Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Структура фотонно-кристаллических световодов на базе модифицированных галогенидсеребряных кристаллов и исследование их функциональных свойств Корсаков Александр Сергеевич

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Корсаков Александр Сергеевич. Структура фотонно-кристаллических световодов на базе модифицированных галогенидсеребряных кристаллов и исследование их функциональных свойств: диссертация ... доктора Технических наук: 01.04.05 / Корсаков Александр Сергеевич;[Место защиты: АО «Государственный оптический институт имени С.И.Вавилова»], 2018.- 446 с.

Содержание к диссертации

Введение

1. Общие сведения об инфракрасных кристаллах и фотонных световодах 20

1.1. Обоснование выбора оптических материалов для волоконной оптики среднего инфракрасного диапазона 21

1.2. Кристаллы твёрдых растворов галогенидов металлов (Tl, Ag) 25

1.2.1. Химическая связь в кристаллах галогенидов одновалентного таллия 25

1.2.2. Диаграммы состояния систем TlCl–TlBr и TlBr–TlI 28

1.2.3. Твёрдые растворы галогенидов одновалентного таллия и их физико-химические свойства 31

1.2.4. Кристаллы галогенидов серебра и твердые растворы на их основе 34

1.2.5. Диаграммы состояния и физико-химические свойства систем AgCl – AgBr, AgCl – AgI, AgBr – AgI 37

1.3. Выращивание кристаллов методом Бриджмена-Стокбаргера 39

1.4. Моделирование структуры инфракрасных световодов 46

1.4.1. Вывод фундаментальных характеристик световода [84, 85] 46

1.4.2. Моделирование оптических волокон 49

1.4.3.Структура фотонного кристалла 52

1.4.3.1.Теория фотонных запрещенных зон для одномерного фотонного кристалла 53

1.4.3.2. Двухмерный фотонный кристалл 65

1.4.3.3.Трехмерный фотонный кристалл 71

1.5. Заключение по главе 1 72

2. Методы исследования функциональных свойств кристаллов и ИК-световодов. аппаратурное оформление 74

2.1. Определение примесей, химического состава и структуры кристаллов 74

2.1.1. Рентгенофлуоресцентный метод 74

2.1.2. Атомно-эмиссионная спектроскопия 75

2.1.3. Дифференциально - термический анализ диаграммы фазового состояния систем 76

2.1.4. Рентгеноструктурный анализ твёрдых растворов галогенидов серебра и таллия (I) 78

2.1.5. Сканирующая электронная микроскопия 79

2.1.6. Оптическая микроскопия 79

2.2. Физические свойства кристаллов и световодов 80

2.2.1. Определение спектрального диапазона пропускания ИК-кристаллов 80

2.2.2. Определение дисперсии показателя преломления 81

2.2.2.1. Подготовка образцов 81

2.2.2.2. Схема Майкельсона для He-Ne лазера 83

2.2.2.3. Спектроскопическое определение действительной части показателя преломления 91

2.2.2.4. Определение мнимой части показателя преломления 95

2.2.2.5. UV-NIR спектроскопическое определение показателя преломления на краю поглощения 2.2.3. Определение фотостойкости 98

2.2.4. Определение пропускания ИК световодов 99

2.2.5. Метод отрезков при определении оптических потерь в ИК световодах 102

2.2.6. Исследование пространственного распределения мод, вытекающих из ИК-световодов 103

2.2.7. Определение спектров люминесценции волоконных сцинтилляторов 105

2.2.8. Исследование механических свойств кристаллов и ИК-световодов 106

2.2.9. Исследование радиационной стойкости ИК световодов 107

2.3. Заключение и выводы по главе 2 110

3. Кристаллы твёрдых растворов галогенидов металлов (Ag, Tl) 112

3.1. Исследование фазовых диаграмм новых систем AgBr – TlI и AgBr – (TlBr0,46I0,54) 113

3.2. Гидрохимический синтез шихты для выращивания кристаллов 119

3.2.1. Обоснование процесса растворимости галогенидов серебра в воде 121

3.2.2. Исследование растворимости галогенидов таллия (I) и серебра в водных растворах галогенводородных кислот 128

3.3. Выращивание кристаллов 132

3.3.1. Рост кристаллов на установке ПКБ-01 132

3.3.2. Химико-механическая обработка кристаллов 138

3.4. Физико-химические свойства ИК-кристаллов 140

3.4.1. Спектральное пропускание 140

3.4.2. Дисперсия показателя преломления 150

3.4.2.1. Результаты измерения показателя преломления на = 632,8 нм 150

3.4.2.2. Результаты измерения показателя преломления на длине волны 10.6 мкм 152

3.4.2.3. Модели расчета показателя преломления на краю поглощения 153

3.4.2.4. Дисперсия показателя преломления кристаллов систем AgCl1-xBrx (0 x 1) и Ag1-xTlxBr1-xIx (0 x 0,05) 157

3.4.2.5. Дисперсия мнимой части показателя преломления. Показатель поглощения. Отражение Френеля 160

3.4.2.6. Дисперсия показателя преломления кристаллов системы AgBr – (TlBr0.46I0.54) 165

3.4.3. Определение фотостойкости кристаллов 169

3.4.4. Исследование зависимости влияния состава кристаллов на коэффициент Пуассона, модуль Юнга и модуль сдвига 181

3.5. Заключение и выводы по главе 3 181

4. Моделирование фотонной структуры и модового состава ИК волоконных световодов 184

4.1. Методика Source-Model Technique для анализа жестко связанных мод в фотонно кристаллическом волокне 184

4.1.1. Геометрия диэлектрического волокна 188

4.1.2. Задачи метода Source – Model Technique 189

4.1.3. Фотонно-кристаллические ИК-световоды (PCF) с полой сердцевиной 192

4.1.4. Выбор меры точности 201

4.2. Моделирование ИК-световодов на основе кристаллов систем AgCl – AgBr, AgBr – TlI 201

4.2.1. Выбор профиля волокна 202

4.2.2. Результаты моделирования модового состава и критерии отбора 209

4.2.3. Моделирование фотонной структуры световодов с увеличенным диаметром поля моды на основе кристаллов систем AgBr – TlI, AgBr – AgCl 219

4.2.4. Корректировка радиуса поля фундаментальной моды 222

4.2.5. V-параметр 225

4.3. Заключения и выводы по главе 4 229

5. Получение фотонно – кристаллических ИК – световодов методом экструзии 233

5.1. Описание схемы экструзии 233

5.1.1. Экструзия световодов методикой «stack-and-draw» 234

5.1.2. Экструзия преформы-«поленницы» комбинированием методик «stack-and-draw» и «rod-inube» 237

