Матеріали для світлопроводів, що працюють в інфрачервоному діапазоні

Електронне поглинання, релєєвське розсіяння і коливальне поглинання вважаються власними видами оптичних втрат, оскільки вони властиві самому матеріалу. Знання власних властивостей дозволяє передбачити рівень максимальної прозорості, який може бути досягнутий в кожному твердому матеріалі. При виборі матеріалу також повинні враховуватися невласні оптичні втрати, обумовлені присутністю небажаних домішок і недосконалістю технології його отримання. До невласних втрат відносяться ті, які викликані поглинанням домішками, розсіянням на великих включеннях або порожнечах, а також втрати за рахунок непостійності діаметру світлопровода по його довжині і відхилень від необхідних значень показника заломлення по перетину світлопровода.

Сумарні втрати потужності світла за рахунок власних і невласних механізмів характеризуються коефіцієнтом загасання, що виражається в децибелах на кілометр (дб/км). Так, при введенні в світлопровід довжиною 1 км і з коефіцієнтом загасання 1 дб/км оптичного сигналу потужністю 10 Вт на його виході буде прийнятий сигнал потужністю 7,9 Вт. Звичайне віконне скло має загасання в декілька тисяч децибел на кілометр. Для систем оптичного зв'язку необхідно, щоб оптичні втрати по всій довжині 50-кілометрового світлопровода не перевищували 1 дб/км. Протяжніші лінії зв'язку вимагають зниження рівня втрат до 0,01 дб/км. Якби таку прозорість мало віконне скло, то вулицю можна було б бачити через скло завтовшки 200 км.

Окрім низького оптичного загасання слід брати до уваги і інші характеристики матеріалів для світлопроводів. Ідеальний матеріал повинен бути міцним, гнучким, несприйнятливим до хімічних дій і простим в отриманні. На жаль, низьке загасання і хороші структурні характеристики зазвичай несумісні. Багато властивостей скла, що забезпечують прозорість в довгохвильовій області спектру, такі як низька температура склування, слабкі міжатомні зв'язки, присутність важчих, ніж кисень, аніонів, часто додають матеріалам небажані фізичні, хімічні і механічні властивості. Проте є ряд кристалічних і склообразних матеріалів з покращеною прозорістю в довгохвильовій області, у яких ці властивості ще прийнятні для волоконної оптики. Такі матеріали можуть пропускати інфрачервоне випромінювання з дуже малими втратами на релєєвське розсіяння і електронне поглинання. Тому теоретично їх прозорість може бути вище, ніж досягнута для кварцевих світлопроводів.

Найменше загасання, досягнуте в даний час в кварцевих світлопроводах, складає 0,2 дб/км на довжині хвилі 1,5 мкм. Це добре узгоджується з власною межею прозорості кварцевого скла, розрахованою на підставі обліку характерних для них релєєвського розсіяння, електронного поглинання і граничної величини коливального поглинання, визначуваною силою міжатомного зв'язку кремній-кисень. Таке низьке загасання досягнуте шляхом ретельної відладки процесів отримання кварцевого скла і світлопроводів з нього, при яких всі джерела невласних втрат в них були фактично усунені.

Власне загасання в світлопроводі визначається трьома процесами. Електронне поглинання відбирає енергію, коли короткохвильове світло порушує зв'язані електрони в атомах. Коливальне поглинання виникає у разі, коли довгохвильове світло примушує коливатися атоми матеріалу. На проміжних довжинах хвиль, на яких жоден з механізмів поглинання не являється визначальним, неоднорідності щільності і складу приводять до розсіяння Релея. Ці механізми і визначають криву загасання світла в матеріалі.

Склообразні матеріали поглинають світло за рахунок коливань атомів. Маси атомів і сили зв'язку між ними визначають довжини хвиль, на яких це поглинання найбільш сильне. Збільшення мас атомів і ослаблення сили зв'язку між ними приводять до збільшення цих довжин хвиль. Саме тому тетрафторід цирконію - основний компонент скла з фторидів важких металів, а також халькогенідне скло - тріселенід миш'яку найсильніше ослабляють сигнали в довгохвильовій інфрачервоній області. Іони кремнію і кисню мають менші маси і сильніший зв'язок, тому кварцеве скло (діоксид кремнію) найсильніше поглинає сигнали в середній інфрачервоній області.

Для отримання прозорості, більшої ніж у світлопроводів на основі кварцевого скла, нові матеріали, вибрані з урахуванням їх власних властивостей, повинні бути додатково очищені, з тим щоб невласні чинники загасання звести до мінімуму. Такі матеріали використовуватимуться в інфрачервоній області спектру на довжинах хвиль більше 2 мкм.

