Фторидное стекло — это класс неоксидных оптических стекол, состоящих из фторидов различных металлов. Они могут содержать тяжелые металлы, такие как цирконий , или сочетаться с более легкими элементами, такими как алюминий и бериллий . Эти более тяжелые элементы заставляют стекло иметь диапазон прозрачности, расширенный до инфракрасной длины волны. [1]
Таким образом, цель для стекол на основе фторида тяжелых металлов (HMFG) заключается в создании оптоволоконных систем связи со сверхнизкими потерями для коммерческих и оборонных приложений, а также объемных компонентов, которые могут использоваться в инвазивном медицинском лечении. Однако более тяжелые элементы также приводят к тому, что стекло имеет низкую вязкость и делает его уязвимым к кристаллизации во время стеклования или обработки. Это делает стекло более хрупким и имеет плохую устойчивость к влаге и воздействию окружающей среды. [2]
Лучшим свойством фторидных стекол является то, что у них отсутствует полоса поглощения, связанная с гидроксильной (-ОН) группой (3,2–3,6 мкм), которая присутствует почти во всех стеклах на основе оксидов. [3]
Оптические свойства фторидного волокна могут быть определены внутренними и внешними источниками потерь. Существует три источника внутренних потерь для фторидного стекла: край поглощения УФ-излучения , рэлеевское рассеяние и многофононное поглощение. [1]
На коротких длинах волн в пределах УФ и видимого спектра, УФ-край поглощения является доминирующим эффектом. УФ-край поглощения возникает, когда длина волны энергии совпадает с электронным переходом или потенциалом ионизации и поглощается материалом, когда электрон выбрасывается в другое квантовое состояние. Однако это поглощение происходит только на коротких длинах волн и быстро уменьшается с увеличением длины волны. [2]
В видимом и ближнем инфракрасном диапазонах света рэлеевское рассеяние является доминирующим эффектом. Рэлеевское рассеяние — это дисперсия или упругое рассеяние частиц, намного меньших длины волны энергии. Это причина того, что небо голубое, поскольку свет от солнца рассеивается молекулами в воздухе. [4] Поскольку стекло является аморфным твердым телом и имеет незначительные изменения плотности поперек волокна, происходит рэлеевское рассеяние, и энергия рассеивается. Однако рэлеевское рассеяние масштабируется обратно пропорционально длине волны, поэтому с увеличением длины волны рэлеевское рассеяние уменьшается. [5]
По сравнению с кварцевым стеклом , фторидные стекла подвергаются многофононному рассеянию на более длинных волнах, поэтому они остаются прозрачными в инфракрасном спектре. Именно здесь создаются множественные фононы с поглощением и соединением одного фонона. Это важно, особенно в стекле, поскольку соседние ионы, вибрирующие друг против друга в фазе, могут вызывать многофононное рассеяние. Поскольку фторидные стекла имеют более тяжелые ионы, чем их кварцевые аналоги, существуют более низкие частоты колебаний, которые соответствуют более длинному краю поглощения инфракрасного диапазона. [6] [7]
Внешние источники потерь в основном связаны с рассеянием кристаллитов и поглощением примесей. Основным внешним источником потерь является рассеяние кристаллитов. Рассеивание кристаллитов является результатом направленного упорядочения набора атомов, которые по-разному отражают и поглощают длины волн энергии. Поскольку флюоритовые стекла имеют тенденцию очень легко расстекловываться , может быть трудно избежать кристаллизации во время обработки. Поглощение примесей возникает из-за множества переходов и некоторых редкоземельных элементов, которые могут содержаться в стекле. Поскольку эти элементы поглощают в среднем инфракрасном диапазоне, уровни загрязнения должны быть менее 1 ppb, чтобы внешние потери были меньше внутренних потерь.
Примером стекла на основе фторида тяжелого металла является группа стекол ZBLAN , состоящая из фторидов циркония, бария, лантана, алюминия и натрия. Основное технологическое применение этих материалов — оптические волноводы в плоской и волоконной форме. Они особенно выгодны в среднем инфракрасном диапазоне (2000-5000 нм). [8]
Первым шагом в синтезе фторидного стекла является подготовка партии. Наиболее важными критериями этого шага являются требования к чистоте, которые являются специфическими для желаемого катиона. В целом, допускается наличие многих различных диамагнитных катионов, поэтому следует контролировать оптически поглощающие примеси и анионные примеси, такие как нитраты , карбонаты и сульфаты . Одной из основных примесей, которой следует избегать, является вода. Анионные примеси и вода могут вызывать возникновение анионного кислорода в конечном продукте. Чтобы избежать этого, каждый отдельный материал следует дегидратировать или нагревать, чтобы предотвратить загрязнение водой во время синтеза. [1] [9]
После смешивания исходных материалов, партия нагревается до температуры плавления в тигле . Это сырое стекло часто имеет высокие расстеклованные области, когда стекло высушивается в тигле. Это регулируется с помощью процесса осветления, который нагревает расплав выше температуры ликвидуса . По мере увеличения тепла вязкость уменьшается, и расплав становится гомогенизированным без перемешивания, а дефекты удаляются. [9]
В результате получается однородное , прозрачное стекло после охлаждения. Существует много методов охлаждения, но классический метод включает охлаждение до температуры чуть выше ликвидуса, а затем плавление в отливку и закалку. При использовании формы может быть неравномерное охлаждение в зависимости от формы и веса формы. Этот метод литья быстрый, гибкий и может создавать множество различных форм и размеров. Однако он ограничен, поскольку он подвергает стекло воздействию атмосферных загрязнений. В верхней части формы могут все еще присутствовать микрокристаллические фазы из-за конденсатов. Кроме того, пузырьки могут не достигать поверхности, поскольку стекло заморожено в форме. Другой метод охлаждения — метод формы-тигля, когда образец охлаждается внутри тигля, в котором он был расплавлен. Это означает, что нет воздействия атмосферы или внешнего загрязнения, но полученное стекло ограничено формой тигля. Последний метод охлаждения — быстрая закалка, и он предназначен для менее стабильных стекол. [1]
Основная цель исследований и разработок фторидного стекла — это система оптоволоконной связи с ультранизкими потерями. Поскольку волокна фторидного стекла прозрачны в инфракрасном диапазоне, они могут передавать длины волн энергии на большую площадь.
Второстепенной целью фторидных стекол является инфракрасная передача оптических волокон и объемных компонентов в медицинской сфере. Фторидные оптические волокна могут передавать лазерный луч в тело во время хирургических операций для менее инвазивных процедур. Их также можно использовать в качестве газовых или жидких датчиков внутри тела, помещая свет, произведенный через волокно с помощью лазера или светодиода, на одну сторону волокна и обнаруживая изменение на другой. Кроме того, это позволяет обнаруживать молекулы с полосами поглощения в инфракрасном диапазоне с помощью инфракрасной спектроскопии. [2] [10]