Оптоволокно — проводящая ткань мира технологий. По этим тонким стеклянным нитям путешествуют на огромные расстояния световые сигналы, обеспечивающие работу проводного интернета, телевидения, защищенную передачу данных. И это не все: например, на использовании световодов, пропускающих инфракрасное (ИК) излучение, построена работа медицинских лазеров для тончайших офтальмологических и нейрохирургических операций. Но у этого вида оптоволокна есть недостаток — существенные потери энергии, из-за которых мощность передаваемого излучения ослабевает. Передовые технологии, позволяющие справиться с этой проблемой, представили ученые из Института химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН (ИХВВ РАН), создав оптоволокно для ИК-излучения, обладающее самыми низкими оптическими потерями в мире на длине волны 10,6 мкм. О прорывном достижении корреспонденту «Научной России» рассказал руководитель проекта, старший научный сотрудник молодежной лаборатории высокочистых халькогенидных стекол ИХВВ РАН, кандидат химических наук Александр Павлович Вельмужов.
Во время лазерных операций оптоволокно заменяет сложные и массивные системы зеркал, что повышает безопасность хирургического вмешательства. В этой области особенно востребованы световоды для передачи излучения с длиной волны 9,3 и 10,6 мкм, также активно используемые в промышленности.
На использовании оптоволокна, пропускающего инфракрасное излучение, основана работа медицинских лазеров для офтальмологических и нейрохирургических операций.
Источник изображения: WangXiNa / фотобанк Freepik
Однако у обычного оптоволокна для передачи света в ИК-диапазоне есть недостаток — высокие оптические потери.
«Оптические потери в волоконном световоде (оптическом волокне) характеризуют его способность проводить излучение (свет), — объяснил А.П. Вельмужов. — Чем меньше этот показатель, тем лучше излучение проходит через волокно. Это позволяет локально подводить мощное лазерное излучение от источника к области воздействия (например, оперируемому органу) практически без потери мощности».
Проблема заключается в том, что в процессе производства оптоволокна для ИК-излучения внутри него формируются микроскопические кристаллики. Они рассеивают свет, проходящий сквозь стекло, и это приводит к весомым оптическим потерям. В частности, в обычном световоде на основе теллурида германия они составляют около 10 дБ/м — в 50 тыс. раз больше, чем у стандартного телекоммуникационного волокна! А минимальные оптические потери, которых удавалось добиться при работе с оптоволокном для ИК-излучения, до недавнего времени не опускались ниже 3 дБ/м.
«Кристаллические включения образуются в волокне по нескольким причинам. Первая из них — кристаллизация самого стекла, из которого получают световод, если оно недостаточно устойчивое. Поэтому важный этап нашей работы — оптимизация химического состава материала, — сказал А.П. Вельмужов. — Вторая причина — нерастворенные примеси в стекле в форме частиц. Для снижения содержания этих примесей мы разработали новые подходы к синтезу шихты (того, что при плавлении и последующем охлаждении превращается в стекло). Третий фактор — неоптимальные условия вытяжки волокна, при которых даже устойчивое стекло может начать кристаллизоваться».
Научный коллектив проекта. Слева направо: с.н.с., к.х.н. Максим Суханов, с.н.с., к.х.н. Александр Вельмужов, н.с., к.х.н. Елизавета Тюрина и с.н.с., к.х.н. Татьяна Котерева.
Фото: из личного архива А.П. Вельмужова
Путь исследователей к совершенствованию оптоволокна состоял из трех последовательных ступеней. Первый этап работы был посвящен улучшению самого материала. Исследователи добавили в стекло на основе теллурида германия важный компонент — йодид серебра. Благодаря этому материал стал более устойчивым к кристаллизации. Это также дало возможность несколько расширить спектральный диапазон прозрачности волокна.
«О том, что йодид серебра — один из лучших стабилизаторов стекла на основе теллурида германия, было известно достаточно давно, — заметил А.П. Вельмужов. — Задача научного коллектива в основном заключалась в определении оптимальной концентрации этой добавки. Это была достаточно кропотливая работа: мы подробно исследовали свойства более 25 составов стекол. Результаты этой работы опубликованы в высокорейтинговом журнале Optical Materials».
На втором этапе требовалось свести к минимуму содержание вредных примесей — водорода и кислорода. Для этого исследователи разработали новую технологию глубокой очистки компонентов стекла. В результате концентрацию водорода и кислорода в материале удалось снизить до 0,00001%.
