Стеклянные волоконные и пленочные оптические элементы

Оптически и магнитоактивные стекла

Стекла для ультразвуковых линий задержки

Сравнительно низкая скорость распространения ультразвука в стекле (до ~5500 м/с) выдвигает его в число перспективных материа­лов для использования в качестве задерживающей среды в системах с преобразователями пьезоэлектрического и магнитострикционного типа. Наибольшую практическую значимость из стекол данного класса имеют кварцевое и калиево-свинцово-силикатное стекла. Эти стек­ла характеризуются минимальными коэффициентами поглощения ультразвуковых волн, низкими температурными коэффициентами скорости распространения ультразвука. Для кварцевого стекла эти характеристики соответственно равны 0,15·10^-3 дБ/(мкм·с·МГц) и -81·10^-6 град^-1. Концентрации оксидов в составе калиево-свинцово-силикатных стекол могут находиться в пределах (%по массе): SiO₂ — 40-53,5; РЬО—28-45; В₂О₂, — 5-10; К₂0 — 5-8. Соответственно и пределы изменения отмеченных характеристик для них составляют (3,2-4).10^-3 дБ/(мкм·с·МГц) и (1,17/2) ·10^-6 град^-1.

Обычные оксидные, в том числе силикатные, стекла диамагнитны (магнитная проницаемость μ меньше l). При введении в состав силикатных стёкол ионов пере­ходных (с достраивающейся 3d-оболочкой) или редкоземельных (с достраивающейся 4f-оболочкой) элементов они приобретают пара­магнитные свойства. При этом магнитный момент стекла пропорцио­нален числу неспаренных электронов в вводимых ионах.. Магнитную активность проявляют стекла с высоким содержанием ионов РЬ²⁺, Sn²⁺, Bi²⁺ и ряда других. Характерным примером магнитоактивного стекла является ферроглас, содержащий 30 % по массе РЬО. Выделение в стекле магнитоактивных фаз, например, ферритов, способствует резкому повышению магнитной восприим­чивости. Магнитоактивные стекла характеризуются способностью вра­щать плоскость поляризации света в магнитном поле. В сильных магнитных или электростатических полях в стеклах может наблю­даться двулучепреломление, а также магнито- и электрооптический эффекты соответственно.

Тонкие стеклянные волокна используют для передачи света между источником и приемником излучения. Отдельные волокна могут быть соединены в световые кабели (жгуты) с внутренними межволоконными светоизолирующими покрытиями. Совокупность методов и средств передачи световой информации с помощью тончайших волокон получила название волоконной оптики, которая является важной составной частью оптоэлектроники.

Волоконные устройства имеют ряд преимуществ перед линзовыми. Они отличаются компактностью и надежностью. С их помощью можно осуществить поэлементную передачу изображения с достаточно высокой разрешающей способностью, причем передача изображения возможна по искривленному пути. У таких систем высокая помехозащищенность оптического канала связи. Направляющее действие волокон достигается за счет эффекта полного многократного внутреннего отображения.

Для передачи изображения используют волокна диаметром 5-15 мкм. Для предотвращения просачивания света из одного волокна в другое их снабжают светоизолирующей оболочкой, которую изготовляют из стекла с меньшим показателем преломления. Тогда луч, попадая из среды, оптически более плотной (n-большей), на поверхность раздела со средой, оптически менее плотной (n-меньшей), под углом, большим предельного, будет испытывать полное внутреннее отображение и, многократно отображаясь, пойдет вдоль волокна.

Световой кабель диаметром 5-6 мм содержит несколько сотен тысяч светоизолированных волокон. Для правильной передачи изображения требуется регулярная укладка волокон в жгуте. То есть относительное расположение волокон на его входном и выходном торцах должно быть одинаковым.

С помощью волоконных жгутов легко осуществить преобразование оптического изображения, его кодирование и дешифровку. Световые кабели из волокон с конечным сечением могут усиливать освещенность объектов за счет концентрации светового потока, уменьшать или увеличивать изображение.

Такие технологические приемы, как осаждения пленок на подложку, ионное легирование, ионный обмен позволяют изготовить плоские световоды, которые являются основой оптических интегральных микросхем.

