Классификация оптических материалов. Волокно с диаметром меньше длины волны
Оптическое волокно — это диэлектрическая направляющая среда, которая предназначена для канализации электромагнитных волн инфракрасного и оптического диапазонов.
Оптическое волокно может использоваться для организации волоконно-оптической связи в телекоммуникационных сетях самых разных уровней - от домашних компьютерных сетей до межконтинентальных магистралей. Это обусловлено тем, что оптическое волокно способно обеспечивать высокий уровень защиты от несанкционированного доступа, низкое затухание сигнала при передаче данных на значительное расстояние, а также предоставляет возможность оперировать высокими скоростями передачи и пропускной способностью. Оптическое волокно может быть использовано в качестве датчика для измерения таких величин, как давление, напряжение, температура и т.п. Оно используется в гидрофонах в гидролокационных или сейсмических устройствах. Волоконно-оптические датчики для измерения давления и температуры широко применяются в нефтегазовой отрасли, для измерения данных величин в добывающих и разведывательных скважинах. Современные сенсоры, изготовленные из полимерных оптических волокон используются для детектирования аммония в водной среде. Оптическое волокно может использоваться для организации системы освещения, так же оно применяется в качестве световода в медицинских целях. Еще одно применение оптического волокна — формирование изображения.
Оптические материалы предназначены для преобразования или передачи света на различных участках спектрального диапазона. Они делятся на:
- Пассивные.
- Активные.
Пассивные оптические материалы подразделяются на материалы для передачи световых потоков (энергия и изображения) и материалы для формирования изображения (материалы линзовой оптики), которые могут быть стеклообразными, кристаллическими и стеклокристаллическими. Активные оптические материалы делятся на материалы для управления световыми потоками (нелинейные, электро-и магнитооптические, фото-и электрохромные) и материалы, предназначенные для генерации светового потока (лазерные). Активные материалы могут быть стеклообразными, стеклокристаллическими и кристаллическими.
Субдлинноволновое волокно — это участок оптического волокна, диаметр которого меньше, чем длина волны света, проходящего через него.
Данный участок волокна получается в результате нагрева и вытягивания обычного телекоммуникационного волокна. Диаметр волокна может уменьшаться в сотни раз, из-за чего основной световод исчезает, а оболочка выполняет функции волновода. На таком участке значительная часть света распространяется вне пределах волокна. В настоящее время основная область использования субдлинноволнового волокна — исследовательская (в качестве датчиков, манипулирования и захвата атомов, а также в спектроскопии).
Кварцевые нановолокна
В настоящее время нановолокна используются для изготовления чашек и тарелок, бумаги для военного обмундирования (в качестве огнеупорного материала), фильтрации жидкости, дозирования лекарств, разложения опасных веществ, в качестве органического источника света (шириной 200 нанометров), волокна для авиастроения, а также в качестве сорбента водорода и химического сенсора.
Основной формой нановолокна является нанонить, представляющая собой нановолокно, длина которого не превышает 100 микрометров (микрон), диаметр может составлять от 40 до 500 нанометров. Самой распространенной нанонитью является полупроводниковая кварцевая нанонить, для ввода света, в которой используется нанонити из кварца, получаемые в результате оттягивания обычного оптического кварцевого волокна, длина которого составляет несколько десятков миллиметров.
Кварцевые нанонити широко используются при изготовлении трехмерных предметов широкой функциональности, точечных источников излучения, химических сенсоров, активных компонентов электронных приборов и при изготовлении наноразмерных оптоэлектронных и электронных устройств (полевые транзисторы, волноводы оптических мод, наногенераторы и т.п.).
Кварцевые нанонити субмикронного диаметра с небольшими световыми потерями могут изготавливаться традиционным способом - на специальной установке для вытягивания волокон, которая состоит из водородной регулируемой горелки, а также двух управляемых линейных платформ при помощи вытягивания волокон и закрепления одного конца нити к стандартному волокну. В данном случае основными параметрами для осуществления процесса являются:
- Скорость вытягивания.
- Ускорение.
- Напряжение волокна.
- Положение пламени горелки.
Прецизионное и контролируемое выращивание кварцевых нанонитей заключается в следующем: получение нановолокна из кремния с прецизионно контролируемыми и заранее установленными параметрами; оттягивание за конус обычного оптоволокна из кварца (длиной несколько десятков миллиметров); локальное создание нанонитей необходимой длины; направленный рост нанонитей под определенным углом.
