Введение
1. Общие сведения об инфракрасных кристаллах и фотонных световодах 20
1.1. Обоснование выбора оптических материалов для волоконной оптики среднего инфракрасного диапазона 21
1.2. Кристаллы твёрдых растворов галогенидов металлов (Tl, Ag) 25
1.2.1. Химическая связь в кристаллах галогенидов одновалентного таллия 25
1.2.2. Диаграммы состояния систем TlCl–TlBr и TlBr–TlI 28
1.2.3. Твёрдые растворы галогенидов одновалентного таллия и их физико-химические свойства 31
1.2.4. Кристаллы галогенидов серебра и твердые растворы на их основе 34
1.2.5. Диаграммы состояния и физико-химические свойства систем AgCl – AgBr, AgCl – AgI, AgBr – AgI 37
1.3. Выращивание кристаллов методом Бриджмена-Стокбаргера 39
1.4. Моделирование структуры инфракрасных световодов 46
1.4.1. Вывод фундаментальных характеристик световода [84, 85] 46
1.4.2. Моделирование оптических волокон 49
1.4.3.Структура фотонного кристалла 52
1.4.3.1.Теория фотонных запрещенных зон для одномерного фотонного кристалла 53
1.4.3.2. Двухмерный фотонный кристалл 65
1.4.3.3.Трехмерный фотонный кристалл 71
1.5. Заключение по главе 1 72
2. Методы исследования функциональных свойств кристаллов и ИК-световодов. аппаратурное оформление 74
2.1. Определение примесей, химического состава и структуры кристаллов 74
2.1.1. Рентгенофлуоресцентный метод 74
2.1.2. Атомно-эмиссионная спектроскопия 75
2.1.3. Дифференциально - термический анализ диаграммы фазового состояния систем 76
2.1.4. Рентгеноструктурный анализ твёрдых растворов галогенидов серебра и таллия (I) 78
2.1.5. Сканирующая электронная микроскопия 79
2.1.6. Оптическая микроскопия 79
2.2. Физические свойства кристаллов и световодов 80
2.2.1. Определение спектрального диапазона пропускания ИК-кристаллов 80
2.2.2. Определение дисперсии показателя преломления 81
2.2.2.1. Подготовка образцов 81
2.2.2.2. Схема Майкельсона для He-Ne лазера 83
2.2.2.3. Спектроскопическое определение действительной части показателя преломления 91
2.2.2.4. Определение мнимой части показателя преломления 95
2.2.2.5. UV-NIR спектроскопическое определение показателя преломления на краю поглощения 2.2.3. Определение фотостойкости 98
2.2.4. Определение пропускания ИК световодов 99
2.2.5. Метод отрезков при определении оптических потерь в ИК световодах 102
2.2.6. Исследование пространственного распределения мод, вытекающих из ИК-световодов 103
2.2.7. Определение спектров люминесценции волоконных сцинтилляторов 105
2.2.8. Исследование механических свойств кристаллов и ИК-световодов 106
2.2.9. Исследование радиационной стойкости ИК световодов 107
2.3. Заключение и выводы по главе 2 110
3. Кристаллы твёрдых растворов галогенидов металлов (Ag, Tl) 112
3.1. Исследование фазовых диаграмм новых систем AgBr – TlI и AgBr – (TlBr0,46I0,54) 113
3.2. Гидрохимический синтез шихты для выращивания кристаллов 119
3.2.1. Обоснование процесса растворимости галогенидов серебра в воде 121
3.2.2. Исследование растворимости галогенидов таллия (I) и серебра в водных растворах галогенводородных кислот 128
3.3. Выращивание кристаллов 132
3.3.1. Рост кристаллов на установке ПКБ-01 132
3.3.2. Химико-механическая обработка кристаллов 138
3.4. Физико-химические свойства ИК-кристаллов 140
3.4.1. Спектральное пропускание 140
3.4.2. Дисперсия показателя преломления 150
3.4.2.1. Результаты измерения показателя преломления на = 632,8 нм 150
3.4.2.2. Результаты измерения показателя преломления на длине волны 10.6 мкм 152
3.4.2.3. Модели расчета показателя преломления на краю поглощения 153
3.4.2.4. Дисперсия показателя преломления кристаллов систем AgCl1-xBrx (0 x 1) и Ag1-xTlxBr1-xIx (0 x 0,05) 157
3.4.2.5. Дисперсия мнимой части показателя преломления. Показатель поглощения. Отражение Френеля 160
3.4.2.6. Дисперсия показателя преломления кристаллов системы AgBr – (TlBr0.46I0.54) 165
3.4.3. Определение фотостойкости кристаллов 169
