы атомов и силы связи между ними определяют длины волн, на которых это поглощение наиболее сильное. Увеличение масс атомов и ослабление силы связи между ними приводят к увеличению этих длин волн. Именно поэтому тетрафторид циркония - основной компонент стекол из фторидов тяжелых металлов, а также халькогенидное стекло - триселенид мышьяка наиболее сильно ослабляют сигналы в длинноволновой инфракрасной области. Ионы кремния и кислорода имеют меньшие массы и более сильную связь, поэтому кварцевое стекло (диоксид кремния) наиболее сильно поглощает сигналы в средней инфракрасной области.

Для получения прозрачности, большей чем у световодов на основе кварцевого стекла, новые материалы, выбранные с учетом их собственных свойств, должны быть дополнительно очищены, с тем чтобы несобственные факторы затухания свести к минимуму. Такие материалы будут использоваться в инфракрасной области спектра на длинах волн более 2 мкм.

Кристаллические материалы образуют первый класс веществ, которые могут эффективно использоваться в инфракрасной волоконной оптике. Теоретически многие двухкомпонентные кристаллы: бромид серебра, селенид цинка и даже хлорид натрия имеют низкое собственное затухание. Однако на практике получение монокристаллов в виде волоконных световодов большой длины связано с рядом серьезных проблем. Скорости роста монокристаллических волокон очень малы и часто составляют всего несколько сантиметров в минуту. Столь низкие скорости роста увеличивают вероятность того, что диаметр световода будет непостоянным. Трудноосуществимой также представляется задача формирования в процессе роста правильной волоконно-оптической структуры с высоким показателем преломления сердцевины и низким - оболочки.

Значительно более перспективными являются поликристаллические материалы, главным образом на основе галогенидов таллия и серебра. Были тщательно изучены световоды на основе смешанных соединений бромида и иодида таллия. Конечно, высокий показатель преломления кристаллов галогенидов таллия (около 2,7) предполагает высокий уровень рассеяния в них. Однако граница колебательного поглощения у них сдвинута в длинноволновую инфракрасную область, что позволяет передавать инфракрасное излучение в таких материалах с длинами волн, на которых рассеяние уже значительно меньше. Согласно теоретическим оценкам можно изготовить монокристаллы галогенидов таллия с коэффициентом затухания менее 0,01 дБ/км на длинах волн, близких к 7 мкм. Однако в процессе получения поликристаллических световодов в них создается зернистая микроструктура, которая сильно рассеивает свет. Этот несобственный механизм рассеяния в совокупности с поглощением, обусловленным присутствием примесей, приводит к затуханию в поликристаллических световодах на основе галогенидов таллия в пределах от 150 до 400 дБ/км. Такой относительно небольшой уровень затухания, однако, сохраняется в широком диапазоне длин волн, охватывающем примерно от 6 до 15 мкм.

Другой материал для поликристаллических световодов состоит из серебра, хлора и брома. А. Кацир из Тель-Авивского университета получил световоды с затуханием менее 1000 дБ/км на длинах волн больше 6 мкм. Световоды как из галогенидов таллия, так и из галогенидов серебра могут передавать излучение лазера на диоксиде углерода с длиной волны 10,6 мкм. Поэтому эти материалы пригодны для передачи мощного лазерного излучения, например для таких применений, как лазерная хирургия.

Второй класс прозрачных в инфракрасной области спектра материалов для волоконной оптики образуют халькогенидные стекла. Их получают соединением металлов с более тяжелыми элементами кислородной группы - халькогенами, т. е. серой, селеном и теллуром. Трисульфид мышьяка и триселенид мышьяка являются характерными представителями халькогенидных стекол. Электронное поглощение для трисульфида мышьяка лежит в середине видимой области спектра, для триселенида мышьяка - в ближней инфракрасной области. Поэтому первое стекло имеет красный цвет, а второе - черный.

У халькогенидных стекол высокий показатель преломления (между 2,4 и 2,7) и низкая температура стеклования (примерно 150-175 °С), вследствие чего они имеют низкое рэлеевское рассеяние. (Вследствие высоких значений показателя преломления рэлеевское рассеяние в халькогенидных стеклах, несмотря на низкие температуры стеклования, довольно большое и превышает в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах в несколько раз рассеяние в кварцевых стеклах. В среднем же инфракрасном диапазоне, где световоды из кварцевых стекол уже непрозрачны, рэлеевское рассеяние в халькогенидных стеклах, благодаря своему быстрому уменьшению при увеличении длины волны, снижается на несколько порядков величины и становится ниже, чем в кварцевых стеклах. Именно поэтому в среднем инфракрасном диапазоне могут быть достигнуты меньшие, чем в кварцевых стеклах оптические потери. - Прим. перев.)

