Тема: ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СБОРКИ НА ОСНОВЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СВЕТОВОДОВ ДЛЯ СРЕДНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
📋 Содержание
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 6
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КРИСТАЛЛАХ, СВЕТОВОДАХ И
УПОРЯДОЧЕННЫХ ВОЛОКОННЫХ СБОРКАХ ДЛЯ СРЕДНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА 15
1.1. Обоснование выбора оптических материалов 15
1.2. Кристаллы твердых растворов галогенидов серебра и таллия (I): диаграммы
состояния, синтез, свойства и применение 18
1.3. Упорядоченные волоконные сборки 24
1.3.1. Волоконные сборки из полых ИК световодов 27
1.3.2. Волоконные сборки из халькогенидных световодов 28
1.3.3. Волоконные' сборки на основе гадоге'нндсе'ре'бряных световодов 31
1.4. Фундаментальные характеристики и принцип действия 39
ИК волоконных сборок 39
1.5. Выбор программного обеспечения для моделирования 44
ИК волоконных сборок 44
1.6. Методы изготовления ИК волоконных сборок: тривиальные' и модифицированные'
50
1.6.1. Метод многостадийной экструзии 50
1.6.2. Метод самосборки из двухфазного расплава 51
1.6.3. Метод капиллярного роста волоконных заготовок 57
1.7. Области применения упорядоченных ИК волоконных сборок 58
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕГУЛЯРНЫХ 60
ИК ВОЛОКОННЫХ СБОРОК 60
2.2. Моделирование регулярных ИК волоконных сборок в программном пакете ЗМТР
61
2.2.1. Фундаментальные основы метода ЯМТР 62
2.3. Моделирование регулярных ИК волоконных сборок в программном пакете
СОМЗОЕ МнШрйузхсз 68
2.3.1. Фундаментальные основы моделирования мод в COMSOL 68
2.3.2. Метод огибающей пучка в COMSOL 69
2.4. Моделирование инфракрасных волоконных сборок, работающих в диапазоне
длин волн 9,2 - 9,4 мкм 72
2.5. Моделирование ИК волоконных сборок, работающих на длине волны 10,6 мкм . 76
2.6. Моделирование ИК волоконных сборок, работающих в диапазоне длин волн 8-14
мкм 76
3. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СБОРОК НА
ОСНОВЕ ГАЛОГЕНИДСЕРЕБРЯНЫХ, В ТОМ ЧИСЛЕ
МОДИФИЦИРОВАННЫХ, СВЕТОВОДОВ 81
3.1. Подготовка сырья для выращивания монокристаллов 82
3.2. Выращивание монокристаллов 84
3.2.1 Основы метода Бриджмена-Стокбаргера 85
3.2.2. Печь конструкции Бриджмена для выращивания кристаллов галогенидов
металлов 85
3.2.3. Режимы роста кристаллов галогенидов металлов 87
3.3. Механическая и химическая обработка кристаллических заготовок 88
3.4. Получение световодов и волоконных сборок методом экструзии 93
3.4.2. Теоретические расчеты процесса экструзии 96
3.4.3. Изготовление механических волоконных сборок на основе однослойных
световодов 97
3.4.4. Изготовление волоконных сборок, представляющих собой массив световодов в
единой матрице 102
ГЛАВА 4. СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ИК СБОРОК 111
4.1. Спектральный диапазон прозрачности ИК сборок 111
4.2. Модовое распределение и оптические потери в ИК сборках 115
4.3. Перекрестные помехи в ИК сборках 119
4.4. Пространственное разрешение ИК сборок 121
4.5. Влияние температуры на передачу ИК излучения по сборкам 123
4.6. Поляризационные свойства ИК световодов 126
4.7. Применение ИК сборок 129
4.7.1 Медицинское использование сборок 130
4.7.2. Промышленное применение ИК сборок 140
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 144
Приложение
📖 Введение
Существует большая потребность в эффективных волоконных сборках, предназначенных для передачи излучения в диапазоне 2 - 50 мкм и
востребованных для применения в промышленной и медицинской термографии, ИК микроскопии и спектроскопии, в качестве канала доставки лазерного излучения, что является весьма актуальной задачей.