5.2. Экструзия волокна 239

5.2.1. Этап 1 – экструзия заготовки для материала матрицы 239

5.2.2. Этап 2 – экструзия заготовки для материала вставок 241

5.2.3. Этап 3 – подготовка трубки для сложной преформы 242

3.2.1. Этап 4 – перетягивание простой преформы методом rod-inube 243

5.2.1. Этап 5 – перетягивание составной преформы методом «rod-inube» со «штабиком-поленницей» 244

5.2.2. Этап 6 – получение микроструктурированного волокна 245

5.3. Поддержание продольной однородности микростуктуры 246

5.3.1. Контроль диаметра элементов микроструктуры 247

5.3.2. Нивелирование конусности экструзии и доработка алгоритма 250

Заключение и выводы по главе 5 256

6. Исследование функциональных свойств новых фотонно кристаллических световодов для среднего ИК диапазона спектра 257

6.1. Спектральный диапазон прозрачности ИК световодов 257

6.2. Оптические потери, плотность мощности передаваемого ИК излучения, влияние радиуса изгиба на оптические потери 264

6.3. Исследование пространственного распределения мод, вытекающих из ИК – световодов в дальнем поле 268

6.3.1. Одномодовые фотонно-кристаллические ИК световоды 269

6.3.2. Профилирование торцов и боковой поверхности ИК световодов 274

6.4. Исследование люминесцентных свойств волоконных сцинтилляторов 280

6.5. Исследование радиационной стойкости ИК световодов 283

6.6. Исследование механических свойств ИК световодов 290

Заключение и выводы по главе 6 294

7. Области применения кристаллов и ИК световодов 297

7.1. Зондовая ИК-Фурье спектрометрия 298

7.1.1. Анализ ванн электролитов золочения 304

7.1.2. Спектрометрический метод в криминалистике с применением волоконного зонда 306

7.1.3. Анализ водных растворов метанола 310

3 7.2. Изготовление оптических изделий 314

7.3. Регистрация ионизирующих излучений 316

7.4. Лазерная медицина 319

7.5. Низкотемпературная ИК пирометрия 323

7.5.1. Передача теплового изображения через оптическую волоконную сборку 323

7.5.2. Контроль термического состояния лопаток газотурбинных установок 326

7.6. Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия для биологических исследований 328

Заключение и выводы по главе 7 331

Заключение 334

Список литературы 339

Приложение 1 Кристаллы, выращенные на установке ПКБ - 01 .363

Приложение 2 Результаты моделирования модового состава ИК световодов .367

Приложение 3 Технологические схемы получения и очистки сырья для производства кристаллов галогенидов металлов .394

Приложение 4 Акты внедрения результатов докторской диссертационной работы .395

Приложение 5 Договора о выполнении научно-исследовательских работ .400

Приложение 6 Паспорта продукции ИВЦ «ЦИВТ» ХТИ УрФУ 423

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В настоящее время достаточно хорошо изучены
и освоены ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный (ИК) диапазоны спектра,
где применяются кварцевые световоды, прозрачные от 0,2 до 2,0 мкм. Для развития
инфракрасной волоконной и лазерной оптики актуален поиск материалов, прозрачных в
среднем (от 2 до 50 мкм) и дальнем (до 100 мкм) ИК диапазонах. Освоение указанных
диапазонов оптических частот открывает качественно новые возможности в скорости,
надёжности, защищённости и направленности передачи информации. Создание
функциональных элементов для генерации, передачи, регистрации и управления такими
излучениями является крайне актуальной на сегодняшний день задачей. Развивающиеся
отрасли фотоники требуют расширения исследований в области влияния структуры и
компонентного состава на функциональные свойства ИК – световодов. Особую роль
приобретает изучение и синтез многофункциональных материалов, способных

соответствовать мировым тенденциям в миниатюаризации и универсальности волоконных приборов и устройств.

Существует проблема в области аналитики, лазерной медицины, конфокальной лазерной сканирующей микроскопии по разработке быстро реагирующих детекторов и каналов доставки аналитических сигналов от исследуемой области на детектор [1-5]. Наиболее быстрым сигналом доставки является свет (электромагнитная волна), а поиск и создание материалов для его передачи в диапазоне от 2 до 25 мкм также является актуальной задачей современности.

Поликристаллические световоды на основе кристаллов систем AgCl – AgBr и TlBr – TlI (КРС-5), по сравнению с халькогенидными и флюоридными волокнами, прозрачны в более широком спектральном диапазоне и имеют низкие оптические потери на длине волны 10,6 мкм. Диаграммы плавкости этих систем образуют непрерывный ряд твёрдых растворов с минимальной температурой плавления 412 С, а кристаллы негигроскопичны, пластичны, прозрачны в спектральном диапазоне от 0,4 до 40,0 мкм, не обладают эффектом спайности, поэтому из них методом экструзии получают ИК световоды. Оптические волокна на основе кристаллов КРС – 5 радиационно-стойкие, но быстро разрушаются вследствие рекристаллизации, а галогенидсеребряные световоды не подвергаются эффекту рекристаллизации, но светочувствительны. Поэтому представляло интерес исследовать диаграммы плавкости на основе галогенидов серебра и одновалентного таллия, а также выявить возможность выращивания радиационно-стойких кристаллов и получения устойчивых световодов на их основе для среднего и дальнего ИК диапазонов спектра [6]. Анализ источников научной и патентной информации показал, что отсутствовали сведения по диаграммам плавкости на основе бромида серебра и моноиодида таллия, а также твёрдого раствора TlBr0.46I0.54.

Данные направления реализуются в Уральском федеральном университете на базе Центра инфракрасных волоконных технологий, которые обеспечивают непрерывную последовательность фундаментальных и прикладных исследований в области поиска и создания новой элементной базы фотоники для оптического и лазерного приборостроения – кристаллов, ИК световодов, линз, окон, плёнок и другой оптики.

Одной из основных задач по разработке фотонно-кристаллической структуры световодов является моделирование и анализ модового состава световодов с тем, чтобы выявить оптимальные параметры оптических волокон различного функционального назначения. Развитие волоконно-оптических систем техники нового поколения выдвигает требование по созданию одномодовых световодов ИК оптического диапазона с аномально большим диаметром поля моды (до 100 мкм), повышенной числовой апертурой, а также фото-и радиационной стойкостью. Исследования ведущих мировых научных центров, в том числе и наши [6-8], показали, что на основе системы AgCl – AgBr возможно создание таких фотонно-кристаллических световодов. В то же время разработка радиационно-стойких композиций на основе галогенидов серебра и одновалентного таллия может обеспечить расширение спектрального диапазона работы световодов.

