Włókna na średnią daleką podczerwień oraz włókna z eliptycznym

Włókna na średnią i daleką
podczerwień, z eliptycznym
rdzeniem oraz typu D
Mid- and Long- Infrared as well as Elliptical Core
and D-shape Fibers
• Wprowadzenie
• Włókna ze szkieł domieszkowanych:
• HMFG
• HMGG
• halogenkowe
• Włókna krystaliczne:
• Polikrystalicznej
• jedno-kryształowe
• Włókna z eliptycznym rdzeniem
• D - włókna
Wprowadzenie
Włókna na podczerwień obejmują materiały umożliwiające transmisje w zakresie fal
od 2 do 20 mm. Historycznie pierwsze włókna powstały w połowie lat 60 ubiegłego
wieku z transparentnych dla IR szkieł tlenkowych (pierwiastki siarki, arszeniku mogą
tworzyć ciemno czerwone szkła transparentne powyżej 2 mm). Włókna te mają
wysokie straty rzędu 10 dB/m oraz duża stratność z powodu 31% fresnelowskiego
odbicia (n=2.3). Zastosowanie militarne dla detektorów MIR i LIR jako ośrodek do
transmisji szerokopasmowej, systemy transmisyjne mocy chirurgicznych laserów na
CO2 . Podział na trzy zasadnicze kategorie włókien szklanych, krystalicznych oraz
dziurowe (omawiane uprzednio – tu inny materiał).
FIG. 1 Główne kategorie włókien na podczerwień wraz z przykładami.
W porównaniu do włókien krzemionkowych
cechuje je wyższa stratność, wyższa
wartość współczynnika załamania oraz
czułość termiczna (dn/dT), niższa temperatura mięknięcia materiału oraz wyższy
współczynnik ekspansji termicznej, często
brak klasycznego płaszcza
FIG. 2 Stratność głównych grup włókien IR.
Włókna ze szkieł domieszkowanych
Włókna na IR zawierają szkła fluorowe domieszkowane metalami ciężkimi HMFG –
heavy metal fluoride glass (na MIR) oraz szkła germanowe domieszkowane
metalami ciężkimi HMGG – heavy metal germanate glass (na LIR). Włokna te nie
zawierają krzemionki a tlenki metali ciężkich celem przesunięcia IR ogona
absorpcyjnego do dłuższych fal. W stosunku do HMFG włókna germanowe mają
wyższa temperaturę topnienia zatem są bardziej odporne na niszczące działanie
wiązki laserowej dużej mocy, jednakże są one bardziej stratne.
WŁÓKNA HMFGs
Ze względu na temperaturę szklenia kilka razy niższą od włókien krzemionkowych
włókna fluorowe, wytwarzane w technologii podobnej do klasycznych włókien,
obecnie są oferowane w dwu wariantach:
FIG. 3 Stratność najlepszych (British Telecom) i typowych (Infrared Fiber System) włókien
ZBLAN w porównaniu do włókien fluoroaluminiowych.
WŁÓKNA HMGGs
Włókna te są desygnowane dla fal powyżej 3 um. Zawierają one kompozycję GeO2
(30-78%)-RO 915-43%)-XO (3-20%), gdzie R oznacza metal ziem alkaicznych, zaś
X – element grupy IIIA. Mają one temperaturę szklenia rzędu 680 deg, duża
wytrzymałość oraz n=1.84.
