Разработка волоконных световодов на основе особо чистых стекол из халькогенидов германия и галлия с рекордно низкими оптическими потерями в спектральных диапазонах 2-8 и 8-14 мкм

Проект направлен на решение важной научной проблемы – разработку оптических материалов в виде волоконных световодов с высокой прозрачностью (низкими потерями) в спектральных диапазонах 2–8 и 8–14 мкм. В качестве таких материалов выбраны особо чистые стекла на основе селенидов и теллуридов германия и галлия с функциональными добавками, улучшающими их целевые свойства. Проблема включает разработку физико-химических основ и способов получения особо чистых халькогенидных стекол, комплексного исследования их свойств и изготовления из них волоконных световодов. Конкретными материалами, на основе которых в рамках Проекта предлагается разработка волоконных световодов, являются халькогенидные стекла систем GexSe1-x (x = 0.1–0.2), [GexSe1-x]100-yIy (y = 0–10 ат. %) с добавлением сурьмы до 3 ат. % (для спектрального диапазона 2–8 мкм); (Ge0.21Te0.79)100-x(AgI)x (x = 40–50 мол. %) и (GaxGeyTe100-x-y)100-z(AgI)z с содержанием йодида серебра до 15 мол. % (для спектрального диапазона 8–14 мкм). Эти стекла обладают широкой областью прозрачности в среднем ИК диапазоне, высокой нелинейностью оптических свойств, повышенной химической устойчивостью по сравнению с кристаллическими и стеклообразными материалами на основе галогенидов металлов. Отличительным преимуществом халькогенидных стекол является большая представительность по химической природе и относительному содержанию компонентов. Это позволяет варьировать свойства материалов в широком диапазоне, что облегчает достижение целевых значений. Ключевым параметром для практического применения волоконных световодов являются оптические потери. Основной вклад в эту величину в области собственной прозрачности световодов вносят примеси, поглощающие и рассеивающие излучение. К наиболее типичным примесям, дающим интенсивные полосы поглощения в волоконных световодах из стекол на основе селенидов и теллуридов германия и галлия, относятся: 1) водород в форме SeH- , GeH- и TeH-групп (полосы на 4.5, 4.85 и 5.1 мкм соответственно); 2) кислород в форме оксидов германия (7.9, 12.5 мкм) галлия (8, 15–20 мкм) кремния, как материала реактора (9.1 мкм), воды и OH-групп (2.92, 6.3 мкм). Особую группу примесей составляют гетерогенные включения микронного и субмикронного размера. Традиционные способы получения халькогенидных стекол не позволяют достичь таких значений содержания указанных примесей, которые не оказывают заметного влияния на их оптические потери. Это существенно ограничивает практическое применение волоконных световодов на основе халькогенидов германия и галлия. В рамках Проекта планируется разработать волоконные световоды на основе стекол из селенидов и теллуридов германия и галлия с оптическими потерями не более 0.5 дБ/м в спектральном диапазоне 2–5 мкм (область интенсивного рассеяния на гетерогенных включениях и поглощения SeH-групп) и <0.1 дБ/м в диапазоне и 5–8 мкм для световодов из стекол GexSe1-x (x = 0.1–0.2) и (GexSe1-x)100-yIy (y = 0–10 ат. %); менее 0.5 дБ/м в диапазоне 8–11 мкм, включающем рабочие длин волн CO2 лазера (9.3 мкм и 10.6 мкм) с минимумом на уровне 0.1 дБ/м и не более 2 дБ/м в диапазоне 11–14 мкм для световодов из стекол (Ge0.21Te0.79)100-x(AgI)x (x = 40–50 мол. %) и (GaxGeyTe100-x-y)100-z(AgI)z. Указанная задача соответствует снижению оптических потерь в волоконных световодах в 4–8 раз (в зависимости от спектрального диапазона) по сравнению с текущими рекордными значениями. Указанная цель будет достигнута за счет развития известных и разработки новых способов получения особо чистых стекол и вытяжки из них оптических волокон, включающих: 1) химический транспорт нелетучих или диссоциирующих компонентов шихты (германий, теллурид галлия(III), йодид серебра); 2) плавление шихты с геттерами на основе хлорида галлия(III) и интерметаллидов РЗЭ для связывания примеси водорода и кислорода; 3) многократная вакуумная дистилляция йодсодержащих стекол для удаления примеси водорода в форме HI; 4) нанесение защитного покрытия на внутреннюю поверхность реактора; 5) способ изготовления трубок из стекол непосредственно в реакторе синтеза шихты, исключающий контакт образцов с воздушной атмосферой; 6) способ формирования монолитной заготовки «штабик в трубке» вливанием сердцевины; 7) способ вытяжки волоконных световодов методом двух штабиков в тигле. Снижение содержания примесей и оптических потерь позволит расширить области применения волоконных световодов на основе стекол из халькогенидов германия и галлия и повысить уровень текущих направлений их практического использования.