Кристалічні матеріали утворюють перший клас речовин, які можуть ефективно використовуватися в інфрачервоній волоконній оптиці. Теоретично багато двокомпонентних кристалів: бромід срібла, селенід цинку і навіть хлорид натрію мають низьке власне загасання. Проте на практиці отримання монокристалів у вигляді волоконних світлопроводів великої довжини пов'язане з рядом серйозних проблем. Швидкості росту монокристалічних волокон дуже малі і часто складають всього декілька сантиметрів в хвилину. Такі низькі швидкості росту збільшують вірогідність того, що діаметр світлопровода буде непостійним. Важкоздійсненим також представляється завдання формування в процесі зростання правильної волоконно-оптичної структури з високим показником заломлення серцевини і низьким - оболонки.

Значно перспективнішими є полікристалічні матеріали, головним чином на основі галогенідів талія і срібла. Були ретельно вивчені світлопроводи на основі змішаних з'єднань броміду і йодіда талія. Звичайно, високий показник заломлення кристалів галогенідів талія (близько 2,7) припускає високий рівень розсіяння в них. Проте межа коливального поглинання у них зрушена в довгохвильову інфрачервону область, що дозволяє передавати інфрачервоне випромінювання в таких матеріалах з довжинами хвиль, на яких розсіяння вже значно менше. Згідно теоретичним оцінкам можна виготовити монокристали галогенідів талія з коефіцієнтом загасання менше 0,01 дб/км на довжинах хвиль, близьких до 7 мкм. Проте в процесі отримання полікристалічних світлопроводів в них створюється зерниста мікроструктура, яка сильно розсіює світло. Цей невласний механізм розсіяння в сукупності з поглинанням, обумовленим присутністю домішок, приводить до загасання в полікристалічних світлопроводах на основі галогенідів талія в межах від 150 до 400 дб/км. Такий відносно невеликий рівень загасання, проте, зберігається в широкому діапазоні довжин хвиль, що охоплює приблизно від 6 до 15 мкм.

Інший матеріал для полікристалічних світлопроводів складається з срібла, хлора і брому. А. Кацир з Тель-авівського університету отримав світлопроводи із загасанням менше 1000 дб/км на довжинах хвиль більше 6 мкм. Світлопроводи як з галогенідів талія, так і з галогенідів срібла можуть передавати випромінювання лазера на діоксиді вуглецю з довжиною хвилі 10,6 мкм. Тому ці матеріали придатні для передачі потужного лазерного випромінювання, наприклад для таких застосувань, як лазерна хірургія.

Другий клас прозорих в інфрачервоній області спектру матеріалів для волоконної оптики утворює халькогенідне скло. Його отримують з'єднанням металів з важчими елементами кисневої групи - халькогенами, тобто сіркою, селеном і теллуром. Трисульфід миш'яку і тріселенід миш'яку є характерними представниками халькогенідного скла. Електронне поглинання для трисульфіду миш'яку лежить в середині видимої області спектру, для тріселеніда миш'яку - в ближній інфрачервоній області. Тому перше скло має червоний колір, а друге - чорний.

У халькогенідного скла високий показник заломлення (між 2,4 і 2,7) і низька температура склування (приблизно 150-175 °С), унаслідок чого вони мають низьке релєєвське розсіяння. (Внаслідок високих значень показника заломлення релєєвськоє розсіяння в халькогенідному склі, не дивлячись на низькі температури склування, досить велике і перевищує у видимому і ближньому інфрачервоному діапазонах у декілька разів розсіяння в кварцевому склі. В середньому ж інфрачервоному діапазоні, де світлопроводи з кварцевого скла вже непрозорі, релєєвськоє розсіяння в халькогенідному склі, завдяки своєму швидкому зменшенню при збільшенні довжини хвилі, знижується на декілька порядків величини і стає нижчим, ніж в кварцевому склі. Саме тому, в середньому інфрачервоному діапазоні можуть бути досягнуті менші, ніж в кварцевому склі, оптичні втрати.

Трисульфід миш'яку прозорий приблизно до 10 мкм, тоді як скло на основі селену, атомна вага якого приблизно в два рази вища, ніж у сірки, прозорий вже приблизно до 14 мкм. На відміну від моно- і полікристалічних матеріалів халькогенідне скло можна використовувати для виготовлення багатокілометрових світлопроводів з необхідними діаметрами серцевини і оболонки. Серед кращих халькогенідних світлопроводів можна виділити світлопроводи з трисульфіду миш'яку, отримані в Японії Т. Канаморі з фірми Nippon Telegraph and Telephone Corporation. Мінімальне загасання в них складає 35 дб/км на довжині хвилі 2,4 мкм, хоча мінімальне значення власних оптичних втрат, що теоретично передбачається, для світлопроводів з цього скла дорівнює 0,01 дб/км на довжинах хвиль поблизу 5 мкм. Велика частина оптичних втрат у вироблюваних зараз халькогенідних світлопроводах обумовлена присутністю в них домішкових молекул води і інших домішок, що містять водень. Але ще серйознішим недоліком халькогенідних світлопроводів є сильне власне електронне поглинання на дефектах структури скла, яке може обмежити величину мінімально досяжних оптичних втрат в цьому склі на рівні 10 дб/км.