WŁÓKNA chalogenkowe
Zawierają takie pierwiastki jak As, Ge, Sb, P, Te, Se, S, które ogrzane i mieszane w
środowisku beztlenowym dają stabilne szkła, zaś otrzymane tą drogą włókna IR
znajdują zastosowania w czujnikach chemicznych i temperaturowych oraz
obrazowodach na IR, zaś dla CO2 lasera na 9.3 um pozwalają na transmisję 2.6 W
FIG. 4 Stratność włókna HMGG wytwarzanego przez Infrared Fiber System
FIG. 5 Stratność halogenkowego włókna. A – w strukturze rdzeń/płaszcz Te-Se-As-I. B- bez
płaszcza Te-Se-I
Włókna krystaliczne
Krystaliczne włókna IR są atrakcyjną alternatywą dla szklanych IR włókien, gdyż
większość nietlenkowych krystalicznych materiałów może przenosić dłuższe fale niż
szklane IR włókna, a w przypadku szafiru mają dodatkowe istotne własności
fizyczne. Problem z produkcją gdyż brak obszaru szklistego uniemożliwia użycia
wieży doi ich wyciągania. Włókna te wytwarzane są drogą zmodyfikowanych technik
wzrostu kryształów w których to włókno jest wyciągane z stopionego lub ogrzanego
kryształu do temperatury poniżej punktu mięknięcia a następnie poprzez
zastosowanie wysokich ciśnień.
Istnieją dwa typy włókien krystalicznych:
- Polikrystaliczne (PC) – pierwszy w 1976 KRS-5 (TiBrI) dla militarnych
zastosowań w zakresie > 20 um. Obecnie najlepszy to kryształy halogenku srebra –
stratność 0.3 dB/[email protected] um. Inny to Ag-halogenkowy PC włókno dla
krótkofalowych systemach czujnikowych oraz w pewnych zastosowaniach laserów
niskich mocy. Problemy: stażeniowy wzrost strat, fotoczułość zwiększająca
stratność, corozyjność z wieloma materiałami (czarny płaszcz, konektory z Ti, Au,
ceramicznych materiałow), słabość mechaniczna - tylko naprężenie podłużne do 80
MPa, NIE wolno ich giąć bo się w tych miejscach przełamują..
- Jednokryształowe (SC) dużej mocy, jednakże są one bardziej stratne. Głównie na
bazie szafiru (ekstremalnie twarde i chemicznie obojętny materiał) dla transmisji w
zakresie 0.5-3.2 um, n=1.73, wsp. ekspansji termicznej 10-, zaś moduł Younga 6
krotnie wyższy od krzemionki. 10mW@ 2.94 um Er/YAG laser.(włókno do 2 m, 100
do 300 um średnicy bez płaszcza z pokryciem polimerowym – termotuba teflonowa
FIG. 6 Stratność szafirowego włókna SC wyhodowanego według EFG (edge-defined film-fed
growth) oraz LHPG(laser heated pedestal growth)
Włókna z eliptycznym rdzeniem
To PM włókno, o teoretycznych korzeniach z roku 1961.
FIG. 7 Etapy preformy a) – krzemionkowa tuba,
b) szlifowanie przeciwstawnych powierzchni, c)
naniesienie obniżonego płaszcza oraz rdzenia, d)
próżniowe zaciśnięcie preformy e) ewentualne FIG. 8 Pole elektryczne i rozkład mocy dla
szlifowanie do D kształtu
modów włókna z eliptycznym rdzeniem
Częstotliwość znormalizowana:
Dwójłomność:
Dwójłomność grupowa:
Silnie zależna od długości fali.
Znormalizowana długość fali
odcięcia wyższych modów:
FIG. 9 Znormalizowana dwójłomność włókna z eliptycznym rdzeniem
D- włókno
D-typu PM włókno z eliptycznym
rdzeniem posiada dwie dodatkowe
istotne dla włókien PM właściwości:
1. Dokładną kątową lokalizację osi
dwójłomności,
2. Dostęp do pól optycznych
Elementy na D-włóknie:
- Sprzęgacze polaryzacyjne
- FLM – lustro pętlowe
- Polaryzator
- Sprzęgacz dotykowy (but-coupling)
- Siatki Bragga, ….
FIG. 10 Różne kształty włókien D-typu
FIG. 11 Układ do monitorowania procesu
trawienia płaszcza celem dostępu do rdzenia