Учёные из Института химии высокочистых веществ имени Г. Г. Девятых РАН (ИХВВ РАН, Нижний Новгород) создали оптическое волокно с рекордно низкими потерями энергии. По словам специалистов ИХВВ РАН, потери энергии, влияющие на мощность лазерного излучения, оказались в пять раз меньше предыдущего рекорда.
Новая разработка позволит создавать более мощные и точные лазеры для микрохирургии, а также высокочувствительные сенсоры для мониторинга углекислого газа, метана, аммиака и других веществ в воде и воздухе. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда. Результаты исследования опубликованы в журнале Optics and Laser Technology.
Заготовка для вытяжки оптического волокна из стекла на основе теллурида германия с добавлением иодида серебра
Оптическое волокно — это тонкая стеклянная нить для передачи света на большие расстояния. Используется в интернет-сетях, телевидении и защищённой передаче данных. Инфракрасные волокна применяются в лазерах для офтальмологических и нейрохирургических операций, обеспечивая точность и безопасность благодаря отсутствию зеркал. Наиболее перспективны длины волн 9,3 и 10,6 мкм, применяемые в медицине и промышленности.
Вытяжка оптического волокна из стекла на основе теллурида германия с добавлением йодида серебра
Для волокон подходят стёкла на основе селена и теллура, пропускающие нужный спектр света. Однако внутри стержня образуются микрокристаллики, рассеивающие свет и вызывающие высокие оптические потери. Типичные потери в волокнах на основе теллурида германия составляют около 10 дБ/м, что в 50 тысяч раз выше, чем в стандартном волокне. Рекордные значения не опускаются ниже 3 дБ/м.
Учёные ИХВВ РАН преодолели озвученный барьер и разработали волокно из стекла на основе теллурида германия с добавлением йодида серебра. Чтобы создать такое волокно специалисты усовершенствовали три ключевых этапа производства оптоволокна:
оптимизировали химический состав стекла, что повысило устойчивость волокна и снизило температуру, при которой формируется стеклянная нить. Такая оптимизация уменьшила риск образования кристалликов;
для борьбы с вредными примесями (кислородом и водородом) создали новый метод глубокой очистки веществ, входящих в состав стекла, благодаря чему концентрация этих примесей не превышала 0,00001%;
применили оригинальную технику образования оптического волокна, при которой вещество выдавливают из стеклянного стержня через маленькое отверстие в дне сосуда.
Ключевым преимуществом такого метода перед классическим вытягиванием (когда расплавленное стекло растягивают в нить) учёные называют попадание в волокно только внутренней части исходного стекла, а все дефекты (трещины, полости, частички кварца от ампулы) остаются в сосуде. Метод значительно повысил качество оптоволокна и улучшил его способность проводить свет, отмечают специалисты ИХВВ РАН.
Лабораторная установка для получения стекол на основе теллурида германия с низким содержанием примесей
По результатам проделанной работы, волокно из стекла на основе теллурида германия с добавлением йодида серебра имело оптические потери меньше 1 дБ/м в диапазоне инфракрасного излучения от 7,2 до 10,9 мкм, а минимальные потери составили 0,56 дБ/м. Но главное достижение — потери на длине волны 10,6 мкм, на которой работает самый распространённый в медицине и промышленности лазер, оказались равными 0,79 дБ/м. Исследователи называют на 26 сентября 2025 года такой показатель абсолютным рекордом для таких волокон.
Александр Вельмужов
Руководитель проекта, кандидат химических наук, старший научный сотрудник молодёжной лаборатории высокочистых халькогенидных стёкол Института химии высокочистых веществ имени Г. Г. Девятых РАН
«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 далёких 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».
Источник: habr.com