Основний інтерес до халькогенідних світлопроводів в даний час обумовлюється їх здатністю передавати інфрачервоне випромінювання з довжинами хвиль від 6 до 12 мкм на відстані до декількох метрів. П. Прідо з корпорації Galileo Electro-optics виготовив халькогенідні світлопроводи, сотні яких можна зібрати в гнучкий волоконно-оптичний джгут, здатний передавати прості інфрачервоні зображення або інформацію про температуру предметів. Інтенсивність інфрачервоного випромінювання, що випускається нагрітим тілом, росте із збільшенням його температури. Світлопроводи можуть передавати випромінювання до приймача від видалених предметів, що дозволяє здійснювати дистанційний термоконтроль. Процеси в газах і рідинах або хімічні реакції, які поглинають або випромінюють інфрачервоне світло, можуть контролюватися з диспетчерського пункту по світлопровідних системах.

Третій клас матеріалів для інфрачервоних світлопроводів включає скло на основі фторидів важких металів. Перші склади цього нового сімейства склообразних матеріалів відкрив в 1974 р. Мішель Кулі з Університету Ренне у Франції. Відповідно до плану дисертаційної роботи він намагався отримати кристалічні з'єднання з суміші фторидів цирконію, барію, натрію і неодима. При охолоджуванні розплавлених зразків він відмітив в них великі прозорі включення. Хоча спочатку Кулі прийняв їх за кристали, виявилось, що це було скло. Мішель, його брат Марсель Кулі і Жак Лука потім відкрили ціле сімейство нового скла, яке тепер відомо як скло на основі фторидів важких металів.

3.7 В оптичному осередку з гомеотропной текстурою світло розповсюджується уздовж оптичної осі (уздовж напряму директора), тому, як у всякому одноосному кристалі, в цьому випадку оптичні характеристики шару не залежать від поляризації світла.

У планарной текстурі напрям розповсюдження світла перпендикулярний оптичній осі, тому показник заломлення (діелектрична проникність ε) різний для світла, площина поляризації якого перпендикулярна напряму директора в шарі, і світла, поляризація якого містить цей напрям. Відмінність діелектричної проникності для цих поляризацій світла називають діелектричною анізотропією нематика і позначають Δε. Знак діелектричної анізотропії Δε для різних нематиків може бути як позитивним, так і негативним.

Мікроскопічною причиною можливості існування різних знаків Δε є особливості будови молекул, створюючих рідкий кристал. Величина Δε пропорційна параметру порядку S, тобто змінюється з температурою нематика, і її типове значення лежить в інтервалі 0,2-0,01 при середній діелектричній проникності нематика ε = 2-2,5.

Оптичні характеристики планарної текстури такі, що без зміни поляризації в ній розповсюджується тільки світло, лінійно поляризоване ортогонально і паралельно директорові. Будь-яка інша поляризація змінюється у міру розповсюдження світла.

Дійсно, довільно поляризоване світло, падаюче на осередок, можна розкласти на хвилі, поляризовані перпендикулярно директорові і уздовж нього. Кожна з цих хвиль в нематику рухається зі своєю фазовою швидкістю, так що на виході з осередку виникає різниця фаз між цими хвилями і їх складання на вихідній поверхні осередку дає результуючу хвилю з поляризацією, що змінилася. Якщо площина поляризації падаючого світла складає з директором кут 45°, то після проходження осередку площина поляризації світла виявляється поверненою щодо початкового напряму на кут, величина якого задається простим співвідношенням:

де ω - частота;

с — скорость света;

L — толщина слоя нематика;

і — показники заломлення світла, поляризованого відповідно вздовж і поперек директора.

Таким чином, оптичні властивості і, зокрема, поляризаційні властивості планарної і гомеотропної текстур нематика виявляються різними. У самому цьому факті нічого дивовижного немає. Так само різні властивості пластин звичайного одноосного кристала, якщо вони вирізані так, що в одній з них оптична вісь перпендикулярна, а в іншій паралельна поверхні. Дивовижним і істотним для технічних застосувань виявляється те, що на відміну від звичайних кристалів, в яких орієнтація оптичної осі фіксована в зразку, в нематиках орієнтацію цієї осі можна змінювати шляхом зовнішніх дій.