Таким образом, теоретическое и экспериментальное исследование природы ИК излучения и явлений при его распространении и взаимодействии с кристаллами твёрдых растворов галогенидов серебра и таллия (I), а также световодами на их основе, разработка микроструктурированных световодов для передачи информации, энергии, диагностики природных и техногенных процессов, фундаментальные оптические исследования в области интерференции, ИК спектроскопии, дисперсии показателя преломления, люминесценции фотонно-кристаллических световодов и кристаллов, создание новых принципов построения волоконно-оптических систем и инструментов для среднего ИК – диапазона спектра, является актуальной задачей, соответствующей паспорту специальности 01.04.05 – Оптика.

Степень разработанности темы исследования. В инновационном внедренческом центре «Инфракрасных волоконных технологий» («ЦИВТ») при Химико–технологическом институте Уральского федерального университета им. Б.Н. Ельцина (УрФУ) разработан новый класс кристаллов систем AgBr – TlI, AgBr – TlBr0.46I0.54 и исследуются созданные ранее системы AgCl – AgBr, AgBr – AgI [6] и световоды на их основе, представленные в данной работе.

Работа выполнялась согласно: программе развития ФГАОУ ВО УрФУ на 2010 – 2020
годы п.п. 2.2.3 – создание и развитие ИВЦ; Единому государственному заказу по темам:
«Физико-химические исследования получения новых монокристаллов AgBr – TlI, AgBr –
(TlBrxI1-x) для спектрального диапазона от 0,4 до 45,0 мкм и экструзии

микроструктурированных и нанокристаллических инфракрасных световодов, обладающих
сцинтилляционными свойствами» (№ гос. регистрации Н.687.42Б.003/12); «Создание и
изучение свойств новых органических и неорганических материалов на основе
монокристаллических, гетероциклических и макроциклических соединений» (№ гос.
регистрации Н687.42Б.037/14); «Создание и изучение свойств новых органических и
неорганических материалов на основе монокристаллических, гетероциклических и
макроциклических соединений» (№ гос. регистрации № Н687.42Б.005/17); стипендии

Президента РФ молодым ученым и аспирантам СП-450.2012.3 «Фотонно-кристаллические ИК-световоды и волоконные сцинтилляторы для спектрального диапазона 2-40 мкм»; гранту Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых кандидатов наук МК-5440.2015 «Научные основы получения новых нанодефектных инфракрасных кристаллов: изучение диаграммы плавкости, синтез кристаллов, свойства и применение».

Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы – разработка научных основ технологии фотонно-кристаллических световодов на базе твёрдых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия, а также научное обоснование процесса синтеза кристаллов, исследование функциональных свойств кристаллов, световодов и создание на их основе волоконно-оптических устройств для среднего ИК – диапазона спектра.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Для изготовления фотонной структуры ИК световодов разработать экологически
чистые и безотходные технологии синтеза ИК кристаллов на основе твёрдых растворов галоге-
нидов серебра и таллия (I) с чистотой по неорганическим примесям не менее 99,9999 мас. %.

2. Разработать комплекс аналитических методик и оборудования для: изучения
диаграмм плавкости новых систем с определением областей существования устойчивых
твёрдых растворов замещения при температуре 298 К; определения их состава и дисперсии
показателей преломления; установления спектрального диапазона прозрачности кристаллов и
световодов; определения фото- и радиационной их стойкости.

  1. Представить математическое описание для моделирования и формования фотонно-кристаллических световодных структур на базе твёрдых растворов систем AgCl – AgBr, AgBr – TlI и обосновать механизм пространственного распространения ИК излучения на длине волны 10,6 мкм в световодах суперпозицией двух механизмов: полного внутреннего отражения (ПВО) и фотонных запрещённых зон (ФЗЗ). Доказать применимость моделирования модового состава по программе SMT (Source-Model Technique - методика моделирования источников света) для любых фотонно-кристаллических световодов (PCF) на основе твёрдых растворов систем AgCl – AgBr, AgBr – TlI, AgBr – (TlBr0,46I0,54), AgBr – AgI, AgCl – AgBr – AgI.

  2. Разработать многостадийный алгоритм процесса экструзии для световодов систем AgCl – AgBr, AgBr – TlI и, согласно моделированию структуры, изготовить MSF (микроструктурированные световоды), работающие по механизмам ФЗЗ и ПВО.

  3. Экспериментально подтвердить одномодовый режим работы PCF с диаметром поля моды до 100 мкм. Исследовать функциональные свойства световодов на основе твёрдых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия.

6. Разработать волоконно-оптические устройства и методики их работы в
спектральном диапазоне от 2 до 25 мкм для широкого применения.

Научная новизна

В диссертационной работе впервые решены следующие задачи:

1. Разработаны теоретические и экспериментальные основы создания элементной
базы фотоники для среднего ИК диапазона спектра на основании новых кристаллов твёрдых
растворов систем AgBr – TlI, AgBr – (TlBr0,46I0,54) и известных систем AgBr – AgI, AgCl – AgBr,
прозрачных от 0,4 до 30,0 – 60,6 мкм в зависимости от состава, а также гибкие волоконные
световоды на их основе. Изучены и построены в диапазоне температур от 298 до 773 К при
давлении 1 атм фазовые диаграммы систем AgBr – TlI, AgBr – (TlBr0,46I0,54). Определены
области существования твёрдых растворов замещения.

2. Экспериментально исследовано воздействие на кристаллы и ИК световоды
ионизирующего, ультрафиолетового, ИК излучений и выявлена стойкость к радиации до 500
кГр световодов, содержащих галогениды таллия. При УФ облучении кристаллов новых систем

AgBr – TlI, AgBr – (TlBr0,46I0,54), обнаружен просветляющий эффект в спектральном диапазоне

от 5 до 15 мкм. При излучении СО2 лазера в непрерывном режиме оптические потери в световодах системы AgCl – AgBr составляют от 0,1 до 0,4 дБ/м, плотность мощности 61 кВт/см2.

