Օպտիկական մանրաթելային նյութերում կլանման կորստի մանրամասն բացատրություն

Օպտիկական մանրաթելեր արտադրելու համար օգտագործվող նյութը կարող է կլանել լույսի էներգիան։ Օպտիկական մանրաթելային նյութերի մասնիկները լույսի էներգիան կլանելուց հետո առաջացնում են տատանումներ և ջերմություն, ապա ցրում են էներգիան, ինչը հանգեցնում է կլանման կորստի։Այս հոդվածում կվերլուծվի օպտիկական մանրաթելային նյութերի կլանման կորուստը։

Մենք գիտենք, որ նյութը կազմված է ատոմներից և մոլեկուլներից, իսկ ատոմները կազմված են ատոմային միջուկներից և արտամիջուկային էլեկտրոններից, որոնք պտտվում են ատոմային միջուկի շուրջը որոշակի ուղեծրով: Սա ճիշտ ինչպես մեր Երկրի վրա ապրող մոլորակները, ինչպես նաև այնպիսի մոլորակներ, ինչպիսիք են Վեներան և Մարսը, բոլորը պտտվում են Արեգակի շուրջը: Յուրաքանչյուր էլեկտրոն ունի որոշակի քանակությամբ էներգիա և գտնվում է որոշակի ուղեծրում, կամ այլ կերպ ասած՝ յուրաքանչյուր ուղեծիր ունի որոշակի էներգիայի մակարդակ:

Ատոմային միջուկին ավելի մոտ գտնվող ուղեծրային էներգիայի մակարդակները ցածր են, մինչդեռ ատոմային միջուկից ավելի հեռու գտնվող ուղեծրային էներգիայի մակարդակները՝ ավելի բարձր։Օրբիտալների միջև էներգիայի մակարդակների տարբերության մեծությունը կոչվում է էներգիայի մակարդակների տարբերություն։ Երբ էլեկտրոնները ցածր էներգիայի մակարդակից անցնում են բարձր էներգիայի մակարդակի, նրանք պետք է կլանեն էներգիա համապատասխան էներգիայի մակարդակի տարբերության դեպքում։

Օպտիկական մանրաթելերում, երբ որոշակի էներգետիկ մակարդակի էլեկտրոնները ճառագայթվում են էներգիայի մակարդակների տարբերությանը համապատասխանող ալիքի երկարության լույսով, ցածր էներգիայի օրբիտալների վրա գտնվող էլեկտրոնները կանցնեն ավելի բարձր էներգետիկ մակարդակ ունեցող օրբիտալների։Այս էլեկտրոնը կլանում է լույսի էներգիան, ինչը հանգեցնում է լույսի կլանման կորստի։

Օպտիկական մանրաթելերի արտադրության հիմնական նյութը՝ սիլիցիումի երկօքսիդը (SiO2), ինքնին կլանում է լույսը, որոնցից մեկը կոչվում է ուլտրամանուշակագույն կլանում, իսկ մյուսը՝ ինֆրակարմիր: Ներկայումս օպտիկամանրաթելային կապը, որպես կանոն, գործում է միայն 0.8-1.6 մկմ ալիքի երկարության տիրույթում, ուստի մենք կքննարկենք միայն այս աշխատանքային ոլորտում կորուստները:

Քվարցե ապակու էլեկտրոնային անցումներից առաջացած կլանման գագաթնակետը ուլտրամանուշակագույն տիրույթում կազմում է մոտ 0.1-0.2 մկմ ալիքի երկարություն: Ալիքի երկարության մեծացմանը զուգընթաց դրա կլանումը աստիճանաբար նվազում է, բայց ազդակիր տարածքը լայն է՝ հասնելով 1 մկմ-ից բարձր ալիքի երկարության: Այնուամենայնիվ, ուլտրամանուշակագույն կլանումը քիչ ազդեցություն ունի ինֆրակարմիր տիրույթում գործող քվարցե օպտիկական մանրաթելերի վրա: Օրինակ՝ տեսանելի լույսի տիրույթում 0.6 մկմ ալիքի երկարության դեպքում ուլտրամանուշակագույն կլանումը կարող է հասնել 1 դԲ/կմ-ի, որը նվազում է մինչև 0.2-0.3 դԲ/կմ 0.8 մկմ ալիքի երկարության դեպքում և ընդամենը մոտ 0.1 դԲ/կմ 1.2 մկմ ալիքի երկարության դեպքում:

