Pozadí výzkumu a poslední potenciální zákazníci
Pevná křemičitá skleněná vlákna již dlouho dominují v oblasti efektivního a flexibilního optického přenosu, zejména v telekomunikacích a průmyslulasery.
Pro průmyslové aplikace vyžadující vysoce výkonný laserový přenos však konvenční optická vlákna čelí mnoha výzvám.
Kvůli nelineárním procesům, jako je Kerrův jev, excitovaný Ramanův rozptyl a omezení prahu poškození křemičitého skla, konvenční vlákna často nejsou schopna přenášet vysokovýkonné lasery, což značně omezuje doručitelnou hustotu výkonu.
Vznik dutých vláken (HCF) poskytuje nové nápady, jak tento problém vyřešit. U HCF je více než 99,99 % naváděného světla koncentrováno v centrálním jádru naplněném vzduchem (nebo vakuem), čímž se obchází mnohá omezení pevných křemíkových jader nebo konvenčních optických vláken.
V roce 2022 tým v Southamptonu ve Velké Británii úspěšně demonstroval výhody nového designu HCF, který přenáší 1 kW kontinuálního vlnového blízkého infračerveného světla na délku 1 km, což plně demonstruje obrovský potenciál této technologie.
V nejnovější studii tým dále rozšířil aplikační rozsah HCF úspěšným přenosem 520 nm laserových pulzů se špičkovým výkonem kilowattů přes 300-metr HCF.
Tento průlom nejen rozšiřuje schopnost HCF na zelené vlnové délky, ale je také významný pro mnoho průmyslových aplikací.
Vývoj HCF na viditelných vlnových délkách však čelí výrobním problémům kvůli jejich malým strukturálním rysům. K překonání těchto problémů provedl výzkumný tým komplexní nelineární studii skutečného nafouknutého dutého vlákna s dlouhým jádrem.
Zjistili, že nelineární účinky HCF jsou výraznější ve viditelné oblasti ve srovnání s infračervenou oblastí, což je přičítáno jak zmenšené velikosti jádra, tak kratší provozní vlnové délce.
Dutá vlákna pro přenos energie zeleného laseru
HCF použitý v této práci využívá principu antirezonančně vedeného světla. Naváděné světlo je omezeno řadou tenkých skleněných filmů obklopujících jádro vlákna. Tento design je realizován prostřednictvím jediného prstence sestávajícího ze sedmi plášťových kapilár, přičemž sedm plášťových vrstev dosahuje dobré rovnováhy mezi ztrátou, ztrátou ohybu a morfologií.
Vlákno bylo vyrobeno metodou stack-and-strech s taveným křemičitým sklem Heraeus F300 s průměrem jádra asi 20,7 µm a průměrem modového pole 14,5 µm a je schopno vést světlo od 515 nm do 618 nm s ztráty pod 30 dB/km.
Ačkoli uváděná délka vlákna je 300 metrů, výzkumný tým v Southamptonu dokázal pomocí tohoto procesu vyrobit několik kilometrů vlákna.
Vlákno je také relativně necitlivé na ztrátu ohybem, která je menší než 0,1 dB/m pro ohyby větší než 13 cm v průměru při provozní vlnové délce 520 nm.
Tento průlom poskytuje klíčovou technologickou podporu pro vysoce přesné a vysoce účinné zpracování materiálů, zejména při aplikaci zelených laserů.
V budoucnu se očekává, že tato technologie bude hrát důležitou roli v odvětvích, jako je výroba elektrických vozidel, zejména v klíčových aspektech, jako je výroba baterií.