3. Для разработанных и исследуемых кристаллов исследована дисперсия показателя
преломления (n) c использованием трёх методов: Майкельсона, спектроскопического и метода
определения (n) по коротковолновому краю поглощения кристаллов. Определена дисперсия
мнимой части показателя преломления и коэффициент отражения.

4. Смоделированы волоконно-оптические структуры для работы на длине волны
10,6 мкм на основе галогенидсеребряных и модифицированных кристаллов с увеличенным

диаметром поля моды до 100 мкм и доказан одномодовый режим работы за счет двух механизмов ФЗЗ и ПВО. Смоделированы двухслойные одномодовые световоды, работающие по принципу ПВО, у которых диаметр поля моды в 4 раза меньше (24 мкм). Теоретически доказано преимущество структур PCF, работающих по двум механизмам: ФЗЗ и ПВО.

5. Изготовлена новая структура фотонного световода с диаметром поля моды 100 мкм
(при = 10.6 мкм) на основе кристаллов системы AgCl – AgBr, которая включает
центральную вставку диаметром 12 мкм и шесть периферических вставок диаметром 12 мкм,
расположенных вокруг неё в гексагональном порядке с расстоянием между центрами в 59 мкм.
Составы элементов PCF: в матрице AgBr0,82Cl0,18 (n = 2.130); во вставках периферии
AgBr0,75Cl0,25 (n = 2.123); в центральной вставке AgBr0,84Cl0,16 (n = 2.134). Получен патент РФ.

6. Для повышения фото- и радиационной стойкости одномодовых световодов
разработаны и изготовлены две новые структуры на основе систем AgCl – AgBr и AgBr – TlI
с увеличенным до 100 мкм диаметром поля моды на длине волны 10,6 мкм за счет влияния
механизмов ФЗЗ и ПВО. Первая из них характеризуется диаметром сердцевины и вставок 11
мкм, межвставочным расстоянием 55 мкм и составом периферических вставок: AgBr0.95Cl0.05
(n = 2,153), матрицы AgBr0.98Cl0.02 (n = 2,161), центральной вставки 0,5 мол.% TlI в AgBr

(n = 2,167). Вторая структура имеет диаметры сердцевины и вставок – 13 мкм, межвставочное расстояние 54 мкм, состав периферических вставок: AgBr0.87Cl0.13(n = 2,138), матрицы AgBr0.98Cl0.02 (n = 2,161), центральной вставки 0,9 мол.% TlI в AgBr (n = 2,172).

7. Предложена новая схема и методика измерения спектров пропускания ИК
световодов

(2 – 25 мкм) с использованием тестовых волокон составов AgCl0,5Br0,5, AgCl0.25Br0.75 и Ag0,95Br0,95Tl0,05I0,05. Разработан стенд для исследования модового режима работы фотонно-кристаллических световодов в дальнем поле. Экспериментально подтверждён одномодовый режим работы смоделированных и изготовленных световодов с площадью поля моды более 7800 мкм2.

Теоретическая и практическая значимость работы

  1. Предложен научный подход для поиска и получения новых радиационно-стойких кристаллов для фотоники и ИК волоконной оптики (2-50 мкм) на основе твёрдых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия, из которых изготавливают методом экструзии волоконные световоды различной структуры. Патенты РФ № 2411280, № 2361239, 2340920, 2340921, 2413253, 2413257, 2504806, 2506615, 2495459.

  2. Теоретически и экспериментально обнаружен диапазон существования фотонных структур световодов, работающих в одномодовом режиме, согласно диаграмме, построенной в координатах / i от di / i, где – длина волны 10,6 мкм, di – диаметр вставок,

i – межцентровое расстояние.

3. Доказано и обосновано экспериментальным путём использование стадии
моделирования при изготовлении фотонной структуры ИК световодов. Процесс
моделирования позволяет значительно сократить и удешевить производственный цикл ИК
световодов.

4. Разработаны конструкции и изготовлены экспериментальные установки для
гидрохимического синтеза высокочистого сырья методом ТЗКС и для выращивания
кристаллов из расплава – печь конструкции Бриджмена (ПКБ-01) с активацией расплава
аксиальными низкочастотными вибрациями.

5. Разработан семистадийный алгоритм и режимы процесса экструзии при получении
фотонно-кристаллических волокон. Изготовлены детали оснастки для проведения каждого
этапа экструзии.

6. Разработана экспресс методика определения химического состава кристаллов для твёрдых растворов разработанных систем, основанная на измерении значения коротковолнового края поглощения кристаллов.

7. Разработаны волоконно-оптические спектральные устройства на основе ИК кристаллов и световодов для спектроскопии, лазерной техники, низкотемпературной термометрии и других применений. Патенты РФ № 161219, 2634492.

Методология и методы исследования. Решение поставленных в диссертации задач по
созданию современных волоконных ИК материалов потребовало разработки необходимой
методической базы. Для кристаллов твёрдых растворов систем AgBr – TlI, AgBr – (TlBr0,46I0,54),
AgBr – AgI, AgCl – AgBr разработано три методики по определению показателя преломления
в зависимости от длины волны с использованием методов: Майкельсона;

спектроскопического; определение показателя преломления по коротковолновому краю поглощения. Разработан метод измерения спектров пропускания волокон на ИК Фурье спектрометре. Разработаны методики для определения фотостойкости и измерения механических свойств кристаллов и ИК – световодов, методики по определению радиационной стойкости ИК – световодов и по определению оптических потерь в световодах методом отрезков. Термодинамическое исследование диаграмм плавкости новых многокомпонентных систем AgBr – TlI, AgBr – (TlBr0,46I0,54) и других проводили с помощью, разработанного автором с коллегами, блока ДТА для новой ростовой установки ПКБ-01. Предлагаемый в диссертации подход к моделированию и разработке фотонно-кристаллических волокон с использованием двух механизмов поддержания единственной моды – ФЗЗ и ПВО позволит получать новые структуры световодов с улучшенными свойствами. В работе эффективно использованы существующие стандартные методы исследования по определению примесей и состава кристаллов, а также структуры фотонно-кристаллических световодов: рентгенофлуоресцентный и рентгенофазовый анализы, атомно-эмиссионная спектроскопия, оптическая и сканирующая электронная микроскопия.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанная с помощью компьютерного моделирования структура световодов для среднего ИК диапазона спектра на базе галогенидсеребряных и модифицированных кристаллов, с одним кольцом периферических вставок, расположенных в гексагональном порядке, с низким показателем преломления и центральной вставкой с большим показателем преломления, чем у

материала матрицы световода, позволяет увеличить до 100 мкм диаметр поля моды для работы на длине волны 10,6 мкм.

