Введение к работе
Актуальность темы
В последние годы всё большее число исследователей, занимающихся разработкой методов изготовления и изучением свойств волоконных световодов, переключается на новые оптические материалы, позволяющие значительно расширить как спектральный диапазон использования волоконно-оптических устройств, так и создавать на их основе более эффективные и компактные устройства, в частности — волоконные лазеры и усилители, источники широкополосного излучения, датчики различных физических полей и многое другое. Продолжается совершенствование и разработка новых методов изготовления широко используемых в интегральной оптике материалов, таких, например, как кремний и арсенид галлия, а также материалов для окон мощных газовых лазеров — в первую очередь, селенида и сульфида цинка.
Для оценки качества получаемых материалов и перспективности использования новых устройств на их основе необходимы знания многих физико-химических характеристик материалов, в частности спектральной зависимости их коэффициента поглощения и показателя преломления (ПП).
К настоящему времени разработано несколько методик, позволяющих с достаточной точностью измерять коэффициент поглощения твердотельных материалов вплоть до уровня в 1 дБ/км (2.3-106 см"1). Существенно хуже развиты методы прецизионных измерений спектральной зависимости ПП, особенно в среднем ИК диапазоне, для которого имеется сравнительно небольшое количество мощных монохроматических источников и высокочувствительных приёмников излучения. Наиболее часто используемый для прецизионных измерений ПП метод наименьшего отклонения требует изготовления призм довольно больших размеров, достигающих 5-6 см, что не всегда возможно в процессе разработки новых, особенно высокочистых материалов. Кроме того, многие новые материалы имеют ПП,
превышающий 2, что не позволяет использовать хорошо развитые рутинные методики измерения, требующие иммерсирования поверхности исследуемых образцов.
При разработке новых видов как волоконных, так и планарных световодов, особенно микроструктурированных, требуется знание ПП во всей области прозрачности материала с точностью не хуже 1-Ю"3 - 1-Ю"4, что позволяет, в частности, рассчитывать многие дисперсионные характеристики разрабатываемых световодов. Знание значений ПП на различных длинах волн необходимо также для расчета характеристик приборов широкого диапазона применения, включая медицинские системы визуализации, фотографию, производство высококачественных оптических линз для фотолитографии, а также многолинзовых объективов и систем различного функционального назначения. Так, при изготовлении оптических приборов ПП должен быть известен с погрешностью 5-Ю"4, а его дисперсия — до 5-Ю"5. Поэтому в процессе изготовления оптических систем рекомендуется применять методы контроля ПП, обеспечивающие точность (1+2)-10"5, а в ответственных случаях — до 5-Ю"6 (когда нужно выдерживать фокусные параметры системы с точностью до сотых долей процента).
Цели диссертационной работы
-
Разработка и использование прецизионной методики измерения показателя преломления твердотельных материалов в области их высокой прозрачности с точностью 1-Ю'3 — 1-Ю"4 в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах (от 0,8 до 25 мкм); поскольку новые материалы изготавливаются сначала в малых объёмах, методика должна обладать высокой чувствительностью при использовании образцов малой толщины (около 1-2 мм);
-
Измерение ПП как новых материалов, так и уже используемых в волоконной и интегральной оптике, но получаемых в более чистом виде, таких как фосфатные и теллуритные стекла, селенид и сульфид цинка, арсе-
нид галлия, кремний и другие;
3. Измеренные значения ПП необходимо было приблизить плавной аналитической кривой, что позволяет с хорошей степенью точности рассчитывать дисперсию ПП материала, его материальную дисперсию и её наклон, длину волны нулевой материальной дисперсии и многие другие характеристики материалов и устройств на их основе.
Научная новизна работы
-
Проведён анализ влияния различных факторов на измерение интерференционных спектров пропускания высокочистых материалов в области их прозрачности, изготовленных в виде плоскопараллельных пластинок высокого оптического качества. Найдены оптимальные условия измерения спектров с помощью используемого нами фурье-спектрометра для определения спектральной зависимости ПП с точностью не хуже ІЇҐ -10"5. Предложен критерий однозначного определения порядка интерференционных максимумов в спектрах пропускания плоскопараллельных пластин для расчёта спектральной зависимости ПП. При высоком качестве изготовления и однородности образцов методика позволяет определять ПП с точностью 10"4 - 10"5, что, как правило, либо на порядок лучше известных нам литературных данных, либо находится в соответствии с наилучшими измерениями, вьтолненными методом наименьшего отклонения, но дающими гораздо меньший объём данных по спектральной зависимости ПП.
