Оптоволоконные линии являются ключевым элементом современной технологической инфраструктуры. Благодаря этим тонки́м стеклянным нитям световые сигналы преодолевают значительные расстояния, что необходимо для функционирования проводного интернета, телевидения и защищенной передачи данных. Кроме того, световоды, пропускающие инфракрасное (ИК) излучение, применяются в медицинских лазерах, используемых для проведения деликатных офтальмологических и нейрохирургических операций. Однако, данный вид оптоволокна имеет и ограничение – ощутимые потери энергии, приводящие к ослаблению мощности передаваемого излучения. Решение этой проблемы предложили ученые из Института химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН (ИХВВ РАН), разработавшие оптоволокно для ИК-излучения с минимальными оптическими потерями в мире на длине волны 10,6 мкм. Об этом важном достижении корреспонденту «Научной России» сообщил руководитель проекта, старший научный сотрудник молодежной лаборатории высокочистых халькогенидных стекол ИХВВ РАН, кандидат химических наук Александр Павлович Вельмужов.
В лазерной хирургии оптоволоконные световоды заменяют громоздкие и сложные зеркальные системы, что обеспечивает большую безопасность проведения операции. В этой сфере наибольший спрос наблюдается на световоды, предназначенные для передачи излучения с длиной волны 9,3 и 10,6 мкм, которые также находят широкое применение в промышленности.
Обычное оптоволокно, используемое для передачи света в инфракрасном диапазоне, обладает существенным недостатком: оно характеризуется значительными оптическими потерями.
«Оптические потери в волоконном световоде, или оптическом волокне, отражают его эффективность в передаче светового излучения, — пояснил А.П. Вельмужов. — Низкий показатель свидетельствует о более эффективном прохождении излучения по волокну. Благодаря этому возможно подавать мощный лазерный луч непосредственно в зону воздействия, например, во время операции, с минимальными потерями мощности».
Суть проблемы кроется в образовании микроскопических кристалликов в процессе изготовления оптоволокна, предназначенного для ИК-излучения. Эти кристаллики вызывают рассеяние света, проходящего через стекло, что влечет за собой значительные оптические потери. Так, в стандартном световоде на основе теллурида германия эти потери достигают примерно 10 дБ/м – это в 50 тысяч раз превышает потери в обычном телекоммуникационном волокне. До недавнего времени минимальный уровень оптических потерь при работе с оптоволокном для ИК-излучения не был ниже 3 дБ/м.
«Включение кристаллов в волокно может возникать по ряду причин. Одной из основных является кристаллизация стекла, используемого для производства световода, если оно обладает недостаточной стабильностью. В связи с этим, оптимизация химического состава материала является важным этапом нашей работы, — сказал А.П. Вельмужов. — Второй причиной является наличие нерастворившихся примесей в стекле, представленных в виде частиц. Чтобы уменьшить концентрацию этих примесей, нами были разработаны новые методы синтеза шихты – смеси, которая при плавлении и последующем охлаждении формирует стекло. Третьим фактором являются неблагоприятные условия вытяжки волокна, которые могут привести к кристаллизации даже устойчивого стекла».
Этапы совершенствования оптоволокна, пройденные исследователями, можно разделить на три последовательности. На первом этапе работы основное внимание было уделено улучшению свойств материала. В стекло на основе теллурида германия внесли важную модификацию – добавили йодид серебра. Это повысило устойчивость материала к кристаллизации и позволило немного увеличить диапазон прозрачности волокна.
«Было установлено еще давно А.П. Вельмужов. — Основная задача научного коллектива заключалась в том, чтобы установить оптимальную концентрацию данной добавки. Это потребовало значительных усилий: мы тщательно изучили характеристики свыше 25 различных составов стекла. Результаты этой работы опубликованы в высокорейтинговом журнале Optical Materials».
На втором этапе была поставлена задача максимально уменьшить количество вредных примесей – водорода и кислорода. Для достижения этой цели ученые создали инновационную методику интенсивной очистки компонентов стекла. Примененный подход позволил снизить концентрацию водорода и кислорода в конечном материале до 0,00001%.