2. Представленные научные основы безотходных технологий гидрохимического синтеза
кристаллов и выращивания кристаллов методом Бриджмена, в том числе с аксиальной
вибрацией расплава, выведенные на основании исследованных диаграмм плавкости систем

AgBr – TlI, AgBr – (TlBr0,46I0,54) с установленными областями существования устойчивых при комнатной температуре твёрдых растворов замещения, дают возможность контролируемо получать высокочистые ИК кристаллы для волоконной оптики.

3. Разработанные методики в рамках метода Майкельсона, спектроскопического метода
и метода определения (n) по коротковолновому краю поглощения кристаллов позволяют
определить дисперсию показателя преломления кристаллов систем AgBr – TlI,

AgBr – (TlBr0,46I0,54), AgBr – AgI и AgCl – AgBr в спектральном диапазоне от 0,4 до 14,0 мкм с минимальной погрешностью измерения 0,004. Разработанная методика получения спектров пропускания ИК световодов, с использованием тестовых волокон составов AgCl0,5Br0,5, AgCl0.25Br0.75 и Ag0,95Br0,95Tl0,05I0,05, позволяет определить интенсивность пропускания световодов в процентах, в зависимости от длины волны излучения в диапазоне длин волн от

2 до 25 мкм.

4. Введение TlI, TlBr0.46I0.54 и AgI в AgBr увеличивает диапазон спектрального
пропускания исследуемых кристаллов, который составляет от 0,46 0,56 до 40,0 60,6 мкм, в
зависимости от состава. Введение TlI и TlBr0.46I0.54 в AgBr позволяет, по сравнению с системой
AgCl – AgBr, повысить фото- и радиационную стойкость, расширить диапазон пропускания в
длинноволновую область, повысить показатель преломления. Установлен просветляющий
эффект при наборе доз 70 и 500 кГр для систем AgBr – TlI в диапазоне длин волн 4 – 11 мкм. В
системах AgBr – TlI и AgBr – TlBr0.46I0.54 впервые обнаружен просветляющий эффект при
воздействи УФ излучения (= 290 – 390 нм).

5. Проведённый анализ математической модели поведения ИК излучения в
разработанных фотонно-кристаллических структурах ИК световодов показывает влияние
суперпозиции двух механизмов – полного внутреннего отражения и фотонных запрещённых зон
– на формирование одномодового излучения с увеличенным до 100 мкм диаметром поля моды
(= 10,6 мкм).

6. Разработанный семистадийный алгоритм режима экструзии PCF с одним кольцом
периферических вставок, расположенных в гексагональном порядке и центральной вставкой,
позволяет получить фотонно-кристаллические световоды на основе галогенидсеребряных и
модифицированных кристаллов с увеличенным до 100 мкм диаметром поля моды (= 10,6 мкм).

7. Созданные в результате выполнения работы новые волоконные материалы элементной
базы фотоники среднего ИК диапазона спектра на основе галогенидсеребряных кристаллов, в
том числе модифицированных галогенидами таллия (I), позволяют конструировать и
изготавливать волоконно-оптические приборы для ИК спектроскопии, лазерной медицины,
тепловидения, лазерной конфокальной сканирующей микроскопии, сцинтилляционной техники.

Личный вклад автора. Общая постановка задач исследований, выбор путей их решения, проведение экспериментов, интерпретация и обобщение результатов, формулировка защищаемых положений и выводов диссертации принадлежат лично автору. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат результаты, сформулированные в защищаемых положениях и выводах. Исследования новых фазовых диаграмм систем

AgBr – TlI и AgBr – (TlBr0.46I0.54) выполнены в соавторстве с Корсаковым В.С., Салимгареевым Д.Д. и Львовым А.Е. Исследование фрагмента диаграммы AgBr – TlI до 7 мол.% TlI и моделирование фотонных структур ИК световодов, работающих только по механизму ФЗЗ выполнялось в соавторстве с Чазовым А.И. Передача телевизионных изображений через оптическое волокно изучалось совместно со Шмыгалевым А.С. СЕМ изображения кристаллов получены Ищенко А.И.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность и обоснованность
полученных результатов обеспечивается использованием широкого набора

экспериментальных и расчётных методик, согласованностью основных результатов и выводов с данными других авторов, а также независимыми экспертными оценками рецензентов научных журналов, в которых опубликованы статьи, содержащие результаты диссертации. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, и сформулированные в защищаемых положениях, докладывались и обсуждались в рамках выступлений с устными и стендовыми докладами на международных конференциях и форумах: Laser Optics 2016 г. (г. С-Петербург), OASIS-5 2015г. (Тель-Авив, Израиль), Прикладная оптика 2012, 2014, 2016 (г. С-Петербург), Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии, геоэкологии и транспорте 2012, 2014, 2016, 2017 (г. Новороссийск), Бутлеровское наследие – 2015 (г. Казань), Лазеры, измерения, информация – 2012 (г. С-Петербург), конференция-школа Материалы нано-, микро- оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение 2017 (г. Саранск); всероссийских конференциях и форумах: Всероссийская конференция по волоконной оптике 2009, 2011, 2013, 2015, 2017 (г. Пермь), Высокочистые вещества и материалы 2011, 2015 (г. Н. Новгород), конференция Нанотехнологического общества России 2012, 2014 (г. Москва); международных выставках: образцы кристаллов, ИК-световодов и волоконных кабелей демонстрировались на 36-м Международном салоне изобретений, новой техники и технологий 2008 (г. Женева, Швейцария) – получены золотая медаль и диплом; на 37-м Международном салоне 2009 (г. Женева, Швейцария) – получены серебряная медаль и диплом; на Российских и Международных Форумах по Нанотехнологиям 2008, 2009, 2010 (г. Москва); Аналитика Экспо 2014, 2015 (г. Москва), Фотоника 2016 (г. Москва), Станкостроение. Обработка металлов. Робототехника – 2015, 2016, 2017 (г. Екатеринбург), ИННОПРОМ 2011, 2012, 2013, 2014, 2015 (г. Екатеринбург).

Публикация результатов работы. Основное содержание отражено в 20 статьях в ведущих рецензируемых иностранных и российских журналах определённых ВАК, 12 патентах РФ, 59 докладах на конференциях, 1 монографии, а также других изданиях – 10.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов и приложения, содержит 446 страниц машинописного текста, включая 36 таблиц и 209 рисунков, библиографический список включает 275 наименований цитируемой литературы.

