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, простирающийся до инфракрасной длины волны. [1]
Таким образом, целью создания стекол из фторида тяжелых металлов (HMFG) является создание волоконно -оптических систем связи со сверхнизкими потерями для коммерческих и оборонных применений, а также объемных компонентов, которые можно использовать в инвазивном медицинском лечении. Однако более тяжелые элементы также приводят к снижению вязкости стекла и делают его уязвимым для кристаллизации во время стеклования или обработки. Это делает стекло более хрупким и плохо устойчивым к влаге и воздействиям окружающей среды. [2]
Лучшим свойством фторидных стекол является отсутствие полосы поглощения, связанной с гидроксильной (-OH) группой (3,2–3,6 микрометра), которая присутствует почти во всех стеклах на основе оксидов. [3]
Оптические свойства фторидного волокна могут определяться внутренними и внешними источниками потерь. Существует три источника собственных потерь фторидного стекла: край УФ-поглощения , рэлеевское рассеяние и многофононное поглощение. [1]
На коротких длинах волн в УФ- и видимом спектре преобладающим эффектом является край УФ-поглощения. Край УФ-поглощения возникает, когда длина волны энергии соответствует потенциалу электронного перехода или 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 диапазоне света преобладающим эффектом является рэлеевское рассеяние. Рэлеевское рассеяние — это дисперсия или упругое рассеяние частиц, энергия которых намного меньше длины волны. Именно по этой причине небо голубое, поскольку свет солнца рассеивается молекулами воздуха. [4] Поскольку стекло является аморфным твердым веществом и имеет незначительные изменения плотности поперек волокна, происходит рэлеевское рассеяние и энергия рассеивается. Однако рэлеевское рассеяние 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. Здесь создаются несколько фононов при поглощении и соединении одного фонона. Это важно особенно в стекле, поскольку соседние ионы, колеблющиеся друг против друга в фазе, могут вызвать многофононное рассеяние. Поскольку фторидные стекла имеют более тяжелые ионы, чем их аналог из диоксида кремния, существуют более низкие частоты колебаний, которые соответствуют более длинному краю поглощения инфракрасного излучения. [6] [7]
Внешние источники потерь возникают в основном из-за рассеяния кристаллитов и поглощения примесей. Основным внешним источником потерь является рассеяние кристаллитов. Рассеяние кристаллитов является результатом направленного упорядочения набора атомов, которые по-разному отражают и поглощают длины волн энергии. Поскольку флюоритовые стекла очень легко расстекловываются , избежать кристаллизации во время обработки может быть сложно. Поглощение примесей происходит из-за множества переходов и некоторых редкоземельных элементов, которые могут содержаться в стекле. Поскольку эти элементы поглощают в среднем инфракрасном диапазоне, уровень загрязнения должен быть менее 1 миллиардной доли, чтобы внешние потери были меньше внутренних потерь.
Примером стекла из фторида тяжелых металлов является группа стекол ZBLAN , состоящая из фторидов циркония, бария, лантана, алюминия и натрия. Основное технологическое применение этих материалов — оптические волноводы в планарной и волоконной форме. Они особенно выгодны в среднем инфракрасном диапазоне (2000-5000 нм). [8]
Первым этапом синтеза фторидного стекла является подготовка шихты. Наиболее важными критериями этого этапа являются требования к чистоте, специфичные для желаемого катиона. В общем, можно переносить множество различных диамагнитных катионов, поэтому следует контролировать наличие оптически поглощающих примесей и анионных примесей, таких как нитраты , карбонаты и сульфаты . Одной из основных примесей, которых следует избегать, является вода. Анионные примеси и вода могут вызвать появление анионного кислорода в конечном продукте. Чтобы избежать этого, каждый отдельный материал следует обезвоживать или нагревать, чтобы предотвратить загрязнение воды во время синтеза. [1] [9]
После смешивания исходных материалов шихту нагревают до температуры плавления в тигле . Это необработанное стекло часто имеет большие расстеклованные области, когда стекло высушивается в тигле. Это достигается за счет процесса оклейки, при котором расплав нагревается выше температуры ликвидуса . По мере увеличения нагрева вязкость уменьшается, расплав гомогенизируется без перемешивания и дефекты удаляются. [9]
В результате после охлаждения получается однородное прозрачное стекло. Существует много методов охлаждения, но классический метод включает охлаждение чуть выше температуры ликвидуса, а затем плавление в отливку и закалку. При использовании формы возможно неравномерное охлаждение в зависимости от формы и веса формы. Этот метод литья быстрый, гибкий и позволяет создавать изделия самых разных форм и размеров. Однако его возможности ограничены, поскольку подвергают стекло атмосферному загрязнению. Из-за конденсата в стекле в верхней части формы все еще могут присутствовать микрокристаллические фазы. Кроме того, пузырьки могут не достичь поверхности, поскольку стекло застыло в форме. Другой метод охлаждения — метод «форма-тигель», при котором образец охлаждается внутри тигля, в котором он был расплавлен. Это означает отсутствие воздействия атмосферы или внешнего загрязнения, но полученное стекло ограничено формой тигля. Последний метод охлаждения — быстрая закалка, предназначен для менее стабильных стекол. [1]
Основной целью исследований и разработок фтористого стекла является создание волоконно-оптической системы связи со сверхнизкими потерями. Поскольку волокна фторидного стекла прозрачны в инфракрасном диапазоне, они могут передавать волны энергии на большую площадь.
Вторичная цель фторидных стекол — оптические волокна, передающие инфракрасное излучение, и объемные компоненты в области медицины. Фторсодержащие оптические волокна могут передавать лазерный луч в тело во время операции при менее инвазивных процедурах. Их также можно использовать в качестве датчиков газа или жидкости внутри тела, помещая свет, излучаемый через волокно с помощью лазера или светодиода, на одну сторону волокна и обнаруживая изменения на другой. Кроме того, он позволяет обнаруживать молекулы с полосами поглощения в инфракрасном диапазоне с помощью инфракрасной спектроскопии. [2] [10]