Raziskovalno ozadje in nedavne sledi
Vlakna iz silicijevega stekla s trdnim jedrom že dolgo prevladujejo na področju učinkovitega in prilagodljivega optičnega prenosa, zlasti v telekomunikacijah in industriji.laserji.
Pri industrijskih aplikacijah, ki zahtevajo visokozmogljiv laserski prenos, pa se običajna optična vlakna soočajo s številnimi izzivi.
Zaradi nelinearnih procesov, kot so Kerrov učinek, vzbujeno Ramanovo sipanje in omejitve praga poškodb silicijevega stekla, običajna vlakna pogosto niso sposobna prenašati laserjev z visoko močjo, kar močno omejuje dobavljivo gostoto moči.
Pojav vlaken z votlim jedrom (HCF) daje nove ideje za rešitev tega problema. V HCF je več kot 99,99 % vodene svetlobe koncentrirane v osrednjem jedru, napolnjenem z zrakom (ali vakuumom), s čimer se izognejo številnim omejitvam trdnih silicijevih jeder ali običajnih optičnih vlaken.
Leta 2022 je ekipa v Southamptonu v Združenem kraljestvu uspešno demonstrirala prednosti nove zasnove HCF, ki prenaša 1 kW neprekinjene bližnje infrardeče svetlobe skozi dolžino 1 km, kar v celoti prikazuje ogromen potencial te tehnologije.
V najnovejši študiji je skupina dodatno razširila obseg uporabe HCF z uspešnim prenosom 520 nm laserskih impulzov z največjo močjo kilovatov skozi 300-metrski HCF.
Ta preboj ne le razširja zmogljivosti HCF na zelene valovne dolžine, ampak je pomemben tudi za številne industrijske aplikacije.
Vendar se razvoj HCF na vidnih valovnih dolžinah sooča z izzivi izdelave zaradi njihovih majhnih strukturnih značilnosti. Za premagovanje teh izzivov je raziskovalna skupina izvedla obsežno nelinearno študijo dejanskega napihnjenega vlakna z votlim jedrom na dolge razdalje.
Ugotovili so, da so nelinearni učinki HCF bolj izraziti v vidnem območju v primerjavi z infrardečim območjem, kar je pripisano tako zmanjšani velikosti jedra kot krajši delovni valovni dolžini.
Votla vlakna za prenos energije zelenega laserja
HCF, uporabljen v tem delu, uporablja princip protiresonančne vodene svetlobe. Vodena svetloba je omejena z nizom tankih steklenih filmov, ki obdajajo jedro vlakna. Ta zasnova je uresničena z enim samim obročem, ki ga sestavlja sedem kapilar obloge, pri čemer sedem plasti obloge dosega dobro ravnovesje med izgubo, izgubo zaradi upogiba in morfologijo.
Vlakno je bilo izdelano po metodi zlaganja in raztezanja s staljenim kremenčevim steklom Heraeus F300 s premerom jedra približno 20,7 µm in premerom modusnega polja 14,5 µm ter lahko vodi svetlobo od 515 nm do 618 nm z izgube pod 30 dB/km.
Čeprav je poročana dolžina vlakna 300 metrov, je raziskovalna skupina iz Southamptona s tem postopkom uspela proizvesti več kilometrov vlaken.
Vlakno je tudi relativno neobčutljivo na izgubo pri upogibu, ki je manjša od 0,1 dB/m za krivine s premerom večjim od 13 cm pri delovni valovni dolžini 520 nm.
Ta preboj zagotavlja ključno tehnološko podporo za visoko natančno in visoko učinkovito obdelavo materialov, zlasti pri uporabi zelenih laserjev.
V prihodnosti naj bi ta tehnologija igrala pomembno vlogo v panogah, kot je proizvodnja električnih vozil, zlasti v ključnih vidikih, kot je proizvodnja baterij.
