Новое оптоволокно с рекордно низкими потерями энергии улучшит медицинские лазеры

Оптическое волокно — это тонкая стеклянная нить, которая позволяет передавать свет на большие расстояния. Эта технология лежит в основе проводных интернет-сетей, телевидения и каналов защищенной 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 3 децибел на метр.

Ученые из Института химии высокочистых веществ имени Г.Г. Девятых РАН (Нижний Новгород) преодолели этот барьер, создав волокно из стекла на основе теллурида германия с добавлением иодида серебра. Для этого они усовершенствовали три ключевых этапа производства оптоволокна, сообщили в пресс-службе Российского научного фонда.

Во-первых, исследователи 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) ученые разработали новый метод глубокой очистки веществ, входящих в состав стекла, благодаря чему концентрация этих примесей не превышала 0,00001%. В-третьих, ученые 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 распространенный 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 далеких 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», — рассказал руководитель проекта Александр Вельмужов, кандидат химических наук, старший научный сотрудник молодежной лаборатории высокочистых халькогенидных стекол Института химии высокочистых веществ имени Г.Г. Девятых РАН.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Optics and Laser Technology.