ოპტიკურ-ბოჭკოვანი მასალების შთანთქმის დანაკარგის დეტალური ახსნა

ოპტიკური ბოჭკოების დასამზადებლად გამოყენებულ მასალას შეუძლია სინათლის ენერგიის შთანთქმა. მას შემდეგ, რაც ოპტიკურ-ბოჭკოვანი მასალების ნაწილაკები სინათლის ენერგიას შთანთქავენ, ისინი წარმოქმნიან ვიბრაციას და სითბოს და ფანტავენ ენერგიას, რაც იწვევს შთანთქმის დაკარგვას.ამ სტატიაში გაანალიზდება ოპტიკურ-ბოჭკოვანი მასალების შთანთქმის დანაკარგები.

ჩვენ ვიცით, რომ მატერია შედგება ატომებისა და მოლეკულებისგან, ხოლო ატომები შედგება ატომური ბირთვებისა და ბირთვგარე ელექტრონებისგან, რომლებიც ატომური ბირთვის გარშემო გარკვეულ ორბიტაზე ბრუნავენ. ეს ზუსტად იგივეა, რაც დედამიწა, რომელზეც ჩვენ ვცხოვრობთ, ისევე როგორც პლანეტები, როგორიცაა ვენერა და მარსი, მზის გარშემო ბრუნავენ. თითოეულ ელექტრონს აქვს გარკვეული რაოდენობის ენერგია და იმყოფება გარკვეულ ორბიტაზე, ანუ, სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, თითოეულ ორბიტას აქვს გარკვეული ენერგიის დონე.

ატომის ბირთვთან უფრო ახლოს მდებარე ორბიტალური ენერგიის დონეები უფრო დაბალია, ხოლო ატომის ბირთვიდან უფრო შორს მდებარე ორბიტალური ენერგიის დონეები უფრო მაღალია.ორბიტებს შორის ენერგეტიკული დონეების სხვაობის სიდიდეს ენერგეტიკული დონეების სხვაობა ეწოდება. როდესაც ელექტრონები დაბალი ენერგეტიკული დონიდან მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე გადადიან, მათ შესაბამისი ენერგეტიკული დონის სხვაობის დროს ენერგიის შთანთქმა უწევთ.

ოპტიკურ ბოჭკოებში, როდესაც გარკვეული ენერგეტიკული დონის ელექტრონები დასხივდება ენერგეტიკული დონის სხვაობის შესაბამისი ტალღის სიგრძის სინათლით, დაბალი ენერგიის ორბიტალებზე განლაგებული ელექტრონები გადავლენ უფრო მაღალი ენერგეტიკული დონის მქონე ორბიტალებზე.ეს ელექტრონი შთანთქავს სინათლის ენერგიას, რაც იწვევს სინათლის შთანთქმის დაკარგვას.

ოპტიკური ბოჭკოების წარმოების ძირითადი მასალა, სილიციუმის დიოქსიდი (SiO2), თავად შთანთქავს სინათლეს, ერთს ულტრაიისფერი შთანთქმა ეწოდება, ხოლო მეორეს - ინფრაწითელი შთანთქმა. ამჟამად, ბოჭკოვანი კომუნიკაცია ზოგადად მხოლოდ 0.8-1.6 μm ტალღის სიგრძის დიაპაზონში მუშაობს, ამიტომ დანაკარგებს მხოლოდ ამ სამუშაო არეალში განვიხილავთ.

კვარცის მინაში ელექტრონული გადასვლებით გენერირებული შთანთქმის პიკი ულტრაიისფერ რეგიონში დაახლოებით 0.1-0.2 μm ტალღის სიგრძისაა. ტალღის სიგრძის ზრდასთან ერთად, მისი შთანთქმა თანდათან მცირდება, მაგრამ დაზიანებული არე ფართოა და 1 μm-ზე მეტ ტალღის სიგრძეს აღწევს. თუმცა, ულტრაიისფერი შთანთქმა მცირე გავლენას ახდენს ინფრაწითელ რეგიონში მოქმედ კვარცის ოპტიკურ ბოჭკოებზე. მაგალითად, ხილული სინათლის რეგიონში 0.6 μm ტალღის სიგრძეზე, ულტრაიისფერი შთანთქმის მაჩვენებელმა შეიძლება მიაღწიოს 1dB/კმ-ს, რომელიც 0.8 μm ტალღის სიგრძეზე მცირდება 0.2-0.3dB/კმ-მდე და მხოლოდ დაახლოებით 0.1dB/კმ-მდე 1.2 μm ტალღის სიგრძეზე.