-
Показано, что при наличии в спектре пропускания полос поглощения на уровне 1-КЗО см'1 данная методика позволяет зарегистрировать соответствующие им смещения в ПП на уровне 10"4 - 10"5. Впервые измерено смещение в спектральной зависимости ПП в области слабой линии поглощения интенсивностью 1,7 см"1.
-
Впервые измерены спектральные зависимости ПП ряда фосфатных стёкол с добавкой редкоземельных элементов, теллуритных стёкол систем Te02-W03-La203 и Те02-\УОз-Ьа2Оз-Ві2Оз, монокристаллов моноизотопов
кремния 28Si, 29Si и 30Si, уточнены спектральные зависимости ПП кристаллов GaAs, а также материалов, изготовленных по усовершенствованным методикам, — CVD-ZnS и CVD-ZnSe.
4. Для всех исследованных материалов измеренные значения ПП аппроксимированы функцией Коши. Уточнены спектральные зависимости первой производной ПП и материальной дисперсии, определены значения длины волны нулевой материальной дисперсии, необходимые для расчётов различных оптических характеристик и геометрических параметров проектируемых на их основе волоконных и планарных световодов.
Практическая ценность результатов
-
При высоком качестве изготовления и однородности образцов разработанная методика позволяет определять ПП с точностью 104 - 10"5, при этом не требуя никаких дополнительных измерений другими прецизионными методами.
-
Полученные спектральные зависимости теллуритных стёкол систем Te02-W03-La203 и Te02-W03-La203-Bi203 использованы в расчёте одномо-довых волоконных световодов, перспективных для создания лазеров на вынужденном комбинационном рассеянии, а также микроструктурированных световодов для задач генерации суперконтинуума.
Положения, выносимые на защиту:
-
Разработка прецизионной методики определения спектральной зависимости ПП высокопрозрачных твердотельных материалов в ближнем и среднем ИК диапазонах.
-
Критерий однозначного определения порядка интерференционных максимумов в спектрах пропускания плоскопараллельных пластин для расчёта спектральной зависимости ПП.
-
Спектральные зависимости ПП фосфатных стёкол с добавкой редкоземельных элементов составов 6,25K20-6,25Na20-6,25BaO-6,25CaO-7,81 Yb203-3,13B203-6,25Si02-57,81 Р205, 8Na20-4CaO-l 6Yb203- 12SiOr
8В2Оз-48Р205, 9ЬІ2СОз-4,5АІ4В209-5Н20-5УЬ2Оз-4УЬРз-22ВР04-55,ЗР205 и 17ЬіР-6А!2Оз-]0У(РОз)з-54Р2О5-12В2Оз-1Ві2Оз, высокочистых теллурит-ных стёкол систем Те02-\УОз-Ьа2Оз и Те02-\УОз-Ьа203-Ві2Оз, а также полученных по усовершенствованной методике CVD-ZnS и CVD-ZnSe.
4. Спектральные зависимости ПП монокристаллов высокочистых моноизотопных 28Si, 29Si, 30Si и кремния с природным изотопным составом.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 5 печатных статей в рецензируемых журналах, определяемых ВАК РФ. Список статей приведён в конце автореферата.
Апробация работы
Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, докладывались на научных семинарах НЦВО РАН и НИИЯФ им. Д.В. Скобельцына, на XIII конференции «Высокочистые вещества и материалы. Получение, анализ, применение.» (Н. Новгород, 28-31 мая 2007) и XIV Международной научной конференции «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул» (Звенигород (Ершово), 4-8 октября 2010).
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения, благодарностей и списка цитируемой литературы. Текст иллюстрируют 65 рисунков, 20 таблиц, библиография содержит 84 ссылки. Общий объём диссертации составляет 122 машинописных страницы.