Найпростіше змінювати орієнтацію оптичної осі, прикладаючи до осередку електричне поле. Із-за анізотропії діелектричної проникності молекул в електричному полі молекули прагнуть орієнтуватися так, щоб напрям більшого значення діелектричній проникності співпадав з напрямом поля. Читач легко зрозуміє, що, наприклад, використовуючи поляроїдні плівки, можна зробити гомеотропну текстуру непрозорою для світла, схрестивши поляроїди на вхідній і вихідній поверхнях. Планарна текстура при тому ж розташуванні поляроїдів пропускає світло, якщо «орієнтація» поляроїда не співпадає з напрямом директора. Звідси принцип, на основі якого за допомогою рідкокристалічного осередку можна відображати інформацію, - шляхом напруги, що прикладається, переводити планарну текстуру в гомеотропну і назад.

Приведений приклад показує, що накладення електричного поля впливає на оптичні характеристики нематика за рахунок зміни його структури в зовнішньому полі. Окрім переходу планарной текстури в гомеотропну, можливі і інші зміни структури нематика в електричному полі.

Дуже важливими характеристиками таких змін оптичних властивостей є наступні величини: необхідна для перебудови напруга, часи перебудов і їх оборотність, споживана потужність і так далі. Тому розглянемо докладніше вплив електричного поля на структуру нематика.

Характер впливу зовнішнього поля на нематик залежить від ряду параметрів, наприклад від знаку діелектричної анізотропії Δε, деформаційних модулів пружності нематика (нематик, подібно до кристала і на відміну від рідини, має не рівний нулю деформаційний модуль пружності), характер зчеплення молекул нематика з поверхнями осередку і так далі. Проте загальною властивістю переорієнтації структури нематика під дією зовнішнього поля є пороговий її характер. Це означає, що в полях, менших критичного, зміни структури нематика не відбувається. І лише після досягнення критичної величини поля структура нематика починає зазнавати зміни. Сам же характер зміни структури такий, що безпосередньо вище за критичне поле Е_с ці зміни малі, проте швидко наростають у міру перевищення полем критичного значення Е_с.

Для того, щоб перевести планарну текстуру в гомеотропну, наклавши поле перпендикулярно поверхням осередку, необхідно, щоб діелектрична анізотропія нематика Δε була позитивна, а напруженість поля в зазорі осередку перевершувала критичне поле.

Типове значення порогової напруги виявляється порядка одиниць вольт. При знятті прикладеної напруги структура нематика повертається до початкової.

Важливою характеристикою електрооптичних дій є час перебудови структури нематика. Типове значення часу перебудови структури нематика в оптимальному режимі роботи виявляється близько мілісекунди. Коротших часів переходу добитися важко, і приведений тут час характеризує швидкодія рідкокристалічних осередків.

Розібраний вище перехід (перехід Фредерікса), в якому у відсутність поля нематик з Δε > 0 утворює планарну текстуру, а при накладенні поля переходить в гомеотропну, прийнято називати S-ефектом. Виділяють ще так званий В-ефект і Т-ефект. У В-ефекті початкова текстура гомеотропна, а поле переводить її в планарну. Для здійснення такого переходу Фредерікса потрібний нематик з негативною діелектричною анізотропією Δε. Для Т-эфекту початкова текстура є закрученою (орієнтація молекул на одній з поверхонь осередку складає кут 90° щодо орієнтації на іншій поверхні). Прикладене поле, як і у разі S-ефекту, переводить текстуру в гомеотропну, оскільки в цьому випадку використовуються нематики з Δε >0.

Робота осередку, що використовує Т-ефект, грунтується на властивості закрученої структури (твіст-структури) обертати площину поляризації світла. А саме якщо площина поляризації світла співпадає з орієнтацією молекул на вхідній поверхні осередку, то у міру проникнення світла в глиб осередку площина його поляризації продовжує стежити за орієнтацією молекул, так що на виході з осередку площина поляризації світла виявляється поверненою на 90°. Правда, при цьому повинна виконуватися умова, щоб довжина хвилі світла була не тільки значно менше товщини шару рідкого кристала, але і значно менше величини Δε L. За відсутності поля такий осередок буде прозорим, якщо поляроїдні плівки на вхідній і вихідній поверхні орієнтовані по молекулах, тобто повернені щодо один одного на 90° (схрещені). При накладенні поля осередок стає непрозорим, оскільки нематик переходить в гомеотропну текстуру, яка не обертає площину поляризації світла і в схрещених поляроїдах опиняється непрозорою.