Первые работы по волоконным сборкам на основе двуслойных световодов, получаемых методом экструзии из кристаллов системы АдС1 - АдВг, опубликованы профессором Тель-Авивского университета А. Кациром. Сборки прозрачны без окон поглощения в спектральном диапазоне от 2 до 18 мкм, нетоксичны, негигроскопичны, обладают прекрасными механическими свойствами - гибкие и пластичные, но их геометрические параметры хуже, чем для полых и халькогенидных волоконных сборок. Это связано с технологией изготовления сборок методом многостадийной экструзии двуслойных световодов, что приводит к формированию неровной границы раздела «световод-матрица» (матрица образуется за счет оболочек двуслойных световодов). Это, в свою очередь, вызывает ухудшение функциональных характеристик сборок.
В связи с разработкой новых технологий изготовления ИК волоконных сборок на основе галогенидсеребряных, в том числе модифицированных световодов, расчет, моделирование, изготовление и комплексное изучение функциональных свойств (изучение поляризации света, формирование и обработка оптических изображений, детектирование излучения) является актуальной научно-технической задачей, соответствующей паспорту специальности 01.04.05 - Оптика.
Степень разработанности темы исследования. Работа выполнялась согласно: программе развития Уральского федерального университета им. Б.Н. Ельцина на 2010 - 2020 гг. п.п. 2.2.3 - создание и развитие инновационно¬внедренческих центров; Единому государственному заказу по темам: «Создание и изучение свойств новых органических и неорганических материалов на основе монокристаллических, гетероциклических и макроциклических соединений» (№ гос. регистрации Н687.42Б.037/14, Н687.42Б.005/17); Всероссийской программе поддержки коммерчески ориентированных научно-технических проектов молодых ученых У.М.Н.И.К.: 2011 - 2013 гг., проекты № 14151, № 17179 «Моделирование, синтез, изготовление новых кристаллов и ИК-световодов на основе твердых растворов AgBr - (КРС-5)»; Международной программе
мобильности «Erasmus +» 2018 г. (Лимерикский университет, Ирландия).
Профессор д.т.н. Л.В. Жукова стояла у истоков создания
поликристаллической компонентной базы для оптики и фотоники среднего ИК диапазона (2-50 мкм), в то время, как на развитие технологии
поликристаллических световодов большое влияние оказала научные школы академиков Е.М. Дианова и Г.Т. Петровского. Разработка регулярных волоконных сборок на основе галогенидсеребряных световодов (система AgCl - AgBr), помимо научного коллектива инновационно-внедренческого центра «Центр инфракрасных волоконных технологий» (ИВЦ «ЦИВТ») при Уральском Федеральном Университете, проводится двумя научными группами - Тель- Авивского университета под руководством профессора А. Кацира (Израиль) и коллективом компании Art-Photonics под руководством В.Г. Артюшенко (Германия).
Цель работы. Разработка научных основ технологии изготовления волоконно-оптических сборок высокого разрешения на основе галогенидсеребряных, в том числе модифицированных световодов, работающих в среднем инфракрасном диапазоне и исследование их функциональных свойств.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести численное моделирование волоконных сборок для работы в среднем ИК диапазоне спектра с целью выявления и достижения высокого пространственного разрешения и низких перекрестных помех.
2. Разработать технологии изготовления миниатюризированных регулярных ИК волоконных сборок двух типов: с сетчатой укладкой массива световодов в единую матрицу и с гексагональной укладкой механически собранных однослойных световодов минимального диаметра; смоделировать и изготовить ИК волоконные сборки двумя способами.
3. Исследовать функциональные свойства ИК волоконных сборок: диапазон пропускания, оптические потери, включая затухание по длине единичного волокна и потери на изгиб, пространственное разрешение, перекрестные помехи, модовое распределение на длине волны СО2 лазера (10,6 мкм) в дальнем поле, поляризационные свойства, влияние нагрева волоконных сборок на искажение передаваемого сигнала.