«Технология, описанная выше, уже достаточно хорошо изучена, однако ранее она не применялась для производства халькогенидных стекол. Суть метода заключается в следующем: над нелетучим материалом, таким как серебро, пропускают легколетучее соединение (в данном случае йодид германия) при повышенной температуре, что способствует формированию промежуточного соединения с улучшенной летучестью. Это соединение испаряется из исходной емкости в реактор, где поддерживается более низкая температура. В реакторе промежуточное соединение снова превращается в исходный нелетучий материал. Благодаря этому осуществляется перенос вещества из исходной емкости в реактор. Этот способ и получил название «химический транспорт», как пояснил А.П. Вельмужов. — Благодаря этому примеси не перемещаются и остаются в первоначальной ампуле, что приводит к значительному уменьшению их концентрации в конечном продукте. Предложенная методика обладает хорошей масштабируемостью, позволяющей производить образцы стекла, из которых можно получать волокна длиной до нескольких сотен метров».
На третьем этапе происходит переосмысление метода изготовления оптоволокна. Традиционно расплавленное стекло формируют в нить, выталкивая его из тигля с помощью инертного газа, однако этот способ не лишен недостатков. В качестве инновационной замены ученые предложили метод, при котором волокно извлекается из длинного стержня через небольшое отверстие в нижней части специального контейнера. Таким образом, внутрь нити попадает лишь внутренний слой стеклянной заготовки, а все дефекты – пустоты, трещины, частицы кварца, отделившиеся от рабочей ампулы – остаются на стенках сосуда. Внедрение новой технологии позволило улучшить качество оптоволокна и повысить эффективность световода в передаче света.
«Метод «штабика в тигле», примененный в исследовании, не является принципиально новым. Ранее он описывался лишь в одном зарубежном издании, увидевшем свет более трех десятилетий назад. Наша научная группа создала собственную установку для реализации данной методики и адаптировала ее параметры к определенным видам стекла. Благодаря этому удалось получить волоконные световоды с минимальными оптическими потерями, что является рекордным показателем, — отметил А.П. Вельмужов.
Новое оптоволокно установило выдающийся показатель. При прохождении излучения с длиной волны 10,6 мкм – длины волны, используемой в большинстве лазеров в медицине и промышленности – оптические потери в волокне составили всего 0,79 дБ на метр. До этого момента подобный результат не достигался.
На длинах волн от 7,2 до 10,9 мкм оптические потери в используемом материале оставались крайне незначительными, не превышая 1 дБ/м. При этом, благодаря новому волокну, удалось добиться минимальных потерь в 0,56 дБ/м, что в пять раз ниже предыдущего достижения!
Значимость проделанной работы не ограничивается установлением нового рекорда по скорости передачи данных. Ученые подчеркивают, что полученные в ходе исследований результаты позволили им выявить эффективные подходы, которые можно использовать для дальнейшего улучшения характеристик оптических волокон.
Новые оптические волокна открывают возможности не только для создания более производительных и точных медицинских лазеров, но и в других областях. В частности, они могут быть использованы в спектрометрах, устанавливаемых на космические аппараты, предназначенные для исследования других планет.
«Оптические сенсоры, производимые с использованием волоконных световодов, находят широкое применение. Эти приборы позволяют определять химический состав различных веществ, — подчеркнул А.П. Вельмужов. — Их можно применять в самых разных областях — начиная от оценки действенности антибиотиков и заканчивая проверкой качества бензина или моторного масла для автомобилей».
В будущем новое оптоволокно будет тестироваться в составе действующих лазерных систем.
«С целью улучшения характеристик оптического волокна и подготовки его к практическому использованию, научная группа намерена создать новую технологию изготовления основы, из которой впоследствии будет формироваться световод. Данная работа также включена в перечень проектов, финансируемых Российским научным фондом», — добавил А.П. Вельмужов.
Достигнутые итоги не являются окончательными: ученые намерены и дальше проводить опыты, связанные с методами изготовления оптоволокна, стремясь к его дальнейшему улучшению.
«Совершенствование процесса исследования предусматривает увеличение кристаллизационной стабильности стекол. Это достигается путем добавления в их состав нового компонента – галлия, благодаря чему удастся уменьшить оптические потери в волокне», – сообщил А.П. Вельмужов. — Тем не менее, это повлечет за собой необходимость создания инновационных технологий производства стекол. Данные исследования финансируются грантом, предоставленным Российским научным фондом и Правительством Нижегородской области (№ 25–13–20046)».
Источники
Комментарии А.П. Вельмужова
Российский научный фонд. Разработка оптоволоконной нити с минимальными энергетическими потерями открывает возможности для совершенствования медицинских лазерных систем
Фото на превью: А.П. Вельмужов
Источники иллюстраций, используемых в тексте: личный архив А.П. Вельмужова, WangXiNa / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, kjpargeter / фотобанк Freepik, wirestock / фотобанк Freepik.