Ερευνητικό Ιστορικό και Πρόσφατοι Δυνατότητες
Οι ίνες γυαλιού πυριτίου συμπαγούς πυρήνα κυριαρχούν εδώ και πολύ καιρό στον τομέα της αποτελεσματικής και ευέλικτης οπτικής μετάδοσης, ειδικά στις τηλεπικοινωνίες και τη βιομηχανίαλέιζερ.
Ωστόσο, για βιομηχανικές εφαρμογές που απαιτούν μετάδοση λέιζερ υψηλής ισχύος, οι συμβατικές οπτικές ίνες αντιμετωπίζουν πολλές προκλήσεις.
Λόγω μη γραμμικών διεργασιών όπως το φαινόμενο Kerr, η διεγερμένη σκέδαση Raman και οι περιορισμοί ορίου βλάβης του γυαλιού πυριτίου, οι συμβατικές ίνες συχνά δεν είναι ικανές να μεταδώσουν λέιζερ υψηλής ισχύος, γεγονός που περιορίζει σημαντικά την παραδοτέα πυκνότητα ισχύος.
Η εμφάνιση ινών κοίλου πυρήνα (HCFs) παρέχει νέες ιδέες για την επίλυση αυτού του προβλήματος. Στα HCF, περισσότερο από το 99,99% του κατευθυνόμενου φωτός συγκεντρώνεται σε έναν κεντρικό πυρήνα γεμάτο αέρα (ή υπό κενό), παρακάμπτοντας πολλούς από τους περιορισμούς των πυρήνων στερεού πυριτίου ή των συμβατικών οπτικών ινών.
Το 2022, μια ομάδα στο Σαουθάμπτον του Ηνωμένου Βασιλείου, επέδειξε με επιτυχία τα πλεονεκτήματα ενός νέου σχεδιασμού HCF, μεταδίδοντας 1 kW συνεχούς κύματος κοντινού υπέρυθρου φωτός σε μήκος 1 χιλιομέτρου, αποδεικνύοντας πλήρως τις τεράστιες δυνατότητες αυτής της τεχνολογίας.
Στην τελευταία μελέτη, η ομάδα επέκτεινε περαιτέρω το εύρος εφαρμογής των HCF μεταδίδοντας επιτυχώς παλμούς λέιζερ 520 nm με μέγιστη ισχύ κιλοβάτ μέσω ενός 300-μετρητή HCF.
Αυτή η ανακάλυψη όχι μόνο επεκτείνει την ικανότητα των HCF σε πράσινα μήκη κύματος, αλλά είναι επίσης σημαντική για πολλές βιομηχανικές εφαρμογές.
Ωστόσο, η ανάπτυξη HCF σε ορατά μήκη κύματος αντιμετωπίζει προκλήσεις κατασκευής λόγω των μικροσκοπικών δομικών χαρακτηριστικών τους. Για να ξεπεράσει αυτές τις προκλήσεις, η ερευνητική ομάδα διεξήγαγε μια ολοκληρωμένη μη γραμμική μελέτη μιας πραγματικής διογκωμένης ίνας κοίλου πυρήνα μεγάλων αποστάσεων.
Βρήκαν ότι οι μη γραμμικές επιδράσεις των HCF είναι πιο έντονες στην ορατή περιοχή σε σύγκριση με την υπέρυθρη περιοχή, η οποία αποδίδεται τόσο στο μειωμένο μέγεθος του πυρήνα όσο και στο μικρότερο μήκος κύματος λειτουργίας.
Ίνες κοίλου πυρήνα για πράσινη μετάδοση ισχύος λέιζερ
Το HCF που χρησιμοποιείται σε αυτή την εργασία χρησιμοποιεί την αρχή του κατευθυνόμενου φωτός κατά του συντονισμού. Το καθοδηγούμενο φως περιορίζεται από μια σειρά λεπτών μεμβρανών γυαλιού που περιβάλλουν τον πυρήνα της ίνας. Αυτός ο σχεδιασμός πραγματοποιείται μέσω ενός μόνο δακτυλίου που αποτελείται από επτά τριχοειδή αγγεία επένδυσης, με τα επτά στρώματα επένδυσης να επιτυγχάνουν μια καλή ισορροπία μεταξύ απώλειας, απώλειας κάμψης και μορφολογίας.
Η ίνα κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας τη μέθοδο stack-and-stretch με λιωμένο πυριτικό γυαλί Heraeus F300, με διάμετρο πυρήνα περίπου 20,7 μm και διάμετρο πεδίου λειτουργίας 14,5 μm, και είναι ικανή να καθοδηγεί φως από 515 nm σε 618 nm με απώλειες κάτω των 30 dB/km.
Αν και το αναφερόμενο μήκος της ίνας είναι 300 μέτρα, η ερευνητική ομάδα του Σαουθάμπτον κατάφερε να παράγει αρκετά χιλιόμετρα ίνας χρησιμοποιώντας τη διαδικασία.
Η ίνα είναι επίσης σχετικά μη ευαίσθητη στην απώλεια κάμψης, η οποία είναι μικρότερη από 0.1 dB/m για κάμψεις με διάμετρο μεγαλύτερη από 13 cm στο μήκος κύματος λειτουργίας 520 nm.
Αυτή η σημαντική ανακάλυψη παρέχει βασική τεχνολογική υποστήριξη για επεξεργασία υλικών υψηλής ακρίβειας και υψηλής απόδοσης, ειδικά στην εφαρμογή πράσινων λέιζερ.
Στο μέλλον, αυτή η τεχνολογία αναμένεται να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο σε βιομηχανίες όπως η κατασκευή ηλεκτρικών οχημάτων, ειδικά σε βασικές πτυχές όπως η παραγωγή μπαταριών.
