Российские исследователи разработали уникальное оптическое волокно, демонстрирующее удивительно низкие потери энергии при передаче мощного инфракрасного излучения. Показатели потерь достигли величин в пять раз ниже прежнего рекордного значения. Это открытие знаменует прорыв в создании высокоточных медицинских лазеров для микрохирургии, а также сверхчувствительных сенсоров для обнаружения ключевых веществ в окружающей среде.
Волоконная оптика: связь и медицина
Оптическое волокно представляет собой ультратонкую стеклянную нить, передающую световые сигналы на значительные дистанции. Эта базовая технология обеспечивает работу интернета, телевидения и защищенных коммуникаций. Волокна, предназначенные для инфракрасного спектра, находят применение в мощных лазерах для сложнейших офтальмологических и нейрохирургических вмешательств. Они обеспечивают точную доставку луча к цели, заменяя громоздкую систему зеркал и повышая безопасность операций. Особенно востребованы волокна для длин волн 9,3 и 10,6 микрометров, широко применяемых в медицине и промышленном секторе.
Материалы и проблемы эффективности
Оптимальными материалами для ИК-волокон считаются стекла из халькогенидов селена и теллура, обладающие высокой пропускной способностью в этом диапазоне. Однако производственный процесс сопровождается образованием микрокристаллов внутри стеклянной заготовки, что вызывает рассеяние света и огромные потери энергии. Для волокон на базе теллурида германия стандартным уровнем потерь были 10 децибел на метр – значение, в 50 000 раз превышающее показатели обычных телекоммуникационных волокон. Лучшие образцы не опускались ниже планки в 3 дБ/м.
Российский прорыв: преодоление барьера
Специалисты Института химии высокочистых веществ имени Г.Г. Девятых РАН (Нижний Новгород) совершили значительный технологический рывок. Им удалось создать уникальное волокно на основе теллурида германия с добавлением иодида серебра, кардинально снизив потери. Достичь этого помогло усовершенствование трех фундаментальных этапов производства.
Триас эффективных усовершенствований
Первым шагом ученые оптимизировали состав стекла, что одновременно повысило его стабильность и снизило температуру формования волокна, минимизировав риск кристаллизации. Во-вторых, был разработан революционный метод глубокой очистки исходных компонентов от вредоносных примесей кислорода и водорода, доведя их концентрацию до практически незаметного уровня менее 0,00001%. В-третьих, вместо классической методики вытягивания исследователи применили новаторскую технологию экструзии – выдавливания расплавленного стекла через малое отверстие на дне сосуда.
Преимущества метода экструзии
Ключевой плюс экструзионной технологии заключается в формировании световода исключительно из внутренней части заготовки. Все возможные дефекты – микротрещины, полости или частички кварца от ампулы – надежно задерживаются в материнском контейнере. Это решение кардинально повысило оптическое качество и светопроводящие характеристики готового волокна.
Феноменальные результаты и рекорд
Итоговый продукт проявил необычайно низкие оптические потери – менее 1 дБ/м в широком ИК-диапазоне от 7,2 до 10,9 микрометров, причем минимальное значение достигло 0,56 дБ/м. Наиболее впечатляющим стал результат на ключевой для медицинской и промышленной сфер длине волны 10,6 мкм – всего 0,79 дБ/м. Этот показатель является абсолютным мировым рекордом для подобных материалов.
Перспективы нового световода
Александр Вельмужов, кандидат химических наук, старший научный сотрудник молодежной лаборатории высокочистых халькогенидных стекол ИХВВ РАН и руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, подчеркивает значимость работы: «Разработанное нами оптоволокно открывает прямую дорогу к практическому применению теллуридных световодов в реальных устройствах ИК-диапазона – от лазерных скальпелей будущего до спектрометров для изучения космоса. Ключевой прорыв – не только рекордный результат по потерям, но и отлаженная методика для дальнейшего совершенствования свойств. Следующий этап – внедрение полученных волокон в конструкции действующих лазерных систем.»