Волоконно-оптический элемент (ВОЭ) представляет собой световедущую жилу с высоким показателем преломления, окруженную светоизолирующей оболочкой с низким показателем преломления, причем диаметр световедущего сердечника (2—100 мкм) в несколько раз превышает длину волны проходящего света. Структура ВОЭ может быть ступенчатой или градиентной (рис.2.5.1). В первом слу­чае ВОЭ имеет двухслойную структуру и состоит из однородного сердечника и окру­жающей его оболочки. Показатель преломления сердечника n₁ должен быть выше показателя преломления оболочки n₂. Такой ВОЭ называют ступенчатым, потому что в нем на границе сердечник-оболочка показатель преломления изменяется скачком на n₁ –n₂. Луч излучения распространяется в нем по ломаной кривой.

В градиентных ВОЭ показатель преломления n₁ имеет наибольшее значение у оси сердечника и непрерывно и плавно уменьшается до значения
п₂ по радиусу r сечения сердечника. Форма профиля изменения пока­зателя преломления п₁ = n(r) в этих ВОЭ, определяется траекторией лу­чей, распространяющихся по счетоводу. В градиентных ВОЭ, ис­пользуемых в системах связи, профиль изменения показателя пре­ломления обычно близок к параболическому.

Волоконные световоды для оптических линий связи должны удов­летворять обширному комплексу требований. Основными количест­венными характеристиками световодов, определяющими возмож­ность и эффективность их применения, являются затухание (поте­ри энергии, коэффициент светопропускания) и ширина полосы пропускания. Потери энергии проходящего по световоду излучения возникают в следствие:

Рис. 2..5.1.Изменение показателя преломления по поперечному сечению ступен­чатого световода и распространение меридионального луча по ступенчатому (а) и градиентному (б) световодам.

1) рэлеевского рассеяния, т. е. рассеяния света на субмикроскопически малых, значительно меньших по сво­им размерам, чем длина волны применяемого излучения, оптиче­ских неоднородностях материала световода; величина этих потерь обратно пропорциональна λ.⁴;

2) поглощения и рассеяния света со­держащимися в материале световода ионами некоторых примесей («примесные» потери);

3) нежелательных изменений модовой струк­туры распространяющегося по световоду излучения, например пре­образования направляемых мод в моды оболочки и рассеяния света из-за изгибов, микроизгибов, различных дефектов и микроскопи­чески малых неоднородностей в сердечнике световода;

4) рассеяния, обусловленного вариациями состава стекла, и поглощения света при взаимодействии фотонов с электронами и колебательными со­стояниями основных компонентов материала сердечника световода, Э поглощение становится (например, в кварцевом стекле) значи­тельным, когда длина волны света превышает ~1,7 мкм, а также в ультрафиолетовой части спектра.

К материалам для волоконных световодов предъявляются сле­дующие требования: наибольшая прозрачность для излучения в требуемом диапазоне длин волн; высокая стабильность структуры и свойств с течением времени; высокая стойкость к влиянию внеш­них дестабилизирующих воздействий.

Из вышеизложенного следует, что к материалам и технологии изготовления волоконных световодов для систем связи предъявля­ются исключительно высокие требования. В соответствии с этими требованиями волоконные световоды изготовляют главным образом из кварцевого стекла, многокомпонентных силикатных стекол и из некоторых полимеров. Перспективными материалами для волокон­ных световодов, предназначаемых для использования в системах и линиях оптической связи, являются галоидные, халькогенидные и некоторые оксидные стекла, а также кристаллические соединения типа хлоридов, бромидов и иодидов.

Волоконные световоды с сердечниками из кварцевого и много­компонентного силикатного стекла, изготовляются с оболочкой из кварцевого стекла (волокна «кварц—кварц»), многокомпонентного стекла (волокна «стекло-стекло») и из полимера (волокна «кварц — полимер»). Световоды с сердечниками из кварцевого и многокомпо­нентного силикатного стекла могут применяться в системах, ис­пользующих все наиболее употребительные диапазоны длин волн излучения 0,6—1,6 мкм.

Световоды из полимеровимеют достаточно высокие потери (~200 дБ/км) и применяются в коротких линиях связи (до 100— 200 м). В стекловодах из полимера типа полиметилметакрилата по­тери вызываются главным образом колеблющимися (С—Н) группа­ми. Устранение этих групп, в частности замена в полиметилметакрилате водорода дейтерием, позволяет существенно снижать потери.

Достоинствами полимерных световодов являются высокая стой­кость против действия ионизирующего излучения, высокая плас­тичность, дешевизна.

Световоды из галоидных, оксидных и халькогенидных стекол, а также из ряда кристаллических материаловперспективны для пере­дачи излучения в диапазоне длин волн 2—10 мкм. Теоретические подсчеты показывают, что на основе тих материалов могут быть по­лучены световоды с исключительно низкими потерями в ближней ИК-области спектра.

Дата добавления: 2014-01-20