4. Экспериментально доказать применимость и востребованность многофункциональных волоконных сборок для использования в промышленной и медицинской ИК-термографии.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые решены задачи:
1. Применяя программные пакеты 8МТР и СОМ8ОБ Мн1йрйуз1сз, реализующие модернизированные методы моментов и конечных элементов, соответственно, проведено численное моделирование структуры, состава и режимов работы в диапазонах длин волн 8 - 14 мкм, 9,2 - 9,4 мкм и 10,6 мкм волоконных сборок на основе световодов, получаемых методом экструзии из кристаллов твердых растворов систем АдС1 - АдВг, АдВг - Т11 и АдВг - (КРС- 5). Установлена взаимосвязь количества единичных волокон в сборке с величиной перекрестных помех.
2. Смоделированы и изготовлены волоконные сборки с гексагональной укладкой механически собранных световодов с рекордно малым диаметром - 110 мкм состава АдС10,25Вг0,75 и длиной 3 м для работы в спектральном диапазоне 2 - 20 мкм. Заявка на изобретение № 2019104278 от 15.02.2019.
3. Смоделированы и изготовлены новые волоконные сборки сетчатой структуры для работы на длине волны 10,6 мкм, состоящие из 49 единичных волокон состава АдС10,5Вг0,5, помещенных в единую матрицу состава АдС10,75Вг0,25 диаметром 1120 мкм.
4. На основании моделирования получен новый класс регулярных ИК волоконных сборок гексагональной структуры при механической сборке однослойных световодов на основе систем АдВг - Т11 и АдВг - (КРС-5), что позволило расширить диапазон пропускания до 25 мкм и создать волоконные сборки, устойчивые к фото- и радиационному излучению. Заявка на изобретение № 2019104333 от 15.02.2019.
5. Исследованы функциональные свойства ИК волоконных сборок: диапазон оптической прозрачности составляет от 2,0 до 20,0 - 25,0 мкм, в зависимости от состава, оптические потери по длине (X = 10,6 мкм) равны 0,4 дБ/м для сборок, полученных механической укладкой, и 5,0 дБ/м для сборок с единой матрицей, перекрестные помехи составляют 5% для сборок с механической укладкой, пространственное разрешение сборок соответствует размеру единичного световода (110 мкм). Обнаружено, что волокна в сборке проявляют поляризационные свойства.
Теоретическая и практическая значимость работы.
1. Теоретически рассчитаны, с помощью специализированных компьютерных программ по моделированию, оптимальные структуры регулярных волоконных сборок, работающих на длинах волн 9,2 - 9,4 мкм, 10,6 мкм и 8 - 14 мкм; достоверность расчетов подтверждена экспериментально.
2. Теоретически найден частный случай зависимости перекрестных помех от количества единичных волокон в сборке с гексагональной укладкой и общей матрицей, для работы в диапазоне длин волн 9,2 - 9,4 мкм;
3. Разработан стенд для измерения оптических потерь, в том числе на изгиб и распределения дальнего поля излучения СО2 лазера (10,6 мкм) прошедшего сборку, а также стенд для измерения перекрестных помех.
4. Впервые изучены поляризационные свойства галогенидсеребряных световодов и волоконных сборок. Установлена линейная зависимость детектируемой температуры от нагрева дистального конца волоконной сборки, исключаемая с помощью соответствующего программно-аппаратного обеспечения.
5. Разработан полный технологический цикл изготовления волоконных
сборок, включающий синтез высокочистой однофазной шихты гидрохимическим методом (термозонной кристаллизации-синтеза),
выращивание монокристаллов (патент РФ №. 2495459), получение заготовок и преформ, экструзия световодов (положительное решение по заявке на патент РФ № 2018112863) и готовых волоконных сборок.
6. Для получения световодов рекордно малого диаметра (100 - 110 мкм) разработана и изготовлена специальная оснастка.
7. Разработано два новых способа изготовления регулярных ИК волоконных сборок сетчатой и гексагональной структуры. Сборки сетчатой структуры получают комбинированным способом, включающим горячее прессование монокристаллических пластин, укладку их в штабель, формирование сложной преформы и экструзию волоконных сборок. Химические составы волокон и матрицы подобраны в соответствии с проведенным моделированием. Способ позволяет достичь четкой границы раздела волокна и матрицы. Второй способ включает гексагональную укладку механически собранных однослойных световодов, отвечающих смоделированным составам систем AgCl - AgBr, AgBr - TlI и AgBr - (КРС-5).