3.4.4. Исследование зависимости влияния состава кристаллов на коэффициент Пуассона, модуль Юнга и модуль сдвига 181
3.5. Заключение и выводы по главе 3 181
4. Моделирование фотонной структуры и модового состава ИК волоконных световодов 184
4.1. Методика Source-Model Technique для анализа жестко связанных мод в фотонно кристаллическом волокне 184
4.1.1. Геометрия диэлектрического волокна 188
4.1.2. Задачи метода Source – Model Technique 189
4.1.3. Фотонно-кристаллические ИК-световоды (PCF) с полой сердцевиной 192
4.1.4. Выбор меры точности 201
4.2. Моделирование ИК-световодов на основе кристаллов систем AgCl – AgBr, AgBr – TlI 201
4.2.1. Выбор профиля волокна 202
4.2.2. Результаты моделирования модового состава и критерии отбора 209
4.2.3. Моделирование фотонной структуры световодов с увеличенным диаметром поля моды на основе кристаллов систем AgBr – TlI, AgBr – AgCl 219
4.2.4. Корректировка радиуса поля фундаментальной моды 222
4.2.5. V-параметр 225
4.3. Заключения и выводы по главе 4 229
5. Получение фотонно – кристаллических ИК – световодов методом экструзии 233
5.1. Описание схемы экструзии 233
5.1.1. Экструзия световодов методикой «stack-and-draw» 234
5.1.2. Экструзия преформы-«поленницы» комбинированием методик «stack-and-draw» и «rod-inube» 237
5.2. Экструзия волокна 239
5.2.1. Этап 1 – экструзия заготовки для материала матрицы 239
5.2.2. Этап 2 – экструзия заготовки для материала вставок 241
5.2.3. Этап 3 – подготовка трубки для сложной преформы 242
3.2.1. Этап 4 – перетягивание простой преформы методом rod-inube 243
5.2.1. Этап 5 – перетягивание составной преформы методом «rod-inube» со «штабиком-поленницей» 244
5.2.2. Этап 6 – получение микроструктурированного волокна 245
5.3. Поддержание продольной однородности микростуктуры 246
5.3.1. Контроль диаметра элементов микроструктуры 247
5.3.2. Нивелирование конусности экструзии и доработка алгоритма 250
Заключение и выводы по главе 5 256
6. Исследование функциональных свойств новых фотонно кристаллических световодов для среднего ИК диапазона спектра 257
6.1. Спектральный диапазон прозрачности ИК световодов 257
6.2. Оптические потери, плотность мощности передаваемого ИК излучения, влияние радиуса изгиба на оптические потери 264
6.3. Исследование пространственного распределения мод, вытекающих из ИК – световодов в дальнем поле 268
6.3.1. Одномодовые фотонно-кристаллические ИК световоды 269
6.3.2. Профилирование торцов и боковой поверхности ИК световодов 274
6.4. Исследование люминесцентных свойств волоконных сцинтилляторов 280
6.5. Исследование радиационной стойкости ИК световодов 283
6.6. Исследование механических свойств ИК световодов 290
Заключение и выводы по главе 6 294
7. Области применения кристаллов и ИК световодов 297
7.1. Зондовая ИК-Фурье спектрометрия 298
7.1.1. Анализ ванн электролитов золочения 304
7.1.2. Спектрометрический метод в криминалистике с применением волоконного зонда 306
7.1.3. Анализ водных растворов метанола 310
3 7.2. Изготовление оптических изделий 314
7.3. Регистрация ионизирующих излучений 316
7.4. Лазерная медицина 319
7.5. Низкотемпературная ИК пирометрия 323
7.5.1. Передача теплового изображения через оптическую волоконную сборку 323
7.5.2. Контроль термического состояния лопаток газотурбинных установок 326
7.6. Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия для биологических исследований 328
Заключение и выводы по главе 7 331
Заключение 334
Список литературы 339
Приложение 1 Кристаллы, выращенные на установке ПКБ - 01 .363
Приложение 2 Результаты моделирования модового состава ИК световодов .367
Приложение 3 Технологические схемы получения и очистки сырья для производства кристаллов галогенидов металлов .394
Приложение 4 Акты внедрения результатов докторской диссертационной работы .395
Приложение 5 Договора о выполнении научно-исследовательских работ .400
Приложение 6 Паспорта продукции ИВЦ «ЦИВТ» ХТИ УрФУ 423
