ОДНОМОДОВЫЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ИНФРАКРАСНЫЙ СВЕТОВОД

Изобретение относится к одномодовым кристаллическим ИК световодам, которые предназначены для доставки ИК излучения медицинских твердотельных лазеров с параметрическим преобразованием частоты на длине волны 5,75 мкм [Н.А. Калинцева, В.А. Серебряков. Волоконные системы доставки излучения для медицинских лазеров среднего ИК диапазона: требования и параметры. Электронное издание Laser-X-2017-15.pdf. Сборник докладов X Всероссийской школы для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерной технологии. С. 81-87].

В качестве источника ИК излучения вместо твердотельных лазеров можно использовать газовый СО-лазер (5-6 мкм). Селективная полоса поглощения холестериновых эфирных жирных кислот, которые входят в состав атеросклеротических бляшек, находится именно на длине волны 5,75 мкм, при этом сама сосудистая стенка не поглощает. Поэтому появляется возможность своевременно проводить малоинвазивные внутрисосудистые операции (опосредованное лечение и профилактика ишемической болезни сердца) [В.А. Серебряков, Э.В. Бойко, Н.М. Петрищев, А.В. Ян. Медицинское применение лазеров среднего инфракрасного диапазона. Проблемы и перспективы. Оптический журнал. 2010. 77, 1. С. 9-23, S. Suzuki-Yoshihashi, S. Yamada, I. Sato, K. Awazu. A novel laser angioplasty using hollow fiber - guided min infrared laser. Proc. of SPIE. 2006, Vol. 6083. P. 60830I-1].

Известен световод для ИК области спектра [Патент РФ №2174247 от 27.09.01. Световод для инфракрасной области спектра // Жукова Л.В., Зелянский А.В., Жуков В.В., Китаев Г.А.], который состоит из сердцевины на основе твердых растворов AgCl-AgBr-AgI, взятых в определенных соотношениях, и отражающей оболочки на основе твердых растворов системы AgCl-AgBr определенного состава. Но этот двухслойный световод является многомодовым и предназначен для работы на длине волны 10,6 мкм.

Известен ИК световод на основе галогенидов серебра. Сердцевина световода выполнена из бромида серебра, а оболочка - из бромида серебра с включением хлорида серебра. Но волокно смоделировано таким образом, что пропускает 12 мод на длине волны 10,6 мкм, а не одну моду, т.е. является многомодовым [Е. Rave, A. Katzir. Mid-IR photonics crystal fibers. Book of Abstract of 6^th international conference on "Mid-Infrared optoelectronics materials and devices", St. Petersburg, Russia, 2004, P. 57-58].

Известны двуслойные галогенид серебряные световоды с малым диаметром сердцевины, предназначенные для передачи излучения в среднем ИК диапазоне спектра. Однако авторы дают только теоретическую оценку одномодового волокна и не приводят конкретных данных по его получению [Sh. Shalem, A. Katzir. Silver halide Mid-IR transmitting core/clad fibers wish small cores. Mid-IR photonics crystal fibers, Book of Abstract of 6^th international conference on "Mid-Infrared optoelectronics materials and devices", St. Petersburg, Russia, 2004, P. 145-146].

Наиболее близкое техническое решение в качестве прототипа является одномодовый кристаллический инфракрасный световод [Патент РФ №2340921 от 10.12.2008 / Жукова Л.В., Примеров Н.В., Чазов А.И, Корсаков А.С.], выполненный на основе твердых растворов хлорид-бромида серебра. Сердцевина имеет диаметр 20-110 мкм и содержит ингредиенты при следующем соотношении в мас. %: хлорид серебра 19,0-21,0; бромид серебра 81,0-79,0. Оболочка содержит те же ингредиенты при следующем соотношении в мас. %: хлорид серебра 25,0-35,0; бромид серебра 75,0-65,0.

Технически результат - полученные световоды предназначены для работы в широком спектральном диапазоне (3,0-30 мкм).

Но в прототипе приведены примеры ИК световодов для работы на длинах волн 10,6 мкм и 30,0 мкм и указывается, что при смещении рабочей длины волны световода в ИК диапазон (до 30,0 мкм) диаметр сердцевины значительно увеличивается. Таким образом, чем меньше длина волны, тем меньше диаметр сердцевины, а это усложняет введение ИК излучения в световод, приводит к потерям передаваемой энергии, а также затрудняет стыковку световода с оптическими элементами волоконно-оптической системы.

Существует проблема получения оптимальной структуры световода для поддержания одномодового режима на длине волны 5,75 мкм с максимально большим диаметром сердцевины до 50 мкм (диаметр поля моды). ИК световод предназначен для доставки излучения на указанной длине волны медицинских хирургических перестраиваемых лазеров, в частности твердотельных лазеров с параметрическим преобразованием частоты.