Քվարցային մանրաթելի ինֆրակարմիր կլանման կորուստը առաջանում է ինֆրակարմիր տիրույթում գտնվող նյութի մոլեկուլային տատանումների պատճառով: 2 մկմ-ից բարձր հաճախականության տիրույթում կան մի քանի տատանումների կլանման գագաթներ: Օպտիկական մանրաթելերի վրա տարբեր խառնող տարրերի ազդեցության պատճառով քվարցային մանրաթելերի համար անհնար է ունենալ ցածր կորստի պատուհան 2 մկմ-ից բարձր հաճախականության տիրույթում: 1.85 մկմ ալիքի երկարության դեպքում տեսական սահմանային կորուստը ldB/կմ է:Հետազոտությունների միջոցով նաև պարզվել է, որ կան որոշ «քայքայիչ մոլեկուլներ», որոնք խնդիրներ են առաջացնում քվարցային ապակու մեջ, հիմնականում վնասակար անցումային մետաղների խառնուրդներ, ինչպիսիք են պղինձը, երկաթը, քրոմը, մանգանը և այլն: Այս «չարագործները» ագահորեն կլանում են լույսի էներգիան լույսի լույսի ազդեցության տակ, ցատկոտում ու թռչկոտում, ինչը հանգեցնում է լույսի էներգիայի կորստի: «Խնդիրներ առաջացնողների» վերացումը և օպտիկական մանրաթելեր արտադրելու համար օգտագործվող նյութերի քիմիական մաքրումը կարող են զգալիորեն նվազեցնել կորուստները:

Քվարցային օպտիկական մանրաթելերում կլանման մեկ այլ աղբյուր է հիդրօքսիդային (OH-) փուլը: Պարզվել է, որ հիդրօքսիդն ունի մանրաթելի աշխատանքային գոտում երեք կլանման գագաթնակետ՝ 0.95 մկմ, 1.24 մկմ և 1.38 մկմ: Դրանցից 1.38 մկմ ալիքի երկարության դեպքում կլանման կորուստն ամենաուժեղն է և ամենամեծ ազդեցությունն ունի մանրաթելի վրա: 1.38 մկմ ալիքի երկարության դեպքում միայն 0.0001 պարունակությամբ հիդրօքսիդային իոնների կողմից առաջացած կլանման գագաթնակետային կորուստը հասնում է մինչև 33 դԲ/կմ:

Որտեղի՞ց են գալիս այս հիդրօքսիդ իոնները: Հիդրօքսիդ իոնների բազմաթիվ աղբյուրներ կան: Նախ, օպտիկական մանրաթելեր արտադրելու համար օգտագործվող նյութերը պարունակում են խոնավություն և հիդրօքսիդային միացություններ, որոնք դժվար է հեռացնել հումքի մաքրման գործընթացում և, ի վերջո, մնում են օպտիկական մանրաթելերում հիդրօքսիդային իոնների տեսքով։ Երկրորդ, օպտիկական մանրաթելերի արտադրության մեջ օգտագործվող ջրածնի և թթվածնի միացությունները պարունակում են խոնավության փոքր քանակություն։ Երրորդ, օպտիկական մանրաթելերի արտադրության գործընթացում քիմիական ռեակցիաների պատճառով առաջանում է ջուր։ Չորրորդ՝ արտաքին օդի մուտքը ջրային գոլորշի է բերում։ Սակայն, արտադրական գործընթացն այժմ զարգացել է զգալի մակարդակի, և հիդրօքսիդ իոնների պարունակությունը նվազել է մինչև բավականաչափ ցածր մակարդակի, որպեսզի դրա ազդեցությունը օպտիկական մանրաթելերի վրա կարելի է անտեսել։