Выращивание кристаллов методом Бриджмена-Стокбаргера

Данным методом выращивают крупные кристаллы различной формы из расплава щелочно-галоидных и полупроводниковых веществ. Установка представляет собой печь с двумя температурными зонами: верхней с температурой выше на 5 – 20 С температуры плавления вещества и нижней с температурой ниже температуры кристаллизации. Шихту засыпают в тигель с коническим дном и полностью расплавляют в верхней зоне печи. Кристаллизация осуществляется при медленном опускании тигля с расплавом через поле температурного градиента, образующегося между верхней и нижней зонами печи. В носике ампулы начинается процесс роста кристалла нужной ориентации за счет геометрического отбора. Благодаря инженерному решению возможно достаточно точно управлять скоростью кристаллизации.

Метод Бриджмена-Стокбаргера реализует направленную кристаллизацию из расплава при постоянном градиенте температур [78]. Расплав, обычно находящийся в ампуле, плавно переходит из зоны с температурой выше температуры плавления вещества в зону с пониженной температурой. Таким образом, происходит кристаллизация всего объема расплава. Кристаллизация происходит в печи, состоящей из двух расположенных одна над другой камер, разделенных кольцевой диафрагмой (Рисунок 1.9).

Разделенный нагрев обеих камер позволяет поддерживать в верхней камере температуру выше, а в нижней – ниже температуры плавления кристаллизуемого вещества. Фронт кристаллизации располагается на уровне диафрагмы. При подъеме печи ампула с веществом перемещается из «горячей» камеры в «холодную». Кристаллизация может происходить спонтанно или на предварительно установленной затравке. Ампула внизу имеет конический носик, и выращивание начинают с начала конической части ампулы, в которой возникает несколько центров кристаллизации. В результате конкурирующего роста кристаллов благодаря геометрическому отбору остается один зародыш, который в дальнейшем занимает весь объем ампулы, образуя монокристалл (Рисунок 1.10).

Особенности метода Бриджмена-Стокбаргера заключаются в том, что выращенный монокристалл, находящийся в нижней зоне (Рисунок 1.11), плавно отжигается. Это позволяет избежать термоудара и напряжений, возникающих при резком понижении температуры. Метод прост с точки зрения технической реализации. Диаметр выращиваемого кристалла легко подбирается с помощью выбора соответствующей ампулы. К недостаткам метода можно отнести загрязнение кристалла материалом ампулы.

Методом Бриджмена-Стокбаргера выращивают большое разнообразие кристаллов. Он применяется для получения металлических, органических, а также ряда диэлектрических монокристаллов: оксидов, фторидов, сульфидов, галогенидов и др., например, AgCl, AgBr, Al2O3, LiF, LaCl3, LiI, SiAs.

Данный метод наилучшим образом подходит для выращивания монокристаллов галогенидов серебра и таллия, а также твердых растворов на их основе. Эти вещества имеют невысокую температуру плавления, в ампуле возможно поддерживать необходимую атмосферу. Благодаря геометрическому отбору получают монокристаллические образцы, качество которых соответствует требованиям для изготовления из них оптических изделий и ИК-световодов.

Выращивание кристаллов является многоступенчатым, трудоёмким и длительным во времени процессом (Рисунок 1.12) и представляет собой сложную научно-техническую задачу, не только из-за необходимости использования особо чистых веществ, но и благодаря чрезвычайной чувствительности кристаллов к малейшим изменениям условий роста: процессу зарождения кристаллов; распределению температур вблизи фронта кристаллизации; изменению концентрации; распределению компонентов в кристалле и т.д.

Промышленная установка ОКБ 8120 (Рисунок 1.9), предназначена для выращивания кристаллов диаметром до 200 мм на ориентированных затравках со скоростью 0,7 мм в час. При выращивании кристаллов без затравок за счёт геометрического отбора, т. е. диаметром менее 30 мм, используют держатели, в которых размещено несколько ампул, что приводит к изменению профиля температурного градиента в каждой ампуле. Это в свою очередь негативно сказывается на структуре кристаллов, во вторых, установка потребляет большое количество энергии. Для изготовления ИК–световодов методом экструзии необходимы кристаллы диаметром не более 20 мм, что обусловлено потребностью в световодах определённых размеров и изготовленной для этих целей оснастки для экструзии. Поэтому перед нами встала задача по изготовлению малоэнергоёмкой и производительной экспериментальной установи, позволяющей выращивать кристаллы с более высокой скоростью роста, чем на установке ОКБ 8120.

Спектральное пропускание

Основной характеристикой новых кристаллов систем AgBr – TlI, AgBr – (TlBr0.46I0.54), AgBr – AgI, а также систем AgCl – AgBr является их диапазон пропускания. В результате исследований было установлено, что диапазон пропускания сдвигается в область до 45 – 60 мкм для длинноволнового края поглощения и до 0,46 – 0,56 мкм для ближневолнового края поглощения в зависимости от состава кристаллов, т. е. от содержания в кристаллах тяжелого по молекулярной массе и радиационно-стойкого TlI либо TlBr0.46I0.54. Исследования проводились на поликристаллических и на монокристаллических пластинках толщиной 0,35 – 3,0 мм с использованием УФ-спектрофотометра Shimadzu UV-1800 (диапазон работы от 190 до 1100 нм), ИК-Фурье-спектрометра VERTEX 80 (Bruker) с расширенным ИК-диапазоном 680 – 165 см – 1 (от 14,7 до 60,6 мкм) и ИК-Фурье-спектрометра IRPrestige-21 (Shimadzu), работающего в спектральном диапазоне 7800 – 240 см –1 (1,28 – 41,7 мкм).

По представленным на рисунке 3.16 спектрам пропускания для поликристаллических пластинок видно, что диапазон пропускания для новых кристаллов существенно расширяется (0,4 – 40,0 мкм) по сравнению с кристаллами системы AgCl – AgBr, что позволяет охватить ранее неиспользуемые области спектра характеристических излучений для многих химических соединений в случае использования разработанных материалов в ИК-спектроскопии. Помимо этого, наличие иодида одновалентного таллия в решетке галогенидов серебра создает дефектность кристаллов, которая замедляет процесс диффузии на границе сердцевина – оболочка в двухслойных световодах, изготовленных из кристаллов, и позволяет сохранять этот переход четким даже при небольших различиях показателей преломления между сердцевиной и оболочкой.