«Разработанная технология в целом известна достаточно давно, но ранее она не использовалась для получения халькогенидных стекол. Подход заключается в том, что над нелетучим веществом (в данном случае над серебром) при повышенной температуре пропускают легколетучий компонент (йодид германия), что приводит к образованию промежуточного соединения с повышенной летучестью. Оно испаряется из исходной ампулы в реактор, где поддерживается пониженная температура. В реакторе промежуточное соединение вновь превращается в исходное нелетучее вещество. Таким образом происходит транспортировка вещества из исходной ампулы в реактор. Этот процесс так и называется — химический транспорт, — пояснил А.П. Вельмужов. — При этом примеси не транспортируются и остаются в исходной ампуле, поэтому их содержание в веществе существенно снижается. Разработанный подход достаточно легко масштабируется, что дает возможность изготавливать образцы стекол, из которых вытягиваются волокна длиной до нескольких сотен метров».
Чтобы определить оптимальную концентрацию йодида серебра в качестве добавки в оптоволокно, ученые исследовали более 25 составов стекол.
Источник изображения: freepik / фотобанк Freepik (представлено в иллюстративных целях)
Третья ступень — новый взгляд на сам процесс формирования оптоволокна. Обычно расплавленное стекло выдавливают из тигля инертным газом до состояния нити, но у этого метода есть свои недостатки. Исследователи предложили новаторскую альтернативу: выдавливать волокно из длинного стержня сквозь маленькое отверстие в дне специального сосуда. В этом случае в нить попадает только внутренняя часть стеклянной заготовки, а все ее дефекты — полости, трещинки, частицы кварца от рабочей ампулы — остаются на стенках емкости. Благодаря новой технологии качество оптоволокна повысилось и полученный световод стал лучше проводить излучение.
«Использованный в исследовании метод “штабика в тигле” сам по себе не нов. Однако он упоминается в единственной работе зарубежных исследователей, опубликованной более 30 лет назад. Наш научный коллектив самостоятельно сконструировал установку для реализации этого метода и оптимизировал его параметры под конкретные составы стекол. Это позволило успешно изготовить волоконные световоды с рекордно низкими оптическими потерями», — подчеркнул А.П. Вельмужов.
Полученное оптоволокно поставило яркий рекорд. При пропускании излучения с длиной волны 10,6 мкм (на ней работает самый распространенный в медицине и промышленности вид лазера) оптические потери в волокне составили всего 0,79 дБ/м. Такой результат был получен впервые в истории.
В будущем новое оптоволокно может быть использовано в спектрометрах для космических аппаратов, изучающих другие планеты.
Источник изображения: kjpargeter / фотобанк Freepik
При других длинах волн в диапазоне 7,2–10,9 мкм оптические потери в материале также были впечатляюще низкими: менее 1 дБ/м. А минимальные потери, которых удалось достичь с использованием нового волокна, составили 0,56 дБ/м — в пять раз меньше ранее поставленного рекорда!
Ценность открытия заключается не только в волокне-рекордсмене. Исследователи отмечают, что проведенные изыскания помогли им определить рабочие методы, способные помочь совершенствовать волоконные световоды в дальнейшем.
Более мощные и точные медицинские лазеры — не единственное направление, где новое оптоволокно способно принести пользу. Например, оно может пригодиться в спектрометрах для космических аппаратов, изучающих другие планеты.
«Важная область применения волоконных световодов — изготовление оптических сенсоров. Это устройства, способные определять химический состав веществ, — отметил А.П. Вельмужов. — Они могут использоваться повсеместно — от определения эффективности антибиотиков до установления качества бензина или моторного масла в автомобилях».
Важная область применения волоконных световодов — изготовление оптических сенсоров — устройств для определения химического состава веществ.
Фото: wirestock / фотобанк Freepik
В перспективе новому оптоволокну предстоит пройти испытания в конструкциях реальных лазерных установок.
«Для дальнейшего совершенствования оптического волокна, приближающего его к применению на практике, научный коллектив планирует разработать новую методику формирования заготовки, из которой будет вытягиваться световод. Эти работы также входят в проект, поддержанный РНФ», — добавил А.П. Вельмужов.
Полученные результаты не предел: исследователи планируют продолжать эксперименты с технологиями получения оптоволокна, чтобы сделать его еще совершеннее.
«Планы по развитию исследования связаны с дальнейшим повышением кристаллизационной устойчивости стекол за счет введения в состав нового компонента — галлия, что позволит дополнительно снизить оптические потери в волокне, — поделился А.П. Вельмужов. — Однако это потребует разработки новых методов получения стекол. На эти исследования коллективом получен грант Российского научного фонда и Правительства Нижегородской области (№ 25–13–20046)».
Источники
Комментарии А.П. Вельмужова
Российский научный фонд. Новое оптоволокно с рекордно низкими потерями энергии позволит усовершенствовать медицинские лазеры
Источник изображения на главной странице: freepik / фотобанк Freepik
Фото на превью: А.П. Вельмужов
Источники изображений в тексте: из личного архива А.П. Вельмужова, WangXiNa / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, kjpargeter / фотобанк Freepik, wirestock / фотобанк Freepik.