Трисульфид мышьяка прозрачен примерно до 10 мкм, тогда как стекла на основе селена, атомный вес которого примерно в два раза выше, чем у серы, прозрачен уже примерно до 14 мкм. В отличие от моно- и поликристаллических материалов халькогенидные стекла можно использовать для изготовления многокилометровых световодов с необходимыми диаметрами сердцевины и оболочки. Среди лучших халькогенидных световодов можно выделить световоды из трисульфида мышьяка, полученные в Японии Т. Канамори из фирмы Nippon Telegraph and Telephone Corporation. Минимальное затухание в них составляет 35 дБ/км на длине волны 2,4 мкм, хотя теоретически предсказываемое минимальное значение собственных оптических потерь для световодов из этого стекла равно 0,01 дБ/км на длинах волн вблизи 5 мкм. Большая часть оптических потерь в производимых сейчас халькогенидных световодах обусловлена присутствием в них примесных молекул воды и других водородсодержащих примесей. Но еще более серьезным недостатком халькогенидных световодов является сильное собственное электронное поглощение на дефектах структуры стекла, которое может ограничить величину минимально достижимых оптических потерь в этих стеклах на уровне 10 дБ/км.

Основной интерес к халькогенидным световодам в настоящее время обусловливается их способностью передавать инфракрасное излучение с длинами волн от 6 до 12 мкм на расстояния до нескольких метров. П. Придо из корпорации Galileo Electro-Optics изготовил халькогенидные световоды, сотни которых можно собрать в гибкий волоконно-оптический жгут, способный передавать простые инфракрасные изображения или информацию о температуре предметов. Интенсивность инфракрасного излучения, испускаемого нагретым телом, растет с увеличением его температуры. Световоды могут передавать излучение к приемнику от удаленных предметов, что позволяет осуществлять дистанционный термоконтроль. Процессы в газах и жидкостях или химические реакции, которые поглощают или излучают инфракрасный свет, могут контролироваться с диспетчерского пункта по светопроводным системам.

Третий класс материалов для инфракрасных световодов включает стекла на основе фторидов тяжелых металлов. Первые составы этого нового семейства стеклообразных материалов открыл в 1974 г. Мишель Пуле из Университета Ренне во Франции. В соответствии с планом диссертационной работы он пытался получить кристаллические соединения из смеси фторидов циркония, бария, натрия и неодима. При охлаждении расплавленных образцов он заметил в них большие прозрачные включения. Хотя первоначально Пуле принял их за кристаллы, оказалось, что это было стекло. Мишель, его брат Марсель Пуле и Жак Лука затем открыли целое семейство новых стекол, которые теперь известны как стекла на основе фторидов тяжелых металлов.

Фактически в эти стекла может быть введен любой металл периодической системы. Однако с точки зрения хорошей прозрачности в инфракрасной области и простоты изготовления только ограниченное число составов стекол заслуживает тщательных исследований, а именно фторцирконатные, фторгафнатные и бариево-ториевые стекла.

Измерения пропускания в образцах стекол из фторидов тяжелых металлов позволили выявить у них широкую область высокой прозрачности, простирающуюся от 0,3 до 8 мкм. Эти стекла имеют небольшие температуры стеклования (около 300 °С) и близкие к кварцевому стеклу значения показателя преломления (1,5). Длинноволновая граница пропускания в инфракрасном диапазоне и низкий уровень рэлеевского рассеяния позволяют предположить, что в стеклах из фторидов тяжелых металлов собственное затухание может быть на уровне 0,01 дБ/км.

Исходя из этих оценок, данные стекла интенсивно исследуются в США, Великобритании и Японии как наиболее перспективные материалы для систем оптической связи с низкими потерями. В американской научно-исследовательской лаборатории ВМС Naval Research Laboratory и японской фирме Nippon Telegraph and Telephone Public Corporation уже получены световоды из фторидных стекол длиной от 7 до 30 м с оптическими потерями от 0,7 до 0,9 дБ/км на длине волны 2,5 мкм. Прозрачность этих световодов значительно превосходит прозрачность всех других инфракрасных материалов и все же пока она в семь раз хуже, чем у лучших кварцевых волоконных световодов (не для инфракрасного излучения) и намного превышает собственный предел прозрачности для фторидных световодов.