კვარცის ბოჭკოს ინფრაწითელი შთანთქმის დანაკარგი წარმოიქმნება ინფრაწითელ რეგიონში მასალის მოლეკულური ვიბრაციით. 2 μm-ზე მეტი სიხშირის დიაპაზონში ვიბრაციის შთანთქმის რამდენიმე პიკია. ოპტიკურ ბოჭკოებში სხვადასხვა დოპირებული ელემენტების გავლენის გამო, კვარცის ბოჭკოებს 2 μm-ზე მეტი სიხშირის დიაპაზონში დაბალი დანაკარგის ფანჯარა არ აქვთ. 1.85 μm ტალღის სიგრძეზე თეორიული ზღვრული დანაკარგი არის ldB/კმ.კვლევის შედეგად ასევე დადგინდა, რომ კვარცის მინაში არსებობს „დესტრუქციული მოლეკულები“, ძირითადად მავნე გარდამავალი ლითონების მინარევები, როგორიცაა სპილენძი, რკინა, ქრომი, მანგანუმი და ა.შ. ეს „ბოროტმოქმედები“ ხარბად შთანთქავენ სინათლის ენერგიას სინათლის განათების ქვეშ, ხტუნაობენ და ხტუნაობენ, რაც იწვევს სინათლის ენერგიის დაკარგვას. „პრობლემების გამომწვევი“ ნივთიერებების აღმოფხვრამ და ოპტიკური ბოჭკოების დასამზადებლად გამოყენებული მასალების ქიმიურმა გაწმენდამ შეიძლება მნიშვნელოვნად შეამციროს დანაკარგები.

კვარცის ოპტიკურ ბოჭკოებში შთანთქმის კიდევ ერთი წყაროა ჰიდროქსიდის (OH-) ფაზა. დადგინდა, რომ ჰიდროქსიდს ბოჭკოს სამუშაო ზოლში სამი შთანთქმის პიკი აქვს, რომლებიც 0.95 μm, 1.24 μm და 1.38 μm-ია. მათ შორის, 1.38 μm ტალღის სიგრძეზე შთანთქმის დანაკარგი ყველაზე მძიმეა და ყველაზე დიდ გავლენას ახდენს ბოჭკოზე. 1.38 μm ტალღის სიგრძეზე, მხოლოდ 0.0001 შემცველობის ჰიდროქსიდის იონებით წარმოქმნილი შთანთქმის პიკის დანაკარგი 33dB/km-ს აღწევს.

საიდან მოდის ეს ჰიდროქსიდის იონები? ჰიდროქსიდის იონების მრავალი წყარო არსებობს. პირველ რიგში, ოპტიკური ბოჭკოების დასამზადებლად გამოყენებული მასალები შეიცავს ტენიანობას და ჰიდროქსიდის ნაერთებს, რომელთა მოცილება ნედლეულის გაწმენდის პროცესში რთულია და საბოლოოდ ოპტიკურ ბოჭკოებში ჰიდროქსიდის იონების სახით რჩება; მეორეც, ოპტიკური ბოჭკოების წარმოებაში გამოყენებული წყალბადის და ჟანგბადის ნაერთები შეიცავს ტენიანობის მცირე რაოდენობას; მესამე, ოპტიკური ბოჭკოების წარმოების პროცესში ქიმიური რეაქციების გამო წარმოიქმნება წყალი; მეოთხე ის არის, რომ გარე ჰაერის შეღწევა წყლის ორთქლს მოაქვს. თუმცა, წარმოების პროცესი ამჟამად მნიშვნელოვნად განვითარდა და ჰიდროქსიდის იონების შემცველობა საკმარისად დაბალ დონემდე შემცირდა, რომ მისი გავლენა ოპტიკურ ბოჭკოებზე შეიძლება იგნორირებული იყოს.