научная статья по теме ГРАНИЦЫ ВЛИЯНИЯ ГЕТЕРОФАЗНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ НА ОПТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ВЫСОКОЧИСТЫХ МАТЕРИАЛАХ ДЛЯ ИК-ОПТИКИ Химия

Текст научной статьи на тему «ГРАНИЦЫ ВЛИЯНИЯ ГЕТЕРОФАЗНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ НА ОПТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ВЫСОКОЧИСТЫХ МАТЕРИАЛАХ ДЛЯ ИК-ОПТИКИ»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2007, том 43, № 3, с. 275-280

УДК 535.434

ГРАНИЦЫ ВЛИЯНИЯ ГЕТЕРОФАЗНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ НА ОПТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ВЫСОКОЧИСТЫХ МАТЕРИАЛАХ ДЛЯ ИК-ОПТИКИ

© 2007 г. Е. М. Гаврищук, Л. А. Кеткова, О. П. Лазукина, М. Ф. Чурбанов

Институт химии высокочистых веществ Российской академии наук, Нижний Новгород Поступила в редакцию 04.08.2006 г.

На примере перспективных материалов для ИК-оптики - вольфрам-теллуритного стекла и высокочистого сульфида цинка - предложены методы оценки границ чувствительности оптических потерь к присутствию в материале гетерофазных примесных и фазовых включений различных химической природы и размера. Рассчитаны объемное содержание дисперсной фазы и концентрация включений, при которых их вклад в оптические потери в материале ниже заданного уровня.

ВВЕДЕНИЕ

Спектр полных оптических потерь принадлежит к числу основных характеристик высокочистых оптических материалов. Существенный интерес представляет выделение вклада оптических потерь, обусловленных присутствием в материале примесей в гомогенной (растворенные и встроенные в сетку стекла или кристалла) и гетерогенной (примесные и фазовые включения) формах.

Степень влияния примесей, присутствующих в гомогенной форме, определяется их природой и концентрацией и, как правило, проявляется в виде селективных потерь на поглощение. В случае гетерофазных включений необходимо учитывать дополнительный параметр, влияющий на оптические потери, - их размер. Таким образом, оптические потери зависят от природы включений, их концентрации и размера. Характер проявления размерного параметра в спектральных зависимостях оптических потерь, обусловленных гетерофаз-ными включениями в материале, многообразен: от селективного поглощения (монодисперсные поглощающие включения) и релеевских потерь на рассеяние до так называемых серых потерь, не зависящих от длины волны.

Вопрос о чувствительности того или иного свойства материала к присутствию примесей в гомогенной и гетерогенной формах относится к числу ключевых при выборе методов получения, анализа и области применения чистого оптического материала.

При исследовании влияния молекулярных примесей на оптические потери экспериментально определяют коэффициенты экстинции примесей и рассчитывают их содержание, соответствующее уровню потерь, приемлемому для той или иной области применения.

Граница примесной чувствительности оптических потерь материала к присутствию гетерофазных включений может быть оценена (рассчитана) априорно, без привлечения экспериментальных данных. При невысоком содержании включений в высокочистом материале базой служит теория однократного рассеяния Ми [1, 2] для сферических включений или метод Т-матриц [3, 4] для включений иной формы.

Впервые теоретический анализ влияния включений на оптические потери проведен в [5], где рассчитывалось сечение поглощения металлических и диэлектрических включений в материалах для ИК-оптики. Из-за вычислительных трудностей авторы рассмотрели лишь некоторые предельные случаи. После разработки надежных алгоритмов расчеты по общей теории Ми стали широко использоваться для моделирования оптических спектров дисперсных систем [6-8].

Цель данной работы - на примере перспективных ИК-материалов (стекла состава 80%Те02 + + 20%WO3 и развить методологию оценки границ примесной чувствительности оптических потерь к присутствию в материале гетерофазных примесных и фазовых включений различных химической природы и размера.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Высокочистые теллуритные стекла и поликристаллические халькогениды цинка являются перспективными материалами для ИК-оптики [9, 10]. Предполагаемые границы окна прозрачности стекол на основе диоксида теллура зависят от состава и находятся в пределах от 0.3-0.4 до 5-7 мкм, область пропускания сульфида цинка - 0.4-16 мкм. Эти материалы имеют высокие показатели пре-

275

2*

Предельно допустимое объемное содержание включений (У0), соответствующее уровню оптических потерь Уо = 20 дБ/км (стекло состава 80%Те02 + 20%^03) и у0 = 10-3 см-1 (a-ZnS)

Включения ^0, рр^

X > 0.5 мкм X > 2 мкм

Группа

Метод определения содержания примеси или фазы (предел обнаружения, рр^)

Стекло состава 80%Те02 + 20%^03 [11]

I Р1 [12] 0.04 0.3 Атомно-эмиссионный с концентрированием (~5) Масс-спектральный (~100)

Те [12] 0.06 0.1 -

II БЮ2 [12] 0.6 2.5 Бьпрямой атомно-эмиссионный (~103) Бьмасс-спектральный (~п х 100)

Пузырьки (пр = 1) 0.4 2 Порометрия (~п х 106)

III Парателлурит [12] 3 13 Рентгенофазовый (~п х 106)

а-гиБ [12]

I ги [12, 14] 0.3 50 -

II Поры (пр = 1) 8 40 Порометрия (~п х 106)

III Вюртцит (Пр = Па-гиБ + 0.1) 60 2500 Рентгенофазовый (~п х 106)

ломления в области прозрачности: 1.8-2.3 у тел-луритных стекол [11], 2.1-2.5 у гиБ [12].

