Исследователи Института химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН (Нижний Новгород) создали оптическое волокно с рекордно низкими потерями энергии для передачи инфракрасных волн большой мощности. Потери энергии, которые влияют на мощность лазерного излучения, оказались в пять раз меньше предыдущего рекорда.

Разработка позволит создавать более мощные и точные лазеры для микрохирургии, а также высокочувствительные сенсоры для мониторинга углекислого газа, метана, аммиака и других веществ в воде и в воздухе. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Optics and Laser Technology.

Оптическое волокно — это тонкая стеклянная нить, которая позволяет передавать свет на большие расстояния. Эта технология лежит в основе проводных интернет-сетей, телевидения и каналов защищённой передачи данных. Оптические волокна для света в инфракрасном диапазоне используются в лазерах для высокоточных офтальмологических и нейрохирургических операций. Волокно позволяет провести лазерный луч в нужную точку без использования громоздких систем зеркал, что делает операции более безопасными. Наиболее перспективны для этих целей оптоволокна, передающие инфракрасные лучи с длиной волны 9,3 и 10,6 микрометров, которые широко применяются в медицине и промышленности.

Подходящими материалами для таких волокон считаются стекла на основе селена и теллура, так как они способны эффективно пропускать свет нужного спектра. Но при изготовлении этих волокон внутри стеклянного стержня образуются микрокристаллики, которые рассеивают свет и приводят к высоким оптическим потерям. До сих пор типичный уровень потерь в волокнах на основе теллурида германия составлял около 10 децибел на метр, что в 50 000 раз выше, чем в стандартном телекоммуникационном волокне, а рекордные значения не опускались ниже трёх децибел на метр.

Сотрудники ИХВВ РАН преодолели этот барьер, создав волокно из стекла на основе теллурида германия с добавлением иодида серебра. Для этого исследователи усовершенствовали три ключевых этапа производства оптоволокна.

Во-первых, авторы оптимизировали химический состав стекла, что не только повысило устойчивость волокна, но и снизило температуру, при которой формируется стеклянная нить. Это уменьшило риск образования кристалликов. Во-вторых, для борьбы с вредными примесями (кислородом и водородом) исследователи разработали новый метод глубокой очистки веществ, входящих в состав стекла, благодаря чему концентрация этих примесей не превышала 0,00001 %. В-третьих, учёные применили оригинальную технику образования оптического волокна, при которой его выдавливают из стеклянного стержня через маленькое отверстие в дне сосуда.

Ключевое преимущество такого метода перед классическим вытягиванием — когда расплавленное стекло растягивают в нить, — заключается в том, что в волокно попадает только внутренняя часть исходного стекла, а все его дефекты (трещины, полости, частички кварца от ампулы) остаются в сосуде. Это значительно повысило качество оптоволокна и улучшило его способность проводить свет.

В результате волокно из стекла на основе теллурида германия с добавлением иодида серебра имело оптические потери меньше 1 децибела на метр в диапазоне инфракрасного излучения от 7,2 до 10,9 микрометров, а минимальные потери составили 0,56 децибела на метр. Но главное достижение — потери на длине волны 10,6 микрометров, на которой работает самый распространённый в медицине и промышленности лазер, оказались равными 0,79 децибела на метр. На сегодняшний день это абсолютный рекорд для таких волокон.

«Полученные характеристики оптоволокна — это важный технологический результат, который приближает нас к практическому использованию теллуридных световодов в реальных устройствах для инфракрасного диапазона, от лазерных скальпелей нового поколения до спектрометров для изучения далёких планет. Ключевым результатом работы является не только достижение рекордно низких оптических потерь в волокне, но и найденные пути дальнейшего улучшения их свойств. В дальнейшем мы планируем испытать полученные волокна в качестве проводящих сред в конструкциях реальных лазеров», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Вельмужов, кандидат химических наук, старший научный сотрудник молодежной лаборатории высокочистых халькогенидных стекол ИХВВ РАН.

Источник: пресс-служба РНФ.