8. Доказана пригодность разрабатываемых многофункциональных волоконных сборок для использования в промышленной и медицинской термографии - произведена апробация новых волоконных сборок в системах данного назначения. Оформлены две заявки на изобретение «способы получения ИК волоконных сборок на основе галогенидсеребряных и модифицированных световодов.
Методология и методы исследования. Численное моделирование волоконных сборок проводили с помощью программной надстройки для MATLAB - SMTP, реализующей модернизированный метод моментов (на основе внеповерхностных интегральных уравнений Максвелла), а также с помощью программного пакета COMSOL Multiphysics, реализующего метод конечных элементов (на основе дифференциальных уравнений Максвелла). Определение спектрального пропускания материалов в ИК области проводили с помощью спектрометра Shimadzu IR Prestige-21. Визуальный контроль качества волоконных сборок проводили с помощью оптической микроскопии на микровизоре LOMO vizo-MET-221. Термограммы были получены с помощью тепловизоров FLIR E30 и TESTO 882. Модовое распределение излучения изучали в дальнем поле СО2 лазера Synrad 48 Series M. Перекрестные помехи регистрировали с помощью CCD камеры Spiricon Pyrocam III. Для изучения энергетических потерь использовали измеритель мощности и энергии лазерного излучения OPHIR Vega. Разработан способ экструзии ИК поликристаллических световодов рекордно малого диаметра.
✅ Заключение
Смоделированы и изготовлены волоконные сборки с улучшенными характеристиками по оптическим потерям и пространственному разрешению - основным показателям производительности волоконных сборок. Исследованы оптические и механические свойства разработанных сборок, позволяющие говорить о применимости данных оптических элементов в различных областях, включая медицину и промышленность. ИК волоконные сборки на основе твердых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия предназначены для ИК- термографии, - спектроскопии, - микроскопии, могут быть использованы в качестве канала доставки лазерного излучения. Применение данных сборок позволит значительно расширить возможности указанных методов. Совокупность полученных результатов, обобщений и выводов диссертационной работы имеет конкретное значение для развития ИК волоконной оптики. Кроме того, в данной научно-квалификационной работе изложены новые научно обоснованные технические, технологические и иные решения и разработки, имеющие существенное значение для развития страны.
Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:
1. Выполнено численное моделирование ИК волоконных сборок на основе поликристаллических галогенидсеребряных световодов, в том числе модифицированных, найдены оптимальные параметры для достижения высокого разрешения и низких перекрестных помех для работы на длинах волн 9,2 - 9,4 мкм, 10,6 мкм, 8 - 14 мкм.
2. Разработаны способы и технологические основы полного цикла изготовления двух типов миниатюризированных регулярных волоконных сборок на основе поликристаллов галогенидов серебра и таллия (I) для работы в среднем инфракрасном диапазоне: массив световодов в единой матрице, полученный комбинированным методом горячего прессования и экструзии; механическая волоконная сборка из однослойных световодов рекордно малого диаметра с гексагональной укладкой;
3. Впервые получены однослойные поликристаллические галогенидсеребряные световоды с диаметром 110 мкм и оптическими потерями 0,4 дБ/м (при X = 10,6 мкм), позволяющие изготавливать из них механические волоконные сборки с улучшенными функциональными свойствами. Таким образом, минимальный диаметр поликристаллического однослойного галогенидсеребряного волокна был снижен в три раза;
4. Впервые созданы поликристаллические ИК волоконные сборки на основе кристаллов твердых растворов систем АдВг - Т11, АдВг - (КРС-5), имеющие более широкий диапазон пропускания (до 25 мкм) и повышенную фото- и радиационную стойкость;
5. Впервые комбинированным способом горячего прессования и экструзии получены волоконные сборки с сетчатой укладкой 7х7 единичных волокон с размером пикселя 90 мкм и оптическими потерями 5 дБ/м на длине волны 10,6 мкм;
6. Исследованы функциональные свойства полученных ИК волоконных сборок: диапазон пропускания, оптические потери, перекрестные помехи, пространственное разрешение, модовое распределение на длине волны СО2 лазера в дальнем поле, влияние нагрева волоконных сборок на искажение передаваемого сигнала, поляризационные свойства. Показана пригодность разрабатываемых волоконных сборок для использования в промышленной и медицинской ИК-термографии.