Одномодовый кристаллический инфракрасный световод, включающий сердцевину и оболочку, выполненные на основе твердых растворов хлорид-бромид серебра, отличающийся тем, что сердцевина диаметром 48,0-52,0 мкм выполнена с центральным стержнем в ней диаметром 11,0-13,0 мкм, оболочка выполнена наружным диаметром 95,0-105,0 мкм с расположенными в ней в гексагональном порядке шестью стержнями диаметром 11,0-13,0 мкм на расстоянии 30,0-32,0 мкм между их центрами, при этом центральный стержень содержит ингредиенты при следующем соотношении, мас. %:

хлорид серебра 83,0-83,9;

бромид серебра 17,0-16,1,

сердцевина и оболочка выполнены из кристаллов твердых растворов при следующем соотношении компонентов, мас. %:

хлорид серебра 81,3-82,1;

бромид серебра 18,7-17,9,

стержни в оболочке имеют состав при следующем соотношении компонентов, мас. %:

хлорид серебра 79,6-80,4;

бромид серебра 20,4-19,6.

Решена задача по доставке и фокусировке ИК излучения медицинских хирургических лазеров к биообъекту на длине волны 5,75 мкм (ангиопластика) с помощью новой волоконной структуры одномодовых гибких ИК световодов, изготовленных из нетоксичных и пластичных кристаллов твердых растворов системы AgCl-AgBr (см. примеры и чертеж).

Представленный на чертеже световод осуществляет доставку ИК излучения до 50,0% на длине волны 5,75 мкм за счет химического состава и структуры световода с наружным диаметром оболочки D=100,0±5,0 мкм, в которую помещена сердцевина диаметром MFD=50,0±2,0 мкм с центральным стержнем диаметром d=12,0±1,0 мкм и шестью стержнями того же диаметра в оболочке, расположенными в гексагональном порядке на расстоянии между их центрами А=31,0±1,0 мкм.

Использование новых одномодовые световодов решает задачу проведения малоинвазивных внутрисосудистых операций (удаление атеросклеротических бляшек) без повреждения стенки сосуда, т.к. сама сосудистая стенка (ее состав) не поглощает на данной длине волны. Этого невозможно достичь при использовании двуслойного световода представленного в прототипе.

Пример 1.

Изготовлен одномодовый ИК световод методом экструзии наружного диаметра 95,0 мкм и сердцевиной диаметром 48,0 мкм, в которую помещен стержень диаметром 11,0 мкм. В оболочке размещены шесть стержней того же диаметра, расположенные в гексагональном порядке на расстоянии 30,0 мкм между их центрами.

Проведена съемка выходящего излучения из торца световода в дальнем поле мощностью 5 Вт. В качестве источника излучения использован перестраиваемый СО лазер на длине волны 5,75 мкм. Излучение имеет вид гауссовской функции, что подтверждает одномодовый режим работы. Площадь поля моды составляет величину 1805 мкм².

Пример 2.

Методом экструзии изготовлен одномодовый ИК световод. Структура световода состоит из оболочки диаметром 100,0 мкм, в которой размещены стержни диаметром 12,0 мкм в гексагональном порядке на расстоянии 31,0 мкм между их центрами. В оболочке размещена сердцевина диаметром 50,0 мкм с центральным стержнем диаметром 12,0 мкм.

Как в примере 1 проведена съемка выходящего излучения из торца световода и подтвержден одномодовый режим работы на длине волны 5,75 мкм при 1960 мкм² площади поля моды.

Пример 3.

На основе кристаллов системы AgCl-AgBr изготовлен методом экструзии одномодовый ИК световод. Структура световода: центральный стержень диаметром 13,0 мкм, сердцевина диаметром 52,0 мкм, оболочка диаметром 105,0 мкм, стержни в оболочке (d=13,0 мкм) расположены в гексагональном порядке на растоянии 31,0 мкм между их центрами.

В качестве источника излучения на длине волны 5,75 мкм использован СО лазер. Выходящее излучении из торца световода в дальнем поле имеет вид гауссовской функции, что указывает на существование одной фундаментальной моды низшего порядка. Плотность поля моды составляет 2115,0 мкм².

При изготовлении кристаллических ИК световодов не соответствующих составам и структуре, приведенных в примерах, наблюдается многомодовый режим работы.

Технический результат

Схема структуры световода и распределение z-компоненты светового вектора представлены на чертеже. Плотность светового потока S в сердцевине удовлетворяет условию что соответствует диаметру MFD=50,0±2,0 мкм и величине площади поля моды 1960±155 мкм². Определены параметры микроструктуры: диаметр стержней в оболочке и расстояние между их центрами.

Благодаря совокупности отличительных признаков в структуре ИК световода по сравнению с прототипом, а именно наличие центрального дефекта (стержня) с большим показателем преломления (n=2,135), чем материал матрицы (сердцевины и оболочки, n=2,129) и стержней в оболочке с меньшим (n=2,125), чем материал матрицы, получен одномодовый кристаллический ИК световод, применяемый в качестве канала для передачи излучения строго на длине волны 5,75 мкм медицинских лазеров. Кроме того, внешний диаметр ИК световода составляет величину 100,0±5,0 мкм, что расширяет возможности использования в более узких сосудах.