В данной работе оптические потери на включениях рассчитывали для стекла состава 80%Те02 + + 20%W03 и гиБ. Полагалось, что включения сферические и изотропные. Полученные оценки и выводы практически применимы для теллурит-ных стекол других составов и других халькогени-дов цинка.

В качестве величин, определяющих границы влияния включений на спектр оптических потерь, удобно рассматривать предельные значения объемного содержания дисперсной фазы либо концентрации включений. Оценить эти величины можно из расчета зависимости коэффициента экс-тинкции (ур) как функции размера включений (ё) и длины волны падающего излучения (X):

у р (¿Л) =

п¿2бех1 (ё, X, пт, Пр)N

3 2ехг(X , Пт, Пр) V 2 ё "

(1)

ка) с учетом дисперсии показателя преломления материала включений и матрицы (ссылки на источники данных о дисперсии указаны в таблице). Присутствие включений платины в теллуритном стекле связано со способом его получения (плавкой в платиновом тигле). Для поликристаллического сульфида цинка, получаемого СУС-мето-дом, характерна структура сфалерита (а-гиБ), однако нельзя исключить присутствия в материале включений вюртцитной фазы ф-гиБ) либо иных политипных форм.

На рис. 1 представлен пример расчета зависимости объемного коэффициента экстинкции от размера включений при двух длинах волн падающего излучения.

Предельное объемное содержание включений данного размера (^ах(ё)), при котором в высокочистом материале достигается допустимый уровень потерь у0(Х) (хотя бы на отдельных участках спектра), находится из решения системы неравенств

Здесь ур - коэффициент экстинкции на включениях в законе Бугера-Ламберта-Бера; Qext(d, X, пт, пр) -фактор эффективности экстинкции, численно рассчитываемый по алгоритмам теории Ми [1, 2] (пт и пр - показатели преломления материала среды и включений); N и V - концентрация включений и их объемная доля соответственно.

Расчет ур проводили для включений различной природы (см. таблицу) в интервале размеров от 10 нм до 10 мкм и длин волн 0.4-5 мкм (вольфрам-теллуритное стекло) и 0.4-10 мкм (сульфид цин-

о(Х)

таХ " 3 Qe

*(X)'

(2)

которое может быть получено, например, графически. Соответственно предельная концентрация включений находится как ^ах = где V -

объем отдельного включения. При V < ^ах(ё) и N < ^ах(ё) вклад включений размера ё в оптические потери будет ниже допустимого уровня у0(Х) на любом участке спектра.

Допустимый уровень оптических потерь обусловлен областью практического применения материала. Для высокочистого сульфида цинка, исполь-

ГРАНИЦЫ ВЛИЯНИЯ ГЕТЕРОФАЗНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ

277

зуемого для изготовления оптических элементов, достаточно значение у0 — 10-3 см-1. Для теллуритно-го стекла, используемого для изготовления волоконных световодов, за приемлемый уровень можно принять у0 — 4.6 х 10-5 см-1 (20 дБ/км).

На рис. 2 приведены предельные кривые Vmax(d) и Nmax(d) для включений различной природы в вольфрам-теллуритном стекле и сульфиде цинка при постоянном уровне потерь Y0(A) = Y0 = const во всем окне прозрачности материала.

Для теллуритных стекол интересен расчет границ примесной чувствительности оптических потерь: Vmax(d) и Nmax(d), при которых вклад гете-рофазных включений в оптические потери сопоставим с предполагаемым уровнем собственных (фундаментальных) потерь материала f А), теоретически оцененным в [9]. Прогнозируемый минимум потерь составляет ~4 х 10-3 Дб/км (при А — 3 мкм). Решение (2) при у0(А) = f А) приведено на рис. 3.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Рис. 1 иллюстрирует уменьшение влияния включений на оптические потери в вольфрам-теллурит-ном стекле в ряду платина —► пузырьки —► па-рателлурит. Аналогично для сульфида цинка влияние включений снижается в ряду цинк —► поры —► вюртцит. Поэтому по степени влияния включения можно разбить на три группы: поглощающие (I), рассеивающие (II) и слабо рассеивающие ("мягкие") с |np - nm| < 0.1 (III).

Имеет место экстремальный характер полученных зависимостей (проявление размерного эффекта): при одинаковом объемном содержании дисперсной фазы V существует характерный размер включений d* для каждой длины волны, дающих максимальный вклад в оптические потери. Экс-тинкция на включениях с размерами d < d* и d > d* существенно меньше, чем в промежуточной области d ~ d*. Поэтому влияние гетерогенной составляющей на оптические потери может быть ослаблено уменьшением либо увеличением размеров включений в процессе дополнительной обработки материала. Рис. 16 дает представление о влиянии природы включений на величину d* и его зависимость от длины волны. Так, в видимой области для поглощающих включений платины величина d* составляет десятки нанометров, для рассеивающих пузырьков и диоксида кремния d* ~ 0.1-0.3 мкм, для "мягкого" парателлурита d* лежит в области микрометров.

Как следует из рис. 2 и 3, предельное объемное содержание включений в зависимости от их размера и химической природы меняется в пределах трех-четырех порядков, и зависимости Vmax(d) также имеют экстремальный характер. Особенно сильно влияние поглощающих включений (платины, теллура, цинка). Так, присутствие коллоидной

Yp/ V, дБ/(км ppbv)

20

15

10

10-

d*, мкм 101 г

10-1 d*

101

d, мкм

10°

10-

10-

(б)

5

А, мкм

Рис. 1. Зависимости объемного коэффициента экс-тинкции от размера включений в стекле состава 80%Те02 + 20%WOз: 1 - включения платины (уменьшено в

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»