Для системы AgCl – AgBr Коротковолновые спектры образцов представлены на рисунке 3.17 Результаты определения края собственного поглощения (L) приведены на левой вставке к рисунку 3.18. Очевидно, край поглощения сдвигается в сторону бльших длин волн при увеличении содержания замещающего компонента – AgBr в AgCl – AgBr и TlI в AgBr – TlI, соответственно. Значение края поглощения меняется от 400 нм для чистого хлорида серебра до 465 нм (синяя полоса) для чистого бромида, а для состава с 5 мол. % монойодида таллия в бромиде серебра – до 489 нм.

Таким образом, в случае системы AgBr – TlI величина изменения L составляет 5 нм / мол. % в диапазоне концентраций от 0 до 5 мол. % TlI. Далее L изменяется со скоростью 0,85 нм / мол. % до 83 мол. % TlI (Рисунок 3.23). Присутствует видимое отклонение от нелинейности зависимости L(x) для систем AgCl – AgBr, AgBr – TlI и AgBr – (TlBr0.46I0.54). Наибольшее отклонение от нелинейности наблюдается в системе AgBr – TlI, наименьшее для AgCl – AgBr. Следует отметить, что для систем AgBr – (TlBr0.46I0.54) и AgBr – TlI наблюдается явный перегиб в области 5 – 14 мол. % либо TlI либо TlBr0.46I0.54 (Рисунок 3.22 – 3.24).

Зависимость длинноволнового края поглощения от состава для систем AgBr – TlI и AgBr – (TlBr0.46I0.54) представлены на рисунках 3.25 – 3.26. Видно существенное расширение спектрального диапазона прозрачности до 60 мкм и далее для составов со держанием 83 мол. % TlI в AgBr.

Полные спектры пропускания новых кристаллов систем AgBr – TlI, AgBr – (TlBr0.46I0.54), AgBr – AgI снятые в диапазоне 0,19 – 60,6 мм представлены на рисунках 3.27 – 3.29.

Разработана новая методика определения состава кристаллов галогенидов металлов по значению длины волны на левом краю поглощения. Суть методики состоит в измерени спектра пропускания пластин из исследуемого кристалла в диапазоне длин волн 400-550 нм сразрешением 0,1 нм (рисунок 3.17 - 3.21). Пластины толщиной 350 ± 10 мкм, диаметром 12 ± 2 мм получены методом горячего прессования при температуре 120 С и усилие 6 тонн. Значение длины волны на левом краю определяется методом двух касательных. Далее полученое значение извесных составов галогенидов металлов наносится на калибровочную кривую «состав-левый край поглощения» (рисунок 3.22 – 3.24)

Проведено определение контрольных сотвавов пластин с использованием данных калибровочных кривых. Расхождение составило менее 0,1 %.

Данная методика отличается простотой реализации и связывает парметры, необходимые для дальнейшего получения световодов, т. к. значения длины волны левого края поглощения непосредственно связаны с показателем преломления материала и химическим составом.

Следует отметить что используя данную методику были исследованы кристаллы ситемы AgCl – AgBr по длине. Выявлено, что для кристалла AgCl0,25Br0,75 точки минимума на фазовой диаграмме состав по длине постоянен с точностью 1 мол.% при длине кристалла 47 мм, диаметре 13 мм. Для кристалла брутто состава AgCl0,67Br0,33 длиной 46 мм, диаметром 13 мм начало кристалла имеет состав 23 мол % AgBr в AgCl, а шапка 37 мол. % AgBr в AgCl. Это связано с существенным отклонением данного состава от точки минимума на фазовой диаграмме системы AgCl – AgBr. Тем не мене такие кристаллы пригодны для проектирования и изготовления ИК световодов (что будет показано позднее), т. к. при изготовление световодов необходимы заготовки типичной длиной 10 мм. На такой длине максимальное отклонение состава от среднего состава будет не более ±1 мол%, что вполне достаточно для сохранения необходимой разницы в показателях преломления различных элементах структура световода. Для получения более длинных световодов возможно использовать заготовки большей длины, основываясь на знании того, что состав и связанный с ним показатель преломления меняется линейно по длине кристалла и возможна комбинация различных элементов заготовки световода таким образом, чтобы сохранить разность показателей преломления по длине выдавливаемого методом экструзии световода. Необходимо также отметить, что рассматриваемый кристалл AgCl0,67Br0,33 имеет максимальное расхождение по составу между началом и концом, что связано с максимальным расхождением линии солидуса и ликвидуса на фазовой диаграмме системы AgCl – AgBr. Для создания одномодовых световодов необходима минимальная разница в показателях преломления между сердцевиной и оболочкой, поэтому используются составы близкие к точке минимума на диаграмме системы AgCl – AgBr или к краям фазовых диаграмм систем AgBr – TlI, AgBr – (TlBr0.46I0.54), AgBr – AgI, где расхождения между линиями ликвидуса и солидуса минимальны, а следовательно и минимален разброс по составу и показателю преломления.

Нивелирование конусности экструзии и доработка алгоритма

Для выдерживания большей продольной однородности представляет интерес предотвратить варьирование диаметра штабика простой преформы на этапе 4. Если на графиках на рисунке 5.17в выделить относительно линейный участок поликристалла для штабика (примем 70 % длины), то в пересчете на габариты самой заготовки угол при вершине конуса, в виде которого нужно изготовить штабик для нивелирования конусности на этом этапе, составляет 50 – 55. Это означает, что диаметр штабика должен изменяться от 2,5 до 7,9 мм при рабочей длине заготовки 5,67 мм.

В связи с этим алгоритм экструзии снова должен быть пересмотрен:

1 этап – перетягивание поликристалла состава AgCl0,18Br0,82 с диаметра 16 в 14 мм с последующим высверливанием конуса вышеприведенных габаритов. Этап повторяется дважды для двух видов ответных конических вставок. Коэффициент перетяжки при экструзии – 1,14, как и в предыдущем алгоритме.

2 этап – перетягивание поликристаллов AgCl0,25Br0,75 и AgCl0,16Br0,84 для будущих вставок с 16 до 8 мм с последующим вытачиванием конуса, чьи габариты описаны выше. Коэффициент перетяжки – 2,0.

3 этап – выдавливание гексагональной призмы, как и в предыдущем алгоритме. Максимальное измерение сечения призмы – 5,5 мм. На этот раз состав трубки – AgCl0,25Br0,75, т. к. мы считаем, что больший градиент показателя преломления между центром и периферией поспособствует концентрированию фундаментальной моды на продольной оси будущего волокна, за счет механизма ПВО.