Приблизиться к этому пределу можно только путем выявления источников несобственных потерь в световодах и управления ими. Детальное изучение поглощения и рассеяния света уже позволило выявить некоторые из таких источников. На длинах волн от 0,5 до 2 мкм затухание частично обусловливается электронным поглощением на примесях меди, хрома, никеля и железа. Загрязнение одной частью железа на миллион частей стекла, например, может вызвать затухание в 15 дБ/км на длинах волн вблизи 2,5 мкм. Ионы гидроксила, попадающие в световод из исходных материалов или в процессе плавления стекла и получения световода, сильно поглощают инфракрасное излучение. Оценки показывают, что присутствие одной миллионной части ионов гидроксила в стекле может привести к затуханию, примерно равному 10000 дБ/км на длине волны 2,9 мкм. Хотя уже достигнуты значительные успехи в области очистки исходных компонентов, используемых при синтезе стекол, устранение несобственного рассеяния на мельчайших кристалликах и пузырьках остается еще нерешенной проблемой для фторидных световодов.

Но даже при существующем уровне прозрачности стёкла на основе фторидов тяжелых металлов располагают широкими возможностями для практического применения. Так, Д. Прусс из фирмы Dragerwerk AG (ФРГ) использовал фторидные световоды в хирургии для регулирования потребления анестезирующих газов пациентами во время операции. В спектрах пропускания эти газы имеют характерную полосу поглощения в инфракрасном диапазоне, которую можно передать по световоду и контролировать. Таким образом можно изменять концентрацию анестезирующего газа, подаваемого больному с каждым вдохом.

В большинстве применений инфракрасные волоконные световоды используются просто для передачи излучения из одной точки в другую. Однако инфракрасные материалы можно также использовать и для создания специальных световодов, способных изменять амплитуду или длину волны проходящего через них излучения. Одним из таких применений является волоконно-оптический лазер. В сердцевину световода для волоконного лазера вводят небольшое количество ионов определенных редкоземельных элементов. Световод располагается между двумя отражающими зеркалами и в него вводится излучение лазера с определенной длиной волны, которое переводит редкоземельные ионы в высокоэнергетичные состояния. При возвращении в состояния с более низкими энергиями возбужденные ионы излучают свет с большими длинами волн, чем исходное стимулирующее излучение лазера. Излучаемый свет усиливается, многократно проходя вперед и назад через световод и отражаясь от зеркал. Одно из зеркал полупрозрачно, чтобы высветить наружу часть излучаемого ионами света. Световод в этом случае ведет себя как компактный твердотельный источник лазерного излучения с длинами волн, значительно отличающимися от исходных. Изменение длины волны выходящего излучения можно регулировать изменением длины волны исходного излучения или подбором добавок различных редкоземельных ионов. Такие приборы, использующие световоды из фторидов тяжелых металлов, могут эффективно применяться для генерации инфракрасного лазерного излучения, что не может быть достигнуто со световодами из кварцевых стекол.

По нашему убеждению, именно световоды на основе фторидов тяжелых металлов наиболее перспективны для достижения оптических потерь, меньших чем в лучших кварцевых световодах. Но перед тем как начать создание линий сверхдальней оптической связи, потребуется еще существенное продвижение в области очистки и изготовления таких световодов. В то же время инфракрасные световоды с оптическими потерями от 10 до 100 дБ/км уже сейчас могут использоваться в приборах медицинской диагностики, в линиях передачи мощного лазерного излучения, в системах дистанционного контроля, а также в качестве основного элемента волоконно-оптических лазеров. Применение световодов в этих областях сулит им блестящее будущее.

СТЕКЛА НА ОСНОВЕ ФТОРИДОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ являются наиболее перспективным материалом для волоконных световодов со сверхнизкими оптическими потерями. Прерывистая кривая (вверху) показывает результаты измерения затухания во фторидном стекле в четырех различных областях длин волн. Минимальное затухание в нем составило 4,3 дБ/км. Теоретически рассчитанный минимальный уровень собственных оптических потерь составляет 0,01 дБ/км (пиния из точек ), Расхождение между теоретическими и экспериментальными данными объясняется несобственным поглощением и рассеянием излучения. Затухание в световоде, изготовленном П. Франсом в Британской лаборатории дистанционной связи, представлено сплошной линией (внизу). На длинах волн в области 1 мкм часть оптических потерь обусловлена электронным поглощением металлическими примесями Два пика на графике объясняются присутствием ионов меди и хрома, концентрация которых вместе со всеми другими примесями металлов составляет около 85 частей на миллиард. Ионы гидроксила (попадающие в стекло в процессе его получения) сильно поглощают излучение в области длин волн около 3 мкм. При концентрации 1 часть на миллион ионы гидроксила ослабляют излучение вблизи 3 мкм с коэффициентом затухания 10000 дБ/км.


Отклики на это сообщение:

Физика в анимациях - Купить диск - Тесты по физике - Графики on-line

Реклама:
Rambler's Top100