4 этап – преформа «штабик в трубке» (rod-inube), части которой подготавливались на этапах 1 и 2, перетягивается с коэффициентом 4,0 до двухслойного волокна с диаметрами сердцевины и оболочки 1,75 и 0,35 мм, соответственно. Подразумевается, что конусовидная форма элементов преформы поможет выдержать однородность сердцевины по длине волокна, нивелируя вносимую экструзией конусность.

5 и 6 этапы – аналогичны этим же этапам предыдущего алгоритма и связаны с получением волокна из преформы, трубка для которой подготавливается на третьем этапе, а штабик является поленницей из семи фрагментов двухслойного волокна с сердцевиной двух составов – AgCl0,25Br0,75 252 для периферических вставок и AgCl0,16Br0,84 для центрального дефекта. Коэффициенты перетяжки – 1,6 и 20,0, соответственно.

Однако уже на четвертом этапе данный алгоритм показал ряд недостатков: непостоянство геометрии сердцевины по длине волны – как по среднему размеру, так и по симметрии; необходимость более точного предварительного расчета объема вставочного материала; наличие остаточной конусности, хоть и резко обрывающейся у выходного торца волокна (из-за запертости вставки с этого конца преформы, рисунок 5.17е). В связи с этим было решено вернуться к цилиндрической форме вставок и заменить этап 4 двумя актами встречной экструзии, как на этапах 5 и 6 (Рисунок 5.17ж). Однако несмотря на более плавное и прямое увеличение диаметра сердцевины волокон отклонение от теоретического диаметра осталось значительным. В результате в конечном алгоритме мы отказались от вытягивания двухслойного волокна: сначала были получены однослойные волокна с диаметрами 1,75 мм и 0,35 мм, после чего они были разрезаны, и отрезки первого диаметра были рассверлены под диаметр 0,35 мм, чтобы создать набор маленьких преформ-вставок для этапа 5. Семь преформ с двумя составами стержней были помещены в призматический канал заготовки, полученной на этапе 3, после чего составная мультикомпонентная преформа была передавлена с 16 мм до 10 мм (Рисунок 5.17з) и далее до волокна 0,5 мм (Рисунок 5.17и). Соответствующая схема получения MSF с указанием актов экструзии, в т. ч. с индикацией встречной экструзии, приведена на рисунке 5.18. Режимы получения всех элементов будущей микроструктуры для алгоритмов с конусной вставкой простой преформы, с цилиндрической вставкой, экструдируемой дважды, и с двухслойными заготовками, полученными механически, представлены на рисунке 5.19. На нем скачки скорости экструзии в самом начале обусловлены тем, что отсчет времени не всегда производился с момента контакта пресса и оснастки. Скачки давления в середине экструзии, как на рисунке 5.19а, ж, либо выход на плавное возрастание, как на рисунке 5.19в, г, говорят о начале прессования кристалла после выпрессовывания защитной фторопластовой заготовки, перекрывающей подачу воздуха в нижнюю часть оснастки. Выход давления на плато характерен для перетягивания в малый диаметр (Рисунок 5.19 д,е,з,и). Режимы получения волокон с диаметром 0,35 мм нестабильны, как видно по рисунку 5.19 о,п и требуют дальнейшей отработки. Но тем не менее световоды необходимой длины все равно были получены. Этапам с использованием сверления соответствуют рисунку 5.19р (преформа) и рисунку 5.19с (финальное волокно). На последнем рисунке приведена вставка с увеличенной микроструктурой (все детали разрешены при искусственном белом свете). Волокно отличается низким разбросом геометрических параметров при длине два метра: диаметр вставок 12±1 мкм, шаг структуры 59±5 мкм.

Лазерная медицина

ИК световоды на основе галогенидов серебра открывают перспективы для создания методик полностью автоматических медицинских операций, примером чему могут являться реализуемые в настоящее время методики по лечению варикозного расширения вен. При воздействии лазерного излучения на органические ткани важными параметрами являются: плотность мощности лазерного излучения, глубина его проникновения, числовая апертура (NA) при одномодовом режиме работы. Особую значимость эти параметры приобретают при выполнении инвазивных операций. Щадящий режим воздействия на ткани излучения углекислотного лазера, глубина проникновения которого составляет от 20 до 50 мкм [258] делает его использование предпочтительным при выполнении сложных хирургических операций, по сравнению с другими лазерами, работающими в видимой и ближней инфракрасной области спектра (Рисунок 7.23).

Излучение этих лазеров передается по кварцевому волокну и значительно глубже проникает в органическую ткань, в том числе здоровую, травмируя её. Например, глубина проникновения в органические ткани излучения гольмиевого ИАГ-лазера с длиной волны 2,09 мкм, составляет 0,5 мм, излучение диодных лазеров с длиной волны 0,81 мкм проникает на глубину от 4 до 6 мм [258].

Оптические волокна, как составные части медицинских изделий, в зависимости от вида выполняемых манипуляций могут подвергаться дезинфекции, предстерилизационной очистке и стерилизации [260, 261]. Существующие на сегодняшний день медицинские СО2 лазеры использоваться для проведения открытых поверхностных (Рисунок 7.23) или лапароскопических эндоскопических хирургических операций. Торцы разрабатываемых инфракрасных волокон для таких медицинских лазеров могут соприкасаться с поврежденной слизистой оболочкой, контактировать с кровью и инфекционными препаратами, а значит, они подлежат обязательной стерилизации. Среди широкого ассортимента методов предварительной очистки и дезинфекции, наиболее предпочтительными являются химические методы [261].

Исследования показали, что оптимальным путем для стерилизации волокон на основе галогенидов серебра является химическая стерилизация, поскольку даже десятикратная стерилизация в растворе 6% перекиси водорода и выдержки в течение 360 мин не оказывает влияния на оптические свойства волокна, в отличии от других видов стерилизации (Рисунок 7.25). Следует отметить, что пропускаемая через ИК световоды состава AgCl – AgBr плотность мощности на длине волны 10,6 мкм составляет более 60 кВт/см2, поэтому эти световоды без проблем могут передавать излучение 30 Вт медицинских СО2 лазеров.

Излучения позволит вывести на новый уровень целый класс медицинских лазеров, работающих в диапазоне от 3 мкм до 10,6 мкм, путём замены зеркально-шарнирного рукава на длинный и гибкий волоконно-оптический канал доставки лазерного излучения (Рисунок 7.26).